YYTC 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta haihdunta Teemu Kokkonen

YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta Teemu Kokkonen Vesi- ja ympäristötekniikka Rakennetun ympäristön laitos Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulu Email: Puh. Huone: etunimi. sukunimi@aalto. fi 050 - 407 3972 272 (Tietotie 1 E)

Kurssin aikataulu Löytyy täältä. YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Arvioinnista • Harjoitukset (paino 50%) – Kustakin harjoitusviikosta saa yleensä 100 pistettä – Poikkeuksena ensimmäinen viikko (150 p) ja toinen viikko (50 p) • Tentti (paino 50%) YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Kirjallisuutta • Elements of Physical Hydrology (2 nd edition) – Kirjoittajat: George M. Hornberger, Patricia L. Wiberg, Jeffrey P. Raffensperger, and Paolo D'Odorico – Vuosi: 2014 – ISBN: 9781421413730 – Kirjaa on Aallon kirjastossa 8 kpl, joista 3 kpl on lainattavissa kotiin (laina-aika 2 viikkoa) ja 5 kpl on lukusalikappaleita • Hydrology and Global Environmental Change – Saatavilla E-kirjana Aallon kirjastosta täältä. YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Sadanta Sateen fysiikkaa Kuva: Monsoon rain in Shanghai YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Sateen edellytykset • Jotta sade alkaisi – Ilmassa on oltava vesihöyryä – Ilmassa on oltava hiukkasia tiivistymistä varten – Ilman on jäähdyttävä kastepisteeseen • • Sade alkaa vasta, kun hiukkasten pinnalle tiivistyneiden pisaroiden massa kasvaa riittävän suureksi Merkittävää sadantaa aikaansaavaa ilman jäähtymistä seuraa lähinnä ilman kohoamisesta Kuva: pxhere YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Kastepiste • Lämpimässä ilmassa voi olla enemmän vesihöyryä - Rajalämpötilaa mihin ilman on jäähdyttävä, jotta vesihöyry alkaa tiivistyä nesteeksi, kutsutaan kastepisteeksi • Lämpötilan ollessa kastepisteen alapuolella vettä tiivistyy enemmän kuin haihtuu (nettotiivistyminen) - Vesihöyry on kaasu ja siten tunnetussa tilavuudessa ja lämpötilassa olevaa vesihöyrymäärää (massa) vastaa jokin vesihöyryn osapaine YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Sadannan syntymekanismit • Sadannan syntymekanismeja voidaan jaotella sen mukaisesti, mikä saa ilman kohoamaan ja siten jäähtymään – Rintamasade – Konvektiivinen sade – Orografinen sade YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Miksi ilma jäähtyy kohotessaan? Niin, miksi ilma tosiaan jäähtyy kohotessaan? Mitä tapahtuu järven pohjassa olevan ilmakuplan tilavuudelle, kun se lähtee nousemaan pintaa kohti? Miksi? YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Adiabaattinen jäähtyminen • Adiabaattisella prosessilla tarkoitetaan termodynamiikassa sellaista muutosta, jossa tarkastelun kohteena oleva kaasu ei vaihda lämpöä ympäristönsä kanssa missä d. U on muutos kaasun sisäisessä energiassa, d. W on kaasun tekemä työ (tässä: laajenemistyö) ja d. W on lämmönvaihto ympäristön kanssa • Prosessi voi olla (ainakin lähes) adiabaattinen, kun prosessin kesto on niin lyhyt, että merkittäviä määriä lämpöä ei ehdi siirtyä kaasun ja sen ympäristön välillä YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Adiabaattinen jäähtyminen • Ilmakehässä kohoavan ilmakuplan (air parcel) jäähtymisen voidaan ajatella olevan lähes adiabaattista – Lämpöä ei ehdi siirtyä merkittävästi ympäröivän ilmakehän ja ilmakuplan välillä • Ilmamassan nousemisesta aiheutuva adiabaattinen jäähtyminen on sadannan syntymisen kannalta merkittävin jäähtymisen mekanismi YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Sadannan mittaus • Sadantamäärien tunteminen oleellista monissa hydrologian sovelluksissa • Usein ollaan kiinnostuneita keskimääräisestä aluearvosta • Mittaamisen haasteet – Yksittäisen mittauksen epätarkkuus – Alueellistamisesta aiheutuva epätarkkuus YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Sadannan mittaus • Pistesadantamittareita – Keräävät mittarit – Jatkuvatoimiset mittarit • Kippimittari • Punnitseva mittari YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Sadannan mittaus • Pistesadannan mittaukseen tarkkuutta huonontaa – – – Tuulen vaikutus Ympäristön vaikutus Roiskuntavirhe Tartuntavirhe Instrumenttivirheet