SMEAR Eesti -- metsast pilveni ja tagasi

Margo Pajuste, 17. detsember 2021

Järvselja Õppe- ja Katsemetskonna kvartalis nr JS223 kõrgub alates 2013. aastast 130 meetri kõrgune mast. Selle otsa paigaldati kõrgustele 30 meetrist 110 meetrini hulk mõõteseadmeid, millega seiratakse metsa ja atmosfääri vahel toimuvaid protsesse.

Steffen Noe, Eesti Maaülikooli metsandus- ja maaehitusinstituudi metsandusliku modelleerimise ja andmeteaduse professor

Ahto Kangur, Eesti Maaülikooli metsandus- ja maaehitusinstituudi metsakorralduse ja metsatööstuse õppetooli juht, metsakorralduse ja metsatööstuse professor

Mast on 220 meetri pikkuste juhtmetega ühendatud palkmajaga, kus tegutseb SMEAR Eesti jaama välilabori maja. Seal asuvad analüsaatorid ja juhtimistehnika ning seal lööb jaama süda ehk andmehõivesüsteem, mis täna salvestab püsivalt andmeid enam kui 130 mõõdetava tunnuse kohta, üle 8 miljoni andmerea päevas. Suure masti ümbruses asuvad tellingutornid, millega on võimalik otse puude võradele ligi pääseda, metsanduslikud püsiproovialad ning aerosooli ja õhuioonide mõõtmiseks konteiner ja mõõtepaviljon. Mõõdetavate tunnuste vahemik ulatub päikesekiirgusest mullani.

SMEAR-i ehk Station for Measuring Ecosystem-Atmosphere Relations põhimõte on mõõta metsaökosüsteemi ja atmosfääri vastasmõjusid. SMEAR-i jaamadeajalugu algas esimese jaama rajamisega 1990. aastal Soomes. Tänaseks asub seal neli jaama: SMEAR I Lapimaal, SMEAR II Hyytiäläs (Pirkanmaa), SMEAR III on Helsingi linnas ja SMEAR IV asub Kuopio linna lähedal Pujo tornis. Koos SMEAR Eesti jaamaga moodustab see jaamade võrgustik 1100 km pikkuse transekti üle boreaalse metsavööndi ning võimaldab koostööna uurida kliima muutumisega seotud muutusi boreaalsest taigast hemiboreaalsete segametsadeni.

Suurde 130 meetri kõrgusesse mõõtemasti pääseb ainult koolitatud ja kogenud tehnik.

(Erakogu)

Eesti SMEAR tekkis koostöös Soome teadlastega

Ajalooliselt saab tõmmata SMEAR Eesti ja SMEAR II jaamade vahele mitmeid paralleele. Nii Järvseljal kui ka Hyytiäläs asutati umbes 100 aasta tagasi metsateaduse ja -hariduse edendamiseks õppe- ja katsemetskonnad. Teine SMEAR-i suhtes oluline Eesti-Soome koostööhetk oli 1975. aastal, mil Leningradi ülemaailmsel botaanika kongressil kohtusid füüsik Juhan Ross ning matemaatik, teoreetiline füüsik ja metsateadlane Pertti Hari. Algasid koostööprojektid, mille ühendav idee oli rakendada füüsikalis-matemaatilisi meetodeid, et kirjeldada metsade fotosünteetilist produktiivsust[1]. Toonases Eesti meeskonnas oli üheks peategelaseks füüsik Tiit Nilson, kellega siinkirjutaja Steffen Noe kohtus esimest korda 2005. aastal. Juba siis käis arutelu metsa ja atmosfääri protsesside matemaatilisest modelleerimisest.

Järgnes kohtumine professor Pertti Hari ja Soome akadeemia professori Markku Kulmalaga ning 2007. aastal arutati juba võimalusi rajada Eestis SMEAR jaam. See saigi teoks 2011. aastal. Avanes võimalus taotleda Eesti teadustaristu teekaardi projekt „Eesti Keskkonnaobservatoorium“, mis on Eesti Maaülikooli, Tartu Ülikooli, Tallinna Tehnikaülikooli ja Tallinna Ülikooli koostööprojekt.

SMEAR-i võrgustik on endiselt seotud nii füüsika, matemaatika, bioloogia kui ka metsateadusega. SMEAR Eesti jaamas käib peamine koostöö EMÜ metsandus- ja maaehitusinstituudi ning TÜ füüsikainstituudi vahel, laiemas ringis on kaasatud TÜ ökoloogia ja maateaduste instituut, TTÜ meresüsteemide instituut ja paljud rahvusvahelised asutused. SMEAR Eesti koostöövõrgustik ulatab tänasel päeval üle maailma. Kõige tihedam koostöö toimib Helsingi Ülikooliga, aga ka Rootsi Lundi Ülikooli ja Rootsi Põllumajandusteaduste Ülikooliga Uppsalas.

