Aika ajoin veden kerrostuneisuuteen liittyvät asiat nousevat esiin. Ajattelimme pureutua haastattelussa -sarjan kolmannessa osassa kerrostuneisuuteen terminä ja ilmiönä hieman syvemmälle. Haastattelimme aiheesta Jukka Horppilaa, joka työskentelee professorina Helsingin Yliopistossa, Ekosysteemit ja ympäristö -tutkimusohjelmassa. Hänen erityisalanaan on järviekosysteemien toiminta, tarkemmin järviekosysteemien fysikaaliset, kemialliset, biologiset säätelymekanismit ja vesiensuojelu. Lähes kaikki hänen tutkimusryhmänsä tutkimukset liittyvät järvien tilaan ja kunnostukseen
Jukka opettaa vuosittain peruskursseilla opiskelijoille järvien fysikaalisia ja kemiallisia ilmiöitä, joista yksi kokonainen kahden tunnin luento keskittyy pelkästään lämpötilaan.
Mitä veden kerrostuneisuudella ja täyskierrolla tarkoitetaan?
Veden tiheys eli tilavuuteen suhteutettu massa riippuu veden lämpötilasta. Luonnonvedet kerrostuvat pystysuunnassa eli ns. vesipatsaassa tiheyden mukaan. Noin neliasteinen vesi on tiheydeltään suurinta.
Täyskierto kuvaa niitä aikoja vuodesta, kun kerrostuneisuutta ei ole ja vesipatsas sekoittuu pinnasta pohjaan. Tyypillisesti Suomessa täyskierto tapahtuu kahdesti vuodessa; jäidenlähdön jälkeen ja uudelleen syksyllä vesien jäähtyessä, kun vesi on tasalämpöistä.
Tuulten sekä tiheyserojen aiheuttama veden liike ovat merkittäviä tekijöitä kerrostuneisuuden muodostumisessa ja pysyvyydessä.
Kertoisitko järvien vuodenkierrosta kerrostuneisuuden suhteen?
Kevätkierto alkaa varsin nopeasti jäiden lähdön jälkeen. Kevätkierron käynnistyessä vesi on kauttaaltaan kylmää ja melko tasalämpöistä. Jäiden lähdettyä auringon lämpöä absorboituu veden pintakerrokseen eli auringon säteily lämmittää veden pintakerrosta enemmän kuin syvempiä kerroksia.
Kevään täyskierto jatkuu, kunnes veden pintakerros lämpenee niin paljon, että tiheysero on niin suuri, että tuulten voima ei riitä sekoittamaan vesimassaa. Ilman lämpötila ja tuulet vaikuttavat siihen, missä vaiheessa täyskierto pysähtyy ja kerrostuneisuuden aika alkaa. Keväällä järvi voi kerrostua ja purkautua useamman kerran sääolojen mukaan ennen kuin kerrostuneisuus lopulta muodostuu pysyväksi kesän ajaksi. Lämpimän päällysveden ja kylmän alusveden väliin muodostuu ns. harppauskerros. Tihein, viileä vesi jää pohjan lähelle.
Yleensä eteläisessä Suomessa pysyvä kerrostuneisuus muodostuu kesäkuussa. Juhannuksen aikaan on jo yleensä havaittavissa kerrostumisen merkkejä eli lämpötilakäyrän ”käyristymistä”. Kerrostuneisuus voimistuu aina elokuulle asti.
Veden pintakerroksen jäähtyminen alkaa, kun ilma alkaa olla vettä viileämpää. Harppauskerros siirtyy vähitellen alaspäin ja katoaa lopulta kokonaan. Syyskierto on kevätkiertoa hitaampi, koska veden tiheyserot ovat suurempia kuin keväällä. Syyskierto alkaa yleensä syyskuussa eteläisessä Suomessa. Näin ollen kesän kerrostuneisuusaika kestää noin 2–3 kk.
