Maanalaiset lämpötilamittaukset pintalämpötilan indikaattorina – osa 1

Syvältä maanpinnan alta mitattuja lämpötiloja voidaan käyttää indikoimaan maanpinnan lämpötiloja eri aikoina. Vaikka mittaukset tehdään lämpömittareilla, niitä ei voi sanoa suoriksi lämpötilan mittauksiksi ainakaan pintalämpötilan osalta, koska niissä mitataan pintalämpötilan seurausta, eikä suoraan pintalämpötilaa. Kun maanpinnan lämpötila muuttuu, muutos näkyy maanpinnan kanssa välittömästi kontaktissa olevassa maa-aineksessa. Pinnan maa-aineksen lämpötilan muutokset siirtyvät syvemmälle lämmönjohtumisen välityksellä. Niinpä syvemmällä näkyy sama lämpötilan muutos kuin pinnalla, mutta hiukan myöhemmin. Lämpötilanmuutoksen tunkeutuminen syvälle maahan kestää kauan; muutoksen näkyminen muutaman sadan metrin syvyydellä kestää satoja vuosia. Tämän vuoksi maan syvyyksissä on tallentuneena Maapallon pintalämpötila pitkältä ajalta. Se tarvitsee vain mitata sieltä. Tässä kirjoituksessa on käytetty pääasiallisena lähteenä katselmusartikkelia Pollack & Huang (2000), jonka rakennetta ja sisältöä tässä kirjoituksessa seurataan läheisesti. Paljon jäi myös sanomatta, joten kehotan asiasta kiinnostuneita tutustumaan mahdollisuuksien mukaan heidän artikkeliinsa.

Historialliset lähtökohdat

Pintalämpötilan näkyminen maan syvyyksissä ymmärrettiin jo 1900-luvun alkupuolella. Aluksi mittaukset tehtiin kaivoksissa tavoitteena selvittää jääkausiin liittyviä ajoituksia. Hotchkiss & Ingersoll (1934) kirjoittavat tiivistelmässään:

Jääkauden aikaisen jääpeitteen vetäytymisen joitakin tuhansia vuosia sitten ja sitä seuranneiden pitkäkestoisten pintalämpötilan vaihteluiden on melkein varmasti täytynyt jättää merkkinsä geotermiseen käyrään. On yritetty löytää sellainen vaikutus ja tulkita siitä menneet pintalämpötilat suorittamalla matemaattinen analyysi sarjalle geotermisiä mittauksia, jotka on tehty hiljattain Calumetin ja Heclan konglomeraattikaivoksessa. Tulokset osoittavat, että jääkausi loppui tällä alueella 20 000 – 30 000 vuotta sitten, ja että sitä seurasi jakso, jolloin maalämpötila oli selvästi lämpimämpi kuin nykyään. Tätä seurasi vuorostaan viileämpi jakso, jota kesti melkein viime aikoihin asti.

Sittemmin ruvettiin käyttämään myös porausreikiä, kuten Beck & Judge (1969):

600 m syvästä timanttiporalla tehdystä porausreiästä tehtyjä lämpövirtamittauksia on käytetty arvioinnissa, kuinka lyhyt pätkä porausreikää antaa kunnollisen lämpövirta-arvon, Mittauksia on myös käytetty viimeaikaisen ja historiallisten ilmastonmuutosten tutkimiseen, maanalaisten vesivirtojen tutkimiseen ja maanpäällisen lämpövirran vaihtelun tutkimiseen syvyyden mukaan. Lämpötiloja mitattiin toistuvasti kolmen metrin välein; lämmönjohtavuus, tiheys ja huokoisuus mitattiin noin neljän metrin välein koko reiän matkalta. Keskimääräinen lämpövirta koko porausreiälle ennen korjauksia on 0,76 h.f.u. ja kun arvo on korjattu Wisconsinin jäätiköitymisen suhteen, arvo on 1,17 h.f.u., mutta molemmissa tapauksissa jotkut 30-100 metrin osuudet porausreiässä poikkeavat ±20 prosenttia keskiarvoista. Poikkeamia ei voi kokonaan selittää rakenteesta, pinnanmuodoista, ilmastonmuutoksista tai maanalaisista vesivirroista johtuviksi.

(Yllä olevassa tiivistelmässä mainittu ”h.f.u.” on ”heat flow unit” eli lämmönvirtausyksikkö ja 1 h.f.u = 41.8 mW/m2.)

