Browsing by discipline "Geophysics"

Studying and modelling the snow distribution processes is important because snow influences the ground, flora, and fauna by affecting among other things the energy balance both in large and small scales and the near-surface atmospheric conditions due to its highly reflective and insulating properties. The aim of the study was to use the spatially distributed high-resolution snow-evolution modelling system SnowModel to simulate the snow conditions in winter 2015-2016 in the Saariselkä region in Northern Finland and assess the model's performance. SnowModel has not been used to study a domain in Finland before, and the model gives information about variables that are hardly measured in Finland, such as snow sublimation. The simulations were first run without snow water equivalent assimilation and then assimilating the available snow water equivalent (SWE) observations. The simulation results show that in the default mode the model needs assimilation and SWE observations, preferably more frequent observations towards the spring, to produce physically sensible results. The domain averaged simulated end-of-winter maximum SWE value of 220 mm was reached on 21 April 2016. The simulated SWE patterns match with known elevation and vegetation dependencies. Timing of the first snow, the beginning of the snow season and the end-of-winter SWE are simulated well, whereas the melt and the snowfree date depend on the amount of snow. The assimilation run suggests that the needed summed precipitation is as much as 18 % larger than the observed increasing towards the northeast. Similarly, the simulated summed melt reaches locally up to 70 % larger values compared to the non-assimilation run. Blowing-snow sublimation takes place in open areas and its simulated summed value is up to 27 mm. Simulated static-surface sublimation varies between 4-22 mm. The simulated sublimation from the canopy-intercepted snow peaks at 110 mm. Up to 16 % of the precipitation is returned to the atmosphere by sublimation. The simulation results could be improved by utilizing more detailed data of the study domain and modifying the hard-coded variables to suit the surroundings, which could in turn decrease the need for assimilating SWE observations.

Carbon dioxide is a key compound both in climate change and marine biological productivity. In the oceans, the sea-air exchange of carbon dioxide is driven by large-scale currents and changes in solubility, whereas in coastal seas, such as the Baltic Sea, biological activity has a significant effect on the aquatic carbonate system. However, direct measurements of the sea-air exchange of carbon dioxide are difficult to carry out due to the small magnitude of the fluxes, waves, sea ice and sea spray that influence sensitive instruments. Eddy covariance method is a widely used direct method for measuring the fluxes of carbon dioxide. The sea-air fluxes of carbon dioxide are also commonly calculated using a parametrization based on wind speed. Finnish Marine Institute in collaboration with Finnish Environment Institute began to construct a new atmospheric and marine research station on Utö in the Archipelago Sea in 2012. The objective of this study is to determine the suitability of the new station to measure air-sea exchange of carbon dioxide and aquatic carbonate system. The air-sea fluxes of carbon dioxide were measured with three infrared gas analyzer set-ups during October-December 2016, and the fluxes were also calculated using a parametrization of gas transfer velocity. The aquatic carbonate system of the surface water during July-October 2016 was studied using dissolved carbon dioxide concentration and pH of the seawater measured in a flow-through pumping system. The dissolved carbon dioxide concentration was measured by using an equilibration chamber together with an infrared gas analyzer. The micrometeorological tower erected on the shore can be applied for measuring the sea-air fluxes of carbon dioxide in an open sea wind sector, which was determined based on the roughness length. The closed-path infrared gas analyzer (Licor LI-7000) works well in the hard coastal conditions, whereas an open-path analyzer (Licor LI-7500) had difficulties in measuring fluxes during showers and high relative humidity. The Pearson correlation coefficient between the fluxes measured with two closed-path gas analyzer set-ups was 0.91. The flux calculated using a parametrization of gas transfer velocity showed only a small correlation with the measured flux, with a Pearson correlation coefficient of 0.13. The flow-through pumping system can be used to calculate the components of the aquatic inorganic carbonate system. The measured pH was linked to the dissolved carbon dioxide concentration of the sea water. Additionally, it was discovered that the LI-7000 is sensitive to changes in instrument temperature.