Syystäyskierron pysäyttää lopulta jääkansi. Jääkansi on viime vuosina tullut eteläiseen Suomeen joulukuussa, joskus vasta tammikuussa. Jään alla kerrostuneisuus on käänteinen ja kylmin vesi on heti jään alla. Talvella lämpötilan ja tiheyden erot ovat huomattavasti pienempiä kuin kesällä ja kerrostuneisuus on talvella hyvin heikko. Talvikerrostuneisuus ei pysyisi ilman jääkantta.
Millaisia väärinkäsityksiä kerrostuneisuuteen liittyy?
Yksi yleinen väärinkäsitys on, että syystäyskierto tapahtuisi siinä vaiheessa, kun pintakerros jäähtyy neliasteiseksi. Useimmiten täyskierto käynnistyy jo hyvissä ajoin ennen tätä. Luonnossa mm. tuulet ja myrskyt sekoittavat järven veden, vaikka häiriöttömissä koeolosuhteissa kerrostuneisuus vielä säilyisikin vastaavien tiheyserojen vallitessa. Sekoittuminen on useimmiten syksyllä käynnissä, kun vesi on noin 8–10 asteista. Sekoittumisoloihin vaikuttaa merkittävästi järven koko ja avoimuus. Pieni metsän suojassa oleva järvi kiertää tyypillisesti myöhemmin ja lyhyemmän aikaa kuin suuri ja avoin järvi.
Toinen yleinen väärinkäsitys on, että vesi olisi järven pohjalla aina neliasteista. Tämä voi pitää paikkaansa, mutta useimmiten ei. Talvella etenkin matalissa järvissä vesi on kauttaaltaan useimmiten neliasteista kylmempää. Kesällä alusvesi on puolestaan usein paljon lämpimämpää kuin neljä. Esimerkiksi Vesijärvessä Lankiluodon syvänteen vesi on kesällä noin 10–12 asteista 30 metrin syvyydessä. On kuitenkin totta, että neliasteinen vesi on tiheydeltään suurinta ja siten kerrostuu pohjalle. Pohjan lähellä ei kuitenkaan aina ole neliasteista vettä.
Kerrostuvatko kaikki järvet?
Eivät. Järven koko, muoto, syvyyssuhteet ja vedenlaatu vaikuttavat siihen kerrostuuko järvi vai ei. Kaikki jäätyvät järvet kerrostuvat talvella, joskin kerrostuneisuus on heikkoa ja riippuvaista jääpeitteestä. Suurin osa Suomen järvistä ei kerrostu lainkaan kesällä, koska ne ovat niin matalia. Esimerkiksi Vesijärvellä päällysveden paksuus on noin 10 m ja vain tätä syvemmät alueet kerrostuvat. Pienissä tummavetisissä järvissä harppauskerros voi olla vain metrin syvyydessä.
Millainen on veden kerrostuneisuuden ja toisaalta täyskiertojen merkitys eliöiden kannalta?
Pohjoisilla alueilla vuodenkierron kaksi kerrostuneisuuden aikaa ja kaksi kiertoaikaa muodostavat perustan, johon ekosysteemi eliöineen on sopeutunut. Lämmin päällysvesi ja kylmä alusvesi eivät lähtökohtaisesti sekoitu keskenään kerrostuneisuuden aikana. Tämä muodostaa ”eristeen”, joka mahdollistaa kylmän veden olosuhteet niitä vaativille lajeille.
Alusveteen voi ulottua valoa, jolloin perustuotanto voi tuottaa happea myös alusveteen. Yleensä alusvedessä on kuitenkin pimeää, eikä siellä siten ole perustuotantoa, vaan ainoastaan hapen kulutusta. Niinpä kerrostuneisuuden muodostumisen jälkeen alusveden happivarannot alkavat kulua. Hapen määrästä ja hapen kulutuksen voimakkuudesta riippuu, riittääkö happi syyskiertoon saakka. Usein ollaan siinä tilanteessa, että happivarannot eivät riitä ja alusvedessä havaitaan happikatoa.
