Salama sääilmiönä. Antti Mäkelä Ilmatieteen laitos Antti Mäkelä / Ilmatieteen laitos

Transkriptio

1 Salama sääilmiönä Antti Mäkelä Ilmatieteen laitos Antti Mäkelä / Ilmatieteen laitos

2 Sisältö: 1. Yleistä ukkosista ja salamoista 2. Ukkospilven sähköistyminen 3. Salamat 4. Salamoiden paikantaminen 5. Salamat Suomessa 6. Salamoiden voimakkuudet 7. Yhteenveto

3 Yleistä Ukkosta tutkittu jo vuosisatoja, mutta silti yhä monia aukkokohtia Miksi? Ilmiön luonne asettaa tutkimukselle haasteita (olosuhteet ukkospilvessä ankarat ) Laboratoriomallinnus vaikeaa Havaintolaitteet kehittyneet huimasti viime vuosina, joten teorioita on voitu testata yhä paremmin Paljon uutta tietoa mm. pilven sisäisestä purkausrakenteesta

4 Sähköistyminen Erilaisten kappaleiden (esim. pilvihiukkasten) törmäys- ja hankausprosesseissa tapahtuu sähkövarausten erottumista --> kaikissa pilvissä jonkin asteista sähköistymistä Ukkospilvi kuitenkin ainoa, jossa sähköistyminen riittävän tehokasta salaman synnyttämiseksi Mitä salaman syntymiseen vaaditaan? Alijäähtynyttä vettä lämpötilan nollarajankorkeuden (nollaisotermin) yläpuolella Suuria jäähiukkasia (lumirakeita) ylhäällä pilvessä Pilven huipun yllettävä korkealle (lähelle tropopaussia) Yleensä kaikkien yo. kohtien oltava voimassa

5 Sähköistyminen Kaikkia näitä yhdistää yhteinen tekijä: voimakas konvektio Jos konvektion määrämä nousuvirtauksen nopeus riittävän suuri (~10 m/s), pilvi kasvaa korkeaksi, alijäähtynyttä vettä esiintyy korkealla pilvessä, ja pilvessä muodostuu suuria lumirakeita.

6 Sähköistyminen Nykykäsityksen mukaan varausten erottumista tapahtuu jääkiteen ja lumirakeen törmätessä toisiinsa alijäähtyneen veden täyttämässä pilvi-ilmassa Kuva: Rakov ja Uman (2005)

7 Sähköistyminen Lumirae saa negatiivisen, jääkide positiivisen varauksen Pienet jääkiteet kulkeutuvat nousuvirtauksen mukana pilven yläosaan, raskaammat lumirakeet jäävät kellumaan alemmaksi Lopputuloksena pilven yläosissa positiivinen varauskeskus, keskiosissa negatiivinen (pilven alaosissa voi olla lisäksi heikompi positiivinen keskus) Kuva: MacGorman ja Rust (1998)

8 Salamat: Yleistä Salamat voidaan jakaa kahteen luokkaan: Pilvisalamat --> ei maakontaktia Maasalamat --> maakontakti Pilvisalamat heikompia (voimakkuus muutamia kiloampeereja (ka), maasalamoilla n. 15 ka) Pilvisalamoita määrällisesti enemmän Kuva: mukailtu Rakov (2007)

9 Kuva: Krehbiel et al. (2000) Kuva: Salamat: Pilvisalama Pilvisalama neutraloi varausta pilven eri varauskeskusten välillä Viime vuosina saatu paljon uutta tietoa salamanpaikantimilla Kaksikerrosrakenne: positiivisessa ja negatiivisessa varauskeskuksessa eteneviä purkauksia yhdistää pystysuuntainen kanava

10 Salamat: Maasalama Maasalama joko negatiivinen tai positiivinen (sen mukaan, kumman merkkisestä varauskeskuksesta saa alkunsa) Negatiivinen maasalama yleisempi, koska negatiivinen varauskeskus lähempänä maata Yleensä saa alkunsa pilvestä, mutta joskus myös maasta (esim. korkeat mastot, vuorten huiput...)

