Sisilian lämpötilaennätys 48,8°C 11.8.2021 ja sen virallinen todentaminen sekä kriittistä tarkastelua

Italiassa mitattiin elokuussa 2021 maan lämpöennätys

Paikkana oli Sisilian Syracusassa sijaitseva Contrada Monasterin automaattinen sääasema. Lämpöennätys 48,8ºC ei ollut pelkästään Italian ennätys, vaan myös WMOn määrittämän alue VI:n eli Euroopan ennätys. Tähän ”Eurooppaan” kuuluu Eurooppa, Etelä-Kaukasia, Lähi-itä ja Kazakstan eli yhteensä 50 valtiota.

Ennätys saavutettiin 11.8.2021 11:14 UTC eli kello 14:14 Suomen kesäaikaa ja asiasta uutisoitiin varsin nopeasti sekä Italiassa että maailmalla.

Seuraavan listan ajat ovat tällä hetkellä tiedossani olevia ensimmäisiä julkaisuaikoja Suomessa. En käynyt kuitenkaan kaikkia lehtiä tai sivuja läpi, joten esitys on muutaman hakutoimintaiteraation tulos. Listassa on aluksi käytetty otsikko ja sitten julkaisija ja aika.

• Alustavien tietojen mukaan Italiassa on ollut Euroopan mittaushistorian kuumin päivä Foreca 11.8. klo 19:28 (Googlen tekoäly väitti Forecan bloganneen asiasta jo klo 15:30, mutta sitä en pystynyt löytämään).
• ”Luciferin” piinaamassa Italiassa mitattiin 48,8 asteen ennätys­lämpö IS klo  19:26
• Helleaalto ”Luficerin” piinaamassa Italiassa mitattiin 48,8 asteen ennätyslämpö  Etelä-Suomen Sanomat / Uutissuomalainen / STT-AFP klo 15:30
• Euroopan kaikkien aikojen lämpö­ennätys rikkoutui Sisiliassa, elo­hopea nousi lähes 49 asteeseen  HS  klo 15:45

Pääsääntöisesti ennätyksestä uutisoitaessa muistettiin mainita, että kyse on vielä vahvistamattomasta tuloksesta.

Ennätyksen hyväksymisen julkistaminen

Lämpöennätyksen viralliseen hyväksymiseen meni noin 2,5 vuotta, elokuun 11. päivästä 2021 vuoden 2024 tammikuun 30. päivään.

Saman linkin avaamassa dokumentissa on painike alkuperäiseen lehdistötiedotteeseen, jossa on myös edellä oleva karttakuva.

Ennästystuloksen todentaminen

Koska lämpötilanmittausjärjestelmiä ei kokonaistuutena etukäteen kalibroida, niin ei voida sanoa heti, että joku tulos on ennätys ja sen vuoksi pitää jälkikäteen arvioida mitä todellisuudessa tuli mitattua. Tätä varten perustettiin erillinen todentamiskomitea (ad-hoc verification committee), johon kuului tutkijoita useista eri maista ja useilta eri aloilta.

Komitean tavoite oli selvittää neljä eri asiaa:

1. Mitä lukemaa käytetty lämpötila-anturi näyttää 48,83 ºC asteessa
2. Käytetyn lämpötila-anturin kalibrointi
3. Auringon säteilyn vaikutus mittausyksikön tarkkuuteen
4. Anturin herkkyys lämpötilan muutoksissa eli ns. aikavakio

Dokumenteista ei selviä kuinka kauan testeihin käytettiin aikaa ja milloin ne tehtiin. Todentamiskomitean raportti julkaistiin tammikuun 11. 2024, mutta tutkimusta esiteltiin jo vuonna 2023 4:ssä Metrology for Meteorology and Climate (MMC) -konferenssissa.

Olosuhteet ennätysasemalla

Sijainti

Siracusan mittausasemalla ei ole auringonsäteilyn mittausyksikköä. Lähimmät asemat, joilla säteilyä mitataan ovat Augusta (etäisyys Siracusasta 20km ja  75m meren pinna yläpuolella), Ragusa ( 45km ja 703m mpy) ja Pachino (57km ja 50m mpy), jotka olen kartassa merkinnyt vihreällä alleviivauksella. Siracusa on 92m mpy. Etäisyydet olen mitannut itse Google Mapsin avulla. Kuvan lähde Pubblicazione_Anagrafica_Rete_Stazioni_SIAS_2022.pdf

Säteilymittaukset ympäröivillä asemilla

Yllä olevissa kuvioissa on auringon säteilyn määrä W/m² kolmella mittausasemalla elokuussa 2021. Kaikilla kolmella asemalla on päivämäärän 11.8. säteilyhuippu merkitty punaisella nuolella ja kaikilla kolmella asemalla säteilyn maksimiarvo oli tuolloin noin 100 W/m² alempi kuin edeltäviien 10 päivän maksimi ko. asemilla, jolloin ennätyksen syntyminen olisi ollut otollisempi auringon paisteen suhteen.

