Jäätikön massatase

Vuoristojäätiköiden muutokset vuodesta 1970. Vuoristojäätiköt ovat vetäytymässä miltei kaikkialla maailmassa.

Jäätikön massatase kuvaa sitä, kuinka paljon jäätikölle kertyy tai sieltä poistuu jäätä. Se määritellään jäätikön akkumulaation (kuinka paljon jäätä kaikkiaan kertyy) ja ablaation (kuinka paljon sitä poistuu) erotuksena. Massatase voidaan laskea mille tahansa jäätikön pisteelle minä ajanhetkenä hyvänsä, mutta yleensä sillä tarkoitetaan koko jäätikön massan muutosta vuodessa.

Jäätikköjäätä kertyy yleensä jäätikön päälle satavasta lumesta, kun se puristuu jääksi päälle satavien lumimassojen painosta. Lisäksi akkumulaatiota voi tapahtua lumivyöryjen kautta ja huurteena. Ablaatio puolestaan muodostuu jään sulamisesta, sublimoitumisesta, tuulen poistamasta lumesta ja mereen rajoittuvien jäätiköiden tapauksessa jäävuorten poikimisesta. Sekä akkumulaatio että ablaatio tapahtuvat yleensä jäätikön pinnalla jäävuorten poikimista lukuun ottamatta.

Massatase on tärkeä suure ennen kaikkea siksi, että se kertoo jäätikön massan muutoksista ja siten sen tulevaisuudesta. Jos massatase on nolla, jäätikkö on tasapainossa; vastaavasti jos massatase on positiivinen tai negatiivinen, jäätikkö kasvaa tai kutistuu. Varsinkin ilmastonmuutoksesta puhuttaessa jäätiköt ja niiden massatase ovat tärkeä indikaattori, koska ilmastonmuutos vaikuttaa sekä lämpötilaan että sademääriin. Massatase ei kuitenkaan suoraan kerro jäätikön kohtaloa. Epätasapainossa oleva jäätikkö saattaa ajan mittaan saavuttaa tasapainoaseman, koska esimerkiksi massan kasvua kompensoi kiihtyvä sulaminen. Tämän vuoksi pitkäänkään jatkunut negatiivinen massatase ei välttämättä tarkoita sitä, että jäätikkö olisi kokonaan katoamassa. Jäätikkö reagoi massataseen muutoksiin tyypillisesti hitaasti, useiden vuosien viiveellä.

Massatase ilmoitetaan yleensä vesitilavuudeksi muutettuna ja pinta-alaa kohti, jolloin yksikkö on metri. Toinen tapa on ilmaista suoraan massan määrän muutos esimerkiksi tonneina vuodessa. Yksi luku kuvaa koko jäätikköä, toisaalta samalla saadaan tietoa myös massataseen vaihtelusta korkeuden funktiona.

Jäätikkö koostuu akkumulaatio- ja ablaatiovyöhykkeistä, joiden välissä kulkee tasapainolinja. Akkumulaatiovyöhykkeellä akkumulaatio on ablaatiota suurempaa, ablaatiovyöhykkeellä päinvastoin. Jäätikön paksuus tietyssä kohdassa vaihtelee ajan mittaan. Tietyssä jäätikön pisteessä massatase määritetään tasapainovuoden yli, joka on kahden peräkkäisen paksuusminimin välinen ajanjakso. Tasapainovuosi voidaan edelleen jakaa talvi- ja kesäkausiin, joita erottaa paksuuden maksimi. Sen pituus ei välttämättä ole sama jäätikön eri pisteissä, mikä aiheuttaa epätarkkuutta mittauksiin. Yleensä mittaukset toistetaan jäätiköllä tiettyinä kalenteripäivinä, jolloin mittausvuosi ei täysin vastaa tasapainovuotta. Massataseeseen vaikuttaa myös se, onko jää puhdasta vai onko sen pinnalla esimerkiksi soraa tai kiviä.

Massataseen määrittäminen

Lumikerrostumien mittaamista halkeaman avulla. Easton Glacier, North Cascades.

Jäätikön massataseen selvittämiseksi pitää tuntea lumimäärä, joka jäätikölle kertyy talven aikana, sekä sulamiskauden aikana poistuneen lumen ja jään määrä. Massatasetta voidaan mitata käsipelillä keppien ja lumikuoppien avulla, mutta tämä on työläs tapa ja antaa vain pistemäisiä arvoja. Tehokkaampia keinoja ovat kaukokartoitusmenetelmät, esimerkiksi jäätikön profiilin laser- tai tutkakartoitus.

