Jäähylly

Jäähylly (myös jäätikköhylly, lauttajäätikkö, shelfijäätikkö) on meressä kelluva suuri ja paksu lauttamainen jäämassa, joka on kiinni rannikossa tai maan päällä lepäävässä jäätikössä. Jäähylly muodostuu tavallisesti jäätikön virtauksen seurauksena, kun etenevä jäätikkö ylittää rantaviivan. Etelämantereen mannerjäätikön virtaus muodostaa laajoja jäähyllyjä, jotka reunustavat suurta osaa mantereen rantaviivasta. Kanadan pohjoisrannikolla esiintyy lisäksi pienempiä, vastaavanlaisia muodostumia. Ne syntyvät monivuotisesta rannikkoon kiinnittyneestä merijäästä, jota jään päälle satava lumi ja hyllyn pohjaan jäätyvä vesi kasvattavat.
Veteen työntyviä jäätikön jatkeita kutsutaan joskus myös jääkielekkeiksi (ice tongue). Niillä viitataan yleensä kapeampiin, esimerkiksi vuonojen rajoittamiin kelluviin jäämassoihin, mutta muodostumisperiaate on sama kuin jäähyllyillä. Erityisesti Grönlannin nopeasti liikkuvat laskujäätiköt muodostavat jääkielekkeitä. Laajoja jäähyllyjä ei pääse Grönlannissa muodostumaan, koska rannikko on kovin vuoristoinen.
Kelluvan jäähyllyn ja maalla lepäävän jäätikön välistä rajaa kutsutaan pohjautumisvyöhykkeeksi tai pohjautumislinjaksi. Etelämantereen jäähyllyjen paksuus vaihtelee noin sadasta metristä kilometriin, Kanadan jäähyllyt ovat ohuempia. Suurin osa jäähyllystä on veden pinnan alapuolella. Maailman suurimmat jäähyllyt ovat Rossin jäähylly ja Filchnerin–Ronnen jäähylly Etelämantereella. Rossin jäähylly on pinta-alaltaan suunnilleen Espanjan kokoinen ja satoja metrejä paksu. Sen pinnan yläpuolella näkyvä törmä on tyypillisesti muutaman kymmenen metrin korkuinen. Jäähyllyn virtausnopeus on tavallisesti muutama sata metriä vuodessa.
Jäähyllyn liikettä hidastaa rannan tai merenpohjan ja jään välinen kitka. Monet jäähyllyt ovat lahtien rajoittamia, ja myös saaret jarruttavat liikettä. Jäähylly voi myös pohjautua matalikoilla, jolloin sen liike hidastuu ja jää paksuuntuu. Tällöin muuten tasaiseen jääpintaan voi syntyä selvästi erottuva, jopa yli sata metriä korkea kohouma (ice rise), jonka ohi jäähylly virtaa. Muuten jäähyllyn pinta on yleensä hyvin tasainen, railoja ja halkeamia on lähinnä tällaisten jääkohoumien laidoilla.

Massatase

Jäähyllyjä ruokkii jäätikön virtaus mantereelta. Massaa kertyy myös jäähyllyn päälle satavasta lumesta ja joskus hyllyn pohjaan jäätyvästä vedestä. Jäätä puolestaan poistuu sulamisen ja jäävuorten lohkeamisen kautta. Lohkeamisprosessia kutsutaan myös jäävuorten poikimiseksi. Tavallisesti jäähylly ohenee avomerelle päin, koska jäähylly leviää oman painonsa alla ja hyllyn pohjassa tapahtuu sulamista. Jäähyllyjen pohjalla tapahtuvaa sulamista on vaikea arvioida, mutta sen selvittäminen olisi tärkeää erityisesti Etelämantereen mannerjäätikön massataseen määrittämiseksi. Suuri osa Antarktiksen ablaatiosta eli massan poistumisesta tapahtuu juuri jäähyllyjen alta sulamalla. Pintasulanta on yleensä suurilla jäähyllyillä merkityksetöntä, kuten koko Etelämantereella muutenkin.