Huomio 1
Tätä edellä olevaa säteilyvertausta ei käsitelty raporteissa tai esityksissä eli se on omaa tuotantoani eikä se kerro mikä oli todellinen auringonsäteilyn voimakkuus Siracusassa ennätysmittauksen aikana.

Tietojen lähde on https://dati.regione.sicilia.it/dataset/sias-radiazione-solare-globale , mistä tiedot  saa csv-muodossa ja yksikkönä on MJ/m²h. Tämä yksikkö kertoo paljonko auringon säteilyä on tunnin aikana neliö metrille tullut. Kuvaajissa käyttämäni yksikkö W/m² kertoo tässä tapauksessa keskimääräisen hetkellisen säteilyn teho neliölle ja se saadaan kertomalla MJ/m²h arvo luvulla 1.000.000 (miljoona)  ja jakamalla luvulla 3600 (sekunteja tunnissa).

Jos joku noita linkkejä vilkuilee, niin Augustan mittausasemanumero on 289, mutta tietokantanumero 763. Siracusan vastaavat 290 ja 764, Ragusan 286 ja 756 ja Pachinon 297 ja 769.

Lämpötilat ympäristössä ja tuuliolosuhteet

Todentamiskomitean raportista lainattua: ”The maximum temperature recorded is also consistent with other observations at the location (Fig. 2). The temperature was above 45 °C for approximately an hour from 10:40 to 11:40 UTC (12:40 to 13:40 local time), and near or above 48 °C for much of the period from 11:00 to 11:40 UTC. During this time the wind was from the north to north-west, which is an offshore flow at this location. Temperatures then fell substantially to near 40 °C after 11:40 UTC as the wind direction shifted to the east.”

Huomio 2
Tuuli oli pohjoisen tai pohjoisluoteen suunnasta ennätyslämpötilan mittaushetkella (11:14 UTC). Tuuli siis Africasta tulevaa ”Lucifer”-hellettä vastaan

Kuva on todentamiskomitean raportista ja värit kertovat vallinneet lämpötilat todennäköisesti ennätyspäivältä 11.8.2021, vaikka raportissa on sanottu sen olevan päivältä 21.8.2021. Tummansininen väri on +20 ºC tai kylmempi. Tummanpunainen on + 50 ºC tai kuumempi. Sisilian lämpötilat ovat värikartan mukaan pääsääntöisesti alle 40 astetta ja etelässä Afrikan puolella Tunisiassa yli 40 astetta. Syracusan pohjoispuolella meri ja manner-Italia on alle 33 ºC .

Laitteistot ja todentamismittaukset

Mittaukset suoritti italialainen tutkimuslaitos Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) ja tarkemmin yksilöitynä sen Applied Thermodynamics Laboratories. Seuraavat kuvat, kuvaajat ja taulukot ovat peräisin konferenssiesitelmästä ja osa laitteiden tiedoista julkaisusta Pubblicazione_Anagrafica_Rete_Stazioni_SIAS_2022.pdf (linkki)

Tämä ennätysmittauksen mitannut nelilankainen PT100-anturiyksikkö. Se on mallia MTX FAR120LB.

Huomio 3
Valmistajan sivuilla on merkintä ”retired” eli ei enää ole myynnissä oleva eikä siitä löydy spesifikaatioita eikä niitä mainittu raportissa eikä esityksessä. Sen vuoksi ei ole tietoa mittasiko anturi ilmaa tuon mustan reiän kautta ja oliko muita reikiä kuinka monta. Myöskään anturin paksuudesta ei ole tietoa. Tämä mittausasema on otettu käyttöön vuonna 2002, mutta dokumentit eivät kerro onko tämä alkuperäinen anturi vai onko tuoreempi.

Dataloggeri oli mallia Campbell Scientific CR1000 LE 12 9GX. Ei myydä enää ensitoimituksiin.

PT100-vertailuantureista en löytynyt yksilöityä tietoa, mutta dataloggeri on mallia Fluke DAQ 1586A, mikä digitoi lämpötiloja ± 0,005 °C tarkkuudella jopa 10 kanavaa/s vuoronperään spesifikaatioiden mukaan. Vertailuantureita oli kytkettänä tähän dataloggeriin 4 kappaletta.

