Fortbildningscentralen vid Åbo Akademi

Under åren 2002-2003 har finska Havsforskningsinstitutet deltagit i internationella forskningsprogram i vattnen kring Svalbard, närmare bestämt väster och nordväst om den nordliga ögruppen.

Våren 2002 gick fältarbetet för FRAMZY-projektet av stapeln och ett år senare fortsatte arbetet inom ramarna för ACSYS-ABSIS. Huvudmålet med båda projekten var att studera lågtryckssystemens inverkan på isfältet i Framsund mellan Svalbard och Grönland. Havsforskningsinstitutets andel av arbetet koncentrerade sig på noggranna mätningar för analyserandet av energiutbyte mellan havsisen och atmosfären. Fältarbetet utfördes med hjälp av två forskningsfartyg; tyska Polarstern vars arbetsområde låg inne i packisen norr om Svalbard och Aranda som opererade strax innanför isranden mitt i Framsund. I Aranda har Finland ett sjödugligt och isförstärkt forskningsfartyg för krävande förhållanden och därmed också goda förutsättningar att delta i de internationella forskningsprogrammens fältarbeten.

Havsforskningsinstitutet i Finland fick i sitt bruk sitt viktigaste verktyg, forskningsfartyget Aranda, i juni 1989 då hon flöt ut ur varvet i Helsingfors. Detta nya fartyg planerades enkom för forskningsbruk och innehar kapacitet för mycket varierande provtagning och rymmer välutrustade laboratorieutrymmen för krävande analysarbete. Aranda är isförstärkt och är närmast planerad för forskning på Östersjön men hon är kapabel för uppdrag på alla världshav. Under årens lopp har hon gjort resor till både Arktis och Antarktis istäckta vatten. Hon lämpar sig för all modern havsforskning: fysikalisk, kemisk, biologisk och maringeologisk forskning.

Aranda manövreras med långt automatiserade styrsystem. Bland annat har styrningen anpassats till de höga krav som ställs av forskningsarbetet. Fartyget kan noggrant hållas på stället vid en mätningspunkt med hjälp av DGPS- och taut-system. Aranda har också en mångsidig väderstation och kommunikationen med omvärlden kan skötas med GPRS/GPS- eller satellitkontakt. Ombord finns en apparatur som framställer dricksvatten av havsvatten med omvänd osmos-princip. Driftmaskineriet ger möjlighet att köra med direktutväxling eller med diesel-elektrisk utväxling.

Marschfart med Aranda är normalt 10-11 knop och maximalt kan hon gå drygt 13 knop. Under sin livstid har nya Aranda tillryggalagt nästan 300 000 sjömil. Aranda har seglat längre norrut än något annat finskt fartyg hittills; hon har korsat latituden 81° N. Även söderut har hon färdats ganska långt då hon korsade latituden 72° S i Weddellhavet vid Antarktis.

Faktaruta:
Namn: Aranda
Byggnadsår: 1989 (Wärtsiläs varv i Helsingfors)
Ägare: Havsforskningsinstitutet Hemhamn: Helsingfors
Längd: 60 m
Bredd: 13,8 m
Djupgående: 5 m
Bruttovikt: 1734 GT
Maskineffekt: 3000 kW
Marschfart: 10,5 knop
Besättning: 12–13 pers.
Forskare: 25–30 pers.

På Havsforskningsinstitutets webbplats www.havsforskningsinstitutet.fi kan man följa med Arandas rörelser och program. På sidorna finns också mera information om forskningsarbetet och provtagningen på båten.

I juli 1989 styrde Aranda fören mot Nordatlanten för provkörningar i oceanförhållanden. Efter den turen inleddes utrustandet för den första Antarktisexpeditionen och i början av november började den långa resan mot söder till Weddellhavet.

Sedan dessa resor har Aranda varit på forskningsexpeditioner ca fem månader varje år. Under åren har man avverkat ca 9000 stationer, som forskarna kallar sina observationspunkter, och forskarna har gjort nästan 30 000 dagsverken. I medeltal har forskningsresorna haft 17 forskare ombord och resorna har räckt i medeltal 10 dagar. En del av Östersjöexpeditionerna, och isynnerhet världshavsexpeditionerna, har ingått i internationella samprojekt. Följaktligen har fartyget gästats av en mängd olika nationaliteter och stämningen ombord är tidvis mycket internationell.

