Vesimittalaitteet

Mobiililaboratoriossa oppilaat pääsevät tutustumaan lähialueen vesien tilaan mittaamalla itse vedestä eri suureita, kuten happamuutta ja nitraattipitoisuutta. Kyseessä on valmis oppimiskokonaisuus, jota opettaja voi käyttää omassa opetuksessaan. Tarjoamme valmiin materiaalin sekä lainaamme mittalaitteita opetusta varten. Ohjeet mittalaitteiden käyttöön löytyvät materiaalista sekä videomuodossa sivun alareunasta.  Sovittaessa voimme myös opettaa laitteiston käyttöä henkilökohtaisesti. Kokonaisuus on suunnattu yläkouluun, mutta sovellettuna sitä voidaan käyttää myös alakoulujen ylemmillä luokilla ja lukiossa.

Tulokset voi halutessaan tallentaa järviwikiin havaintolähetin avulla, josta opettaja ja oppilaat pääsevät tarkastelemaan mittaustuloksia. Samalla ne sidotaan maantieteellisesti ja tuotetaan paikkaoppiin soveltuvaa tietoa. Havaintolähettiä on äärimmäisen helppo käyttää ja lisäämällä #mobiLUMA tunnisteen voimme kerätä kaikkien vesimittausten tulokset samalle karttapohjalle – pääset siis myös katsomaan muiden tekemiä mittauksia lähialueeltasi.

Kokonaisuus sisältää yhteensä seitsemän anturia, joilla vesistön tilaa voidaan analysoida. Omassa opetuksessaan opettaja voi soveltaa kokonaisuutta ja lisätä omia mittauksia tai jättää joitakin mittauksia tekemättä. Käytössä olevilla antureilla voidaan mitata happipitoisuutta, happamuutta (pH), nitraatin määrää, lämpötilaa, sameutta, suolapitoisuutta ja sähkönjohtavuutta. Lisäksi on mahdollisuus mitata fotosynteesissä hyödynnettävän valon määrää, ammoniumpitoisuutta ja virtausnopeutta. Lainattavissa on myös vesikiikarit.

Näitä tuloksia käyttämällä voidaan esimerkiksi pohtia suunnitelmaa vesistön tilan parantamiseksi tai ympäristövaikutusten arvioimiseksi. Opetuksessa voidaan myös pohtia miten maatalous vaikuttaa veden nitraattipitoisuuteen. Miten eri maa-ainekset vaikuttavat sameuteen? Miten rehevöityminen liittyy mitattaviin suureisiin?

Jokaista lainauskertaa varten sovitaan erikseen, millainen setti laitteita annetaan lainattavaksi. Lähtökohtaisesti kaikkia antureita pakataan mukaan kaksi. Saatavilla on kuitenkin seuraavat anturit:

* Pyydä erikseen mukaan halutessasi! Valon määtää lukuunottamatta nämä myös ovat niin suuria, että ei käytännössä mahdu mukaan postittaessa, ellei muiden laitteiden määrä vähennetä.

Mittaukset suoritetaan maastossa suoraan vesistön äärellä, jotta mittaustulokset olisivat mahdollisimman tarkkoja. Anturit liitetään langattomasti tablettiin (Android tai iPad. Android tabletteja voi pyytää lainattavaksi Lumalta.), suoraan Lab Quest 2:een tai USB-linkin kautta tietokoneeseen. Tämän jälkeen suurin osa antureista on suoraan käyttövalmiita mittaukseen ja anturin mittapää voidaan asettaa veteen. Ainoastaan nitraatti- ja sameusanturi vaativat kalibroinnin ennen mittaamista. Kalibrointi on kuitenkin helppoa ja ohjeet siihen löytyvät anturien käyttöohjeista. Mittauksiin ja kokonaisuuteen liittyvä teoria voidaan käydä ennen mittauksia, mittaamisen yhteydessä tai mittausten jälkeen.

Vihje: Suurella osalla laitteista voidaan mitata arvoja suoraan vesistöstä, mutta näyte voidaan myös tuoda astialla vesistöstä sopivammalle mittauspaikalle. Mittaus kannattaa kuitenkin suorittaa pian näytteen ottamisen jälkeen.