Olosuhdekaappi (climatic chamber) oli mallia Kambic KK190 CHLT. Sillä saa aikaiseksi lämpötilat -40 ºC ja +180 ºC väliltä. Lämmittämisnopeus 1,9 ºC/min ja jäähdyttämisnopeus 2,2 ºC/min.

Säteilylähde eli ”solar light” (linkki wikipediaan). Muuta määritystä en löytänyt tästä ”Simonelli lights”-lampusta, kuin mitä esityksessä oli mainittu: säteilyvoimakkuus jopa 2 kertaa auringonsäteily vapaasti kääntäen.

Säteilyn voimakkuutta mitattiin Hukseflux LP02 05 pyranometrillä. Näitä oli mittauksessa kaksi, jotka vaihdettiin kesken erästä mittausta.

Tässä on mittausasetelma millä verrattiin alkuperäisen anturin lukemia verrokkianturien lukemiin, joista yksi on aukotetun säteilysuojan kautta laitettu samaan kohtaan missä alkuperäinen anturi on.

Tutkijoiden mukaan, kun olosuhdekammio oli asetettu + 48,8 ºC asteen lämpötilaan ja 15% suhteelliseen kosteuteen, ennätysmittauksessa ollut laitekokoonpano (dataloggeri + anturi  sätelysuojakotelossa) sai tuloksen, mikä on -0,003 °C pienempi kuin referenssiarvo, kun mittausvirhe on ± 0.16 °C. Maksimivirhe oli -0,184 ± 0.16 °C.

Huomio 4
Tämä edellinen mittaus näiden tulosten mukaan näyttäisi olevan yhden mittauskerran tulos, eikä esityksessä toistoja mainita.

Kuva 18.

Kun tehtiin kalibrointiajo tai -ajot lämpötiloilla 0, 20, 40 ja 48,8 ºC saatiin oheinen kuvaaja virherajoineen. Tämän perusteella pääteltiin, että mitattu +48,83 °C pitäisi oikeasti olla +48.92 ± 0.21°C.

Huomio 5
Saman kalibroinnin perusteella ennätysmittari on näyttänyt liian suuria arvoja välillä +0 –  +40 ºC ja tuon mittausalueen keskivälillä lähes 0,2 ± 0.21 °C enemmän.

Vasteaikatestissä  +4 °C:en tilassa ollut ennästysanturi säteilysuojineen laitettiin ensin +26 °C olosuhdekaappiin ja mitattiin kuinka lukemat nousevat ja sitten siitä edelleen toiseen olosuhdekaappiin, missä lämpötila oli +48 °C.

Huomi0 5
Tämä jälkimmäinen siirto on arvaus, koska sitä ei mainita raportissa eikä esityksessä, mutta 22 asteen lämmönnousu olisi vienyt olosuhdekaapilta speksien mukaan 11,5 minuuttia, mutta kuitenkin ennätysanturin sininen lämpötilakäyrä on jatkuva. Tämä käyrä käyttäytyy oletusten mukaisesti eli alussa anturi lämpenee nopeammin ja, kun alkaa saavuttaa ympäristön lämpötilaa, niin reagointi hidastuu. Tämä johtuu siitä, että mittaava elementti on suojaputken sisällä ja siellä on vielä eristeenä pulverimaista ainetta. Kun lämpötilaero on suuri, on lämmön siirtyminen nopeampaa ja, kun suojaputki on saavuttamassa ulkolämpötilaa hidastuu lämmönsiirto. Tässä voitaisiin hyvin käyttää sellaisia lämpötila-antureita, missä mittaava platinaelementti olisi suoraan kosketuksissa ulkoilmaan ilman hidastavaa eristevaippaa, niin olisivat huomattavasti nopeampia. Valmistutin sellaisia koskettavaan mittaukseen teollisuudessa ja kestivät hyvin tuhannet jousikuormitteiset kontaktit alumiiniin ja kupariin. Yksi anturi käytettiin sertifikaatin myöntävässä laboratoriossa, josta tuli leima. Vasteaika sekunteja, riippuen kohteen lämpötilasta ja lähtölämpötilasta. Kappaletavaran lämmönjohtavuustesteissä tahtiaika oli noin 5 sekuntia. Tarkoittaa aikaa, kun noin 90 °C kuuma metalli kosketti erikoislämmönsiirrintä ja lämpö todennettiin lauhdutuspisteessä. Jos lämpö ei siirtynyt määräajassa, kappale hylättiin.