Lumikuopat ja -sauvat

Massataseen määrittämiseksi tulee akkumulaatiovyöhykkeellä mitata edellisen kesäkauden jälkeen kerrostuneen lumen paksuus lumikuopan tai jäätikössä olevan halkeaman avulla. Jäätikölle satava lumi muodostaa selvästi erottuvia kerroksia puiden vuosirenkaiden tapaan. Edellisen kesän pinta voi erottua esimerkiksi tiheyserona, syvän kuuran kerroksena, lumirakeiden kokoerona tai likaisempana kerroksena. Riittää, että lumikuoppa kaivetaan edellisvuoden lumikerrokseen saakka. Jäätikössä olevan halkeaman seinämästä puolestaan voidaan nähdä suoraan kertyneen lumen vuosikerrokset ja mitata niiden paksuus. Etuna on se, että mittaustuloksia saadaan laajemmalta (kaksiulotteiselta) alueelta kuin pistemäisessä lumikuoppamittauksessa. Tällä tavoin voidaan tarkastella myös syvemmällä olevia lumikerroksia.

Lapioinnin sijaan syvyys voidaan määrittää myös luotaamalla, mutta tämä ei toimi jäätiköillä, joilla pinnan sulamisvesi valuu alaspäin muodostaen jäälinssejä. Jäälinssien muodostuminen vaikeuttaa myös lumikuoppamittauksia, koska sulamisvesi on saattanut valua alempien vuosien kerroksiin ja jäätyä sinne. Tämän estämiseksi mittauspisteeseen voidaan tasapainovuoden lopussa asettaa juuri pinnan alapuolelle alusta, joka estää veden valumisen alemmas. Kertyneen lumen vesiarvon määrittämiseksi pitää lisäksi tuntea lumen tiheys.

Akkumulaation lisäksi tulee mitata ablaatiovyöhykkeeltä poistuneen jään määrä. Koska ablaatio tapahtuu jäätikön pinnalla, sitä voidaan mitata jäätikköön työnnettyjen sauvojen avulla. Sauva työnnetään sulamiskauden alussa tai edellisen sulamiskauden lopussa pystysuoraan jäätikköön, ja sen näkyvän osan pituus mitataan tasapainovuoden alussa ja lopussa. Edelleen on tunnettava lumen tiheys. Sauvat eivät ole kovin pitkäikäisiä, joten ne pitää tyypillisesti uusia vuosittain. Jäävuoria poikivilla jäätiköillä myös poikimisen määrä on arvioitava. Tämän vuoksi tarvitaan tietoa jäätikön nopeudesta ja paksuudesta lähellä ablaatiovyöhykkeen päätepistettä. Sauvamenetelmää voidaan käyttää myös akkumulaation määrittämiseen, mikäli lumikuoppamenetelmä ei ole mahdollinen esimerkiksi sekavan kerrosrakenteen vuoksi. Perinteinen menetelmä soveltuu huonosti kivien tai soran peittämille jäätiköille sekä nopeasti virtaaville ja halkeilleille jääputouksille.

Hydrologinen menetelmä

Jäätikön massatasetta voidaan arvioida myös tarkastelemalla vesivirtoja jäätikön valuma-alueelle ja sieltä pois. Näin voidaan määrittää ainoastaan koko jäätikön nettotase. Massataseen määrittämiseksi täytyy tuntea kokonaisvaluma pois alueelta (R) sekä valuma-alueen sademäärä (P) ja haihdunta (E). Näin saadaan nettotase

B_n = P – R – E

Vaikka kaikki nämä termit onnistuttaisiinkin mittaamaan tarkasti, menetelmä ei ole kovin hyvä arvioitaessa jäätikön massatasetta varsinkaan lyhyillä aikaväleillä, koska vettä voi varastoitua jäätikölle muuallekin kuin jäätikköjääksi. Suuntaa antavia tuloksia sillä voidaan saada muiden havaintojen tueksi.