Keväällä auringonsäteilyn lisääntyessä alkaa jääpeitteisillä järvillä sulamiskausi, jolloin ensin lumi ja sen jälkeen jääkansi sulavat. Lumeton jää läpäisee jonkin verran auringonsäteilyn näkyvää valoa, joka lämmittää jään alla olevaa vettä ja aiheuttaa siten epästabiilin tiheyskerrostuneisuuden sekä konvektiivisen sekoittumisen alkamisen. Koska jäätyvien järvien jääpeitekauden kesto on lyhentynyt edellisen vuosisadan aikana, mikä voi vaikuttaa esimerkiksi arktisten maa-alueiden ilmastoon ja järvien ekologiaan, tarvitaan jäidenlähdön ja järvien sulamiskauden fysikaalisten prosessien tutkimusta, jotta veden, jään ja ilmakehän välinen vuorovaikutus ymmärrettäisiin ja voitaisiin mallintaa paremmin. Kilpisjärvi (69 03'N 20 50'E) on Suomen Käsivarren Lapissa sijaitseva arktinen tundra-järvi. Sen jäätalvi kestää tavallisesti marraskuusta kesäkuuhun, ja järven jää saavuttaa vuosittain noin 90 cm paksuuden. Keväällä 2013 tehtiin Kilpisjärvelle kenttämatka, jonka tavoitteena oli tutkia arktisten järvien fysikaalisia prosesseja sulamiskaudella, ja jonka aikana kerättyjä mittauksia jään ominaisuuksista sekä veden lämpötilasta analysoidaan tässä tutkielmassa. Kilpisjärvellä havainnoitiin jään sulamista ja mitattiin jään läpi tunkeutuvan PAR-säteilyn määrää sekä tutkittiin järven jäästä otetusta näytteestä kiderakennetta. Järveen asennetut termistoriketjut mittasivat veden lämpötilan kehitystä järven eri syvyyksillä, ja CTD-luotauksilla seurattiin lämpötilan alueellista vaihtelua järven eri osissa sekä säteilyn vaimenemista vesirungossa. Helsingin Yliopiston Kilpisjärven biologiselta asemalta ja Ilmatieteenlaitoksen Kilpisjärven kyläkeskuksen sääasemalta saatiin lisäksi säätietoja, joiden perusteella laskettiin jään lämpötase. Kenttäjakson aikana 25.5.-4.6. Kilpisjärvellä vallitsivat poikkeukselliset olosuhteet, sillä korkeimmillaan ilman lämpötila kohosi +25 Celsiusasteeseen. Järven jää suli nopeasti 4-5 cm vuorokaudessa, mikä johti aikaiseen jäidenlähtöön 3. kesäkuuta. Vaikka lämpötasetta hallitsi auringonsäteily, olivat myös havaittavan lämmön vuo ja pitkäaaltoisen säteilyn netto jäätä lämmittäviä tekijöitä. Pelkästään kohvajäästä koostuvan jään läpäisykyky oli korkea, 0,6-0,9, ja valon vaimenemiskertoimelle saatiin arvoja väliltä 0,2 m−1 ja 0,8 m−1. Jään alla irradianssin taso oli keskimäärin 155 W m−2, ja tämä lämmitysteho aiheutti veden lämpötilan nopean kasvun jään alla jo ennen jäidenlähtöä. Alueellinen vaihtelu oli kuitenkin selkeä, sillä litoraalialueet lämpenivät nopeammin kuin pelagiaalialueet. Tutkimus osoitti, että lähellä jäidenlähtöä auringonsäteily on merkittävin vettä lämmittävä tekijä, jolloin sen ajama konvektio aiheuttaa veden tehokkaan sekoittumisen. Jään läpäisseen säteilyn määrä ja veden lämpeneminen vaihtelevat kuitenkin todennäköisesti järven eri osien välillä epähomogeenisen jääpeitteen takia, mistä voi seurata tiheyserojen ajamien konvektiivisten solujen syntyminen ja siten monimutkainen virtausrakenne jään alla. Tästä ei saatu havaintoja käytetyillä menetelmillä, joten vastaavissa myöhemmissä tutkimuksissa olisi mittaukset suunniteltava kattamaan laajempi alue järveä.