Forskarna på Aranda arbetar vanligtvis i två skift dygnet runt. Normalt används den för sjömän bekanta 6-6 vakten men också 8-8 och 12-12 -skift är i bruk beroende på uppgifter. Den sedvanliga arbetsordningen vid en station inleds med att fartyget stannar i en förutbestämd koordinatpunkt och befälet ger tillstånd att sätta igång med provtagningen. Först bestäms vattendjupet med ett lod och ett vattenprov tas från det bottennära vattenskiktet. Traditionellt har man också mätt vattnets siktdjup vid varje station. Detta görs med ett enkelt redskap, Secchi-skivan, en rund vit platta med 30 cm:s diameter som sänks ner i vattnet. Siktdjupet bestäms av när den vita plattan inte mera syns till ytan. Mätningen är enkel att utföra och ger en god bild av vattenkvalitetens utveckling. Enligt resultaten har ökningen i vattnets grumlighet (läs tillskottet av växtplankton och blågröna alger) halverat siktdjupet på Norra Östersjön under en hundraårsperiod.

Genast efter ovannämnda mätningar görs den sk. CTD-sondningen. CTD:n sänks med en dataledande vajer igenom vattenkolumnen och är ett av de viktigaste havsforskningsinstrumenten ombord (förkortningen står för Conductivity, Temperature, Depth). Den mäter med stor noggranhet havsvattnets ledningsförmåga, temperatur och tryck (utgångsvärdet för djupbestämningen) med hjälp av vilka man kan räkna ut bl a vattnets salthalt och täthet, ljudets hastighet och en mängd andra storheter som används till t ex dynamiska beräkningar. Till CTD:n kan anslutas tilläggssensorer som syresensor och fluorometer. Med CTD:n följer ett dussin provtagningsflaskor som kan hämta vattenprover från valbara djup.

De följande mätningarna kommer an på expeditionens syfte. Det kan vara frågan om ett stort antal vattenprover för näringshaltsbestämnig från olika djup eller planktonprovtagning med håvar från bestämda vattenlager. Till sist tas bottenproverna, t ex för att kartlägga bottenfaunan eller sedimentprover för kemisk analys.

Då en stations alla mätningar är utförda och prover tagna fortsätter Aranda mot följande punkt. Under tiden bearbetas proverna och an efter som resultaten blir klara matas informationen in i databaserna. Alla datorer ombord är kopplade till ett internt nät vilket gör det möjligt att smidigt och i realtid sammanföra data från olika instrument och analysatorer.

Havsforskarens arbetsdag på forskningsfartyget alterneras av måltider och kaffepauser samt bastubad på kvällen. Arandas kök har ett gott rykte och om man inte passar upp med maten eller går på båtens eget gym, kan man vara säker på att ens kläder börjar spänna mot slutet.

Även om Aranda är ett mycket sjödugligt fartyg påverkas arbetsrutinerna av hårdare sjögång, ibland så mycket att arbetet måste avbrytas. Vid hård sjö blir mången provtagning för svår eller också blir arbetandet på det öppna akterdäcket för farligt. Då avbryts arbetet och man blir och vänta på bättre väder.

Under året delas Arandas expeditioner upp mellan de olika forskningsprogrammen. Om möjligt, sammanslås expeditionerna för att bättre kunna utnyttja skeppstiden. Uppföljningsexpeditionerna, med vilka man följer med Östersjöns ekologiska och kemiska tillstånd och utveckling, hör till Östersjöns skyddsprogram och görs fyra gånger per år. I årsschemat ingår också testning och kvalitetskontroll på mätinstrument, serviceuppdrag på förankrade instrument som vågbojar och strömmätare samt isforskningsexpeditioner. Ibland, med några års mellanrum, styr hon stäven mot öppnare vatten. Nyligen var Aranda uppe i Arktis två år i rad.

Arktis, och närmare bestämt dess havsområde Norra Ishavet, är en känslig kugg i det globala klimatsystemets urverk. Det täcke av is som sträcker sig över nordkalottens hav har en avgörande betydelse för den globala energibalansen. Å ena sidan reagerar isen på globala förändringar, å andra sidan framkallar den en viktig gensvarseffekt. Mellan atmosfären, istäcket och havet försiggår ett komplext icke-lineärt utbyte av energi. Istäcket i sig är så känsligt för dessa utbytesprocesser att modellerna inte klarar av att ge en tillfredsställande beskrivning av denna växelverkan. (Brümmer & al., 2004)

Atmosfären i Arktis karakteriseras av en så gott som permanent temperaturinversion, dvs ett ca 400 meter tjockt luftlagret närmast isytan är tydligt kallare än i de ovanförliggande luftlagren. Inversionsytan reglerar växelverkan mellan det sk arktiska ytlagret och den fria atmosfären och påverkar turbulens-, strålnings- och molnprocesserna i ytskiktet och därmed också växelverkan mellan atmosfären, havsisen och havet. Isfältet är i ständig rörelse och ett uppsprickande isfält medför en mängd råkar med öppet vatten som snabbt avger värme ut i luften. Dynamiken medför att de lokala förhållandena kan ändras drastiskt från dag till dag och från en plats till en annan. Denna effekt är såpass finstrukturerad att väder- och klimatmodellerna möter stora svårigheter i sina prognoser på atmosfärens egenskaper ovanför havsisen. Svårigheten i att simulera den arktiska inversionen kan vara en orsak till att klimatmodellerna är såpass oense om förhållandena som de är.

Mätningsaktiviteten under expeditionerna 2002-2003 var omfattande och mångsidiga. Mätningar utfördes allt som allt på ett 200 km2 stort område. Delvis med de isstationer som byggdes upp från fartygen Polarstern och Aranda, delvis med mätapparatur på ett Falcon-20-flygplan och med driftbojar som placerades på isen med helikopter.

På isstationerna mättes kontinuerligt meteorologiska standardparametrar och vattentemperaturen, is-/snöytans temperatur samt den kort- och långvågiga strålningen. Från fartygen gjordes meteorologiska radiosondningar med tre timmars mellanrum. Också CTD-mätningar och noggrannare turbulensmätningar i vattenkolumnen under isen gjordes på de båda isstationerna. På Polarsterns station reste Havsforskningsinstitutet en 10 m hög meteorologisk mast som mätte vindhastighet på fem höjder, temperaturen på tre höjder och luftfuktigheten. Med noggrann interkalibration mellan vindmätarna kan man tillförlitligt beräkna värme- och rörelseenergiflödet i ytskiktet ovanför isen. Bredvid masten mättes också isens temperaturprofil och fyra olika strålningsstorheter. Dessa data gör det möjligt att bestämma isytans energibalans och den vägen energiflödesparametriseringen för modellerna.

Fartygens kontinuerliga mätningar flätades ihop med det fält av driftbojar som lades ut och med de mätningar som utfördes från forskningsflygplanet. Med den sammansatta informationen kunde man bygga sig en relativt detaljerad tredimensionell bild av atmosfären närmast havsisen. Med att jämföra det erhållna vindfältet med mätningarna på isdriften kunde forskargruppen härleda sig till relationen mellan dessa och därmed också beräkna gränsytans friktionsparametrar.

Det är sedan tidigare redan känt att den största exporten av havsis från Norra ishavet söderut sker via Framsund. Mätningsresultaten från driftbojarna bekräftar detta fenomen – också i sådana fall då vinden legat på söderifrån har isdriften inte vänt, utan på sin höjd avstannat eller avlänkats österut för att igen fortsätta söderut.

Skillnaden i väderförhållandena mellan isranden och det egentliga packisfältet kunde konstateras på basen av observationerna på både Polarstern och Aranda. Det öppna, relativt varma, havet söder om isranden genererar starkare vindar och vindstyrkorna var konsekvent 2-5 m/s lägre på Polarstern än på Aranda. Samma gällde temperaturerna där Polarstern mätte 3-5 grader lägre värden än Aranda.

Det uppmätta datasetet har jämförts med modellresultat från det Europeiska centret för medellånga väderprognoser (ECMWF). Då man jämförde yttemperaturerna visade det sig att alltid då temperaturerna avvek från varandra, gällde avvikelsen hela det arktiska ytlagret ända upp till inversionsytan. Det här leder till att stora delar av luftmassan i modellerna använder felaktiga temperaturer. Därigenom visar det sig att vetskapen om den korrekta yttemperaturen vid is- eller vattenytan är av största vikt för parametriseringen av de numeriska modeller som innefattar gränsskiktet mellan hav, is och atmosfär.

Mot slutet av expeditionen var vindarna sydliga under några dagar och Aranda blev omringad av stora, tunga isvallar som hon inte klarade av att bryta upp för egen maskin. Polarstern fick på sin returfärd göra en avstickare till Arandas position och med sina mäktiga 14000 kW bryta upp en ränna så att alla expeditionsdeltagare kom hem inom utsatt tid.