Salamapuu 2007

Ursan ja Ilmatieteen laitoksen Salamapuu-projekti

Jakke Mäkelä ja Eero Karvinen
Viimeisin päivitys: 15.6.2009

Projektin data kerätään kesällä 2009 Ilmatieteen laitoksen kautta:

Ursan myrskybongarijaosto aloitti kesällä 2007 projektin "Salamapuu2007". Projektista saatiin tieteellisesti merkittäviä tuloksia, ja niinpä Ilmatieteen laitos tukee projektia kesästä 2008 alkaen. Tuloksista on nyt tehty ensimmäinen vertaisarvioitu tieteellinen julkaisu

J. Mäkelä, E. Karvinen, N. Porjo, A. Mäkelä, and T. Tuomi, Attachment of natural lightning to trees: Preliminary statistical results, Journal of Lightning Research, Vol 1, 9-21, 2009

Tutkimus on ns Open Access - julkaisu ja löytyy täältä: JLR

Summary in English: Attachment of natural lightning flashes to trees.

Projektin päämäärä

Projektin lähtökohta on yksikertainen. Tiedetään että Suomen alueelle iskee joka kesä yli sata tuhatta salamaa, suurin osa metsiin. Kysymys: entä sitten? Vastaus: kukaan ei tiedä. Salamoiden vaikutusta metsäpalojen alkamiseen on tutkittu laajastikin, mutta vaikutus metsäekologiaan on lähes tuntematon. Tiedetään esimerkiksi, että salaman vaurioittamat puut saattavat vetää puoleensa hyönteisiä, jotka vuorostaan haittaavat lähiympäristön terveidenkin puiden elämää. Sen sijaan ei ole millään tavalla selvää, onko tällä asialla todellista metsänhoidollista merkitystä.

Projekti keskittyy tarkkaan rajattuun alueeseen joka on tutkittavissa fysikaalisin menetelmin: yksittäisen salaman vaikutus yksittäiseen puuhun. Havainnoitsijat dokumentoivat vauriot. Nämä tiedot puolestaan yhdistetään Ilmatieteen laitoksen salama- ja meterologisiin mittauksiin. Tämä tieto ei vielä auta ymmärtämään laajempaa ekologista kuvaa, mutta on ensimmäinen askel siihen suuntaan.

Tieteellisen päämäärän lisäksi halutaan hankkia Ursan myrskybongausjaoston käyttöön (toivottavasti) dramaattista kuvamateriaalia.

Salamapuu2007-projektista on tarkempia kuvia sekä pidempiä projektiselostuksia täällä: Salamapuu 2007. Katso myös Ursan myrskybongareiden syystapaamisessa pidetyn esitelmän tiivistelmä.

Taustaa ja tutkimusmenetelmä

Projektityöryhmässä on mukana sekä Ursan jäseniä että Ilmatieteen laitoksen tutkijoita. Ursan puolelta projektivastuussa ovat Jakke Mäkelä ja Eero Karvinen.

Vastaavaa tutkimusta on tehty 1960-luvulla USA:ssa, mutta se perustui vanhojen vaurioiden tutkimiseen, ilman mitään tietoa iskun ajankohdasta tai ominaisuuksista. Salamapuu-projektin lähestymistapa oli uudenlainen, ja perustui salamapaikannustietoon. Vaurioituneita puita etsitään paikannustiedon perusteella, jolloin tiedettiin täsmälleen salaman ominaisuudet. Vauriot käytiin tarkastamassa mahdollisimman pian iskun jälkeen, ennen kuin jäljet ehtivät korjaantua. Iskun saanut puu/puuryhmä tutkittiin ja valokuvattiin tarkasti. Ympäristön yleispiirteet dokumentoitiin, jotta voidaan arvioida löytyykö syytä miksi salama iski juuri siihen mihin iski. Vapaaehtoiset täyttivät vakiolomakkeet jokaisesta tapauksesta, tai ainakin lähettivät vastaavat tiedot vapaamuotoisina. Vastaavat lomakkeet löytyvät nyt IL:n sivuilta: Havaintolomake

Vauriot olivat huomattavasti hankalampia tunnistaa kuin kirjallisuuden perusteella voisi olettaa. Ns "klassiset viiltovauriot" ovat täysin yksikäsitteisesti tunnistettavia, mutta suuri osa tapauksista oli hieman sekavampia. On usein vaikea tietää, onko jokin vaurio todellisuudessa salaman aiheuttama vai ei. Lopullinen arvio jouduttiin siis tekemään päättelemällä:

1. Onko havaittu vaurio tarpeeksi lähellä paikannettua salamaniskua? 2. Onko vaurio aivan tuore ja yhteensopiva paikannetun iskuhetken kanssa? 3. Onko vaurio yhteensopiva jonkinlaisen räjähdystyyppisen ilmiön kanssa?