The Kara Sea is part of the seasonal sea ice zone in the Arctic, where the warming climate is rapidly changing the sea ice regime. The warm Atlantic water transported through the Barents Sea has a strong influence on the ice conditions in the northern Kara Sea. In this thesis, trends and interannual variability in sea ice conditions in the Kara Sea area studied. For this purpose, coupled sea ice-ocean model NEMO-LIM3 and sea ice concentration datasets derived from passive microwave satellite observations (SMMR, SSM/I and SSMIS) are used. Additionally, the model performance is assessed by comparing its output with the observations. The ice coverage examined in regional and local scales shows negative trends in all months in 1978-2015. The interannual variability of the total ice covered fraction increased in winter and spring when the ice regime shifted from full to partial ice cover over the sea. Meanwhile the variability in summer and autumn decreased. The annual ice free time rapidly extended in the area north of Novaya Zemlya where the warm Atlantic water enters the Kara Sea. The mean sea ice thickness, based on the sea ice-ocean model data in 1997-2015, has become thinner in all months. The model is generally in good agreement with the observations, with the exception of the northern Kara Sea where the model underestimated heat advection. The findings confirm that the sea ice conditions in the Kara Sea have changed towards a new regime with shorter and more variable ice seasons.

Comparing meteorite densities with the densities of small solar system bodies provides clues to the nature of asteroid interiors, especially accretional and collisional processes of asteroids, which reflects the evolution of the early solar nebula. Bjurböle is a L/LL4 ordinary chondrite. Bjurböle meteorites have high friability and porosity compared to other ordinary chondrites. Bjurböle meteorites are compositionally homogeneous and any density variations ascribe their internal structure. In addition, Bjurböle meteorite shower consists of numerous recovered meteorites, thus sampling a large volume of Bjurböle meteoroid. Volumes of ten Bjurböle meteorites ranging in mass from 17.27 g to 13.48 kg were determined using non-contaminating and non-destructive 3D laser scanner and pycnometer. Masses were determined using different scales. Densities were calculated based on the volumes, and porosities were derived from the acquired densities. No trend in density and porosity as a function of meteorite mass was found. Absence of a trend in Bjurböle meteorites can be interpreted based on distribution of strength and porosity within the parent meteoroid body. It suggests that density and porosity are inhomogeneously distributed within parent body and weaker parts are fragmented and disintegrated during atmospheric entry. Only the parts above certain strength survive, and their sizes vary within the parent body forming meteorites ranging in size from grams to tens of kilograms.

Geothermal energy is a growing industry and with Enhanced Geothermal System (EGS) technology it is possible to utilize geothermal energy in low heat flow areas. The ongoing EGS project in Southern Finland provides a great opportunity to learn and explore EGS technologies in a complex environment: hard crystalline rock, high pressure and low hydraulic permeability. This work describes physics behind an EGS plant, as well as basic concept of EGS, give examples of some existing plants and make calculations of how much power a plant in Finland can produce. In order to plan and build a successful plant, suitable parameters for the system are determined by modelling. The modelling is done analytically and numerically. Physical properties governing the EGS models are conductive and convective heat transfer and rock hydraulic properties that allow fluid flow. Hydraulic permeability is discussed in detail, because it is the key parameter in EGS: rock is stimulated in order to enhance permeability in order to make fluid flow possible through interconnected fractures. It is a spatially correlated parameter and it is distributed lognormally making fluid flow highly channelled. Modelling of heat and mass transfer aims to parametrize an EGS plant in the conditions of Southern Finland. The parameters governing heat transfer with fluid flowing in the geothermal reservoir are size of the reservoir and fluid velocity, which depends on matrix permeability. The larger the reservoir the more hot contact area fluid encounters and the better it heats up, the slower the flow, the longer time fluid stays in the reservoir and therefore heats up more. High flow rates cool the reservoir rapidly. However, a large reservoir is difficult to achieve, maintaining enhanced permeability requires relatively high fluid flow rates and the higher the flow rate, the more power the plant produces, so slow flow is not economically feasible. Analytical models are done with Matlab and numerical models are done with finite-element software COMSOL Multiphysics. Numerical models benchmark the analytical solutions and use spatially correlated permeability to modify fluid flow pattern and see how temperature in the reservoir changes with changes in fluid flow. The results show that creating large reservoir that could operate for 20 years with desired power production is unrealistic. Total output fluid flow required to produce over 1 MW of power is 10 kg/s. At such rate there is a risk that the reservoir cools and output fluid temperature is not sufficient for power production. In case of heterogeneous permeability connectivity of the reservoir is not as good as in case of homogeneous permeability and there is a risk that total fluid flow in the reservoir is slower and therefore less power produced.