Varsinaiset testin tulokset on yllä olevassa taulokossa. Ensimmäisen lämmistyssession T1->T2 väli oli 22,30 °C ja siitä   63,2% on 14,09 °C ja sen saavuttamiseen eli asettumisaikaan meni 11 min ja 35 s eli 695 s, jolloin keskimääräinen lämpenemisnopeus oli 0,020 °C/s eli 1,2 °C/min.  Toisella lämmitysvälillä T2->T3 (21,84 °C) meni aikaa 9 min 15 s eli 555 s saavuttaa 63,2%, jolloin keskimääräinen lämpenemisnopeus oli 0,025 °C/s eli 1,5 °C/min.

Huomio 6
Anturi on hidas. Alkulämpötilasta +4 °C  välilämpötilaan + 26 °C vei karkeasti arvioiden 43 minuuttia ja siitä eteenpäin +48 °C aikaa kului ainakin toiset 43 minuuttia kuvaajista arvioiden. Suhteellisesti eniten aikaa menee viimeisten asteiden tai asteen osien saavuttamiseen. Tämä on normaalia tämän rakenteen lämpötila-antureilla.

Lainaus konfrenssiesitelmästä:
”The SIAS sensor showed a high time constant (10 min.), meaning its response is significantly slow. This does not affect the accuracy of the extreme value recorded, since being this evaluated during a positive temperature increase.”

Huomio 7
Tässä ajatellaan, että ennätyslämpö pystyttiin saavuttamaan, koska mentiin nousevassa lämpötrendissä, vaikka anturi oli hidas.  Se on totta, mutta kuinka lähelle todellista lämpötilaa päästiin? Olisiko se voinut olla hetkellisesti vaikka 50 °C, mutta sitä ei pystytty mittaamaan anturin hitauden vuoksi ja, koska pian ennätysarvon havainnoinnin jälkeen tuuli alkoi puhaltamaan idästä ja lämpötila laski? Todentamiskomitean raportissa tämä huomioitiin ja sanottiin mittausyksikön aliarvioineen todellista lämpötilaa, koska anturin inertia oli niin suuri.

Tässä on mittausasetelma auringonsäteilyn vaikutuksen mittaamiseksi. Yleisesti on tunnettua, että passiivisissa säteilysuojakoteloissa lämpötila nousee kotelon sisällä ulkoilmaa korkeammaksi, kun on runsaasti säteilyä ja vähän tuulta. Vasemmalla on vertailuyksikkö Vaisala DTR503A ja oikealla ennätysmittauksissa ollut kotelo. Olosuhdekammion sisämitat olivat 600 x 610 x 510 (leveys x korkeus x syvyys, yksikkö mm). Takaseinällä on pyranometri koteloiden välissä. Siellä on myös tuuletin, jolla kammion ilmaa kierrätetään. Käytettyä virtausnopeutta ei ole mainittu.

Säteilyä tuotettiin olosuhdekammion oven ikkunan läpi, joka suodatti osan tehosta pois. Raportissa mainittiin säteilylampun olleen 65 asteen kulmassa säteilysuojiin nähden, niin kuin tilanne oli 11.8.2021 11.15 UTC.

Huomio 8

Ihan uteliaisuuttani katsoin mitä https://www.suncalc.org antaa korkeuskulmalle tulokseksi ja sehän oli 57,31°.

Oven läpi mennyt säteilyteho oli noin 830 W/m2. Pyranometrien vaihto näkyy ylemmässä kuvaajassa pisteenä ja alemmassa värin vaihtona punaisesta purppuraan.

Mittauksissa oli käytössä 5 lämpöanturia

• Tsisilia (tai Tsias raportissa ja esityksessä) ennätysanturi säteilysuojan sisällä, väri sininen yllä olevassa kuvaajassa (0,5 °C värisevä)
• Vaisala verrokkina, lämpöanturina tod.näk. HMP155, vaikka ei ole mainittu, väri harmaa
• Tcontrol chamber_1, sijainti olosuhdekammiossa suoralta säteilyltä suojattuna, väri keltainen
• Tcontrol chamber_2, sijainti olosuhdekammiossa suoralta säteilyltä suojattuna, väri tumma oranssi
• Tshield hole, on Tsisilian vieressä koteloon tehdyssä aukossa (!), väri vaalean sininen

Ennen säteilyn aloittamista kaikki viisi kalibroitua anturia näyttävät eri lukemaa. Ennätyssäteilysuojan sisällä 48,5 astetta erillisellä anturilla ja alkuperäisellä anturilla keskimäärin noin 48,25 astetta ja Vaisalan arvo yli 48,5, mutta kuitenkin olosuhdekammioanturien lukemien välissä. Esityksen ja todentamiskomitean raportin mmukaan ennätysanturi näyttää noin 0,25 astetta muita vähemmän mittausepävarmuuden ollessa ±0,4 °C.