Cermak (1971) tekikin sitten jo perusteellisen pintalämpötilan rekonstruktion kahden porausreiän mittauksista:

On huomattavasti todisteita eri tutkimusaloilta, että Maapallon ilmasto on kokenut merkittäviä muutoksia jopa viimeisen tuhannen vuoden aikana. Maanpinnan lämpötilan muutoksen vaikutus voi säilyä jopa satojen metrien syvyydessä maanpinnan alla. … Mikä tahansa muutos pinnalla etenee alaspäin ja tässä osoitetaan, että yksityiskohtaista lämpötilan mittaussarjaa syvyyden mukaan voidaan käyttää menneen ilmastohistorian seuraamiseen. Teoriaa ilmastollisesta korjauksesta lämpövirtaan käytetään ja mittaukset otetaan kahdesta porausreiästä Koillis-Ontariossa. Analyysin jälkeen havaittiin mitatun maanalaisen lämpötilan vahvistavan selvästi, että vuosien 1100-1200 paikkeilla oli muutaman sadan vuoden kestoinen huomattavan lämmin ilmasto, ja että vuoden 1500 jälkeen alkoi kylmempi jakso.

Molemmat näistä viimeaikaisista ääri-ilmastoista, joille on annettu nimet ”pieni ilmasto-optimi” [=keskiajan lämpöjakso] ja ”pieni jääkausi”, ovat selvästi näytetty toteen, mutta niiden lämpötilavaihtelujen voimakkuus on epävarma.
Keskimääräisen vuotuisen ilman lämpötilan ja pintalämpötilan (maanpinnan) suhde riippuu paljon sateisuuden luonteesta ja lumipeitteen ajallisesta kestosta. Pintalämpötilan vaihteluiden lasketut suuruudet todennäköisesti vastaavat vähimmäismuutoksia vuotuisessa ilman lämpötilassa, joka on saattanut vaihdella enemmänkin. Esitetyt tulokset osoittavat Kapuskasingin alueelle, että pienen ilmasto-optimin pintalämpötila oli vähintään 1,5°C korkeampi kuin vertailuarvo; keskimääräinen lämpötila pienen jääkauden aikana oli noin 1°C alle tämän vertailuarvon. Huomattava lämpeneminen noin vuodesta 1850 lähtien saavuttaa päälle 3°C:n arvon.

Viimein Lachenbruch & Marshall (1986) ehdottivat, että viimeaikainen ilmastonmuutos saattaa jo näkyä maanalaisissa lämpötilamittauksissa:

Pohjoisimman Alaskan ikiroudasta mitatuissa lämpötilaprofiileissa näkyy yleensä poikkeava käyrä suunnilleen ylimmän 100 metrin matkalla. Kun niitä analysoidaan lämmönjohtoteorian avulla, profiilit osoittavat vaihtelevaa, mutta laaja-alaista ikiroudan pinnan lämpenemistä ajan myötä lämpenemisen ollessa yleensä 2-4 celsiusasteen välillä viimeisten muutaman vuosikymmenen aikana. Vaikka ilmastonmuutoksen yksityiskohtia ei voikaan erottaa olemassaolevasta datasta, ei ole paljon epäilystä sen yleisestä suuruudesta ja ajoituksesta; vaihtoehtoisia selityksiä rajoittaa se tosiasia, että lämmönsiirto kylmässä ikiroudassa tapahtuu ainoastaan johtumalla. Koska kasvihuonelämpenemisen mallit ennustavat ilmastonmuutoksen olevan suurinta arktisella alueella ja saattaa olla jo tapahtumassa, on järkevää yrittää ymmärtää tämän alueen nopeasti muuttuvaa lämpötaloutta.


Kuva 1. Maanalaisia lämpötilaprofiilien mittauspaikkoja. Kuvan kartta on peräisin NOAA Paleoclimatology -sivustosta.

Maanalaiset lämpötilamittaukset

On monia tapoja mitata maanalaisia lämpötiloja. Voidaan laskea yksi mittari porausreikään ja ottaa siitä lukema eri korkeuksilta. Ottamalla tarpeeksi lukemia eri korkeuksilta, saadaan aikaiseksi porausreiän lämpötilaprofiili. Toinen vastaava tapa on laskea porausreikään kaapeli, jossa on paljon lämpötila-antureita. Näin saadaan myös mitatuksi porausreiän lämpötilaprofiili. Jälkimmäistä tapaa käyttämällä saadaan kuitenkin aikaiseksi vielä enemmän; jättämällä kaapeli monine antureineen porausreikään pitkäksi aikaa, voidaan lämpötilaprofiilin kehitystä seurata ajan kuluessa. Lähempänä pintaa voidaan myös haudata anturit suoraan maa-ainekseen. Lisäksi voidaan hyödyntää kaivoksia poraamalla anturit kaivoksen seinämistä syvemmälle kallioon. Nykyisten yksittäisten mittausten tarkkuus on parempi kuin celsiusasteen sadasosa.

