Tänavu novembrikuus möödub sada aastat ajast, mil avaldati põhjalik uurimus põhjajää tekkest jõgedes. Olulised uuringud selleks tehti Narva jõe kärestikel.

1906. aastal ilmus Šveitsis Aarau linnas raamat “Das grundeis und daherige Störungen in Wasserläufen und Wasserwerken” (“Põhjajää ja sellest tulenev mõju veevoolule ja veeseadmetele”) [3]. See töö puudutab otseselt väga kitsast hüdroloogide ja veeinseneride ringi – neid, kellel põhjust tegelda jõgede jäänähtuste ja -režiimi uuringutega ning veejõu kasutusega talveoludes.

Georg Lüscheri uurimusel oli võrdlemisi suur tähtsus põhjajää tekke selgitamisel, mistõttu hüdroloogia ajaloos peetakse seda kogu maailmas oluliseks teoseks. Meid seob Lüscheri tööga aga asjaolu, et uuringud põhjajää tekketeooria esitamiseks tegi ta Eestis Narva jõe kärestikel. Seepärast on igati asjakohane tutvustada seda temaatikat täpselt sada aastat hiljem, sh. põhjajää uurimise ajalugu laiemalt.

Jää võib olla erisugune. Tekkekoha järgi võib jõgede jää jaotada pinna- ja veesiseseks jääks. Viimast on tavaliselt nimetatud põhjajääks, kuigi kõigi tekkeviiside järgi ei ole alati tegemist põhja kinnitunud jääga.

Põhjajää jaotatakse omakorda kaheks: leheline jää, kus lehekeste läbimõõt on kuni 2–5 mm ja paksus 0,25–1 mm, ning sõmerjas jää, mis on käsnataoline, sarnanedes pigem vettinud lume kui hariliku jääga. Sõmerjää tekib voolutakistuste, näiteks kivide, põhjakõrgendike ja risu ümber, kuhu jäänõelad ehk esmased jäämoodustised veepinnalt turbulentse vooluga satuvad. See on urbne mass, mis koosneb korrapäratult liitunud jäänõeltest ja -kristallidest ning kristallide kogumitest. Sõmerjää tekib kärestikes, leheline jää rahulikuma vooluga kohtades. Veevool murrab jääosakesed lahti ja viib need kaasa – tekib jääsodi ehk jäälobjakas. Selle ja vee erikaal on peaaegu võrdne ning vool kannab niisugust jäämassi hästi edasi. Jäälobjakat võib nimetada ka kolmandaks veesiseseks jääliigiks.

Traditsiooniliselt on põhjajääd nimetatud inglise keeles ground ice. Tänapäeval kasutatakse Ameerikas laialdaselt ka nimetust anchor ice – otsetõlkes ankurjää. Soovitatav on siiski kasutada mõistet “põhjajää”: see annab hästi edasi huvitava tekkeviisiga jää olemuse.

Miks valiti Narva jõgi? Jää- ja lobjakaummistused Narva jõel olid tuntud ammu. Ülalpool Narva koske paiknes kärestik, kus vee sügavus ulatus keskmiselt kahe meetrini. Sellest vastuvoolu Kulgu kohal voolas rahulik vesi, sest jõgi oli lai ja sügavus kuni kaheksa meetrit. Kärestikus tekkis pidevalt jääd, mis kandus koseni ja ummistas veejõuseadmete pealevoolukanaleid. Põhjajääd tuli juurde jääkatte algusajast kuni veebruari lõpuni, see katkes vaid pehmete talveilmade ja sulade ajal. Ummistuste tõttu tuli ette häireid Kreenholmi manufaktuuri tekstiilivabrikute töös, sest vabriku seadmed lükkas käima Narva kose veejõud.

Jääummistused tõkestasid vee juurdevoolu turbiinidele, mõnikord sulgusid pealevoolukanalid täielikult ning isegi turbiinid kiilusid kinni [5]. Ummistused Narva kose piirkonnas põhjustasid ootamatut veetaseme tõusu ülespoole jäävas jõelõigus, vabrikute läheduses, Kulgu sadamas ja koguni linna lõunaosas jõeäärsetel aladel. Samamoodi tekkisid Narva jõe voolusängi ummistused Omuti kärestiku lõigus, mis mõnikord peaaegu sulgesid väljavoolu Peipsi järvest [2]. Talviti kõrvaldas Kreenholmi vabriku veerajatistes jääummistusi omaette abiüksus, ajuti oli selle teenistuses üle sadakonna mehe.

Et seda probleemset olukorda selgitada, kutsuti Narva veeinsener Georg Lüscher, kellelt telliti ka uurimistöö. Arvatavasti oli Lüscher tol ajal ainuke põhjajää asjatundja: ta oli varem selle teemaga kokku puutunud Šveitsis, hinnates mägijõgede veejõu tehnilisi kasutusvõimalusi. Kuid vesiehitistega tegelejate jaoks polnud tolleaegsed põhjajää tekkemehhanismi teoreetilised käsitlused piisavalt tõepärased. Narva jõe jääolud andsid suurepärase võimaluse põhjalikeks uuringuteks ja seda ei jätnud Georg Lüscher kasutamata. Ilmselt oli tolleks ajaks põhjajää probleem esile kerkinud eeskätt seetõttu, et tunti laialdast huvi veejõu kasutuselevõtu ja veejõujaamade rajamise vastu.

Lüscheri põhjajää uuringud. Georg Lüscheri raamat koosneb kolmest peatükist, neist esimene hõlmab põhjajää tekketeooria uut käsitlust, teine Narva jõel tehtud vaatlusandmete analüüsi ja teoreetiliste seisukohtade tõestusi ning kolmas praktilisi järeldusi ja soovitusi, kuidas korraldada veejõuseadmete tööd.

Mõõtmised Narva kärestikel tehti 1899. aasta jaanuaris ja 1900. aasta veebruaris. Peale selle koguti lühema aja kohta andmeid ka Omuti kärestikul ning mõõdeti veetemperatuuri neis lõikudes, kus põhjajääd ei teki. Niiviisi kogunes terviklik ülevaade temperatuuri muutustest jõe eri lõikudes. Et põhjajääd veelgi paremini selgitada, uuriti veetemperatuuri eri sügavustel ja Narva kärestikul kividevahelistes mõnekümne sentimeetri sügavustes lohkudes. Jõe sängis olevatesse kividesse puuriti 30–35 cm sügavused augud, kuhu paigaldati samuti termomeetrid. Temperatuuri mõõdeti erisuguse tumedusega kividel: valkjal, heledal punakaspruunil ning tumedal punaka tooniga lubjakivil. Uuringutes kasutati väga täpseid termomeetreid: mõõtmistäpsus 0,05 °C. Neid kontrolliti Peterburis Tsaari-Venemaa riiklikus mõõtetehnika ametis. Kuna põhjajää teke sõltub otseselt ilmastikuoludest, siis mõõdeti ühtlasi õhurõhku, temperatuuri, niiskust, pilvisust, tuule suunda ja tugevust ning päikesepaiste kestust.

Georg Lüscher põhjajää teooria järgi tekivad vee pinnal külma õhuga kokku puutudes imepeened jääosakesed – nõeljää. Turbulentses voolus vesi seguneb hästi kogu jõe ristlõike ulatuses. Need jäänõelad sulavad allpool olevas vees ja jahutavad põhjatakistustega kokku puutuvat vett, kuni kogu ristlõike ulatuses on vesi nullkraadise temperatuuriga, kuid kiire vool takistab jää edasist arengut. Jõe põhjas olevate voolutakistuste mõjul on vee liikumine seal aeglasem ja jääosakesed ühinevad ebakorrapärasteks tompudeks – kujuneb jäälobjakas.

Kui vesi on pisut alajahtunud (alla 0 °C), kinnituvad jääosakesed põhjatakistuste külge ja algab jäätumine jõe põhjas. Kohtades, kus esimesed jääkristallid on jõe põhjas juba olemas, tekib jääd pidevalt juurde, mida vool omakorda lahti murrab ja allavoolu kannab. Lüscheri vaatlused näitasid, et ka üksikud kivid liivasel põhjal on ohtralt jääga kaetud, samal ajal kui liivane põhi on jäävaba, välja arvatud taimede ümber. Suurema külma ajal põhja kinnitunud jääga ala laieneb ning jää pakseneb, kuni veevool selle lahti murrab ja kaasa haarab. Narva jõe hilisemate jäävaatluste materjalidest võib lugeda, kuidas jõe põhjast kerkis üles umbes 200 m2 suurune jäälahmakas, haarates kaasa liiva ja kive [6]. Nii kordub jääteke pidevalt ning kiire voolu tõttu püsivat jääkatet ei kujune.

