Uusi menetelmä ennustaa, miten liikkuva jää koettelee vuosisatojen aikana siltoja ja tuulivoimaloita

Aalto-yliopiston tutkijoiden kehittämillä simulaatioilla voidaan arvioida arktisen jään synnyttämää kuormitusta tulevaisuuden jääolosuhteissa. Tarve simulaatioille kasvaa, koska ilmastonmuutoksen takia ennusteita ei voida tehdä enää vain kenttätiedon perusteella.

Arktisten vesien olosuhteet ovat maailman ankarimpia. Voimakkaat tuulet ja virrat työntävät jäätä voimalla pitkiäkin matkoja synnyttäen jopa kymmenien metrien korkuisia harjanteita. Samaan aikaan maapallon lämpeneminen ja ihmisten lisääntynyt läsnäolo ovat tuoneet uusia paineita pohjoisille alueille.

Jäiden rakenteille aiheuttamien pitkäaikaisten vaikutusten taustalla olevat mekanismit tunnetaan kuitenkin huonosti. Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet menetelmiä, joiden avulla voidaan arvioida raskaiden jääkuormien vaikutusta siltojen ja tuulivoimaloiden kaltaisiin rakenteisiin.

”Merijään murtuminen on prosessi, jossa tuulten tai virtojen kuljettama jää murtuu merirakenteita vasten ja aiheuttaa rakenteille jääkuormia”, kertoo professori Jukka Tuhkuri.

”Prosessi on erittäin herkkä, jopa kaoottinen, minkä vuoksi systemaattisen analyysin tekeminen kentällä tehtyjen mittausten perusteella on uskomattoman haastavaa.”

Erilaisten skenaarioiden ja vaikutusten pitkän aikavälin ennustamisessa tutkijaryhmä käyttää edistyneitä numeerisia kokeita eli tietokonesimulaatioita. Niiden avulla voidaan kartoittaa, miten mikrotason muutokset jää-rakennevuorovaikutusprosessissa vaikuttavat jään murtumisen eri osa-alueisiin.

”Numeeristen kokeiden avulla voimme todella ennustaa, mitä jääkuormitustilanteissa tapahtuu, koska simulaatiossa voimme hallita kaikkia mukana olevia tekijöitä. Oikean merijään osalta meillä ei koskaan ole tätä mahdollisuutta”, kertoo apulaisprofessori Arttu Polojärvi.

Paksuus ja puristuslujuus merkittävimmät tekijät

Tarkkojen simulaatioiden ansiosta tutkijat ovat saaneet täysin uutta tietoa prosessin taustalla olevasta mekaniikasta.

”Simulaatioiden avulla olemme havainneet, että jään paksuus on selkeästi tärkein rakenteisiin vaikuttava tekijä. Toisena tulee puristuslujuus, ja voimme melkein unohtaa kaiken muun, mikä on ristiriidassa alan vakiintuneen ajattelun kanssa”, sanoo Tuhkuri.

Maapallon lämpenemisen vuoksi arktinen jää ohenee, myrskyistä tulee rajumpia ja jää liikkuu entistä enemmän. Samaan aikaan arktisten alueiden teollisuus ja matkailuala kasvavat, mikä tuo mukanaan uusia riskejä niin ihmisille kuin ympäristöllekin.

”Emme pysty ennustamaan jääkuormia tulevaisuuden jääolosuhteissa tällä hetkellä käytettävissämme olevan kenttätiedon avulla. Meillä tulee edelleen olemaan vahvaa ja paksua jäätä, mutta toisaalta muuttuvat sääolosuhteet ja lisääntyvät myrskyt voivat liikuttaa yhä enemmän myös ohutta jäätä”, kertoo Polojärvi.

”Turvallisten ja ympäristön kannalta optimoitujen merirakenteiden suunnittelussa on oleellista, että kykenemme ennustamaan jääkuormia tulevaisuuden jääolosuhteissa.”

Ryhmä esittelee tutkimuksensa tuloksia 7. kesäkuuta Aalto-yliopistossa järjestettävässä johtavien jäätutkijoiden IUTAM symposium on physics and mechanics of sea ice -konferenssissa.

Kysymyksiä ja vastauksia

Onko numeeristen kokeiden avulla aiemmin tutkittu jääkuormia? 

Tässä tutkimuksessa tehtiin ensimmäistä kertaa tilastollista analyysiä jääkuormiin liittyen numeeristen kokeiden avulla. Tällaisten kokeiden ja analyysin avulla voidaan arvioida rakenteiden jääkuormia pitkällä aikavälillä. Aikaisemmin tutkijat ovat tutkineet jään murtumista ― eli sitä, kuinka tuulten ja virtojen työntämä jää murtuu merirakenteita vasten ja kuinka tämä vaikuttaa rakenteisiin ― eri tavoin: kokeellisesti laboratorioissa, kokeellisesti kenttäolosuhteissa, laatimalla teoreettisia malleja ja käyttämällä erilaisia numeerisia työkaluja.

Voidaanko menetelmän avulla todella ennustaa jään käyttäytymistä ilmaston lämmetessä – jopa vuosisatoja eteenpäin?

Kyllä. Aivan kuten geofysiikan alan kollegat voivat ennustaa jään ohenemista ja heikkenemistä maapallon lämmetessä, me voimme ennustaa, kuinka jääkuormat muuttuvat. Tämä johtuu siitä, että mallimme pohjautuvat perustavanlaatuisiin fysikaalisiin suureisiin, joita voimme muuttaa ja tarkastella näiden muutoksien vaikutuksia jääkuormiin. Muut mallit eivät välttämättä ole yhtä yksityiskohtaisia.

Mitä riskejä jääkuormista aiheutuu ihmisille ja ympäristölle? 

Merirakenteet voivat murtua ja aiheuttaa onnettomuuksia. Jos ihmisiä työskentelee rakenteella, joka rikkoutuu, seuraukset voivat olla vakavia. Rakenteiden vaurioituminen voi tulla erittäin kalliiksi ja johtaa ympäristöriskeihin esimerkiksi polttoainesäiliöiden tai -putkien mahdollisten vuotojen vuoksi.

Yhteyshenkilöt: 
Jukka Tuhkuri, professori, lujuusoppi, Aalto-yliopisto, jukka.tuhkuri(at)aalto.fi
Arttu Polojärvi, apulaisprofessori, jäämekaniikka, Aalto-yliopisto, arttu.polojarvi(at)aalto.fi

Esimerkki jäälohkaremuodostelmasta Pohjanlahdella. Kuva: Janne Ranta/Aalto-yliopisto