Meteorologian ja sääilmiöiden perusteet Yliopistonlehtori Marja Bister

Transkriptio

1 Meteorologian ja sääilmiöiden perusteet Yliopistonlehtori Marja Bister

2 Sisältö Ilmakehän pystyrakenne Ilmakehän energiataloudesta Peruslait Peruslakien sovellutuksia Sääilmiöistä

3 Ilmakehän pystyrakenne

4 Ilmakehän lämpötilan leveyspiirikeskiarvo tammikuussa

5 Maan etäisyydellä auringosta säteilyvuo (aurinkovakio) S 0 =1360 Wm -2 (säteilyvuo säteilyn suuntaa vastaan kohtisuoralla pinnalla) Aurinko Maa Maan etäisyydellä pallopinnalla näkyvä Maan ala on a 2, jolle saapuva säteily vielä jakautuu tasaisesti koko Maapallon pinnalle a 2. Tällöin Maapallo siis saa keskimäärin säteilyenergiaa S 0 /4=340 W/m 2. Maapallolle jää (1-)S 0 /4. on albedo eli heijastuskyky

6 Säteilytasapaino maapallolle F in = F out Jos Maa musta kappale ( = 1), tasapaino tulevan lyhytaaltosäteilyn ja maan emittoiman pitkäaaltosäteilyn kesken ( 31 %): S 4 0 S 4 0 T e 4 Te 254 K 19 o C Todellinen keskilämpötila +15ºC selittyy kaasuabsorptiolla (kasvihuoneilmiö)

7 Ilmakehän energiatalous Trenberth et al., 2009 Säteilytaseet: Ilmakehä: R= =-98 Maa: R = =98 Energiataseet (R+H+LE): Ilmakehä: = -1 Maa: =1

8 Säteilyn absorbtiosta ilman liikkeisiin Auringon säteily jakautuu epätasaisesti maanpinnalle leveyspiirin mukaan Epätasainen lämmitys aiheuttaa ilmanpaineeroja ja tuulia jotka pyrkivät tasaamaan lämpöä -> Ilmakehän ja merivirtojen kiertoliike Kvalitatiivinen kuva säteilytaseesta ilmakehän ylärajalla Punainen: imeytyvä lyhytaaltosäteily Sininen: avaruuteen karkaava pitkäaaltosäteily

9 Peruslait Liikemäärän säilyminen Ideaalikaasun tilanyhtälö Massan säilyminen Energian säilyminen Ilmapaketti: pieni tilavuus ilmaa, materiaa ei virtaa sen seinämien läpi Ominaistilavuus = 1/

10 Ideaalikaasun tilanyhtälö Ilmakehän oloissa ilma lähes ideaalikaasu p RT p,, T tilanmuuttujia, R kaasulle ominainen kaasuvakio (kuivalle ilmalle R d = 287 Jkg -1 K -1 ) Myös vesihöyry ilmakehässä noudattaa ideaalikaasun tilanyhtälöä.

11 Energian säilymisen laki Ilmapakettiin tuotu lämpöenergia = sen sisäisen energian muutos + sen tekemä työ Ilmapaketti saa energiaa säteilynä, tiivistymis- tai jäätymislämpönä ja johtumalla

12 Energian säilymislaki: mq mc v DT Dt mp D Dt : m DT D Q c v Dt p Dt Termodynamiikan yhtälö Q on nk. diabaattinen lämmitystermi (esim. auringon säteily, latentti lämpö)

13 Termodynamiikan yhtälö Derivoidaan tilanyhtälöä puolittain ajan suhteen Sijoitetaan tulos termodynamiikan yhtälöön Saadaan yhtälön toinen, ehkä tutumpi muoto (ilmapaketin painetta helpompi mitata ) Q p RT D( p ) Dt ( c v c v D Dp p Dt Dt DT Dt R) DT Dt R DT Dt DT Dp R Dt Dt Dp Dt DT Dp Q c p Dt Dt

14 Hydrostaattinen stabiilisuus Z, p Punainen viiva: ilmapaketin lämpötilan muutos sen liikkuessa pystysuunnassa (ks edellisen sivun viimeinen yhtälö) Stabiili jos T vähenee hitaasti korkeuden funktiona Epästabiili jos T vähenee nopeasti korkeuden funktiona T

15 Massan säilyminen - Jatkuvuusyhtälö Ilmavirtausten mukana liikkuva ilmapaketti koostuu jatkuvasti samoista molekyyleistä, m=vakio Jos paketin tilavuus kasvaa, tiheys pienenee (virtauskentässä DIVERGENSSIÄ) Jos paketin tilavuus pienenee, tiheys kasvaa (virtauskentässä KONVERGENSSIA) Matemaattisesti D U Dt u x v y w z