Turbulentsete kovaratsioonide mõõtemeetodi rakendamisel hinnatakse mõõteperioodidele nn mõõtejaama nägemisväli ehk neeluala. See on ala, mis jääb vastavalt puhuvate tuulte suunale vastutuult ning mõõtejaam registreerib kõik erinevad vertikaalsed õhuvood, mis jäävad selle ala sisse. Neeluala suurus sõltub mõõtmisjaama seadmete paiknemise kõrgusest, taimestiku või maapinna iseärasustest ning atmosfääris toimuvatest protsessidest. Joonisel on näidatud SMEAR Eesti mõõtejaama 2020. aasta neelualad: valge on okaspuuenamusega puistu tellingmasti 30 meetri mõõtekõrguse ja kollane on lehtpuuenamusega puistu tellingmasti 30 meetri mõõtekõrguse neeluala, violetne põhimasti 30 meetri mõõtekõrguse ja sinine 70 meetri mõõtekõrguse neeluala.

SMEAR-i jaam uurib kliimat ja metsi

1990. aastatel ühendasid Pertti Hari ja Markku Kulmala oma tegevuse ning Soomes rajati SMEAR I ja II jaamad. Metsateaduse ja atmosfäärifüüsika ühistoimimisest sündis interdistsiplinaarne teadus- ja haridussuund, mis on seotud kliimateematiliste uuringutega. Sellest ajast alates on uuritud seost, kuidas metsast pärinevad lenduvad orgaanilise aine osakesed mõjutavad aerosoolitekke protsesse. Kuna õhuioonid ja aerosooliosakesed on seotud pilvetekke protsessidega, leiti oluline lüli ja tagasiside skeem, kuidas metsad suudavad kontrollida Maal nendeni jõudva päikesekiirguse energia hulka. Alates 2000. aastatest, kui avaldati esimene tagasiside mudeli kirjeldus, on tehtud olulisi alusuuringuid, selgitamaks välja, kuidas on omavahel seotud metsaökosüsteemi süsiniku sidumise protsess, metsa biomassi brutoproduktsioon (ingl Gross Primary Production, GPP) ja atmosfääri protsessid. SMEAR Eesti jaam on nende üleilmsete uuringute osa alates 2015. aastast, täiendades töid hemiboreaalse metsavööndi andmetega.

Ühe olulise väljundina avaldasime eelmise aasta lõpus mudelanalüüsi boreaalsete metsade süsiniku sidumise potentsiaali kohta, arvestades atmosfääri protsesside mõjusid ja nimetatud Carbon Sink+ ehk tõhustatud süsiniku neelu. SMEARi jaamade andmetel hinnati, et sidumise suutlikkus kasvab 10-50% võrra, ning see lähtub metsade poolt õhku emiteeritud aerosooli osakeste õhu läbipaistvust vähendavast mõjust.  Selle tulemusena suureneb maapinnale jõudev hajus päikesekiirgus, mis omakorda soodustab GPP ning biomassi kasvu.

SMEAR Eesti jaama omapära on, et see asub kohas, mida ümbritseb väga mitmekesine keskkond. Mastist ida pool asub ürgmetsakvartal ja Järvselja looduskaitseala piirangu- ja kaitsevöönd, lääne pool on majandatud metsad. Jaama alale jääb nii okas- kui ka lehtpuumetsi, erivanuselisi puistuid ja värske metsauuendusega alasid. See võimaldab meil uurida, kuidas looduslikud häiringud ja metsamajanduse tegevus on seotud süsiniku sidumise ja talletamise protsessidega. Ehk meil on võimalus võrrelda mitme erineva puuliigi ja puistute vanusestruktuuriga koosluste koosmõju.

(Joosep Raide)

SMEAR jaam on kompleksseire jaam, kus vaadatakse terviklikku süsteemi, mis koosneb nii füüsikalisest ümbrusest (atmosfäär, kliima, ilm) kui bioloogilisest kooslusest (ökosüsteem) ning inimese loodud muutustest (metsamajandus, tehnovõrgud). Masti nn neeluala (ingl footprint area) ehk ala, kus saame määrata metsaökosüsteemist lähtuvat ja juhitud gaasivahetust otsemõõtmistega, ulatub kuni 5 km erinevates suundades. Kõik sellel alal toimuvad tegevused, mis muudavad terviksüsteemi seisu, tuvastame oma mõõtmistega ning meil on võimalik mõõtmiste põhjal hinnata süsinikdioksiidi sidumine (Järvselja neelualal keskmiselt 15 tonni hektari kohta aastas).