Ehto 2 on ehkä tärkein kriteeri, ja siksi olisi tärkeää päästä paikalle mahdollisimman pian iskun jälkeen. Käytännössä osa tapauksista jää epävarmoiksi, ja yksittäisissä tapauksissa on olemassa vaihtoehtoisia selityksiä (lähinnä tuulivaurio). Jos vaurio kuitenkin täyttää kaikki kolme ehtoa, sitä ei voida automaattisesti sulkea pois. Jos datamäärä on tarpeeksi suuri ja epämääräisissä tapauksissa on tarpeeksi yhteneväisyyksiä, voidaan lähteä siitä että kyseessä ei ole yhteensattuma.

Tärkeimpiä lopputuloksia vuosilta 2007-2008

Kesän 2007 jälkeen tällä wiki-sivulla esitettiin alustavia hypoteeseja, jotka vuoden 2008 tulosten jälkeen hieman muuttuivat ja tarkentuivat.

1) Vauriotyyppien vanha luokittelu pitää varsin hyvin paikkansa.

  • On mahdollista, että salama ei jätä iskemäänsä puuhun minkäänlaista jälkeä.
  • Tavallisin vaurio on pitkulainen haava puun kaarnassa.
  • Aika ajoin salama repii myös sirpaleita puun sisäosista.
  • Joskus vaurio on niin suuri, että koko puu käytännössä räjähtää kappaleiksi.
  • Yksi ennen raportoimation vauriotyyppi löytyi: matalan kuolevan puun räjähdysmäinen kuoriutuminen korkeassa metsässä. Tarvitaan kuitenkin lisäanalyysia ennen kuin tämä tyyppi varmistuu.

2) Pahimmat vauriot syntyvät, kun usea osatekijä yhdistyy:

  • Salama on hieman keskimääräisesti vahvempi (mutta heikkokin isku voi aiheuttaa suuria tuhoja)
  • Salama on positiivinen (Suomen oloissa tällaisia on noin 15%).
  • Maaperä on kuiva
  • Puu on vanha tai laho

Vastaavasti vauriot ovat pienimpiä silloin, kun maa ja puu ovat vahvasti sateen kastelemia.

3) Puun korkeus ei tunnu olevan erityinen riskitekijä, jos puusto on tiheää (kirjallisuudessa on tästä jotain mainintoja). Useissa tapauksissa salama on iskenyt ympäristöään matalampaan puuhun, joskus mahdollisesti jopa puuntynkään. Riskiä arvioidessa puun sähkönjohtavuus ja maan kosteus on otettava myös huomioon.

4) Näyttää siltä, että suuri osa salamoista aiheuttaa vain hyvin vähän vauriota metsään. Yli 90% hakumatkoista oli "turhia", eli varmoja vaurioita ei löytynyt. Tälle on paljon mahdollisia syitä -- tiheästä metsästä on lähes mahdoton löytää pieniä jälkiä, paikannusten tarkkuus ei aina ole riittävä, ja niin edespäin -- mutta on ilmeistä, että ainakin dramaattiset vauriot ovat harvinaisia.

5) Joidenkin maiden ns kansantiedossa esiintyy väitteitä, että jokin tietty puulaji vetäisi puoleensa salamoita enemmän kuin muut. Tätäkin väitettä pyrittiin analysoimaan, mutta varmaa tietoa siitä ei voi saada. Väitettä analysoidessa tajuttiin että siihen sisältyy kaksi eri parametria: osumistodennäköisyys, ja sen lisäksi vauriotodennäköisyys (eli todennäköisyyttä että iskusta aiheutuu näkyvää vauriota). Projektin menetelmällä pystytään analysoimaan korkeintaan vauriotodennäköisyyttä, ja sitäkin hyvin rajallisesti. Sen sijaan osumistodennäköisyydestä tämä tutkimus ei voi sanoa mitään. Projektin eräs päämäärä on systemaattisesti määritellä, millaisiin kysymyksiin ylipäätään voi saada tieteellisiä vastauksia; tähän kysymykseen sellaista vastausta ei nykymenetelmillä saada.

