Jään kiehtova dynamiikka

Helsingin yliopiston Yongmei Gong (kuvassa) tutkii, kuinka Etelämantereen mannerjäätikkö muuttuu seuraavien 100–200 vuoden aikana ilmastonmuutoksen vaikutuksesta ja mikä on laukaissut arktisella lakijäätiköllä jään ajoittaisia nopeita virtaustapahtumia aiheuttavat mekanismit. Tähän keskittyy hänen tuore väitöskirjansa, jossa mallinnetaan jäävirtoja jäähyllyillä ja lakijäätiköillä.
 

Laskennallisilla malleilla voidaan tutkia jään fysikaalisia prosesseja. Suuri osa Gongin tutkimuksesta on tehty mannerjään, jäätiköiden ja jäävirtausten mallintamiseen tarkoitetulla Elmer/Ice-ohjelmistolla, joka on pääosin kehitetty CSC:llä. Lisäksi Gong on käyttänyt tutkijoiden Britanniassa ja Yhdysvalloissa kehittämää BISICLES-jäätikkömallia sekä myös CSC:llä kehitettyä diskreettiä partikkelimallia.

Laskennallisista malleista saadaan täsmällinen ja tarkka kuva jäätiköiden ajoittaisten virtausten, jäävirtojen ja jäätikön pohjan liikkeiden kaltaisista prosesseista.

– Kaikki tunnetut fysikaaliset prosessit voidaan kuvata jossakin määrin matemaattisilla yhtälöillä. Tutkimukseni tavoitteenani on hyödyntää malleja, jotta tiettyjä tosielämän fysikaalisia prosesseja ja luonnonilmiöitä voidaan ymmärtää ja kuvata entistä paremmin. Erityisesti tutkin huippuluokan, kolmiulotteisen Elmer/Ice-mallin avulla Austfonnan Basin 3 -jäätikön jäävirtauksen kiihtymistä, Gong kertoo.
 

Kaikki alkoi haaveesta matkustaa Etelämantereelle

Austfonna on Euroopan suurimpia lakijäätiköitä. Se sijaitsee Norjan Huippuvuorilla Nordaustlandetissa. Basin 3 on yksi sen kaakkoisista lakijäätiköistä. Se on ajoittaisen nopean virtaustyypin jäätikkö, jossa kausittaiset nopeutumiset katkaisevat ympärivuotisen hitaamman, pitkäaikaisen virtauksen.

Basin 3 -jäätikkö virtaa nyt paljon aikaisempaa nopeammin. Lisäksi tapahtuu portaittaista monivuotista nopeutumista, joka liittyy virtauksen kausittaiseen kiihtymiseen kesäisin.

– Olen kahden jäävirtausmallin sekä diskreetin partikkelimallin avulla pyrkinyt selittämään niitä mekanismeja, jotka ovat vaikuttaneet jäätiköiden tavanomaisten liikkeiden kiihtymiseen vuodesta 2011 lähtien.

Diskreetti partikkelimalli jakaa jäätiköt pienempiin osiin ja antaa sellaisten halkeamien mahdolliset sijainnit, jotka voivat halkaista jään koko pituudelta ja viedä sulaneen pintaveden alas pohjaan.

Gongin tutkimustulokset osoittavat, että kesän nopeutumistapahtumat ja virtauksen kiihtyminen pohjassa voitaisiin selittää joko sulamisveden liukastavalla vaikutuksella jäätikön pohjassa tai jäätikön pohjaan myöhemmin kertyneen veden kelluttavalla vaikutuksella.

– Tein samanlaista tutkimusta Etelämantereen jääpeitteestä graduani varten. En tiennyt lainkaan, mitä laskennallinen mallintaminen oli ennen kuin muutin Englantiin ja aloin työskennellä jään dynaamisten mallien parissa. Ajattelin, että jos tekisin jotakin Etelämantereeseen liittyvää, pääsisin käymään siellä, Gong myöntää.

– En ole luopunut toivosta, vaikka myöhemmin ymmärsin, että jäävirtausmallien tekeminen tarkoittaa todellisuudessa tietokoneen ääressä istumista ja jatkuvaa koodien kirjoittamista.
 

Pähkäilyn tuloksena syntyi idea uudesta lähestymistavasta

Kun Gong aloitti väitöskirjansa tekemisen, ei tutkimuskysymys ollut vielä selvä. Hän käytti lähes kaksi vuotta kysymällä neuvoa vanhemmilta tutkijoilta ja teki monenlaisia numeerisia kokeiluja. Gradun myötä hän astui syvemmälle jäätikkötutkimuksen ja laskennallisen mallintamisen maailmaan. Ja hän on vasta pääsemässä vauhtiin.