Mittaukset voidaan myös suorittaa luokkahuoneessa, jolloin vesinäytteet tuodaan paikalle esimerkiksi suljetussa juomapullossa. Näyte otetaan vesistöstä hieman pintaa syvemmältä, mutta se ei saa sisältää pohjahiekkaa tai muita roskia. Näyteastia täytetään piripintaan ja suljetaan tiiviisti. Jos näytettä säilytetään pidempään ennen mittaamista, tulee se säilyttää viileässä, esimerkiksi jääkaapissa. Luokkahuoneessa opettaja voi järjestää mittaukset haluamallaan tavalla. Esimerkiksi jokainen oppilas tuo oman näytteen tai opettaja tuo näytteet haluamistaan paikoista.

Vihje: Luokkahuoneessa oppilaille voi antaa yllätysnäytteet, joiden hakupaikat ovat merkittynä kartalle. Mittausten jälkeen oppilaiden tulee pyrkiä sijoittamaan näytteet kartalla oleviin hakupisteisiin saatujen mittausarvojen avulla.

Paljonko aikaa tarvitaan? Ryhmän koosta riippuen, mittaaminen vie aikaa vähintään yhden 45 minuutin oppitunnin. Mikäli oppilaita aluksi opastetaan hieman laitteiston käyttöön, on hyvä varata enemmän aikaa. 75 minuutin oppitunnissa oppilaat ehtivät suorittaa mittaukset lähimaastossa tai hakea vesinäytteen lähivesistöstä. Jos ryhmä ja opettaja ovat käyttäneet laitteita aikaisemmin tai perehtyneet niihin aiemmalla tunnilla, on mittausten suorittaminen nopeampaa.

Vaikka suureet mitataankin yksitellen, ne liittyvät läheisesti toisiinsa ja kertovat kokonaisuutena paljon vesistön tilasta. Yksittäinen suure ei kerro suoraan eri tekijöiden vaikutuksesta, ja esimerkiksi sameus saattaa johtua maaperästä, rehevöitymisestä tai yksinkertaisesti sateiden vaikutuksesta hakatuilla joen penkereillä.

Alla on esitetty lyhyesti eri tekijöiden vaikutusta suureisiin. Yksityiskohtaisemmat tiedot suureista ja vaikutuksesta löydät “linkit” kohdan takaa word ja pdf-tiedostoina.

Vihje: Jos lähistöllä on rehevöityvä lampi tai muu vesistö, kannattaa sitä käyttää yhteisenä teemana mittauksia tehtäessä.

Nitraatti kertoo eniten ihmisen vaikutuksesta, sillä vesistön nitraatti on peräisin lähes kokonaan ihmisen toiminnasta. Suurimpana vaikuttajana on alueellinen maatalous, jossa käytetään typpipitoisia lannoitteita. Suurimmat nitraattipitoisuudet havaitaankin viljelysten lähivesissä juuri lannoittamisen ja sateiden jälkeen. Korkea nitraattipitoisuus aiheuttaa vesistöjen rehevöitymistä, koska se on yksi kasvien pääravinteista ja toimii usein minimitekijänä. Liiallisia nitraattipitoisuuksia onkin pyritty estämään esimerkiksi rajoittamalla lannoitteiden määrää ja käyttöaluetta.

Sameus kuvaa vedessä olevien hiukkasten määrää ja kertoo miten valo pääsee etenemään vedessä. Samea vesi tai tumma väri estävät valon pääsyä syvempiin vesikerroksiin, ja tämä vaikuttaa siellä elävien kasvien ja planktonin yhteyttämiskykyyn ja selviämiseen. Tämän seurauksena kuolleen kasviaineksen määrää pohjalla lisääntyy ja saattaa heikentää pohjan happipitoisuutta, koska pohjan eliöstö käyttää happea hajottaessaan kuolleita kasveja.  Veden sameutuminen voi olla myös seuraus rehevöitymisestä, jolloin vesistössä on paljon eloperäisiä eliöitä kuten planktonia, hajoavia kasveja tai kukkivaa sinilevää. Sameus voi johtua myös eloperäisistä maalajeista, sillä niissä olevat pienet hiukkaset voivat sekoittua veteen. Tällaisia ovat muun muassa muta-, lieju ja humusmaat.