Jäävuorten poikiminen

Jäähyllyt ovat usein lahtien rajoittamia, eivätkä ne yleensä ulotu juurikaan lahden tai vuonon ulkopuolelle, koska ilman rantojen suojaa aallokko ja merivirrat hajottavat ne nopeasti. Erityisesti Etelämantereen jäähyllyistä irtoaa silloin tällöin hyvin suuria, pöytämäisiä jäävuoria. Jäähyllyn reunaa murentavat aallokon ja merivirtojen lisäksi vuorovedet ja tiiviiksi pakkautuneen merijään aiheuttama paine. Jäävuori murtuu irti yleensä hyllyssä olevan halkeaman kohdalta. Pinnan sulaminen edistää jäävuorten poikimista, koska sulavesi tunkeutuu jäähyllyn halkeamiin ja suurentaa niitä. Siksi poikiminen onkin usein kausiluontoista: esimerkiksi Grönlannin laskujäätiköt etenevät talvisin ja poikivat jäävuoria kesällä. Jäähyllyn poikimien jäävuorten määrä riippuu hyllyn etenemisnopeudesta.
Pohjoisen pallonpuoliskon jäätiköistä irtoavat jäävuoret ovat yleensä pienempiä ja kulmikkaampia kuin Etelämantereen suuret pöytämäiset jäävuoret. Poikkeuksena ovat jääsaariksi (ice island) kutsutut ohuet pöytämäiset jäävuoret, joita irtoaa Kanadan jäähyllyistä. Etelämantereen pöytämäinen jäävuori on halkaisijaltaan yleensä useita kilometrejä, joskus paljon suurempikin, ja paksuudeltaan 200–300 metriä. Jääsaaret sen sijaan ovat ohuempia, enintään 60 metriä paksuja. Niiden halkaisija voi olla jopa 30 kilometriä.

Syvän veden muodostuminen Etelämantereella

Weddellinmeri ja Rossinmeri ovat tärkeitä syvän veden muodostumisalueita. Edellisen pohjukkaa peittää Filchnerin–Ronnen jäähylly ja jälkimmäistä Rossin jäähylly, jotka ovat jäähyllyistä suurimmat ja joita on myös tutkittu eniten. Näillä alueilla muodostuu antarktista syvävettä (Antarctic Bottom Water, AABW), joka on maailman tihein vesimassa. Antarktista syvävettä löytyy lähes kaikkialta maailman meristä pohjanläheisestä kerroksesta, ja se on tärkeä osa termohaliinista kiertoliikettä. Valtameren ja jäähyllyjen välinen vuorovaikutus on osa antarktisen syvänveden muodostumisprosessia, ja AABW:n synnyn selvittäminen onkin eräs keskeinen motiivi jäähyllyjen ja niiden alla tapahtuvan kiertoliikkeen tutkimukselle.
Antarktiksella tiheää vettä muodostuu ns. polinjojen (ven. полынья, polynja) kohdalla lähellä jäähyllyjen reunaa. Polinjat ovat avovesialueita, jotka tuuli pitää avoimina ja joilla tapahtuu intensiivistä jäänmuodostusta. Jää hylkii suolaa, jolloin pintavesi muuttuu raskaammaksi ja vajoaa jäähyllyn alle. Näin muodostunut tiheä vesi muuttuu edelleen, kun se virtaa jäähyllyn alle ja siihen sekoittuu jäähyllystä sulanutta makeaa vettä. Syntynyttä vesimassaa kutsutaan nimellä Ice Shelf Water (ISW); sen lämpötila on alhaisempi kuin jäätymispiste meren pinnalla. Osa tästä vesimassasta osallistuu edelleen antarktisen syvänveden muodostukseen.