Lämpötilamittauksia on tehty tuhansille porausrei’ille. Niistä saatu data ei kuitenkaan ole kovin hyvin yhteensopivaa, koska niissä on käytetty erilaisia mittausmenetelmiä, mittaukset on otettu erilaisilla mittausväleillä ja mittauspaikkojen olosuhteet ovat osittain huonosti tiedossa. Hyvänlaatuisia mittauksia on kuitenkin tarpeeksi lämpötilarekonstuktioiden tekemiseen monin paikoin ympäri maailmaa. Porausreikämittausten lisäksi on olemassa paljon mittaustietoja muilta tutkimusaloilta (maaperän tutkimus yms.), jolloin mittaukset on yleensä tehty lähempänä maanpintaa. Tyypillisesti näiden mittauksien syvyydet vaihtelevat muutamasta senttimetristä muutamaan kymmeneen metriin (kun taas porausreikien syvyydet ovat yleensä monia satoja metrejä). Hyvä puoli näissä mittauksissa on se, että yleensä niiden yhteydessä on myös mitattu paljon muita asioita (pinnan lämpötilaa, maaperän kosteutta jne.), joten mittauspaikan olosuhteet ovat hyvin tiedossa.

Mittauksista on saatu selville, että lämpötilan päivittäinen vaihtelu näkyy noin kahden metrin syvyydelle asti ja lämpötilan vuotuinen vaihtelu näkyy 20 metrin syvyydelle asti. Nopeat lämpötilan vaihtelut eivät siis välity kovin syvälle, joten porausrei’istä tehdyt lämpötilarekonstruktiot eivät näytä lämpötilan nopeita vaihteluita, vaan ne näyttävät kuinka lämpötila on vaihdellut vuosikymmenien ja vuosisatojen aikana.

Mittauksiin vaikuttavia häiriötekijöitä on paljon. Pinnan muodot, kasvillisuus ja vesiolosuhteet vaikuttavat myös maanalaiseen lämpötilaan. Maan alla lämpötilaprofiilia häiritsevät pohjaveden liikkeet. Historialliset muutokset missä tahansa näissä tekijöissä voi saada lämpötilaprofiilin näyttämään virheellisesti ilmaston muuttumista. Häiritseviä tekijöitä on tutkittu paljon, mutta varsinkin yksittäisen paikan pintalämpötilan rekonstruktiossa häiritsevät tekijät aiheuttavat paljon epävarmuutta.

Jatkuu osassa 2.

Lähteet

Beck & Judge (1969), ”Analysis of Heat Flow Data—I Detailed Observations in a Single Borehole”, Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society, Volume 18 Issue 2, Pages 145 – 158, doi: 10.1111/j.1365-246X.1969.tb03558.x, [tiivistelmä]

Cermak (1971), ”Analysis of Heat Flow Data—I Detailed Observations in a Single Borehole”, Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, Volume 10, Issue 1, July 1971, Pages 1-19, doi:10.1016/0031-0182(71)90043-5, [tiivistelmä]

Hotchkiss & Ingersoll (1934), ”Postglacial Time Calculations from Recent Geothermal Measurements in the Calumet Copper Mines”, The Journal of Geology, Vol. 42, No. 2 (Feb. – Mar., 1934), pp. 113-122, [tiivistelmä]

Lachenbruch & Marshall (1986), ”Geothermal Evidence from Permafrost in the Alaskan Arctic”, Science 7 November 1986:
Vol. 234. no. 4777, pp. 689 – 696, DOI: 10.1126/science.234.4777.689, [tiivistelmä]

Pollack & Huang (2000), ”Climate Reconstruction from Subsurface Temperatures”, Annual Review of Earth and Planetary Sciences, Vol. 28: 339-365, doi:10.1146/annurev.earth.28.1.339, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Advertisements

2 vastausta to “Maanalaiset lämpötilamittaukset pintalämpötilan indikaattorina – osa 1”

  1. Outi Ugas Says:

    Laittakaa fanisivu facebookiin niin saa hienoa blogianne, vai pitäiskö sanoa artikkelikokoelmaanne, mainostettua sielläkin!

  2. Ari Jokimäki Says:

    Kiitoksia vinkistä, yritetään järjestää asia. 🙂


Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: