Vesistön jääpeite

Vesistön jääpeitteen muodostuminen tapahtuu pääasiassa samalla tavalla niin järvissä kuin virtavesissäkin. Jäätyminen tapahtuu, kun ilman lämpötila on muutaman viikon veden jäätymispisteen alapuolella eli pakkasella. Suomen järvet ovat jään peitossa leveyspiiristä riippuen 4–7 kuukauden ajan.
Pohjoismaissa vesistöjen jäätyminen tarjoaa oivalliset mahdollisuudet laajentaa omaa virkistystoimintaa. Talvi mahdollistaa turvallisen tavan hankkia elantoa kalastuksella. Jääkansi tarjoaa mahdollisuuden hiihtoon, luisteluun, pilkkimiseen ja moottorikelkkailuun. Jään päältä käsin voidaan myös kalastaa kalaverkoilla, nuotalla ja katiskalla jään alta. Jäällä liikkujan tulee kuitenkin tietää perusasiat jään kantavuudesta ja jään käyttäytymisestä, ettei hän joudu turhaan hengenvaaraan. Jäälle voidaan aurata jääteitä lyhentämään automatkoja, harjoittelu- ja kilparadoiksi sekä avata lentokenttiä pienkoneille.
Jäätyminen.
Järvet.
Ennen jäätymistä tulee järvessä tapahtua lämpötilakerrostumisessa täyskierto, joka sekoittaa erilämpöiset vedet neljäasteiseksi, ja tämän jälkeen sen tulee vielä jäähtyä vedenpinnaltaan nolla-asteiseksi. Tuulet pitävät yleensä huolen siitä, että syvemmältä kumpuaa viileää vettä pinnalle, joka sitten jäähtyy jäätymispisteeseen. Tuuli kuitenkin viivästyttää jäätymistä toisellakin tavalla. Vesi jäätyy helposti tyynellä kelillä, mutta tuulessa yhtenäinen riite hajoa kappaleiksi ja sekoituu veteen.
Jäätyminen alkaa järven rannoilta, missä aallot vaikuttavat vähiten. Jäätyminen tuottaa latenttilämpöä, jonka tulee samalla haihtua vedestä tai säteillä ylöspäin. Uutta jäätä muodostuu vanhan jään reunaan ja jääkannen alle sitä mukaa, kun latenttilämpöä pääsee poistumaan vedestä. Jään muodostuminen käynnistyy hieman alijäähtyneessä vedessä, jonka lämpötila on noin 0,01–0,1 astetta alle jäätymispisteen. Silloin vedessä olevat kiintoainehiukkaset toimivat jäätymiskeskuksina. Hiukkasen ympärille muodostuu pieni 0,1–1,0 millimetrin kokoinen jääkide, joka on yleensä muodoltaan neulamainen. Neulamaiset kiteet muodostavat vedenpinnalle kerroksen, jota kutsutaan hyyteeksi eli supoksi. Hyyde tarttuu herkästi vedessä oleviin kiviin, oksiin, vesikasviin ja tietenkin toisiin jääkiteisiin. Hyyteen ilmaannuttua tyyneen ja seisovaan veteen syntyy pian ohut lasimainen jääkansi, jota kutsutaan riiteeksi. Kun riite jäätyy alapinnastaan huomattavasti paksummaksi, voidaan sitä kutsua teräsjääksi. Se on lasimaista ja kirkasta jäätä, jonka lujuusominaisuudet ovat hyvät. Teräsjään ilmaantuminen on lähes varma merkki siitä, että järvi alkaa jäätymään umpeen. Tuulisilla järvenselillä jäästä tulee harmaata, koska hyhmä ei saa kiteytyä rauhassa vaan hajoaa välillä kappaleiksi. Silloin jään sisälle jää loukkuun ilmakuplia, jotka sameuttavat jään.
Suuret järvet jäätyvät säännöllisesti hitaammin kuin pienet järvet ja lammet. Erittäin suuret järvet kuten esimerkiksi Vänern, jäätyvät samalla tavalla kuin meri. Toistuvat hyydelautat kasautuvat jääsohjoksi jo muodostuneen jääkannen reunalle ja jäätyvät sinne. Avoveden alue supistuu jokaisella pakkaskaudella ja lopuksi järvi on jäätynyt kokonaan. Jos jäätymisprosessi ei ehdi talven aikana valmistua, säilyy osa järvenselästä jäätymättä.
Joet.
Joet pysyvät järviä kauemmin sulina, koska veden virtaukset pitävät veden liikkeessä ja sen vedenpinnan levottomana. Myös joet alkavat jäätymään ensin rannoiltaan, jonne muodostuu järvien tapaan jääkansi. Se kasvaa reunoistaan kurkottaen joen uoman yli, ja riippuen veden virtausnopeudesta, joillakin jokiosuuksilla reunat yhtyvät toisiinsa keskellä. Jääkansi kasvattaa paksuuttaan talven aikana järvien tapaan, ja suuriin jokiin voi muodostua hyvinkin paksut jäät.
Turbulenttisessa virtauksessa vesi sekoittuu tehokkaasti eikä lämpötilakerrostumista tapahdu ollenkaan. Uomassa olevaa vettä voidaan siksi pitää tasalämpöisenä. Pakkasjaksoilla veden lämpötila saavuttaa nopeasti jäätymispisteen ja lopulta vedestä tulee alijäähtynyttä. Veden lämpötila alittaa jäätymispisteen kymmenesosalla astetta, jolloin veden kiintoainehiukkasiin muodostuu pieniä jääkiteitä eli suppoa. Suppo kelluu, mutta veden pyörteissä se voi kieppua vedenpinnan alla. Se voi tarttua rannassa kiviin ja kasvinosiin, uoman pohjaan tai jääkannen alapintaan.
Suppoa voi muodostua useiden senttimetrien kerros vuorokaudessa, jos pakkanen laskee avoveden aikana esimerkiksi lämpötilaan -20 °C. Kovilla pakkasilla joeka virtaa alas suuriakin hyydelauttoja. Jos ne kovettuvat, voivat ne muodostaa pannukakkujäätä, joka jää kellumaan akanvirtaan pyöreinä jäälevyinä. Suppo voi kulkeutua alajuoksun suvannoissa jääkannen alle ja jäätyä siellä kiinni jääkannen alapintaan. Alapinnan jääkerroksista voi muodostua niinkin paksuja, että ne haittaavat veden ohivirtausta. Tällaista tukkeumaa kutsutaan suppopadoksi tai hyyteeksi.
Uoman pohjaan muodostuvaa jäätä kutsutaan pohjajääksi, joka on hyyteen toinen muoto. Pohjajäätä muodostuu yleensä kivikkoihin, särkkiin, veteen kaatuneisiin puihin sekä vedenalaisiin rakenteisiin, kuten esimerkiksi laitureihin ja voimalaitoksien patorakenteisiin. Pohjajää voi muodostua paksuksi ja silloin se nostaa veden pinnan sen tulvakorkeuksiin.
Ilmiö, jossa pohjajää ja suppopato haittaavat vedenvirtausta, tunnetaan yhteisnimellä hyydepato. Niitä tavataan joissa ja puroissa pakkaskausina ennen talvikauden jääkannen muodostumista. Teräsjäässä suppokerrokset erottuvat muusta teräsjäästä jään likaisuutena, sillä suppo kerää mukaansa paljon kiintoainehiukkasia.
Jääkannen ominaisuuksia.
Rakenne.
Järvien ja jokien jääkannen alaosassa on teräsjäätä, sen päällä kohvajäätä ja näiden päällä lunta. Teräsjää syntyy, kun vesi jäätyy altapäin ja kohvajää muodostuu, kun esimerkiksi sateella kastunut lumi jäätyy yläpuolelta. Teräsjään tunnistaa lasimaisesta rakenteestaan, jossa ei ole juurikaan ilmakuplia. Kohvajäässä on runsaasti ilmakuplia, jotka tekevät siitä vaaleanharmaan ja samean. Suomessa jääkansi voi muodostua aluksi kokonaan teräsjäästä, mutta pitkän talven aikana sen päälle muodostuu kohvajäätä. Kohvajäätä on keskimäärin 2/3-osa koko jääkannesta, mutta kuitenkin vähintään noin 10% sen paksuudesta.