16 Jatkuvuusyhtälö

17 Kyllästyshöyrynpaine kertoo missä lämpötilassa vesihöyry on tasapainotilassa vesi- tai jääpinnan suhteen eli paljonko vettä ilmaan tietyssä lämpötilassa mahtuu Clausius-Clapeyronin yhtälöstä integroimalla Kun ilma nousee ylös, sen lämpötila laskee ja vesihöyryä alkaa tiivistyä Kyllästyskosteus 17

18 Virtausdynamiikkaa Newtonin II lain mukaan kappaleen kiihtyvyyden tähtiin kiinnitetyssä inertiaalikoordinaatistossa määrää siihen kohdistuvien voimien summa 1 a m Tarkastellaan ilmapakettia pyörivässä koordinaatistossa -aitojen voimien lisäksi näennäisvoimia Koordinaatisto pyörivään Maahan sidottu - u on tuulen itäsuuntainen komponentti, - v on tuulen pohjoissuuntainen komponentti, - w on tuulen pystysuuntainen komponentti F

19 Ilmapakettiin vaikuttavat voimat: Painovoima pystysuunnassa Paine-ero- eli painegradienttivoima ~ p pystysuora komponentti likimain tasapainossa painovoiman kanssa (hydrostaattinen tasapaino) Viskositeetti, kitkavoima Merkityksetön suurimmassa osassa ilmakehää. Tärkeä kun z < 1 km, pinnalla heikommat tuulet ja turbulenssia. Kitkavoiman suunta tuulen suuntaa vastaan.

20

21 Coriolis voima Maapallon pyörimisnopeus Coriolisparametri vrk 2sin 2 5 7,2910 f häviää päiväntasaajalla Coriolisvoima muotoa f k V, missä V ui Huom! Coriolisvoima ei muuta nopeuden itseisarvoa, joten se ei synnytä tai hävitä liikeenergiaa f Pohjoisella pallonpuoliskolla Coriolis voima kääntää virtausta oikealle, eteläisellä vasemmalle 1 s vj

22

23 Liikeyhtälö Liikeyhtälö voidaan kirjoittaa: a DU Dt 1 p g fk V K Tässä U ui v j wk g painovoiman kiihtyvyys on kolmiulotteinen tuulivektori ja

24 Horisontaaliset liikeyhtälöt, Geostrofinen tuuli Horisontaaliselle tuulelle saadaan (kitkavoima pieni, gravitaatiolla vain pystysuuntainen komponentti): DV 1 p fk V, missä V ui vj Dt Havaintojen mukaan usein vasemman puolen kiihtyvyystermi on paljon pienempi kuin oikean puolen termit joten saadaan: 1 1 p 1 p p i j fk V fvi fuj x y Komponenteittain kirjoitettuna (f=2sin): fv 1 p x 1 p fu y Tämä on geostrofinen tuuli

25 Voimien tasapaino vaakasuunnassa: geostrofinen tuuli Kitkavoima mitättömän pieni rajakerroksen yläpuolella Paine-erovoima ja Coriolisvoima tasapainottavat toisensa, kuvissa pohjoinen pallonpuolisko M P V g C K C V g P

26 Esimerkki tuuli- ja painekentästä

27 Geostrofisesta oletuksesta Geostrofista tuulta voi pitää hyvänä oletuksena havaituille tuulille vain keski- ja korkeilla leveysasteilla (eli tropiikin ulkopuolella) ja suuren skaalan virtauksille f 2sin Se pätee huonosti alueella ±10º ja pienen mittakaavan virtauksissa (esim. tornadot, trombit, meri- ja rinnetuuli)

28 Voimien tasapaino pystysuunnassa: hydrostaattinen tasapaino Paine-erovoima kumoaa painovoiman, P z = g dp = -gdz

29 Liikeyhtälöt rajakerroksessa Maanpintaa lähellä olevaa n. 1 km paksua kerrosta kutsutaan planetaariseksi rajakerrokseksi Rajakerroksessa liikeyhtälöissä pitää ottaa huomioon ns. turbulenttinen kitka

30 Voimatasapaino rajakerroksessa M P V F t C K

31 Esimerkki tuuli- ja painekentästä maanpinnalla

32 Jatkuvuusyhtälö

33 Sääilmiöt 33

34 Sääilmiöt Eri voimat ja ilmiöt dominoivat riippuen mittakaavasta ja leveysasteesta Sääilmiöt osa ilmakehässä tapahtuvaa energian kuljetusta 34