Georg Lüscheri teooria järgi areneb normaalne jääkate juhul, kui voolukiirus ei ületa 1 m/s; kui see on 1,5 m/s ja rohkem, ei teki püsijääd isegi õhutemperatuuril –25 kuni –30 kraadi. Kiire voolu ja külma ilma korral on vabaveelistes kohtades aga soodsad tingimused põhjajää tekkeks. Ligi nädalase vaatlusperioodi jooksul jõe põhjas olnud kivid kattusid öösiti jääga, kusjuures voolukiirus oli 1,2 m/s. Kalda ääres, kus voolukiirus ei ületanud 0,5 m/s, põhjajääd ei tekkinud. Kivisid paigutati omavahel ümber, kuid vaiksemas ja madalamas kohas jääd ikka ei kujunenud, kiirevoolulises kohas jäätumine aga jätkus. Kõige intensiivsemalt kattusid jääga kohad, kus vool oli eriti äge.

Lüscher on oma raamatus märkinud ka kiirgusrežiimi mõju põhjajää tekkele, mis on eriti oluline selge ja piisavalt külma ilma korral (õhutemperatuur vähemalt miinus kümme kraadi). Niisuguses olukorras kivine jõepõhi külmeneb läbi vee atmosfääri tagasi peegelduva soojuskiirguse arvel: see soodustab vee alajahtumist ja põhjajää teket. Kuna kiirgust ei mõõdetud, siis jääb see aspekt Lüscheri põhjajää tekkemehhanismi seletamisel tagaplaanile.

Teisi põhjajää tekke seletusi. Professor Howard T. Barnes McGilly ülikoolist Kanadas esitas samuti 1906. aastal Lüscheri tööd teadmata põhjajää tekke teooria [1]. Selle järgi mõjutab nii ujuva nõeljää kui ka otse veekogu põhja kinnituva jää teket veekogu soojuskiirgus. Põhjajää saab tekkida siis, kui veetemperatuur pinnal on üle 0 ºC, taevas pilvitu ning veekogu põhjas on tumedamad kivimid. Kargetel talveöödel jahtub põhi jõe põhjast üles suunduva pikalainelise kiirguse tõttu rohkem, kui ta päeval päikesepaistel soojeneb, st. ööpäeva tsüklis on soojusvoog suunatud veekogu põhjast ülespoole. Päeval soojeneb ainult õhuke pinnakiht. Voolu toimel aitab see jääd kergemini lahti murda, kuid ei soojenda põhjas olevaid kive niipalju, et jäätumine katkeks. Jõe põhjas on sel juhul alajahtunud vesi: temperatuur on –0,01 kuni –0,001 ºC. Puutudes kokku põhjatakistustega, voolukiirus väheneb ja külma põhjaga kontaktis olev vesi kristalliseerub väga kiiresti. Laborioludes on saadud jääkristallide juurdekasvuks kuni 1 cm/s, juhul kui on piisavalt kristallisatsioonituumakesi.

Kümme aastat pärast Lüscheri raamatu ilmumist avaldas W. Altberg Peterburi füüsika observatooriumis tehtud katsete põhjal pikema artikli põhjajää uurimisest laboratooriumis ja looduslikes tingimustes [6]. Põhjajää tekke selgitamisel kasutas ta ka Lüscheri ja Barnesi töid. Altbergi esitatud järeldused on kui kokkuvõte mõlema nimetatud autori seisukohtadest. Seega ajavahemikul 1906–1916 pandi kirja põhjajää tekke põhiseisukohad: peamiselt kujuneb põhjajää vastuvoolu suunatud põhjakõrgenditel; intensiivsem on see kohtades, kus voolu turbulentsus on suurim; ülejahtunud vesi põhjustab kristalliseerumise ning põhjajää tekib ainult lahtise veepinna korral ja protsess kestab seni, kuni veekogu pind kattub jääga või ilm pehmeneb ja muutub pilviseks.

Veel märkis W. Altberg, et põhjajääd tuleb ette ainult jõgedes, mitte seisvas vees. Nüüdseks on teada, et seda tekib ka järvedes ning isegi Antarktikas ja Arktikas madalas meres – kohtades, kus jõed suubuvad väga külma veega mereossa [4].