Jään tiheys on 910 kilogrammaa kuutiometriltä (kg/m³) ja veden on 1 000 kg/m³. Tiheyseron vuoksi jää kelluu veden pinnalla niin, että jäästä jää noin 10 % vedenpinnan yläpuolle. Tilanne kuitenkin muuttuu, jos jään päälle sataa lunta. Vanhan lumen tiheys on 150–300 kg/m³, joten kun lunta tulee enemmän, painuu jääkannen yläreuna vedenpinnan alapuolelle ja silloin vesi pyrkii tunkeutumaan jään halkeamista ylös lumen joukkoon. Lumensekainen vesi jäätyy jääkannen pinnalle lisäten taas sen paksuutta.
Kantavuus.
Jään vahvuutta voi arvioida laskemalla sen kantavuus. Jään kantavuus formula_1 on suoraan verrannollinen jään paksuuden neliöön formula_2:
formula_3
missä formula_4 jään laatukerroin. Teräsjään tapauksessa se voi olla formula_5. Silloin 5 cm jäätä kantaa ihmisen (125 kg) ja 20 cm jää kantaa auton (2 000 kg). Kohvajää on puolet heikompaa kuin teräsjää. Sekajään kantavuutta laskettaessa lisätään teräsjään paksuuteen puolet kohvajään paksuudesta ja lasketaan kantavuus yhdistetyllä paksuudella käyttäen teräsjään kerrointa formula_4.
Jäärailot.
Suurten järvien jääkanteen syntyy säännöllisesti jäärailoja. Ne voivat syntyä tuulesta, veden virtauksesta tai lämpötilan äkillisestä laskusta. Tuuli tarttuu lumisen jään epätasaiseen pintaan ja työntää sitä myötätuuleen päin. Silloin pitäisi koko jääkansi liikkua tuulen suuntaan, mutta koska se on jäätynyt rantoihin kiinni, vain osa jääkannesta seuraa tuulen mukana. Tuuli saa yleensä aikaiseksi railoja jääkanteen vain, jos se on jo valmiiksi haljennut tai pehmentynyt kevään lämmössä. Jäänalaiset virtaukset aiheuttavat harvoin railoja ja silloinkin lähinnä vain joissa, suurilla järvillä ja merellä. Lämpölaajenemisen aiheuttamat voimat ovat edellä mainittuja voimia suuremmat. Esimerkiksi kilometrin pituinen ja lumeton jääkansi lyhenee 20 asteen kylmenemisen takia noin metrin . Jääkansi ei kestä metrin suuruista vetoa, vaan se katkeaa järvenselällä usean kilometrin pituiseksi railoksi. Sen syntyminen kuulostaa joskus paukahdukselta tai ulvahdukselta. Railot syntyvät yleensä yöpakkasten aikana ja ne voivat yllättää aamulla esimerkiksi jäätiellä liikkujat.
Jäänalaiset virtaukset.
Lähdejärvien pohjalla on lähteitä, joista purkautuu yli neljäasteista vettä. Jos lähteen virtaus kumpuaa vedenpintaan asti, voi jääkannen alapintaa sulaa ohuemmaksi. Jo aikaisen kevään auringonpaiste käynnistää vesipatsaassa hitaan pystysuuntaisen konvektiovirtauksen . Läpivirtausjärvissä, jossa tulevien virtavesien aiheuttama vaakasuuntainen virtaama on suuri, voi vesi järvien kapeikoissa ja salmissa pysyä pitkään sulana. On selvää, että sulapaikkojen lähiympäristössä on aina ohutta jäätä. Tehtaiden ja viemärien edustat voivat myös olla petollisia paikkoja kävellä. Jää voi olla hyvin ohutta ja kun jään päälle on satanut lunta, ei kulkija voi tietää sen paksuudesta mitään. Ainoa tapa seurata jään paksuutta on kairata siihen säännöllisesti reikiä ja mitata paksuuden kehittymistä rei'istä.