pH-arvo kertoo veden happamuuden eli onko se hapanta vai emäksistä. Yleensä luonnon vedet ovat hieman happamia johtuen humuksesta (pH 6,5 – 6,8). Happamuus johtuu myös maaperän suoloista ja hiilidioksidin liukenemisesta veteen. Soilla vesi voi olla huomattavasti happamampaa, ja tämä vaikuttaa selkeästi myös suon eliöstöön: kasveja ja eliöitä on vähemmän ja ne ovat sopeutuneet elinoloihinsa. Liika happamuus pehmentää kalkkikuoristen eliöiden kuorta ja vaikuttaa haitallisesti kalojen lisääntymiseen, koska mäti- ja maitimunat sekä kalan poikaset ovat erittäin herkkiä happamuudelle. Kalalajit kestävät happamoitumista eri tavoin: esimerkiksi särki- ja lohikalat ovat herkkiä happamuudelle, kun taas hauki ja ahven ovat sopeutuneet hankalampiinkin oloihin.

Happipitoisuus on yksi tärkeimmistä tekijöistä järven ekosysteemissä, sillä eliöt tarvitsevat happea elääkseen. Myös kasvit käyttävät osan tuottamastaan hapesta itse. Mitä suurempi happipitoisuus on sitä paremmin vesistö voi. Happi liukenee ilmasta veteen, ja yleensä virtaavat joet ovat happipitoisempia kuin järvien seisova vesi, joiden pohjalle muodostuu herkemmin happikatoa. Happea kuluu kasvien ja eläinten hengityksessä, kemiallisissa reaktioissa ja bakteerien hajotustoiminnassa, kun ne hajottavat kuollutta eliöstöä. Myös humus vaikuttaa osaltaan happipitoisuuteen, sillä jotkut eliöt käyttävät humusta ravintonaan ja kuluttavat samalla vedestä happea. Vesistöjen happipitoisuus vaihtelee myös vuodenaikojen mukaan: kylmässä ilmassa happea liukenee paremmin veteen kuin lämpimässä, kunhan vesistö ei ole jään peitossa. Seisovissa vesissä myös hapen sekoittuminen koko vesimassaan vaihtelee vuodenaikojen mukaan veden lämpökerrostuneisuuden takia.

Lämpötila vaikuttaa kaasujen, kuten hapen ja hiilidioksidin, liukenemiseen. Ilmaston lämmetessä happea liukenee vähemmän veteen, ja hiilidioksidia alkaa vapautua takaisin ilmakehään. Valtamerien valtavien hiilidioksidivarastojen takia tämä ennestään kiihdyttää ilmastonmuutosta. Eliöllä on ympäristötekijöiden suhteen lajikohtaiset sietorajat ja yleisesti pohjoisen lajit ovat tottuneet kylmiin olosuhteisiin. Esimerkiksi taimenelle viihtyisä lämpötila on 5 – 20 ˚C ja sudenkorennolle 10 – 20 ˚C. Lohi puolestaan vaatii happipitoista vettä, ja siksi sitä tavataankin usein viileissä vesissä. Suurin osa kaloista ei kuitenkaan kestä liian kylmiä lämpötiloja ja lajeja tavataankin käytännössä sitä vähemmän, mitä kylmemmät olosuhteet ovat. Esimerkiksi suolainen merivesi voi olla alle nolla-asteista, jolloin monet kalalajit eivät selviä siellä.

Suolapitoisuuden avulla voidaan suoraan päätellä onko kyse makeasta vedestä vai merivedestä. Myös murtovesialueilla havaitaan vähäisiä suolapitoisuuksia. Itämeri ei ole lähellekään niin suolainen kuin valtameret, mutta se on silti helposti erotettavissa makeasta vedestä. Osa kalalajeista on sopeutunut elämään suolaisessa ja osa makeassa vedessä, osa taas tulee toimeen molemmissa. Itämeren murtovedessä taas on omat, niihin oloihin sopeutuneet lajinsa, mutta myös osa merien tai makeiden vesien lajiesta tulee siellä toimeen. Tällainen esimerkki on esimerkiksi merilohi, joka elää merivedessä, mutta vaatii makeaa vettä lisääntymiseen. Suolapitoisuus vaikuttaa myös vesistön lämpötilaan, sillä suolainen vesi voi olla alle nolla-asteista kuitenkaan jäätymättä.