Järvselja Õppe- ja Katsemetskonna alade kohta on olemas majandamise käigus kasutusse võetavate puidukoguste andmed (tarbepuit, mis läheb inimkasutusse), nii on võimalik meie poolt mõõdetud süsiniku seast eristada kohapeal talletatud süsinik ja (LULUCFist) puittoodetesse pikema elueaga talletatud süsinik.

Kuna metsad SMEAR Eesti jaama ümbruses moodustavad mitmekesise kasvukohatüüpide mosaiigi ja ala sai eelmise sajandi alguses kuivendatud, on süsiniku käive ökosüsteemis suur. Aastane neto C vahetus atmosfääri ja ökosüsteemi vahel (ingl Net Ecosystem Exchange, NEE) ehk erinevus biomassi tootmise ja ökosüsteemi hingamisprotsesside vahel on meie kuue aasta jooksul tehtud mõõtmiste alusel keskmiselt 0,14 tonni hektarilt aasta kohta. See tähendab, et SMEAR jaama neelualal kasvavad metsad on süsinikku neelavad ning hingamisprotsessidest eralduv süsinik jääb napilt seotud süsinikule alla. See protsess viib pikema aja jooksul süsiniku ökosüsteemis talletamisele ning on keskmiselt aasta kohta peaaegu 100 korda väiksem kui keskmine aastane süsiniku sidumise potentsiaal.

(Joosep Raide)

Kokkuvõtvalt on SMEAR Eesti jaamal potentsiaal areneda riiklikuks „süsiniku juhtimise süsteemiks“, mis on oluline, kui võtta arvesse, et lähiaastail 2021–2030 peavad EL riigid hakkama edastama riiklikke süsiniku arvestuseandmeid vastavalt 2018/841 raamistikule.

Mis on peale süsiniku oluline?

Metsaökosüsteemi roll ei seisne vaid süsiniku sidumises, kuna SMEAR jaam võimaldab jälgida veeauru liikumist ja hinnata puude poolt õhku paisatavat veekogust ning sealt edasi nanoosakeste ja nendest pilvede kondensatsioonituumakeste teket. Need protsessid on seotud sellega, kuidas päikeseenergia mõjub kogusüsteemi ning kuidas sademed kindlustavad, et aurunud vesi jõuab metsa tagasi. Lühidalt – mets teab, kuidas endale vajadusel vett hankida. See teadmine on oluline aga meile, kellele ligipääs puhtaleveele on julgeoleku küsimus.

Kõik kasvuprotsessid, ka atmosfääri-metsaökosüsteemi tasemel, on seotud energiavahetusega, mis toob esile metsaökosüsteemide teise olulise rolli. Kuna metsades on põllu- või rohumaaga võrreldes puude kuju ja suuruse järgi suurem mullapealne ebaühtlus, siis toimub huvitav protsess, milles erisuunaliste turbulentsete õhuvoogude tekke tõttu reguleerivad metsad puudealust maapinna temperatuuri. Evapotranspiratsiooni kaudu jahtub metsas maapinna temperatuur ja turbulentse õhuliikumise kaudu jõuab maapinnani soe õhk, mis on tekkinud kõrgemates atmosfäärikihtides.

Tehnik tipus.

(Erakogu)

Metsanduslik andmeteadus, kaugseire ja arengud

Tänased sensorite võimalused koos IoT (ingl Internet of Things) ja kiire 5G võrguga võimaldavad arendada süsteemid, kus andmed metsamõõtmistest, metsamajanduslikest tegevustest ja toimuvatest muutustest (kaugseire) on kättesaadavad peaaegu reaalajas. Siit tulenevad uued väljakutsed ja arenguvõimalused uuteks suundadeks nii teaduslikus kui ka hariduslikus mõttes. Üks näide: metsanduslike hindamiste ja inventuuride andmetega ei saa tihti väikesepinnalisi maakasutuse muudatusi tuvastada ehk mõõdetav puistu või proovitükk ei asu seal, kus häiring toimus. Kui metsakorralduslikud andmed on konkreetse muutuse suhtes „pimedad“ ega ole võimalik kasutada erinevaid kaugseireandmeid, võivad tekkida olulised vead. SMEAR jaamal on võimalus kasutada oma neeluala pikaajaliste mõõtmise tulemusi ja teadmisi, et statistiliste mudelite kaudu ennustada maakasutuse muutuse mõju pindala kohta ja vähendada selliste ennustuste veapiiri.

[1]https://to.ee/est/meist/ajalugu/finest

Artikli täismahus lugemiseks vajuta:
%
Proovi Digilehte tasuta
Oled juba lugeja?