Uusi menetelmä maaperän routaantumisen havainnointiin

Routaantumistietojen lähtöaineistona ovat globaalit SMOS-satelliittimittaukset. SMOS-satelliitti on mitannut maapalloa alkuvuodesta 2010 lähtien ja sen hyötykuormana oleva mittalaite soveltuu erittäin hyvin maanpinnan ominaisuuksien seurantaan.

Maaperän routaantuminen ja roudan sulaminen ovat merkittäviä prosesseja sekä paikallisesti että globaalisti. Maaperän jäätyminen ja sulaminen vaikuttavat mm. energiavaihtoon maanpinnan ja ilmakehän välillä sekä hiilen ja metaanin kiertokulkuun. Koko pohjoisen pallonpuoliskon kattavaa routatietoa olisi mahdollista hyödyntää erilaisissa maapallon tilaa kuvaavissa ilmastomalleissa. Maaperän routaantumisen ja sulamisen ajankohdalla on suuri merkitys myös pohjoisten havumetsävyöhykkeiden hiilitasapainoon. Myöhäinen routaantuminen voi tarkoittaa merkittävää hetkellistä hiilidioksidin määrän lisäystä, kun metsävyöhykkeen eliöstö toimii yhä aktiivisesti vapauttaen normaalisti hiilidioksidia ilmakehään hengityksen seurauksena. Samalla kuitenkin kasvien fotosynteesi on jo lähes loppunut niukan auringon valon takia.

Toisaalta keväällä normaalia aikaisempi maaperän sulaminen tuottaa päinvastaisen ilmiön. Ikiroudan mahdollisen sulamisen yhtenä uhkakuvana on suurien metaanimäärien vapautuminen ilmakehään. Maaperän roudalla on merkittävää vaikutusta myös veden kiertokulkuun luonnossa. Tarkemmat tiedot maaperän routaantumisesta auttavat kehittämään hydrologisia ennusteita veden virtauksista, riittoisuudesta ja mahdollisista tulvista. Paikallisesti routatiedot auttavat selvittämään maaperän kantavuusennusteita, mikä auttaa esimerkiksi metsäteollisuutta puun korjuussa.

Euroopan avaruusjärjestön ESAn SMOS -satelliitin laukaisu loppuvuodesta 2009 mahdollisti tehokkaampien ja parempien menetelmien kehittämisen maaperän routaantumisen globaaliin seurantaan. Satelliitin hyötykuorma mittaa maanpintaa L-alueen taajuudella; tämän taajuusalueen säteily läpäisee hyvin mm. maan pintakasvillisuuden, lumipeitteen ja ilmakehän. Nämä ominaisuudet mahdollistavat erityisesti maanpinnan pintakerrosten ja niissä tapahtuvien muutosten seurannan.

Menetelmää routaantumisen tunnistamiseksi kehitetty Ilmatieteen laitoksessa

Maaperän routaantumisen tunnistusmenetelmän kehitys on nojautunut Ilmatieteen laitoksen Sodankylän observatoriossa tehtyihin mittauksiin ja algoritmiin. Kehitetty algoritmi ei suoranaisesti pyri arvioimaan roudan syvyyttä, vaan luokittelee maaperän seuraavasti: ei routaa, routaantuminen alkanut, roudan syvyys vähintään 6 cm sekä roudan syvyys vähintään 10 cm.

Kaukokartoitusmenetelmin mittaustietoa yli 10 cm syvyydeltä on erittäin vaikea selvittää ja mittauksia tulkita. Tunnistusmenetelmän tarkkuus Sodankylän tornimittauksiin on erittäin hyvä. Algoritmin ennustuksen tarkkuus maaperän tilan luokittelussa on yli 90 %. Yli 10 cm routakerroksen arviointi osuu oikein yli 95 % tarkkuudella. 

Tärkeimpänä yksittäisenä instrumenttina on käytetty ELBARA-II -radiometriä, joka on Euroopan avaruusjärjestöltä lainassa oleva SMOS-satelliitin virallinen referenssimittalaite. ELBARA-II on mitannut Sodankylän maaperän mikroaaltosäteilyä yhtäjaksoisesti lokakuusta 2009 lähtien. Mittalaite on sijoitettu viiden metrin korkuiseen torniin. Alapuolella olevaa mitta-aluetta on tarkkailtu lisäksi erilaisin mittauksin, mm. maaperän kosteus ja lämpötila sekä routakerroksen paksuus. ELBARA-II tornimittausten vertailu samanaikaisiin mittauksiin maaperän tilasta on mahdollistanut routatunnistusalgoritmin kehittämisen kyseiselle maaperälle.

Kuvassa ELBARA-II mittaamassa Sodankylässä helmikuussa 2013.

Algoritmin soveltaminen huomattavasti laajempialaisiin satelliittimittauksiin on merkittävästi haasteellisempaa. Satelliitin yhden mittauksen "kuva-ala" on noin 40x40 kilometriä. Tällaiseen kuva-alkioon mahtuu hyvinkin erilaisia maaperä- ja kasvillisuusluokkia, jotka kaikki vaikuttavat maaperän routaantumiseen sekä satelliitin mittaussignaaliin omalla tavallaan. Routa-algoritmin kehitys jatkuu kohti globaalia tuotetta. Sekä tornimittaukset että ensimmäiset koko pohjoisen pallonpuoliskon routakartat osoittavat menetelmän soveltuvan hyvin roudan globaaliin havainnointiin.

Lisätietoja:

tutkija Kimmo Rautiainen, puh. 050 412 0217, kimmo.rautiainen@fmi.fi

Rautiainen, K., Lemmetyinen, J., Schwank, M., Kontu, A., Ménard, C.B., Mätzler, C., Drusch, M., Wiesmann, A., Ikonen, J., Pulliainen, J., Detection of soil freezing from L-band passive microwave observations. Remote Sensing of Environment, 147, 206-218, DOI:10.1016/j.rse.2014.03.007, 2014