11 Salamat: Negatiivinen maasalama Saa alkunsa negatiivisesta varauskeskuksesta Esipurkauksen positiivinen haara kurottaa kohti negatiivista varausaluetta, negatiivinen kohti maata Negatiivinen haara voi pysähtyä alempaan positiiviseen varauskeskukseen --> purkaus jää pilvisalamaksi Jos maahan kertynyt vastakkaismerkkinen varaus houkuttaa purkausta riittävästi, kanava jatkaa kehittymistään kohti maata ns. askeltavana esisalamana (stepped leader)

12 Salamat: Negatiivinen maasalama Kun askeltava esisalama on edennyt lähelle maata, se indusoi maahan voimakkaan sähkökentän (kenttä voimakkain korkeissa ja terävissä kohteissa; esim. puun latva) --> maasta suuntautuu ylöspäin ns. vastaesisalama (connecting leader); näitä voi syntyä useitakin --> näiden kohdatessa on muodostunut sähköä johtava salamakanava pilven ja maan välille Salamakanavaa pitkin etenee ns. pääsalama (return stroke) maasta pilveen Pääsalamoita voi olla useita yhtä salamaa kohden (tällöin puhutaan osaiskuista)

13 Salamat: Positiivinen maasalama Positiivisen maasalaman esisalama on tehokas ja nopea, eikä se yleensä askella eikä haaroitu Positiivinen maasalama miltei aina yksi-iskuinen Sähkövirran huippuarvot jopa 300 ka Maailmanlaajuisesti maasalamoista n. 10% on positiivisia Jotkin tilanteet näyttävät kuitenkin edesauttavan positiivista salamointia: Ukkospilven häviämisvaihe Kylmän vuodenajan ukkoset Mataliksi jäävät ukkospilvet Jotkin hyvin voimakkaat ukkoset

14 Salamoiden leveyspiirijakaumat Ukkosia eniten tropiikin maa-alueilla Kuvassa keskimääräinen vuotuinen kokonaissalamatiheys (pilvi- ja maasalamoita/km²) Kuva: US National Space Science and Technology Center

15 Salamoiden paikantaminen Salama lähettää iskiessään useita eri signaaleja (esim. valo, ääni), ja periaatteessa minkä tahansa tällaisen signaalin avulla salama voidaan paikantaa Yleisimmin käytetyt menetelmät perustuvat sähkömagneettisen signaalin havaitsemiseen ja sen alkupisteen määrittämiseen Salamanpaikannin koostuu yleensä useista antureista, jotka lähettävät salamahavainnot keskusyksikölle

16 Ilmatieteen laitoksen salamanpaikannin IL:n salamanpaikannin koostuu seitsemästä anturista ja keskusyksiköstä Lisäksi yhteistyötä Norjan, Ruotsin ja Viron kanssa --> suuremman anturijoukon myötä entistä tarkempaa salamatietoa entistä laajemmalta alueelta

17 Salamat Suomessa <-- Salamatiheys 2009 Salamatiheys > Antti Mäkelä / Ilmatieteen laitos

18 Jatkuuko alamäki? Keskimääräinen vuotuinen salamatiheys Suomessa Antti Mäkelä / Ilmatieteen laitos

19 Huippuvirta (mediaani) Salamoiden huippuvirrat Paikannin antaa myös arvion pääsalaman huippuvirralle (ka); tämä ei siis ole suoraan mitattu arvo Kuvassa mediaanivirrat Suomessa (yllä) ja Itävallassa (alla) Poukkoiluun (etenkin posit.) vaikuttaa erityisesti laitteiston kehittyminen: herkemmät anturit havaitsevat heikompia salamoita ka Pun. = positiiviset salamat Sin. = negatiiviset salamat Vuosi

20 Salamoiden huippuvirrat Kuvassa neg. salamoiden keskimääräiset alueelliset huippuvirrat v Varsinkin verkon reunoilla suurempia arvoja näennäistä, koska kauempaa verkosta havaitaan vain voimakkaammat salamat

21 Keskimääräinen huippuvirta Euroopassa sin. = ka vihr. = kelt. = or. = pun. = Siellä missä paljon antureita (K-Eurooppa), havaitaan enemmän heikompia salamoita Kuva: Schulz & Diendorfer 2002

22 Yhteenveto Salamoiden sähköinen luonne mahdollistaa niiden kaukopaikantamisen salamanpaikannin Salamanpaikantimet ovat nykyään tärkeä osa sääpalveluita reaaliajassa tieto ukkosalueista Havaintotehokkuus ~ > 90 % Paikannin arvioi myös mm. huippuvirtaa Paikannusverkon tekniset muutokset vaikuttavat huomattavasti myös itse mittauksiin, koska herkemmät anturit havaitsevat heikompia salamoita, jotka ovat aiemmin jääneet paikantamatta

23 Yhteystiedot ERIK PALMÉNIN AUKIO HELSINKI Puh. (09)