Veden kierto jäähyllyn alla

Jäähyllyjen alla vallitsevia hydrografisia olosuhteita on mitattu vain muutaman kerran kairareikien kautta. Filchnerin–Ronnen jäähyllyn sekä Rossin jäähyllyn alla vesipatsaassa on havaittu kaksikerroksinen rakenne: lähellä jäähyllyn pohjaa on kylmää ja vähäsuolaista vettä, jonka lämpötila on lähellä jäätymispistettä. Pohjan lähellä vesi on suolaisempaa.
Eräs jäähyllyn alla tapahtuvaa virtausta kuvaava malli on niin kutsuttu jääpumppu (ice pump), jolla voidaan selittää jäähyllyjen pohjissa havaitut paksut merijääkerrokset. Jäähyllyn alle virtaavan veden lämpötila on lähellä veden jäätymispistettä pinnalla (noin –1,9 °C; jäätymispiste on alle nollan koska vesi on suolaista). Syvemmällä suuremmassa paineessa jäätymispiste on vielä alhaisempi, joten näinkin kylmä vesi kykenee sulattamaan jäähyllyn pohjaa lähellä pohjautumislinjaa. Koska veteen nyt sekoittuu jäähyllystä sulanutta makeaa vettä, se muuttuu kevyemmäksi ja alkaa nousta jäähyllyn kaltevaa pohjaa pitkin kohti hyllyn reunaa. Ylemmäs mentäessä jäätymispiste taas nousee, jolloin vedestä voi tulla alijäähtynyttä. Lopulta vesi voi joko jäätyä suoraan jäähyllyn pohjaan tai muodostaa suppojäätä, pieniä vedessä vapaasti leijuvia jääkiteitä, jotka lopulta kerrostuvat jäähyllyn pohjaan. Näin jäätä siis sulaa lähellä pohjautumislinjaa ja toisaalta jäähylly kasvaa paksuutta lähempänä avovettä. Joillakin alueilla tällä tavalla syntynyt "merijää" voi muodostaa merkittävän osan koko jäähyllyn paksuudesta.
Edellä kuvatun mekanismin kautta jäähyllyn pohjaan voi kasautua paksujakin jääkerroksia. Jäähyllyn läpi johtumalla tapahtuvalla lämmönkuljetuksella ja sen aiheuttamalla pohjan jäätymisellä on paljon vähäisempi merkitys.
Jäähylly siis toisaalta viilentää sen alle virtaavaa vettä, mutta toisaalta tekee sen vähäsuolaisemmaksi (kevyemmäksi). Se, painuuko näin syntynyt vesimassa (ISW) pohjaan vai ei, riippuu ympäröivän veden tiheydestä sekä jäähyllyn alle sisäänvirtaavan veden ominaisuuksista. Joillakin alueilla ISW painuu pohjaan, sekoittuu edelleen muihin vesimassoihin ja muodostaa lopulta antarktista syvää vettä (AABW). Mekanismi voi olla herkkä esimerkiksi ilmaston muutoksille ja muille häiriöille. Esimerkiksi 1980-luvulla virtausolosuhteet ja vesimassojen ominaisuudet muuttuivat, kun kolme jäävuorta pohjautui Berknerin matalikolle aiheuttaen tilapäisesti Filchnerin–Ronnen jäähyllyn edustalla sijaitsevan polinjan sulkeutumisen.

Vihreät jäävuoret

Useimmat jäävuoret ovat väriltään sinisiä tai valkoisia, mutta Eteläisellä jäämerellä tavataan silloin tällöin myös vihreitä jäävuoria. Erikoiselle värille on tarjottu selitykseksi muun muassa valaistusolosuhteita: laskevan tai nousevan auringon punaisessa valossa jäätikköjää näyttäisi vihreältä. Vihreitä jäävuoria havaitaan kuitenkin myös sinisten ja valkoisten jäävuorten joukossa ja kaikenlaisissa valaistusolosuhteissa. Nykyään tiedetään, että vihreät jäävuoret ovat kaksikerroksisista jäähyllyistä irronneita kappaleita, jotka ovat pyörähtäneet ylösalaisin. Kaksikerroksisen jäähyllyn yläosa on lumesta jääksi puristunutta jäätikköjäätä, joka sisältää runsaasti ilmakuplia. Alaosa puolestaan on jäähyllyn pohjaan jäätynyttä merivettä, jossa ilmakuplia ei ole. Tutkimuksissa on havaittu vihreiden jäävuorten kiderakenteen ja happi-isotooppiarvojen vastaavan hyvin jäähyllyjen pohjia.
Ei kuitenkaan tarkalleen tiedetä, mitkä ainekset aiheuttavat jäähyllyn pohjaan kasautuneen jään vihreän värin. Selitykseksi on tarjottu meriveden sisältämää orgaanista ainetta tai sedimenttihiukkasia, jotka muuttaisivat jään optisia ominaisuuksia. Kun jäähylly poikii jäävuoren, se saattaa kääntyä ylösalaisin, jolloin vihreä pohja tulee näkyviin. Laboratoriossa vihreistä jäävuorista irrotetut jääkappaleet ovat täysin värittömiä. Vihreitä jäävuoria tavataan toisinaan Weddellin- ja Rossinmerellä, mutta erityisesti Ameryn jäähylly tuottaa vihreitä jäävuoria. Tämä johtuu ilmeisesti siitä, että Ameryn jäähyllyn edustalla on merivedessä runsaasti orgaanista ainetta. Lisäksi Ameryn jäähyllyn pohjaan jäätyneen meriveden kerros ulottuu jäähyllyn reunaan asti.
Vihreitä jäävuoria ei ole havaittu pohjoisella pallonpuoliskolla. Useimmat arktiset jäähyllyt ovat lyhyitä ja liikkuvat nopeasti, eikä niiden pohjaan siksi ehdi kasautua jäätä. Kanadan jäähyllyillä tosin tapahtuu jään kertymistä, mutta niiden pohjaan kertynyt jää sisältää  ilmakuplia. Antarktikan jäähyllyjen pohjajään kuplattomuus johtuu ehkä siitä, että syvemmällä (suuremmassa paineessa) ilma liukenee paremmin veteen.