Sea level rise is among the most worrying consequences of climate change, and the biggest uncertainty of sea level predictions lies in the future behaviour of the ice sheets of Greenland and Antarctica. In this work, a literature review is made concerning the future of the Greenland ice sheet and the effect of its melting on Baltic Sea level. The relation between sea level and ice sheets is also considered more generally from a theoretical and historical point of view. Lately, surprisingly rapid changes in the amount of ice discharging into the sea have been observed along the coastal areas of the ice sheets, and the mass deficit of Greenland and West Antarctic ice sheets which are considered vulnerable to warming has been increasing from the 1990s. The changes are probably related to atmospheric or oceanic temperature variations which affect the flow speed of ice either via meltwater penetrating to the bottom of the ice sheet or via changes in the flow resistance generated by the floating parts of an ice stream. These phenomena are assumed to increase the mass deficit of the ice sheets in the warming climate; however, there is no comprehensive theory to explain and model them. Thus, it is not yet possible to make reliable predictions of the ice sheet contribution to sea level rise. On the grounds of the historical evidence it appears that sea level can rise rather rapidly, 1-2 metres per century, even during warm climate periods. Sea level rise projections of similar magnitude have been made with so-called semiempirical methods that are based on modelling the link between sea level and global mean temperature. Such a rapid rise would require considerable acceleration of the ice sheet flow. Stronger rise appears rather unlikely, among other things because the mountainous coastline restricts ice discharge from Greenland. The upper limit of sea level rise from Greenland alone has been estimated at half a metre by the end of this century. Due to changes in the Earth s gravity field, the sea level rise caused by melting ice is not spatially uniform. Near the melting ice sheet the sea level rise is considerably smaller than the global average, whereas farther away it is slightly greater than the average. Because of this phenomenon, the effect of the Greenland ice sheet on Baltic Sea level will probably be rather small during this century, 15 cm at most. Melting of the Antarctic ice sheet is clearly more dangerous for the Baltic Sea, but also very uncertain. It is likely that the sea level predictions will become more accurate in the near future as the ice sheet models develop.

Magnetic properties of Kevitsa intrusion are studied in this thesis. The goal is to find a reason for a negative magnetic anomaly observed in the center of dunite layer of the Kevitsa intrusion. This thesis concentrates mainly on petrophysical measurements made from drill hole samples, but also previous geophysical measurements from the study area are used. The first approximation is that the negative magnetic anomaly is caused by a strong remanent magnetization which has a direction that opposes geomagnetic field and induced magnetization. This kind of remanent magnetization is most likely formed during a reversed polarity period of geomagnetic field. An approximately 55 meters thick layer of strong remanent magnetization can be observed in drill hole KV297, which is located on the negative surface-magnetic anomaly. The average Königsberger ratio in the samples from this layer is 4.2 and the average inclination of remanent magnetization is -42.4 degrees. Declination of remanent magnetization stays unknown, because none of the samples were directional. One can also observe two distinct magnetic layers in the dunite layer of drill hole KV297. The lower one of these magnetic layers extends to approximately 160 meters. Both of these layers are strongly magnetized, but only the upper one has a strong remanent magnetization. In drill hole KV200 one cannot observe a strong remanent magnetization, but this drill hole is not located on the negative surface-magnetic anomaly either. However, the samples from the drill hole KV200 have a strong magnetic susceptibility. Based on these observations one can conclude that the dunite layer of the Kevitsa intrusion is overall strongly magnetic, but only the center part of it has a strong remanent magnetization. This layer of strong remanent magnetization is the cause of negative magnetic anomaly observed on the surface. The direct mathematical models, which are based on the measured petrophysical data, are consistent with the magnetic anomaly observed on the surface. In the models the declination of remanent magnetization is set to 240 degrees.