– Väitöskirjani on luonnollista jatkumoa ja seurausta tietyistä käytännön tekijöistä, esimerkiksi rahoituksesta, aiheen kiinnostavuudesta ja ohjaajien tunnettuudesta. Alussa minulla oli laskennallinen malli ja dataa mutta ei hyvää ideaa. Lopuksi sain ohjaajieni ja kollegoideni avustuksella ajatuksen käyttää sekä jään dynaamista mallia että diskreettistä partikkelimallia. Tätä lähestymistapaa ei ole kokeiltu aiemmin. Olisin kuitenkin taipuvainen uskomaan, että vastaavanlaiset kamppailut kuuluvat tyypillisesti tieteellisiin tutkimusprosesseihin. On vain jatkettava kokeilemista ja tutkimusaiheiden pohtimista muiden tutkijoiden kanssa.
 

"Suuren mittakaavan malleja jään dynamiikasta kehitettävä"

Austfonnan lakijäätikön lisäksi Gong tutkii yhtä itäisen Etelämantereen suurinta valumajärjestelmää nimeltä Lambertin jäätikkö – Ameryn jäähylly (Lambert Glacier – Amery Ice Shelf, LG-AIS). Ameryn jäähylly käy tällä hetkellä läpi vakaata virtauskautta poikien jäävuoria mereen. Ilmastonmuutoksen myötä valumajärjestelmän kohtalo on kuitenkin avoin.

– Tutkimukset osoittavat, että vaikka Ameryn jäähylly saattaa sulaa merkittävästi, LG-AIS -virtausjärjestelmä pysyy vakaana myös tällä ja seuraavalla vuosisadalla. Vaikutus merenpinnan korkeuteen on pieni, Gong toteaa.

Vuoteen 2100 mennessä merenpinnan tason ennustetaan yltävän useimpien suurten rannikkokaupunkien luona nykyistä yli metriä korkeammalle, ja sulavan jäämassan kokonaisvaikutuksista merenpinnan tason muutoksiin käydään laajaa väittelyä.

– Mannerjään ja jäätiköiden sulamisen vaikutuksesta merenpinnan nousuun on puhuttu – ja sitä on tutkittu – kauan. Kehotan lukemaan IPCC:n viidennen arviointiraportin kattavan ennusteen. Siitä käy ilmi, että ennusteet mannerjään ja jäätiköiden sulamisen vaikutuksesta merenpinnan tulevaan tasoon vaihtelevat suuresti, Gong sanoo.

Yksi syy tähän on se, että ennusteissa on edelleen paljon epävarmuustekijöitä sen suhteen, miten jään dynamiikka reagoi ilmastomalleista saatuihin pakotteisiin.

– Suuren mittakaavan malleja jään dynamiikasta on syytä kehittää, jotta tiettyjä keskeisiä fysikaalisia prosesseja jään dynamiikan muutoksessa voidaan ymmärtää paremmin. Keskeisiä ongelmia ovat muun muassa jäätikön pohjan liike, pohjan prosesseihin liittyvä jään nopea liikkuminen ja ilmaston yhteys jään dynamiikan äkillisiin muutoksiin. Samanaikaisesti on huomioitava, että myös havaintodataa on paljon. Tutkimuksessa onkin tärkeää hyödyntää laskennallisia malleja, joilla voidaan käsitellä suuria tietokokonaisuuksia ja tutkia ongelmaa riittävän yksityiskohtaisesti.

– Tämä myös motivoi minua jatkamaan jään dynamiikan mallintamista, Gong sanoo.

Gongin väitöskirja ratkoo yhden osan palapeliä. Seuraavaksi hän pyrkii löytämään pestin, jossa hän voisi tutkia jäätikköjärjestelmän ja muiden järjestelmien vuorovaikutusta, esimerkiksi jään ja valtameren tai jään ja ilmakehän välistä vuorovaikutusta. Nähtäväksi jää, mitä jäätikkötutkimus tuo tullessaan, kun teknologiat ja menetelmät kehittyvät edelleen.

– Olen mielestäni vielä liian nuori tekemään kattavia ennustuksia jäätikkötutkimuksen tulevaisuudesta. Koska superklusterien laskentateho on parantunut niin paljon ja olemme kehittäneet monenlaisia laskennallisia malleja kuvaamaan maan järjestelmän eri osia, eri mallien yhdistäminen ja pitkän aikavälin vuorovaikutuksen tutkiminen esimerkiksi jäätikköjärjestelmän ja ilmakehän ja valtameren välillä voisi olla kiinnostava etenemissuunta. Jotkut ovat tämän tutkimusmatkan jo aloittaneet.

Sinua saattaisi kiinnostaa myös:

• CSC:n verkkolehti: Pelastaako ilmastonmuokkaus maapallon varmalta tuholta?
• CSC:n verkkolehti: Sateentekijä?

Julkaistu alunperin 17.04.2018.

Lisää tästä aiheesta » Siirry sisältöihin ja uutisiin »