Tutkimuksen historiaa

Varhaisille tutkimusmatkailijoille jäähyllyt tarjosivat mukavan ja sileän kulkuväylän sisemmälle Etelämantereelle – Robert Scottin etelänapaa valloittamaan lähtenyt huono-onninen retkikunta tosin joutui paluumatkalla myrskyyn Rossin jäähyllyllä vuonna 1912, ja uupuneet miehet kuolivat varsin lyhyen matkan päässä aikaisemmin perustetusta ruokavarastosta. Ensimmäisiä varsinaisia tutkimuksia jäähyllyillä tehtiin norjalais–brittiläis–ruotsalaisen tutkimusmatkan aikana vuosina 1949–1952. Retkikunnan tutkimusasema oli Maudheimin jäähyllyllä, jossa he mittasivat muun muassa jään paksuutta seismisellä luotauksella, lumikerroksen rakennetta, lumen akkumulaatiota ja jäähyllyn leviämisnopeutta. Lisäksi he porasivat jäähän reikiä ja mittasivat muun muassa tiheysvaihteluita sekä kidekokoa. Kansainvälisenä geofysiikan vuonna 1957–58 tehtiin samanlaista perustutkimusta Filchnerin ja Rossin jäähyllyillä.
1970-luvulla perustettiin Ross Ice Shelf Project (RISP), jonka tavoitteena oli porata reikä Rossin jäähyllyn läpi ja tutkia jäätä sekä sen alla olevaa merivettä ja valtameren pohjaa. Hankkeesta kasvoi lopulta Ross Ice Shelf Geophysical and Glaciological Survey (RIGGS), joka toteutettiin neljänä kesänä vuosina 1973–1978. Mittauksia tehtiin yhteensä noin 180 asemalla koko jäähyllyn alueella. Kenttätutkimuksissa selvitettiin jään paksuus, lumen akkumulaatio ja heijastavat kerrokset jään sisällä. Lisäksi tehtiin painovoimamittauksia, ja joillakin asemilla porattiin kymmenen metriä syviä reikiä jäähän happi-isotooppianalyyseja ja lämpötilamittauksia varten. Jään nopeus määritettiin satelliittien avulla. Vuonna 1977 porattiin reikä Rossin jäähyllyn läpi ja alas laskettiin kamera. Jäähyllyn alta löydettiin joitakin äyriäisiä ja kaloja. Porauspaikka sijaitsi yli 400 kilometrin etäisyydellä jäähyllyn reunasta.

Eliöt jäähyllyjen alla

Larsen B -jäähyllyn hajottua vuonna 2002 sen alla asuneita eliöitä päästiin tutkimaan: aikaisemmin jäähyllyjen alaista elämää oli voitu tutkia vain kairareikien avulla. Ensimmäisen kerran pohjaa tutkittiin videoimalla sekä keräämällä näytteitä vuonna 2005. Hyllyn alta paljastui kemosynteesin avulla energiansa saava mikrobien ja simpukoiden kansoittama ekosysteemi, joka on kehittynyt jäähyllyn alla tuhansien vuosien ajan. Merenpohja oli suurimmaksi osaksi valkoisen mikrobimaton peitossa. Löytö antoi aiheen spekuloida, että myös Etelämantereen mannerjäätikön alaisissa glasiaalijärvissä, kuten Vostokissa, voisi olla elämää.
Myöhemmin vuosina 2006–2007 tehdyllä Polarstern-tutkimusretkellä alueelta löydettiin yleisesti useita piikkinahkaislajeja, kuten syvän veden merimakkaroita, merisiilejä ja merililjoja, joita yleensä esiintyy paljon syvemmissä vesissä. Jäähyllyn hajottua sen alla olleeseen merenpohjaan on alkanut kasautua enemmän sedimenttejä, ja ekosysteemi on nopeasti muuttumassa. Siellä tavattiinkin lajeja, joiden uskotaan asuttaneen merenpohjan vasta jäähyllyn hajottua, esimerkiksi vaippaeläimiä ja hitaasti kasvavia lasisieniä. Yhteensä tutkijat keräsivät merenpohjasta noin tuhat lajia, joista monet ovat todennäköisesti aiemmin tieteelle tuntemattomia.