Jäätymisen tutkimuksia.
Jäätyminen.
Sekä vesistöjen jäätymistä että niiden jäidenlähtöä on kirjattu Suomessa muistiin 1800-luvun alkupuolelta asti ainakin Kallavedellä, Näsijärvellä ja Oulujärvellä. Jääoloja alettiin kirjaamaan enemmän muistiin samalla, kun 1910-luvulla perustettiin eri järville vedenpinnan korkeusasteikkoja. Pisimmissä havaintosarjoissa on havaittu myöhäisimmät jäätymiset lähes poikkeuksetta talvella 1929–1930. Silloin seilasivat höyrylaivat Näsijärvellä, Päijänteellä ja Saimaalla vielä pitkälti tammikuun puolella. Talvella 2007–2008 rikottiin nämäkin ennätykset, sillä Näsijärvellä järvenselkä jäätyi 31. tammikuuta ja Päijänteen Tehinselkä 4. helmikuuta. Lyhin jääpeiteaika on kestänyt Etelä-Suomessa noin kymmenen viikkoa ja lyhin jäätön aika on kestänyt Käsivarren Lapissa noin 12 viikkoa.
Jäätymistä seurataan merkitsemällä muistiin sen neljä eri vaihetta; eli milloin rannat jäätyvät, lahdet jäätyvät, koko näköpiiri jäätyy ja, suurilla järvillä, milloin suuret järvenselät jäätyvät. Suomen ympäristökeskuksen rekistereihin kootaan jäätymiset ja jäidenlähdöt noin 70 järveltä. Vielä 1900-luvun lopulla seurattiin yli 200 järven jääoloja.
Ruotsissa on vesistöjen jäätymisiä ja jäidenlähtöjä kirjattu muisitiin 1870-luvulta alkaen. Toiminnan käynnisti meteorologian professori Hugo Hildebrandsson Uppsalasta, ja sekä havainnointi että kirjaaminen annettiin talousseurojen () tehtäväksi. Verkostoon kuului alussa noin 150 järveä. Toiminta on edelleen aktiivista, vaikka sen järjestäjänä on toiminut eri yhteisöjä, joista viimeisenä Ruotsin meteorologinen ja hydrologinen instituutti (SMHI). Verkostossa on nykyään 318 järveä, joiden tulokset ovat samansuuntaisia suomalaisten järvien kanssa.
Jään paksuus.
Vesistön jää on alkutalvella ohut, mutta pakkasjaksojen jatkuessa jään paksuus kasvaa koko ajan. Jään paksuutta on seurattu Suomessa 1910-luvulta alkaen aluksi noin kymmenellä järvellä. Mittausverkko laajeni merkittävästi vasta 1960-luvulla ja se kattaa 2000-luvun alussa noin 50 havaintopaikkaa. Jään paksuus mitataan yleensä yli 50 metriä rannasta ja mahdollisia virtauspaikkoja ja matalikkoja välttäen. Talven aikana tehdään kolme mittausta kuukaudessa ja jokaiseen mittaukseen kootaan kolmen kairausreiän tulokset. Samalla seurataan teräsjään, kohvajään ja lumen paksuuksia. Myös vedenpinnan korkeus suhteessa jäähän havaitaan. Suurin jäänpaksuus on mitattu vuonna 1985 Tornionjoella, jossa se oli vappuna 125 senttimetriä paksu. Järvien ennätys kuuluu Kilpisjärvelle, jossa saatiin kevättalvella 1966 paksuudeksi 114 senttimetriä. Etelä-Suomessa on Säkylän Pyhäjärvellä ja Tammelan Kuivajärvellä yhteinen ennätys vuodelta 2003, jolloin mitattiin 84 senttimetrin jäänpaksuus. Järvissä mitataan yli metrin paksuja jääkansia vain Oulujoen vesistöalueen pohjoispuolella. Yleensä jään paksuudet alkavat Etelä-Suomessa 30 senttimetristä ja Lapissa 50 senttimetristä.