Kasviplanktonin määrä ja tuotanto on tärkeä tekijä Itämeren rehevöitymisen arvioinnissa. Kasviplankton reagoi nopeasti, jos veden ravinteiden (erityisesti typen ja fosforin) määrät tai suhteet muuttuvat. Kasviplanktonin kevätkukinta on merkittävä vuosittainen tapahtuma Itämerellä. Kevätkukinnan aikana saavutetaan kasviplanktonin kasvukauden huippu, ja suuri osa vuotuisesta tuotannosta tapahtuu kevätkukinnan aikana. Kevätkukinnan aikana kasviplanktonin määrä vedessä vaihtelee suuresti ajallisesti ja paikallisesti. Kevätkukinnan seurannassa saavutetaan paras ajallinen ja paikallinen kattavuus käyttämällä kaukokartoitusinstrumentteja ja Alg@line-mittauksia. Tässä tutkimuksessa kehitettiin ja testattiin kevätkukinnan indikaattoreita Suomenlahdella ja Saaristomerellä. Kevätkukinnan indikaattoreita ovat kukinnan alku, kesto, huippu eli suurin pitoisuus, huipun ajankohta ja kukinnan intensiteetti. Indikaattorit määriteltiin aluekohtaisesti a-klorofyllipitoisuuden aikasarjoista vuosina 2003–2011. Aikasarjat laskettiin Envisat-MERIS -instrumentin ja Alg@line-laivojen havainnoista. Tulokset osoittivat, että MERIS- ja Alg@line-aineistot soveltuvat kasviplanktonin kevätkukinnan indikaattorien määrittämiseen. Pilvisyys tai jääolot voivat ajoittain estää a-klorofyllin havaitsemisen MERIS-instrumentillla, jolloin Alg@line-mittauksia voidaan käyttää täydentämään havaintoja niillä alueilla, joiden läpi Alg@line-laivat kulkevat. Tuloksien mukaan kasviplanktonin indikaattorit, erityisesti intensiteetti, vaihtelevat eri alueilla paljon. Myös vuosien väliset erot ovat huomattavia. Kahdella tutkimusalueella MERIS- ja Alg@line-aineistoista laskettuja intensiteetti-indeksejä verrattiin toisiinsa ja pyrittiin määrittämään indeksin trendi kullakin alueella. Nousevia trendejä ei havaittu, mikä on Itämeren rehevöitymisen ja ekologisen tilan kannalta hyvä. Kasviplanktonin kevätkukinnan indikaattoreita voidaan tulevaisuudessa käyttää operatiivisesti. MERIS-instrumentin tilalla on mahdollista käyttää muita kaukokartoitusinstrumentteja, jotka soveltuvat a-klorofyllin seurantaan. Tulevan Sentinel 3A -satelliitin mukan oleva OLCI-instrumentti soveltuu parhaiten kevätkukinnan seurantaan Itämerellä. Ennen Sentinel 3A -satelliitin laukaisua käytössä ovat esimerkiksi Aqua MODIS -ja Suomi NPP VIIRS -instrumentit. Alg@line-aineistoa voidaan yhdistää kaukokartoitusaineistoihin, jolloin saadaan mahdollisimman suuri ajallinen ja paikallinen kattavuus.

