DEE-53020 Tuulivoiman perusteet Aihepiiri 2 Tuuli luonnonilmiönä: Ilmavirtoihin vaikuttavien voimien yhteisvaikutuksista syntyvät tuulet Globaalit ilmavirtaukset 1
VOIMIEN YHTEISVAIKUTUKSISTA SYNTYVÄT TUULET Aiemmin ilmavirtauksiin vaikuttavia voimia käsiteltiin yksitellen. Todellisuudessa ilmavirtauksen nopeus, eli vauhti ja suunta, määräytyy voimien yhteisvaikutuksesta. Voimien yhteisvaikutusten seurauksena voidaan luokitella neljä erityyppistä ilmavirtausta: Hydrostaattinen tasapaino, Geostrofinen tuuli, Gradienttituuli, Tuuli rajakerroksessa. 2
HYDROSTAATTINEN TASAPAINO Pystysuuntainen painegradientti on ilmakehän pysyvä ominaisuus. Ilmanpaine on suurimmillaan maan pinnalla ja pienenee ylöspäin mentäessä. Tämä painegradientti kohdistaa ilmamassaan voiman, jonka suunta on maan pinnasta ylöspäin. Gravitaatio kohdistaa ilmamassaan voiman, jonka suunta on kohti maan pintaa. Hydrostaattisessa tasapainotilassa pystysuuntainen painegradienttivoima ja gravitaatiovoima ovat itseisarvoiltaan yhtäsuuret. 3
GEOSTROFINEN TUULI Kun painegradienttivoima saa ilmamassan kiihtyvään liikkeeseen, ilma virtaa aluksi isobareja vastaan kohtisuorasti korkeapaineesta matalapaineeseen. Ilmavirtauksen kiihtyessä coriolis-voima alkaa kääntää virtauksen suuntaa. Geostrofinen tuuli on vaakasuuntainen ilmavirtaus, jossa painegradientti- ja coriolis-voima ovat tasapainossa siten, että ilma virtaa isobareja pitkin. Jotta tuuleen vaikuttavat vain nämä kaksi voimaa, hydrostaattisen tasapainon on oltava voimassa, isobarien on oltava suoria, eikä kitka saa vaikuttaa. Geostrofinen tuuli voi käytännössä toteutua vain rajakerroksen yläpuolella. 4
GRADIENTTITUULI Gradienttituuli muistuttaa monessa mielessä geostrofista tuulta: Vaakasuuntainen ilmavirtaus isobareja pitkin rajakerroksen yläpuolella. Ero on isobarien muodossa: Geostrofinen tuuli on painegradientti- ja coriolis-voiman välinen tasapainotila. Tällöin ilma virtaa suoraa isobaria pitkin. Kun F pg ja F c eivät ole tasapainossa, virtaus kaareutuu. Tällöin myös keskihakuvoima poikkeaa nollasta, ja ilmavirtausta kutsutaan gradienttituuleksi. Gradienttituulet kiertävät tyypillisesti korkea- ja matalapaineen keskuksia. 5
PINTATUULI (1/2) Geostrofinen tuuli ja gradienttituuli ovat kitkattomia, sillä ne virtaavat rajakerroksen yläpuolella. Geostrofinen tuuli ja gradienttituuli virtaavat aina isobareja pitkin. Pintatuuli on ilman liikettä rajakerroksessa. Rajakerroksen ilmavirtojen tarkastelussa on otettava kitkan vaikutus huomioon. Kitkavoiman suunta on aina tuulen suunnalle vastakkainen. Kitka siis hidastaa tuulen vauhtia. Koska coriolis-voima pienenee ilmavirtauksen hidastuessa, kitka kääntää virtausta painegradienttivoiman suuntaan. Kitkan vaikutus pienenee maan pinnalta ylöspäin mentäessä, ja rajakerroksen yläreunalla ilma virtaa isobareja pitkin. 6
PINTATUULI (2/2) Yleisesti on tiedossa, että vaakasuuntainen tuuli voimistuu maan pinnalta ylöspäin mentäessä. Kyse on osittain siitä, että kitkan vaikutus on sitä pienempi, mitä kauempana maan pinnasta ollaan. Kitkan seurauksena korkea- ja matalapaineen keskusta kiertävät ilmavirrat näyttävät rajakerroksessa oheisen kuvan mukaisilta. 7