(Sen sijaan voidaan esittää valistunut arvaus että kansanviisaudessa on sekoitettu osumis- ja vauriotodennäköisyys; osumistodennäköisyys tuskin riippuu puulajista, mutta vauriomekanismit ovat eri lajeilla hyvinkin erilaiset ja siksi voi vaikuttaa siltä että jokin tietty puulaji saa useammin pahoja iskuja).

Mitä hyötyä tästä on?

1) Kehitimme systemaattisen menetelmän arvioimaan, kuinka pätevää vanhempi tieteellinen kirjallisuus ja toisaalta "kansanviisaus" salamaniskuista on. Tieteellistä tutkimusta ei ole paljon, se on hajallaan erilaisissa lähteissä, ja määritelmät ovat joskus epäselviä. "Kansanviisaus" taas saattaa olla hyvinkin tarkkaa, mutta se perustuu käytännössä joko muutamiin yksittäistapauksiin tai sitten muistinvaraiseen tietoon. Näin ollen sitä on vaikea todistaa oikeaksi tai vääräksi. Käytännössä projektissa ei ole löytynyt mitään sellaista, mikä merkittävästi kyseenalaistaisi sen enempää vanhempaa tutkimusta kuin kansantietoakaan.

2) Kehitimme uudentyyppisen tiedonkeruutavan. Salamatutkimuksen yksi Akilleen kantapää on juuri tiedonkeruun tuskaisuus. Etämittaukset (salamapaikannus ja sadetutka) ovat nykytekniikalla erittäin toimivia, mutta jos halutaan todentaa että ne todella mittaavat sitä mitä väittävät, viime kädessä jonkun on mentävä paikan päälle. Ja sen lisäksi pystyttävä dokumentoimaan tilanne ja lähettämään dokumentointi eteenpäin. Tämä on mahdollista jos pystytään joustavasti käyttämään monia teknologioita: GPS-laitteita, digikameroita, Internetiä.

3) Useita tietolähteitä yhdistämällä pystyttiin osoittamaan, että suuria tuhoja syntyy yleensä vain melko erityisissä olosuhteissa jotka voi havainnoida etämittauksilla. Vaikka tulokset eivät suoraan liity esimerkiksi metsäpaloihin, metsäpaloja voi syntyä samantyyppisissä olosuhteissa kuin pahoja vaurioitakin. Aika näyttää, voidaanko tätä hyödyntää esimerkiksi metsäpaloriskien ennustamisessa. Lisäksi olisi mielenkiintoista selvittää, voiko näistä tiedoista arvioida esimerkiksi metsän laatua.

4) Salamasuojauksen kannalta on mielenkiintoista, että osumisriski riippuu niinkin vahvasti johtavuudesta, eikä pelkästään korkeudesta. Suojausta on hyvin hankala tutkia kokeellisesti, ja näillä tuloksilla saattaa olla merkitystä salamasuojausmallien kehityksessä. Mitään käytännön muutoksia tämä ei aiheuta, koska ilmiö on kyllä tunnettu.

5) Puuiskuilla pystytään verifioimaan, kuinka tarkasti salamapaikannusverkot itse asiassa toimivat. Paikannusverkko antaa jokaiselle iskulle paikan ja paikannuksen epävarmuuden, mutta on hyvin vaikea arvioida riippumattomasti, kuinka luotettavia nämä paikannukset lopulta ovat. Puuiskut antavat tällaisen riippumattoman menetelmän. Tällainen analyysi on parhaillaan työn alla.

Suuremmilla tietomäärillä näitä käytännön kysymyksiä pystytään vielä selventämään. Siksi tarkoitus on jatkaa tiedon keruuta vielä monena kesänä.

Kiitämme vuoden 2007 puuhakuihin osallistuneita, sekä vuonna 2008 tietoja lähettäneitä.

Jakke Mäkelä
Eero Karvinen