35 Sääilmiöt Sääilmiöt saavat käyttövoimansa viime kädessä auringonsäteilystä Auringon lämmityksen epätasainen jakautuminen on moottori Joissakin ilmiöissä olennaista se että maa lämpenee nopeammin kuin vesi 35

36 Tarvitaan energian kuljetusta kohti napoja - Hadley- solu tropiikissa, keskileveysasteiden matala- ja korkeapaineet (ja merissä merivirrat) - Miksi tapahtuu eri tavoilla tropiikissa ja korkeilla leveysasteilla? Tarvitaan energian kuljetusta maasta/merestä ilmakehään - Miten se tapahtuu?

37 Tarvitaan energian kuljetusta kohti napoja - Hadley- solu tropiikissa, keskileveysasteiden matala- ja korkeapaineet (ja merissä merivirrat) - Miksi tapahtuu eri tavoilla tropiikissa ja korkeilla leveysasteilla? Vastaus: maan pyöriminen, Coriolis Tarvitaan energian kuljetusta maasta/merestä ilmakehään - Ensin vesihöyryn ja havaittavan lämmön vuo maasta/merestä rajakerroksessa olevaan ilmaan - Sitten konvektio eli ilman epästabiilista lämpötilajakaumasta johtuvat pystyliikkeet, joihin liittyy vesihöyryn tiivistyminen, latentin lämmön vapautuminen, kuurosateet, ukkoset, trombit, hurrikaanit

38 Maa lämpenee nopeammin kuin vesi Ilmiöitä: Merituuli Monsuuni

39 Merituuli Merituuli-ilmiössä auringon lämmityksen aiheuttama eri suuruinen lämpötilan nousu maan ja meren päällä modifioi perusvirtausta Tyypillisesti Suomen rannikoilla keväällä jolloin meri on kylmä ja aurinko lämmittää maaalueita Pilvijono sisämaassa nousuvirtauksen kohdalla 900 hpa 950 hpa 1000 hpa Karttunen et al.,

40 Monsuuni Holton, 1992 Monsuunissa ilma suuren manneralueen päällä lämpiää kesällä lämpimämmäksi kuin meren päällä Maanpinnalle muodostuu matalapaine, ylätroposfääriin korkeap. Mantereen päällä nousuliikettä sekä sadetta 40

41 Etelä-Aasian monsuunin muutos viime vuosikymmenten aikana But the pattern of rain in the region (Indian subcontinent) has shifted dramatically during the last half of the 20th century In a new study, researchers pin the blame on sulfate, soot, and other aerosol particles from human activities. Aerosols clouding in the atmosphere over the Indian subcontinent act like an umbrella, cooling the region and reducing the difference in heat between Northern and Southern hemispheres. Without that strong heat contrast, the winds slow, and the rain begins to fall over the ocean and southern India rather than pushing forward into the north-central region.

42 Merien ja ilmakehän kytkentöjä: El Niño Holton, 1992 Toistuu 2-5 vuoden välein Näkyy Tyynellä merellä vallitsevien itätuulien voimakkuudessa ja suunnassa Vaikuttaa laajasti myös trooppisten alueiden sääoloihin, etenkin sateeseen, osin muuallakin Epälineaarinen meriilmakehä-kytkentä 42

43 Merien ja ilmakehän kytkentöjä: El Niño 43

44 Trooppinen hirmumyrsky (hurrikaani, taifuuni, sykloni) 44

45 Hurrikaanit kilpailevat maanjäristysten kanssa tuhoisimman luonnonilmiön tittelistä. Bangladeshissä Bhola -sykloni tappoi yli (mahdollisesti jopa ) ihmistä v v Tapaninpäivän tsunami tappoi Taloudelliset vahingot nousseet viime vuosikymmeninä, koska väestön määrä rannikkoalueilla kasvanut huomattavasti

46 Energia lämpimästä merestä, nykyilmastossa rajana n.27 C Jos hurrikaani ajautuu maan päälle se alkaa heiketä nopeasti koska - vesihöyryn ja havaittavan lämmön lähde, lämmin merivesi, puuttuu. - myös lisääntyneellä kitkalla tuulia heikentävä vaikutus

47 Liikeyhtälö hurrikaanissa l Ilma pyörii hurrikaanissa jopa 80 m/s keskuksen ympäri. Mikä saa aikaan kiihtyvyyden keskusta kohti, jotta ilma pysyy pyörimisliikkeessä? Vastaus: painegradienttivoima