Sähkönjohtavuus kertoo veden kyvystä johtaa sähköä, hieman samaan tapaan kuin resistanssi. Käytännössä sähkön johtuminen vaatii varauksenkuljettajia, joita ovat vedessä olevat ionit. Selkein esimerkki sähkönjohtavuudesta havaitaan verrattaessa suolaista ja makeaa vettä. Suolainen vesi johtaa huomattavasti paremmin sähköä, koska liuenneen suolan natrium- ja kloori-ionit toimivat varauksenkuljettajina. Myös makeissa vesistöissä havaitaan muutoksia sähkönjohtavuudessa. Ne ovat merkki kallioperästä irronneista suoloista tai epäpuhtauksista, jotka parantavat sähkönjohtavuutta. Esimerkiksi jätevedet johtavat yleensä paremmin sähköä, koska niihin on liuenneena epäpuhtauksia.

Vihje: Yhteistyö eri aineiden opettajien kanssa on kannattavaa. Esimerkiksi mittausten suorittaminen fysiikan tunnilla ja tulosten läpikäynti biologian ja maantiedon tunneilla tehostavat oppiaineiden integrointia.

Järviwiki on Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) ylläpitämä sivusto, jonne jokainen voi tallentaa mittaustuloksiaan havaintolähetin avulla. Vasemman laidan palkista, kohdasta työkalut löytyy havaintolähetti. Palvelu toimii tietokoneella ja mobiililaitteilla. Tämän jälkeen valitse käynnistä havaintoähetti ja kirjaudu sisään. Tulokset voi tallentaa vierailijana tai, jos olet luonut tunnukset, omalla nimimerkilläsi. Jos sallit sovelluksen paikantaa puhelimesi, antaa se sijaintisi automaattisesti. Paikan voi myös valita itse kartalta, jos tuloksia kirjataan esimerkiksi jälkikäteen. Alhaalla olevilla painikkeilla voit liikkua eteen- ja taaksepäin. Valitse havaintopaikkasi (tai luo uusi havaintopaikka) ja valitse päivämäärä. Käytä aihetunnistetta #mobiLUMA, jolloin kaikkia mobiililaboratorion mittauksia voidaan tarkastella yhtäaikaisesti kartalta. Merkitse mittaamasi suureet (kaikkia ei tarvitse täyttää) ja tallenna tulokset tietokantaan.

Alla on linkki oppimiskokonaisuuteen veden ominaisuuksien mittauksista. Lisäksi alta löytyvät ohjeet antureiden käyttämiseen, kytkemiseen ja mitattavien suureiden merkitykseen. Tarkempia ohjeita ja vihjeitä on tarjolla ilmaisissa koulutustilaisuuksista ja lisätietoja saa myös kysymällä.

• Antureiden käyttöohjeet (word / pdf)
• Antureiden kytkeminen (word / pdf)
• Mitattavattavien suureiden merkitys (word / pdf)

Varaukset ja lisäkysymykset voi lähettää Matleena Tuomistolle (hemtuo@utu.fi). Varauskalenteri  ja ohjeet löytyvät sivun alalaidasta. Varauskalenterista näet vain varatut päivät eli varaaminen tapahtuu sähköpostilla.

Vesimittaus on alunperin osa Mitä sitten? -hanketta, joka on osa LUMA SUOMI -kehittämisohjelmaa.
Kehittämisohjelmassa suunniteltiin, pilotoitiin ja toteutettiin kaksi luonnontieteitä integroivaa oppimiskokonaisuutta yläkoulun opetukseen: Vesimittaukset sekä Huolehdi ympäristöstäsi -kokonaisuus.

Mitä sitten, jos heitän tyhjän karkkipussin maahan? Olen mitannut koulun lähialueiden vesistöistä erilaisia arvoja – Mitä sitten? Kysymys on monipuolinen oppimisen väline, kun halutaan ymmärtää ihmisen vaikutuksia ympäristöön tai ympäristössä tehtyjen tutkimusten merkitystä laajemmassa kontekstissa.

Huolehdi ympäristöstäsi -oppimiskokonaisuuden teemana on ihmisen vaikutus ympäristöön ja se korostaa yksilön vapauksia ja vastuita. Oppilaat tutustuvat ihmisen toiminnan ympäristövaikutuksiin eri mittakaavatasoilla: oman lähiympäristön roskaantumisesta aina globaaleihin saasteongelmiin asti.