Suomessa jääpeite kattaa vesistöjä 3 - 7 kuukautta vuodessa. Jokien jääolosuhteilla on suuri merkitys jokivarsien asukkaille ja teollisuuslaitoksille. Jokien jäätymiseen liittyvät ongelmat aiheuttavat suuria taloudellisia menetyksiä ja ympäristövahinkoja, vaikka niitä pyritäänkin ehkäisemään erilaisilla jääntorjuntamenetelmillä ja vesistönkäyttö- ja tulvantorjuntatoimenpiteillä. Kymijoella suurin ongelma on suppojää, joka aiheuttaa vahinkoja lähes joka vuosi. Kymijoki sijaitsee Kaakkois-Suomessa ja laskee Itämerelle Suomenlahteen. Kymijoen valuma-alueen pinta-ala on 37 107 km2, joka kattaa lähes 11 % koko Suomen pinta-alasta. Keskimääräinen virtaama joen pääuomassa on 283 m3/s. Kymijoki on valuma-alueeltaan ja virtaamaltaan maamme neljänneksi suurin joki. Tämän tutkimuksen ensimmäisenä tavoitteena oli valita sopivat mittauspisteet Kymijoen pääuomasta, sen kaikista haaroista ja lähtöjärvistä sekä tutkia niiden sopivuutta kuvaamaan Kymijoen olosuhteita. Kymijoen veden laatua ja jääoloja tutkittiin kenttämittauksina talvella 2011–2012. Toisena tavoitteena oli koostaa tehdyistä mittauksista kattava kuva Kymijoen jääolosuhteista ja veden laadusta talviaikana. Näitä tietoja verrattiin Kymijoen vesi- ja ympäristö ry:n vedenlaatututkimuksiin, Suomen ympäristökeskuksen virtaamahavaintoihin ja Ilmatieteen laitoksen säähavaintoihin. Kymijoen eri mittauspisteiden välillä oli hyvin paljon eroja jääkannen peittävyydessä ja rakenteessa, johtuen erilaisista olosuhteista ja Kymijoella käytetyistä jääntorjuntakeinoista. Osalla mittauspisteistä oli reunajäätä vain vähän tai ei jäätä ollenkaan ja osalla mittauspisteistä oli koko joen kattava kiinteä jääkansi. Jään paksuus eri mittauspisteillä vaihteli 0-55 cm välillä. Veden laatu oli koko Kymijoella kohtuullisen hyvä, vaikkakin eri osissa jokea oli selvästi havaittavissa vaihtelua. Happitilanne oli koko joella kohtuullisen hyvä ja suurimmat hapen kyllästysasteet olivat odotetusti hyvin vettä hapettavan koskijakson jälkeen. Sameudessa ja kiintoainespitoisuudessa oli huomattavan suurta vuodenaikaisvaihtelua. Lumen sulaminen keväällä ja runsaat sateet loppuvuodesta 2011 nostivat sameusarvoja selvästi. Perustuotannon vaikutus oli selvästi havaittavissa kesäkuun korkeissa kiintoainespitoisuuksissa. Kymijoen pH oli koko tarkastelujaksolla lähes neutraalilla tasolla. Kevään sulamisvesien happamoittava vaikutus ja perustuotannon pH:ta kohottava vaikutus olivat kuitenkin havaittavissa. Jätevesien sähkönjohtavuutta nostava vaikutus oli selvästi havaittavissa Kymijoella. Valon sironta ja näin ollen partikkelien määrä Kymijoella lisääntyi joen alajuoksulle päin. Kymijoen yläosien järvissä vesi oli huomattavasti puhtaampaa kuin varsinaisessa joessa ja myös partikkelien sirontavaikutukset olivat häviävän pieniä. Jään rakenteessa tai peittävyydessä ei havaittu merkittäviä eroja, jotka johtuisivat siirtymisestä yläjuoksulta alajuoksulle, vaan erot johtuivat lähinnä hyvin erilaisista virtausolosuhteista ja Kymijoella käytetyistä jääntorjuntakeinoista. Jääpuomien vaikutusta jääkanteen ei havaittu kaikilla mittauspisteillä, mutta muutamilla mittauspisteillä vaikutus oli merkittävä jääkannen rakenteeseen ja peittävyyteen. Veden laatu oli koko Kymijoella kohtuullisen hyvä, mutta se muuttui selvästi huonommaksi siirryttäessä alajuoksulle päin. Veden laadun muutokset aiheutuivat joen alajuoksulla sijaitsevista teollisuuslaitoksista ja vedenpuhdistamoista. Kymijoen kahden päähaaran välillä ei havaittu merkittäviä eroja. Veden laadussa ei havaittu kerroksellisuutta johtuen virtauksen turbulenttisesta luonteesta.