48 Syklostrofinen virtaus ja sen muutos kun kitka otetaan huomioon

49 Meren pinnan lämpötila, syyskuu (NCEP ) 49

50 Syntypaikat 30 vuoden aikana

51 Hurrikaanin voimistuminen Lämmön ja kosteuden vuo merestä ilmaan -> pilvessä nousevan ilmapaketin lämpötila ja kosteus suurempi -> tiivistymislämmitys voimakkaampaa -> lämpimämpi hurrikaanin keskus -> matalampi keskuspaine (ks. hydrostaattinen laki ja ideaalikaasulaki) -> tuulen voimistuminen (ks. syklostrofinen tuulitasapaino) -> lämmön ja kosteuden vuon kasvu merestä

52 Hurrikaani Carnot n koneena Carnot osoitti, että kone jossa on seuraavanlainen sykli tuottaa lämmöstä mekaanista energiaa: 1. isoterminen laajeneminen samalla kun kaasuun lisätään lämpöä 2. adiabaattinen laajeneminen 3. isoterminen kompressio samalla kun kaasusta poistetaan lämpöä 4. adiabaattinen kompressio Hurrikaanissa on likimain samankaltainen sykli mutta vesi eri olomuodoissaan otettava huomioon

53 Keskileveysasteiden matalapaineet Ylätroposfäärissä syklonit näyttäytyvät polaaririntaman aaltoina Syklonit, eli barokliiniset aallot, kuljettavat lämpöä kohti korkeampia leveyspiirejä Sykloneissa potentiaalienergiaa muuntuu liike-energiaksi 53

54 Keskileveysasteiden matalapaineet Polaaririntaman matalapainetta voidaan tarkastella aaltona joka syntyy voimakkaan horisontaalisen lämpötilagradientin kohdalle Aalto voimistuu barokliinisen instabiiliuden johdosta Ylätroposfäärissä aalto, sen edessä pintamatala ja takana pintakorkea (nousuja laskuliikkeet) Aaltoon muodostuu lämmin ja kylmä rintama 54

55 Keskileveysasteiden matalapaineet Aallon kehittyessä kylmä rintama saavuttaa lämmintä ja saavuttaessaan sen matalapaine okludoituu (eli täyttyy) Suurin osa Euroopan leveysasteiden sään vaihteluista johtuu polaaririntaman matalista ja niihin liittyvistä säärintamista Keskimäärin yhdelle paikalle osuu matalapaine muutaman päivän välein (3-4vrk) Suomeen ehtiessään suuri osa matalapaineista ei enää voimistu vaan heikkenee 55

56 Konvektio -> kuurosadepilvet Ks kalvo 39 Konvektiolle suotuisaa: 1) rajakerroksesta nousevat ilmapaketit ovat lämpimiä ja niissä vesihöyryn määrä suuri jotta tiivistyminen voimakasta 2) mahdollisimman kylmää ylempänä. Tällöin rajakerroksesta nousevat ilmapaketit ovat lämpimämpiä kuin ympäristön ilma (vrt. kalvo 15: Hydrostaattinen stabiilisuus) Maa-alueet kesäpäivinä Lämmin meri (kosteus) tropiikissa Itämeri syksyllä, jolloin ylempänä kylmää Kylmän ilman virtaaminen paikalle jossa lämmin kostea alusta Myrskyvaroituksen huuhaa-osio,

57 Kuurosadepilvet Kuuropilvi kuolee kun kylmä laskuvirtaus katkaisee lämpimän ilman syötön Mistä kylmä laskuvirtaus voisi johtua? Vastaus: sateen osittainen haihtuminen, sulaminen, nest. veden paino Yleensä kuuropilven elinikä ~ 1 tunti Tuulijakauman ollessa sopiva voivat konvektiopilvet elää kauemmin ja muodostua hyvin voimakkaiksi, joskus jopa ns. supersoluiksi joissa voi kehittyä tornadoja (trombeja) 57

58 Tornado/Trombi Konvektioon liittyvä pienikokoinen pyörremyrsky Aiheuttavat suurta tuhoa Tuulennopeudet voivat ylittää 100 m/s Lisätietoa: ado atch?v=43vomesud2q&fea ture=related 58

59 Konvektioon liittyvät puuskat Voimakkaisiin konvektiopilviin liittyy usein tuulenpuuskia Syynä voimakkaan laskuvirtauksen osuminen maanpintaan Nämä puuskat voivat olla vaarallisia vesi- ja ilmaliikenteelle 59

60 Kiitos ja lämmintä ja leppoisaa kesää! T. Marja Bister