On paljon järviä, joissa alusvesi on hapetonta luontaisestikin jossain kohtaa vuotta. Esimerkiksi monissa humuspitoisissa järvissä syvemmät vesikerrokset ovat luontaisesti hapettomia ison osan vuodesta. Rehevöityneissä, luontaisesti kirkkaissa järvissä ilmiö on kuitenkin ihmisen toiminnan voimistamaa.
Lajista riippuen eliöt voivat liikkua harppauskerroksen yli, eikä se muodosta ”fyysistä estettä”. Sen sijaan eliöiden lajinmukaiset vaatimukset happitilanteen tai lämpötilaolosuhteiden mukaan voivat vaikuttaa eliöiden liikkumiseen eri vesikerroksissa. Sedimentoituvalle materiaalille harppauskerros on ”hidaste” ja päällysvesikerroksesta laskeutuvan kasviplanktonin sedimentaatio voi näkyä harppauskerroksen rajalla happea kuluttavana kerroksena.
Miten kerrostuneisuusolosuhteet vaikuttavat ravinnekiertoihin?
Kerrostuneisuus säätelee myös järven ravinnekiertoja; kun vesi sekoittuu, myös ravinteet sekoittuvat. Usein pohjan lähellä veden ravinnepitoisuudet nousevat kerrostuneisuuden aikana, sillä sedimentin ravinnevarasto on valtava.
Etenkin kun pohjanläheinen vesi on hapetonta, ravinteita pääsee sedimentistä veteen. Kerrostuneisuuden aikana alusveden ravinteet eivät useimmiten pääse levien käyttöön. Syksyllä ravinteet pääsevät täyskierron myötä valaistuun kerrokseen ja voivat otollisissa oloissa muodostaa jopa leväkukintoja.
Kerrostuvan järven ravinnedynamiikka on ihan erilainen kuin matalissa järvissä, jotka eivät kerrostu. Matalissa rehevissä järvissä korkeimmat pitoisuudet havaitaan usein keskellä kesää. Kerrostuvissa järvissä korkeimmat pitoisuudet havaitaan puolestaan keväällä ja syksyllä kiertojen aikaan ja kun valuma-alueelta peräisin oleva kuormitus on voimakasta.
Miten globaali ilmaston lämpeneminen vaikuttaa kerrostuneisuuskausiin tai täyskiertoihin?
Tällä hetkellä kaikki järvet Suomessa jäätyvät talvisin. Sitten kun jäätymistä ei enää tapahdu, niin koko ekosysteemi muuttuu. Ennustuksia on jonkin verran pyritty tekemään, mutta vaikutusten arviointi on vaikeaa.
Jääpeitteisen ajan on jo havaittu lyhentyneen. Syystäyskierron venyminen tammikuulle voi nostaa järvien ravinnepitoisuuksia, mutta tämä ei välttämättä johda leväkukintojen kasvuun, koska valo ja lämpötila rajoittavat tuotantoa. Leväkukinnat ovat toki mahdollisia. Toisaalta pitkä kiertoaika vähentää talviaikaisten happikatojen mahdollisuutta.
Globaali ilmastonmuutos vaikuttaa lämpötilan muutosten lisäksi vesistöihimme monin tavoin. Tuulien ja myrskyjen ennustetaan lisääntyvän, kuormituksen vuodenaikaisen jakauman muuttuvan, tummumiskehityksen voimistuvan, virtausten muuttuvan. Näillä kaikilla on vaikutusta kerrostuneisuusolojen lisäksi koko ekosysteemiin.
Onko kerrostuminen hyvä vai huono asia?
Tähän ei oikein voi vastata, kyseessä on suomalaisille järville luonnollinen ilmiö, eikä sitä voi luokitella hyväksi tai huonoksi. Toiset järvet kerrostuvat ja toiset ei. Ihminen voi toiminnallaan muuttaa tätä, mutta se on sitten toinen asia. Silloin muutetaan koko ekosysteemiä.
Minkä asiat haluat, että ihmiset ymmärtävä kerrostuneisuudesta?
Kyseessä on luonnollinen ilmiö, ei aina ole tarpeen poistaa happiongelmia kokonaan.