Huomio 9
Kun säteily laitetaan päälle kaikkien antureiden lukemat ponnahtavat ylöspäin melko pian, mutta ennätysanturin lukemat nousevat hitaammin. Kun säteilyä jatketaan, mitatut lämpötilat laskevat muiden anturien perusteella paitsi ennätysanturin. Miksi? No siksi, että olosuhdekammion lämpötila nousee ja sen automatiikka alentaa lämpötilaa kohti asetuslämpötilaa, mutta ennätysanturin inertian vuoksi se on aina myöhässä. Olosuhdekammion säätämä lämpötila näkyy myös kummankin mittaussession lopussa, kun säteily lopetetaan, niin kaikkien anturien lukemat putoavat välittömästi alle olosuhdekammion alkuperäisen asetuslämpötilan.

Huomio 10
Olosuhdekammiossa on ilmaa kierrättävä tuuletin. Tämä aiheuttaa ilmavirran, joka tulee säteilysuojien pohjan suunnasta ainakin suojien yläpinnassa. Se on suunta mistä tuulet eivät suojiin normaalitilanteessa suuntaudu. Ilmavirran liikkumisnopeutta ei ole ilmoitettu.

Sekä todentamiskomitean raportissa että esityksessä mainitaan tästä testistä ”TSIAS was higher by about 0.11 °C with respect to reference air temperature measured at the same time by two calibrated PT100, shadowed from the direct solar radiation. This value is within the overall measurement uncertainty of this test and should be considered only as a quality test”.

Huomio 11
Tässä edellä jätetään huomioimatta se, että lämpötila-anturilla ”Tshield hole” mitataan alempia arvoja kuin anturilla ”Tsisilia” säteilyn loppuajan aikana, jolloin olosuhdekammion lämpötila on laskenut säteilyvalaisimen tuoman lisälämmön vuoksi. Voisiko tuo edellisen kappalee lihavoitu teksti tulkita näin: Kun alkuperäisen anturin tulos on mittausjärjestelmän virherajojen sisällä, niin tätä testiä on käsiteltävä vain suuntaa antavana varmistuksena, ei absoluuttisina arvoina?

Huomio 12
Esitin tutkimuksen eri järjestyksessä kuin se tehty esityksessä ja raportissa, missä ne noudattavat todentamiskomitealle annettuja tehtäviä, mitkä on mainittu kirjoitukseni alkupuolella. Siis kohdat 3 ja 4. tehtävä vaihtoivat paikkoja.

Loppukommentti

Jos mittausjärjestelmät olisivat kokonaisuudessaan kalibroituja ennen mittauspaikkaan asentamista, ei tälläistä ad-hoc komiteoita tarvittaisi ja tulokset olisivat luotettavampia. Se, että niitä ei kalibroida on pelkkää laiskuutta, koska tässäkin tutkimuksessa on käytetty suurinta osaa tarvittavissa komponenteista. Tästä puuttuu hallittu ilmavirtaus mittauksineen, jotta tuulikomponentti tulisi huomioitua. Lisäksi aurinkoa imitoiva säteilylähde pitäisi olla sekä teholtaan että säteilykulmaltaan säädettävä. Myös mittausanturit pitäisi muuttaa suoraa ilmaa mittaaviksi ilman suojaputkea ja eristävää pulveria.

Tehdyt testit osoittivat, että mittausyksiköllä pystyttiin saavuttamaan 48,8 °C lämpötila, mutta ei sitä pystytty todentamaan kuinka paljon todellinen lämpötila oli, koska mittausanturi reagoi auttamattoman hitaasti.

WMO varmistama tulos ei tainnut saada niin paljon palstatilaa, kuin ennakkotiedot lämpötilaennätyksestä.

Kun säteilysuojaa + mittausanturia kaapeleineen + digitointiyksikköä ei kokonaisuudessaan kalibroida, niin mittaustulokset ovat sinnepäin. Tämä koskee niin passiivisia suojia kuin myös tuulettimella varustettuja yksiköitä. Kuitenkin näillä tuotetaan päättäjille informaatiota vallitsevasta tilanteesta sekä muutoksista aiempaan ja sen lisäksi vielä enneusteita tulevasta.

Linkki raporttiin (ei toimi aina)

Esityksen linkki