Kaukokartoitusmenetelmät

Koska massataseen suoraan mittaamiseen liittyy paljon hankaluuksia, on sen mittaamiseksi yritetty kehittää kätevämpiä menetelmiä. Jäätiköistä voidaan saada tietoa lentokoneiden ja satelliittien ottamista ilmakuvista, jolloin etuna on tietysti laajojen ja luoksepääsemättömien alueiden tehokas kartoittaminen. Eri ajanhetkinä otettuja kuvia vertaamalla voidaan selvittää jäätikön virtausnopeutta ja pinnankorkeutta. Satelliittikuvien avulla voidaan saada tietoa muun muassa jäätikön pinta-alan muutoksista sekä sen loppupään (terminus) ja tasapainolinjan sijainnista.

Kenttämittausten avulla kalibroituna satelliittikuvista voidaan arvioida massataseen muutoksia. Esimerkiksi jos massatase on kääntymässä negatiiviseksi, jäätikkö saattaa alkaa ohentua ja vetäytyä, ja sen ablaatioalue kasvaa eli tasapainolinja nousee ylemmäksi. Tällaisia muutoksia voidaan usein seurata satelliittien avulla. Kenttämittauksia tarvitaan massataseen tarkkaan arviointiin, mutta menetelmän työläyden vuoksi tällä tavoin ei saada säännöllisesti tutkittua kuin muutama jäätikkö.

Tärkeimmät anturit, joita käytetään pienten jäätiköiden tarkkailemiseen ovat Landsat-satelliittien näkyvän valon ja infrapuna-alueen anturit. Landsat-satelliittien kuvia on ollut käytössä vuodesta 1972 alkaen. Lisäksi jäätikkötutkimuksessa on voitu hyödyntää eri satelliittien SAR-tutkilla (Synthetic Aperture Radar) saatua dataa, jota on ollut saatavilla vuodesta 1991 lähtien. Massatase voidaan laskea, jos tunnetaan muutokset pinnankorkeudessa, horisontaaliset ja vertikaaliset pinnannopeudet ja pinnan kaltevuus. Nämä kaikki voidaan mitata ilmasta käsin.

Jäätikön profiili eli sen pinnan korkeus tiettyä linjaa pitkin voidaan mitata lentokoneesta tai satelliitista tutka- tai laserkorkeusmittarin ja GPS-paikantimen avulla. Kahta tällaista tasapainovuoden lopussa tehtyä mittausta vertaamalla saadaan jäätikön paksuuden vaihtelu, josta edelleen voidaan määrittää tilavuuden muutos ja massatase käyttämällä sopivia arvioita lumen ja jään tiheydelle. Koska vuosittaiset muutokset jäätikön paksuudessa ovat tyypillisesti vain muutamia kymmeniä senttejä, menetelmä vaatii toimiakseen mittauksilta varsin suurta tarkkuutta. Edellytykset tällaisten mittausten suorittamiseen paranevatkin jatkuvasti. On myös oletettava, että tiheysjakauma syvyyden suhteen ei vaihtele ajan mittaan, ja tämä oletus voi olla kyseenalainen lähellä tasapainolinjaa.

Satelliittien avulla voidaan erottaa jäätiköltä erityyppisiä vyöhykkeitä, joita ovat esimerkiksi märän lumen vyöhyke ja päällysjään vyöhyke. Päällysjään vyöhykkeellä sulaminen on niin voimakasta, että jäätikön pinnalle muodostuu sulavesistä jäätymällä yhtenäinen jäämassa (superimposed ice). Niiden välissä kulkee lumiraja, joka karkeasti ottaen yhtyy jäätikön tasapainolinjaan sulamiskauden lopulla. Tämän linjan sijainnista voidaan päätellä jotain jäätikön massataseesta: nyrkkisääntö on, että jos akkumulaatiovyöhyke muodostaa 70 % koko jäätikön pinta-alasta, massatase on suunnilleen nolla. Tasapainolinjan korkeuden vaihtelut kertovat suoraan massataseen vaihteluista. Matalalla oleva selvä lumiraja kertoo taseen olevan todennäköisesti positiivinen, korkea ja selvä lumiraja puolestaan, että akkumulaatio on lisääntynyt monen negatiivisen taseen vuoden jälkeen. Jos lumirajan ja tasapainolinjan välissä on sulamisvesistä muodostunutta jäätä, kuten on laita arktisilla jäätiköillä, tasapainolinjan määrittämiseksi ei ole mitään helppoa tapaa.

Massataseen merkitys

Easton Glacier on monien muiden vuoristojäätiköiden tavoin vetäytymässä. Kuvaan on merkitty jäätikön laajuus vuonna 1985.