Jäähyllyjen hajoaminen

Viime vuosikymmeninä jäähyllyjen on havaittu kutistuneen sulamisen ja jäävuorten poikimisen seurauksena. Vuoden 1974 jälkeen pelkästään Antarktiksen niemimaalla jäähyllyjen pinta-ala on kutistunut noin 13 500 km². Erityisen dramaattinen oli Larsen B -jäähyllyn äkillinen hajoaminen kappaleiksi vuoden 2002 alussa: yli 3 000 neliökilometrin laajuinen alue hajosi pirstaleiksi parissa kuukaudessa. Larsenin jäähylly sijaitsee Antarktiksen niemimaan itärannikolla. Jäähylly koostui kolmesta osasta: Larsen A -jäähylly hajosi jo aikaisemmin vuonna 1995, kun taas Larsen C vaikuttaa vakaalta. Helmi–maaliskuussa 2008 myös lähes 14 000 neliökilometrin laajuinen Wilkinsin jäähylly alkoi osoittaa merkkejä hajoamisesta: jäähyllystä hajosi noin 400 km² laajuinen alue, minkä lisäksi vain kapea jääkaistale suojaa sisempää jäähyllyä hajoamiselta. Äkillisiä lohkeamisia pidetään yleensä seurauksena ilmaston lämpenemisestä. Jään rikkoutumisen syyksi on esitetty muun muassa jäähyllyn pinnalle kesäisin muodostuvia sulavesilammikoita, joista valuva vesi suurentaa jäähyllyn halkeamia.
Koska jäähyllyt kelluvat, niiden sulaminen tai hajoaminen ei periaatteessa nosta merenpintaa. Epäsuorasti ne voivat kuitenkin vaikuttaa merenpinnan tasoon. Etelämantereen jäähyllyjen laajamittainen murtuminen saattaisi nopeuttaa jään virtausta pois mantereelta, koska hyllyt toimivat eräänlaisena jarruna jäätikön virtaukselle. Lisäksi jään sulaminen voisi nopeutua, koska jäähyllyt pitävät lämpimämmän ilman loitolla mannerjäätiköstä. Antarktiksen niemimaalla, jossa jäähyllyjen murtumista on tapahtunut, on jo havaittu joidenkin jäätiköiden liikkeen nopeutuneen. Myös Grönlannin suurimman laskujäätikön, Jakobshavn Isbræn, liikkeen kiihtyminen näyttää olevan yhteydessä jäätikön kelluvan kielekkeen vetäytymiseen. Jäätikön liikkeeseen vaikuttavat kuitenkin monet tekijät, ja jäähyllyjen vaikutus siihen on yhä kiistanalainen asia.
Jäähyllyt ovat kutistuneet myös Grönlannissa ja Kanadassa, tosin ne ovat paljon pienempiä kuin Etelämantereen jäähyllyt. Ellesmerensaaren pohjoisrannikolla oli vielä 1900-luvun alkuvuosina yhtenäinen, suuri jäähylly, joka kutistui 90 % vuosina 1906–1982. Jäljelle jääneet hyllyt ovat alkaneet hajota viime vuosien aikana. Ward Huntin jäähylly hajosi kahteen osaan vuosina 2000–2002, ja siitä irtosi suuria jääkappaleita, jääsaaria. Samalla jään patoama makeavetinen järvi kuivui ja sen harvinainen ekosysteemi tuhoutui. Vuonna 2005 Aylesin jäähylly irtosi kokonaan rannikosta muodostaen valtavan jääsaaren.