TERMINEN TUULI Vaakasuuntaisen tuulen vauhti kasvaa ylöspäin mentäessä yleensä myös rajakerroksen yläpuolella, jolloin kitka ei enää vaikuta. Mitä kylmempää ilma on, sitä suurempi on ilman tiheys. Mitä tiheämpää ilma on, sitä enemmän korkeuden kasvu pienentää ilmanpainetta. Vaikka maan pinnalla lämpimän ja kylmän ilman välillä ei olisi vaakasuoraa painegradienttia, maan pinnasta etäännyttäessä vaakasuora painegradientti kasvaa kylmän ja lämpimän ilman välillä. Koska painegradientti johtuu lämpötilaerojen aiheuttamista tiheyseroista, syntyvää vaakasuoraa virtausta kutsutaan termiseksi tuuleksi. Terminen tuuli kytketään yleensä osaksi geostrofista tuulta tai gradienttituulta. Pintatuulen yhteydessä termisestä tuulesta ei yleensä puhuta, vaikka ilmiö on toki olemassa myös rajakerroksessa. 8
YHTEENVETO ILMAVIRTAUSTEN TYYPEISTÄ JA VAIKUTTAVISTA VOIMISTA 9
GLOBAALIT ILMAVIRTAUKSET (1/5) Selvitetään seuraavassa tyypillisiä ilmavirtauksia maapallon mittakaavassa. Lähdetään liikkeelle mahdollisimman yksinkertaisesta maapallon mallista, joka on pinnaltaan tasainen kappale (ei vesistöjä) eikä pyöri akselinsa ympäri. Aurinko lämmittää voimakkaimmin päiväntasaajan alueita ja heikoimmin napoja. Täten ilman lämpötila on suurimmillaan ja tiheys pienimmillään päiväntasaajalla, ja vastaavasti ilman lämpötila on pienimmillään ja tiheys suurimmillaan navoilla. Päiväntasaajalle syntyy matalapaine ja navoille korkeapaine. Napojen ja päiväntasaajan välinen vaakasuora painegradientti pysyy yllä niin kauan, kuin lämpötilaerot säilyvät, sillä rajakerroksen yläpuolella ilma palaa takaisin navoille. 10
GLOBAALIT ILMAVIRTAUKSET (2/5) Muutetaan seuraavaksi maapallon mallia pykälän verran realistisempaan suuntaan siten, että sallitaan maapallon pyöriminen akselinsa ympäri. Maapallon pyörimissuunta on kohti itää. Coriolis-ilmiö alkaa vaikuttaa: ilmavirtaukset kääntyvät pohjoisella pallonpuoliskolla kulkusuunnassaan oikealle ja eteläisellä pallonpuoliskolla kulkusuunnassaan vasemmalle. Yksinkertaistetun maapallon mallin rajakerrokseen syntyy pyörimissuunnalle vastakkaiset virtaukset. Tilanne, jossa rajakerroksen ilmavirtaukset poikkeuksetta jarruttaisivat maapallon pyörimisliikettä, ei kuitenkaan ole käytännössä mahdollinen. Siksi mallia on edelleen muokattava realistisempaan suuntaan. 11
GLOBAALIT ILMAVIRTAUKSET (3/5) Käytännössä globaalit ilmavirtaukset jakaantuvat kolmelle vyölle kummallakin pallonpuoliskolla. Vöiden virtausten pääsuunnat ovat pohjoisella pallonpuoliskolla koillisesta ja lounaasta, ja eteläisellä pallonpuoliskolla kaakosta ja luoteesta. Tällöin osa rajakerroksen virtauksista on maapallon pyörimisliikkeen suuntaisia ja osa tälle suunnalle vastakkaisia. Päiväntasaajalle ja 60 o :n leveyspiireille syntyy matalapaineen vyöhykkeet. Vastaavasti navoille ja 30 o :n leveyspiireille syntyy korkeapaineen vyöhykkeet. 12
GLOBAALIT ILMAVIRTAUKSET (4/5) Kun yksinkertaistettuun malliin lisätään mantereet ja meret, maan pinnan lämpötilajakauma muuttuu merkittävästi, mikä muuttaa myös ilmavirtauksia. Maapallon osittain pysyvät painealueet perustuvat kuitenkin yksinkertaistetun mallin matala- ja korkeapainevöihin. Osittainen pysyvyys tarkoittaa sitä, että painealueet vaihtelevat vuodenajan mukaan mutta toistuvat vuodesta toiseen. 13
OSITTAIN PYSYVÄT PAINEALUEET 14
GLOBAALIT ILMAVIRTAUKSET 15
GLOBAALIT ILMAVIRTAUKSET (5/5) Edellä esitellyn mallin avulla voidaan esittää periaatekuva maapallolla vallitsevista ilmavirtauksista. Oleellista on kuitenkin huomata, että paikalliset olosuhteet saattavat hetkellisesti poiketa voimakkaasti kuvan esittämästä keskimääräisestä tilanteesta. 16