Olukord Narvas nüüd ja mujal Eestis. Narva jõe jäärežiimi põhjalikke uuringuid tehti ka 1921/22. aasta talvel, veejõujaama projekteerimise tõttu. Sisevete büroo juhataja veeinsener August Wellneri juhatusel võeti vaatluse alla jää, sh. põhjajää teke kogu jõe pikkuses [5, 6]. Nende uuringute käigus täpsustati jääummistuste mõju jõe veetasemele ja järeldati, et talviste uputuste peamine põhjus peitubki põhjajääs. Uuringute tulemusena esitati ka soovitused, kuidas vähendada põhjajää kahjulikku mõju.

Pärast seda, kui Narva veejõujaam 1956. aastal tööd alustas, lakkasid ka jääummistused Narva linna kohal: põhjajääd tekitanud kärestik uputati ja kosk jäi kuivale. Omuti kärestiku ülemises otsas tekib põhjajääd aga endistviisi, sest sinna Narva veehoidla paisutuse mõju ei ulatu.

Omuti kärestiku põhjajää kandub vooluga veehoidla algusosas oleva jää alla ning takistab niiviisi vee liikumist. Erakordsetes oludes võib veepinna tõus Omutis olla kuni 5–6 meetrit, mis takistab omakorda väljavoolu Peipsist [2]. Paraku on põhjajää teket võimalik peatada ainult kärestike uputamisega. Nõnda põhjendati veepaisutuse vajalikkust ka Omutisse kavandatud veejõujaama puhul.

Põhjajääd on talviti ka teistes Eesti jõgedes: kõikjal, kus on kärestikke ja külmal ajal tavalisest suurem vooluhulk, mis soodustab turbulentset voolu. Kuid kusagil mujal ei saa põhjajääd tekkida mahuliselt nii palju kui Narva jões.

Üks tuntud põhjajää tekkekoht on Põltsamaa kärestik linna lõunaosas. Viimati oli seal põhjajääd märkimisväärselt palju 2004. aasta jaanuari esimeses dekaadis. Tol ajal oli jõe vooluhulk 3–4 korda suurem, võrreldes jaanuari alguspoole pikaajalise keskmisega, ja ilmad mitmel päeval selged ning piisavalt külmad – ööpäeva keskmine õhutemperatuur jäi miinus kümnest kraadist madalamale. Põltsamaa kärestikus tekkis palju põhjajääd, mille veevool kandis allapoole. Linna ja Kamari vahemikus oli sellel ajal aga paks püsijää. Jäälobjakas kogunes jääkatte ette ning sulges osaliselt veevoolu. Kõrgele tõusnud vesi ujutas üle jõeäärsed madalamad alad. Samamoodi tekkis Pedja jõe keskjooksul Härjanurme-Tammemäe vahemikus põhjajääd. See kogunes Tammemäest allpool püsijää taha, põhjustades samuti järsu veetaseme tõusu. Samal ajal oli jäätumine intensiivne mujalgi Eestis, ka paisude ülevooludel, kus alajahtunud vees tekkis põhjajääd veelaskerajatiste voolutõkete (näiteks varjapostide) taga.

Talve alguse lobjakaummistusest tingitud lokaalsed jõgede üleujutused on seotud mitme ebasoodsa asjaolu kokkulangemisega: nullilähedane veetemperatuur, talveoludes ebatavaliselt suur vooluhulk ning külm ja selge ilm. Niisuguses olukorras on takistatud nn. normaalne jäätumine, kuid on soodsad eeldused põhjajää tekkeks.

Kindlasti pole põhjajää tekkevõimaluste teaduslik selgitus Narva jõe uurimisandmete põhjal oluline mitte üksnes Eesti looduse uurimise ajaloos ja meie hüdroloogias, vaid see on pälvinud tunnustust ka mujal maailmas.

1. Barnes, Howard T. 1906. Ice Formation with special Reference to Anchor-ise and Frazil.

2. Eipre, Tiit 1973. Lobjakaummistus Vasknarvas. – Eesti Loodus 24 (12): 752.

3. Lüscher, Georg 1906. Das Grundeis und daherige Störungen in Wasserläufen und Wasserwerken. Aarau.

4. Tsang, Gee 1982. Frazil and Achor Ice: A monograph. NRC subcommittee on Hydraulics of Ice Covered Rivers. Ottawa, Ontario, Canada.

5. Welner, August 1936. Die Wasserstände und Eisverhältnisse des Narvaflusses. V Hydrologische Konferenz der Baltischen Staaten. Bericht 7A, Helsinki.

6. Wellner, August 1923. Naroowajõe uurimise andmed ja weejõu kasutamise kawa. Teedeministeeriumi väljaanne, Tallinn.