Inhimilliset virheet YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Sadannan tuulikorjaus • Sadannan pistemittauksessa esiintyvää tuulen aiheuttamaa virhettä pyritään korjaamaan korjauskertoimilla • Ilmatieteen laitos ilmoittaa sadantamittauksensa korjaamattomina YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Aluesadanta Isohyeettimenetelmä Thiessenin polygonit • Hyvin usein hydrologia kiinnostaa tietylle alueelle (esim. jonkun vesistön valuma-alueelle) lankeava keskimääräinen sadanta YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Kaukokarkoitusmenetelmät • Säätutka – Mittaus perustuu tutkasignaalin heijastumiseen sadepisaroista – Suuri mittausalue – Arvokasta tietoa sadannan spatiaalijakaumasta – Altis häiriöille, data kohinaista – Mittaus täytyy ”kiinnittää” maanpinnalla tehtyihin mittauksiin (ns. ground truth) YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Kaukokarkoitusmenetelmät • Satelliittimittaukset – (Lähes) globaali kattavuus – Esim. TRMM http: //trmm. gsfc. nasa. gov/ – Karkea tarkkuus, mutta paranemassa YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Sademääriä • Paljonko sataa Suomessa? – Keskimäärin 500 – 750 mm / a – Vuorokausisadannan ennätys 198 mm (Espoon Lahnus, 1944) – Kesällä 2004 n. 150 mm/d Vöyrillä – Jo 100 mm/d sadannat kuitenkin hyvin harvinaisia YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Sademääriä • Paljonko sataa maailmalla? YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Mitoitussateiden arviointi • Erilaisiin mitoitustehtäviin (esim. viemäriverkoston kapasiteetti) tarvitaan tietoja harvoin toistuvien äärisadantojen rankkuuksista http: //fav. me/d 6 pn 95 f Miten voisi selvittää esim. keskimäärin kerran 50 vuodessa toistuvan 30 minuutin rankkasateen sademäärän? YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Mitoitussateiden arviointi • Jos käytössä olisi tavattoman pitkä aikasarja (vaikkapa 500 vuotta), niin esim. kerran 50 vuodessa toistuvia saderankkuuksia voisi arvioida suoraan mitatusta sadanta-aikasarjasta • Näin ei kuitenkaan yleensä ole, vaan joudutaan sovittamaan havaintoaineistoon jokin todennäköisyysjakauma – Sitten uskotaan (toivotaan…) että saderankkuuksia voidaan ekstrapoloida havaintoaineiston pituutta pidemmille toistumisajoille YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Haihdunta Vaporization, Tristan Schmurr CC BY 2. 0 (https: //creativecommons. org/licenses/by/2. 0/legalcode) YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Edellytykset haihdunnalle • Haihduttavan pinnan (järven pinta, puun lehti) ja yläpuolisen ilman välillä on valittava vesihöyryn paineero – Paine-eron ylläpitäminen vaatii energiaa • Vesihöyry liikkuu suuremmasta vesihöyryn paineesta pienempään vesihöyryn paineeseen – Haihduttavalla pinnalla vallitseva vesihöyrynpaine ilman vesihöyrynpainetta suurempi: haihdunta – Haihduttavalla pinnalla vallitseva vesihöyrynpaine ilman vesihöyrynpainetta pienempi: tiivistyminen eli kondensaatio YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Vesihöyryn paine ja kyllästyspaine • Vesihöyryn paine on vesihöyryn aikaansaama osapaine kaasuseoksessa (ilmassa) – Daltonin laki: • Vesihöyryn kyllästyspaineella tarkoitetaan vesihöyryn painetta tilanteessa, jossa ilman vesihöyrypitoisuus on suurin mahdollinen – Lämpimässä ilmassa voi olla enemmän vesihöyryä kuin kylmässä YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Vesihöyryn paine ja kyllästyspaine • Vesihöyryn kyllästyspaine riippuu lämpötilasta • Ilman suhteellinen kosteus (RH) ilmaisee vallitsevan vesihöyrynpaineen ja vesihöyryn kyllästyspaineen osamäärän – Suhteellinen kosteus siis kertoo, kuinka paljon tietyssä tilavuudessa on vettä massana verrattuna siihen massamäärään, että kyseinen tilavuus olisi vedellä kyllästynyt samassa lämpötilassa "Relative Humidity" by English Wikipedia user Greg. Benson. Licensed under CC BY-SA 3. 