Jäätiköt ovat todella tärkeitä ilmastonmuutoksen indikaattoreita. Ne reagoivat paikallisen ilmaston muutokseen tyypillisesti vuosikymmenten aikaskaalassa. Siksi on tärkeää tuntea se, miten jäätiköt reagoivat ilmaston lämpenemiseen. Vuoristojäätiköt ovat pienenemässä miltei kaikkialla maailmassa joitakin poikkeustapauksia lukuun ottamatta, mitä pidetään yleisesti osoituksena ilmaston lämpenemisestä.

Massataseella on myös muuta, konkreettisempaa merkitystä kuin ilmastotutkimus. Jäätikön sulamisvesistä muodostuvat virrat ovat monissa maissa vesivoiman lähde, esimerkiksi Norjassa ja Alpeilla. Erityisesti monet Keski-Aasian maat ovat juoma- ja kasteluvetensä saannin suhteen riippuvaisia jäätiköiden sulamisvesistä. Jäätiköiden sulamisen estämiseksi niitä on jopa peitelty muovilla esimerkiksi Alpeilla, jossa jäätiköt ovat turismin kannalta tärkeitä.

Mannerjäätiköiden massatase

Suurten mannerjäätiköiden – Antarktiksen ja Grönlannin – massataseen arvioiminen olisi ensiarvoisen tärkeää ilmastonmuutoksen vaikutuksia ennakoitaessa. Ennen kaikkea tarvitaan tietoa pitkän aikavälin massataseesta, mutta senkin arvioiminen on hankalaa. Näin suuret jäätiköt reagoivat massataseen muutoksiin hyvin hitaasti, jopa vuosisatojen tai -tuhansien aikaskaalassa. Siksi muutokset jäätikön pinta-alassa eivät välttämättä kerro mitään nykyisen massataseen muutoksista.

Esimerkiksi Antarktiksen sademäärät tunnetaan melko hyvin, mutta ablaation määrittäminen on ongelmallisempaa. Sulamista on miltei mahdotonta arvioida, koska jäätikkö ulottuu mereen asti eli sulaa suoraan mereen. Mantereen keskellä tapahtuva sulaminen on merkityksettömän pientä. Eräs tapa arvioida sulamista on rajata jäätikkö siihen kohtaan, jossa jää alkaa kellua, ja määrittää jäätikön nopeudesta ja paksuuden vaihtelusta rajan yli siirtyvän jään määrä. Tällöin jäävuorten poikimista ei tarvitse huomioida. Toinen tapa on arvioida jäävuorten määrää ja sulamista jäätikköhyllyjen pohjasta. Tutkimuksista on saatu vaihtelevia tuloksia, eikä mannerjäätiköiden massataseesta ole vielä täyttä varmuutta. Ablaatiota voidaan arvioida myös mittaamalla jäätikön paksuutta esimerkiksi kaikuluotaamalla, mutta tällöin vaaditaan huomattavaa tarkkuutta ja mittauspisteet on valittava edustavasti.

Lähteet

• Aber, James & Albert. Klein (1997): Landsat 7 Glacier Inventory
• Bentley, Charles (1993): Antarctic Mass Balance and sea Level Change. Eos Vol. 74, No. 50, s. 585–6. ([1])
• Kohler, Jack: NPI Glacier Mass Balance Measurements in Ny-Ålesund. Norwegian Polar Institute. ([2])
• Kääb, Andreas (2001): Photogrammetric reconstruction of glacier mass-balance using a kinematic ice-flow model. A 20-year time series on Grubengletscher, Swiss Alps. Annals of Glaciology. 31. 45-52. ([3])
• König, Max; Jan-Gunnar Winther & Elisabeth Isaksson (2001): Measuring Snow and Glacier Ice Properties from Satellite. Reviews of Geophysics 1/2001, s. 1–28
• Paterson, W.S.B.: The Physics of Glaciers, s. 42–57. Butterworth-Heinemann, 1994. ISBN 0-7506-4742-6.
• Pelto, Mauri: The Impact of Sampling Density on Glacier Mass Balance Determination ([4])
• Pelto, Mauri (1996): Annual Net Balance of North Cascade Glaciers. Journal of Glaciology vol. 42 No. 142. ([5])
• Pelto, Mauri (2006): Glacier Mass Balance. North Cascade Glacier Climate Project.
• Williams, Richard; James Garvin, Oddur Sigurðsson, Dorothy Hall & Jane Ferrigno (2002): Measurement of Changes in the Area and Volume of the Earth's Large Glaciers with Satellite Sensors ([6])