SMG-4500 Tuulivoima Ensimmäisen luennon aihepiirit Tuuli luonnonilmiönä: Ilmavirtojen liikkeisiin vaikuttavat voimat 1 TUULEN LUONNONTIETEELLISET PERUSTEET Tuuli on ilman liikettä suhteessa maapallon pyörimisliikkeeseen. Ilmavirtojen liikkeeseen vaikuttavia voimia voidaan luokitella viisi kappaletta: Painegradienttivoima Keskihakuvoima Coriolis-voima Kitka Gravitaatio 2 1
PAINEGRADIENTTIVOIMA (1/2) Ilmanpaine kuvaa sitä voimaa pinta-alayksikköä kohti, jonka ilma kohdistaa kappaleeseen. Painegradientti on olemassa aina silloin, kun ilmanpaine muuttuu paikan suhteen. Ilmanpaineeseen vaikuttavia tekijöitä ovat esimerkiksi lämpötila, ilmankosteus ja gravitaatio. Painegradientteja esiintyy sekä vaaka- että pystysuunnassa. Säätiedotusten isobaarikartat esittävät ilmanpainelukemia merenpinnan tasolla. Isobaarikartoista saadaan siis selville vain vaakasuorat painegradientit. Mitä voit päätellä painegradientista oheisen kuvan perusteella? 3 PAINEGRADIENTTIVOIMA (2/2) Luonnossa paine-erot pyrkivät aina tasoittumaan. Ilma virtaa korkeammasta paineesta kohti matalampaa painetta niin kauan, kuin painegradientti on olemassa. Painegradientti siis aiheuttaa tuulen. Mitä suurempi painegradientti on, sitä voimakkaampaa on tuuli. Painegradienttivoiman suunta on aina isobaareihin nähden kohtisuorassa. 4 2
KESKIHAKUVOIMA Newtonin I laki: kiihtyvässä liikkeessä olevaan kappaleeseen kohdistuu aina nollasta poikkeava nettovoima. Kaarevalla radalla oleva kappale on aina kiihtyvässä liikkeessä, sillä mahdollisesta vakiovauhdista huolimatta nopeuden suunta muuttuu jatkuvasti. Kun moukarinheittäjä irrottaa vaijerista, metallikuula lähtee tangentin suuntaan, jolloin vakionopeus on ideaalitilanteessa mahdollista. Ennen irrottamista heittäjä kohdistaa moukariin sisäänpäin vaikuttavan voiman, joka rajoittaa sen liikeradan ympyräksi. Tätä voimaa kutsutaan keskihakuvoimaksi. Ilmavirtojen reitit ovat harvoin suoria, joten keskihakuvoima vaikuttaa myös tuuliin. Tuulen yhteydessä keskihakuvoima on seuraus ilmavirtoihin vaikuttavien voimien välisestä epätasapainosta. 5 CORIOLIS-VOIMA (1/2) 6 3
CORIOLIS-VOIMA (2/2) Jos maapallo ei pyörisi, ilma voisi virrata suoraan korkeapaineesta matalapaineeseen. Coriolis-ilmiö on seuraus maapallon pyörimisestä oman akselinsa ympäri. Pyörimissuunta on itään päin, minkä seurauksena maapallolla olevan tarkkailijan silmin ilmavirtaus kaartuu pohjoisella pallonpuoliskolla oikealle ja eteläisellä pallonpuoliskolla vasemmalle. Mitä nopeammin ilma virtaa, sitä suurempi on coriolis-ilmiön aiheuttama poikkeama. Mitä nopeammin ilma virtaa, sitä pidemmän matkan se kulkee tietyssä ajassa. Mitä pidemmän matkan ilma liikkuu, sitä enemmän maapallon pyöriminen vaikuttaa. 7 KITKA (1/2) Kitka mielletään usein kiinteiden kappaleiden välistä liikettä vastustavaksi voimaksi. Kitka on kuitenkin merkittävä tekijä myös nesteiden ja kaasujen liikkeessä. Nesteen ja kaasun kitkaa kutsutaan viskositeetiksi. Pienessä mittakaavassa nesteen/kaasun kitka johtuu molekyylien satunnaisesta liikkeestä. Molekyyliviskositeetti ei erityisemmin vaikuta ilmavirtojen liikkeeseen. Suuressa mittakaavassa nesteen/kaasun kitka johtuu virtauksen pyörteistä. Pyörreviskositeetti vaikuttaa merkittävästi ilmavirtojen liikkeeseen. Kun ilmavirtaus kohtaa esteen, pyörteitä syntyy kuvan mukaisesti esteen taakse. Osa ilmavirtauksen liike-energiasta kuluu pyörteisiin, joten pyörreviskositeetti hidastaa ilmavirtauksia. 8 4
KITKA (2/2) Mitä epätasaisempi maan pinta on, sitä voimakkaammin pyörreviskositeetti hidastaa ilmavirtausta. Esimerkiksi pelto hidastaa ilmavirtausta vähemmän kuin metsä. Pyörreviskositeetti heikkenee nopeasti, kun etäisyys maan pinnasta kasvaa. Tästä syystä tuulen nopeus on sitä suurempi, mitä korkeammalle noustaan. Kun noustaan noin 1 km korkeudelle maan pinnasta, pyörreviskositeetti ei enää vaikuta ilmavirtaukseen. Sitä ilmakerrosta, jossa pyörreviskositeetti hidastaa ilmavirtausta, kutsutaan rajakerrokseksi tai kitkakerrokseksi. Rajakerroksen paksuus on luokkaa 1 km.. 9 GRAVITAATIO Koska ilmavirrat koostuvat massallisista hiukkasista, gravitaatio vaikuttaa niiden liikkeeseen. Koska gravitaatiovoima vaikuttaa maan pintaa vastaan kohtisuorasti, gravitaatio ei vaikuta maan pinnan suuntaisten ilmavirtausten energiaan. Gravitaatio vaikuttaa laskeviin ja nouseviin ilmavirtauksiin. Kesällä 2010 uutisiin nousseet syöksyvirtaukset ovat yksi esimerkki gravitaation vaikutuksesta ilmavirtauksiin. Syöksyvirtaus syntyy, kun sadepisarat haihtuvat pilven alapuolella kuivassa ilmassa. Haihtuminen sitoo energiaa, joten ilman lämpötila laskee paikallisesti. Samalla ilman tiheys kasvaa lämpövärähtelyn vaimentuessa. Syntynyt raskas ilma putoaa nopeasti alaspäin ja kääntyy vaakasuuntaiseksi kohdatessaan maan pinnan. 10 5