0 via Wikimedia Commons http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Relative_Humidity. png#/media/File: Relative_Humidity. png YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Yhteenveto haihdunnasta tähän asti… • Haihdunnan aikaansaamiseksi haihduttavan pinnan ja yläpuolisen ilman välillä on valittava vesihöyryn paine-ero • Vesihöyryn paine on vesihöyryn aikaansaama osapaine kaasuseoksessa (ilmassa) • Vesihöyryn kyllästyspaineella tarkoitetaan vesihöyryn painetta tilanteessa, jossa ilman vesihöyrypitoisuus on suurin mahdollinen vallitsevassa lämpötilassa • Ilman suhteellinen kosteus (RH) ilmaisee vallitsevan vesihöyrynpaineen ja vesihöyryn kyllästyspaineen osamäärän Syyskuun lopulla järven yläpuolella mitattiin suhteelliseksi kosteudeksi 100% ja ilman lämpötilaksi +8 °C. Saat halutessasi tehdä yhden lisämittauksen selvittääksesi, tapahtuuko haihtumista vesipinnasta vai kondensoitumista siihen. 1. 2. Tarvitsetko lisämittausta asian päättelemiseksi? Jos tarvitset, niin mikä tuo mittaus on ja miten hyödynnät sen asian päättelyssä? YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Haihdunnan virta – massaa vai energiaa? • Haihdunta voidaan ajatella joko massan tai energian siirtymisenä – Heitetään kauhallinen (2 dl) vettä kiukaalle – Kivien pinnasta siirtyy 200 g vettä saunan ilmatilaan – Kiukaan kivet jäähtyvät niin paljon, että näin vapautunut energiamäärä saa höyrystettyä kivien pinnalle heitetyn veden YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Haihduttavan pinnan energiatase • • Mistä haihdunnan tarvitsema energia on peräisin? Tarkastellaan maanpinnan (tai järvessä vedenpinnan) energiatasetta • l. E • • Nettosäteily Rn – Lyhytaaltoinen S – Pitkäaaltoinen L Latentti lämpö l. E – Olomuodon muutokseen sidoksissa oleva energia – Haihdunta, kondensaatio Tuntuva lämpö (sensible heat) H – Aineen lämpötilaan sidoksissa oleva energia Johtuminen pinnan ja maan (tai veden) välillä G Käsitellään pinnan energiatasetta lumiluennon yhteydessä ensi kerralla YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Jos altaan koko on 4 m x 7 m ja vettä haihtuu 1 mm vuorokaudessa, niin paljonko energiaa kuluu ja mitä se maksaa (yhden MJ hinta 1. 4 snt)? Uima-altaan peite • Veden tilavuus: 4 m * 7 m * 0, 001 m = 0, 028 m 3 • Veden massa: 0, 028 * 1000 kg = 28 kg • Tarvittava energia: 28 kg * 2, 26 MJ/kg = 63, 28 MJ • Hinta: 1, 4 snt / MJ * 63, 28 MJ = 89 snt Ulkona uima-altaan peite suojaa allasta roskaantumiselta. Mutta mitä hyötyä peitteestä voisi olla sisäuima-altaassa? YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Haihduntaprosesseja – Interseptio – Transpiraatio – Avovesihaihdunta YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Haihduntaprosessja • Avovesihaihdunta eli evaporaatio: järven tai muun avoimen vesialueen pinnasta tapahtuvaa haihduntaa • Interseptio: kasvien pinnoille tapahtuva veden pidättyminen • Interseptiohaihdunta: interseptoituneen veden haihduntaa (tosin yleisesti interseptiolla viitataan interseptiohaihduntaan. . . ) • Transpiraatio: vesi, mikä kulkee kasvin läpi osana kasvin elintoimintoja ja haihtuu lehtien pinnoilta ilmakehään YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Potentiaalinen ja todellinen haihdunta • Haihduntaa voi rajoittaa joko käytettävissä olevan energian määrä tai (maaperässä) satavilla olevan veden määrä • Mikäli maaperä on riittävän kostea, jotta veden määrä ei rajoita haihduntaa, haihdunta tapahtuu potentiaalisella tasolla – Potentiaalista haihduntaa rajoittaa vain saatavilla oleva energia (käytännössä säätila) • Todellisella haihdunnalla tarkoitetaan sitä haihduntaa, joka todellisuudessa tapahtuu tietyltä alueelta – Eli sitä rajoittavat sekä saatavilla oleva energia että saatavilla oleva vesi YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Haihdunta Suomessa • Paljonko haihtuu Suomessa? – Etelä-Suomessa reilut puolet sadannasta (n. 400 – 500 mm) – Lapissa 30 -40% sadannasta (200 – 250 mm) YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta

Haihdunnan mittaaminen • Potentiaalista haihduntaa voidaan arvioida astiamittauksilla – Ei välttämättä kuvaa kovin hyvin potentiaalista haihduntaa ympäröivältä alueelta (pinnan karkeuteen ja heijastavuuteen liittyvät ominaisuudet erilaiset) • Suorat haihdunnan mittaukset, jossa ilman suhteellista kostetutta ja lämpötilaa sekä vertikaalista tuulen nopeutta mitataan tiheällä aikaresoluutiolla – Kalliitta, soveltuvat tutkimuskäyttöön Armgov, CC BY-NC-SA 2. 0 YYT-C 2005 Sovellettu Hydrologia Sadanta & haihdunta