Ilmakehä Ilmakehän n säteilytases Ilmakehän n kerrokset Ilmakehän n liikkeet Ilmasto Oppimistavoitteet: Ilmakehä Ymmärtää auringon säteilyn vuorovaikutusta ilmakehän kanssa: Ilmakehän ominaisuudet ja koostumus ilmakehän liikkeet Ilmakehässä olevien aineiden vaikutus säteilyyn Antaa valmiuksia ymmärtää ilman epäpuhtauksien leviämiseen ja ilmastoon vaikuttavia tekijöitä 1
Ilmakehän n synty muinainen ilmakehä Aurinkokunta syntyi nykykäsityksen mukaan 4.6 mrd vuotta sitten tähtienvälisestä kaasu ja pölypilvestä. Maankaltaisten planeettojen (Venus, Maa, Mars) ilmakehien katsotaan muodostuneen planeettojen sisältä vapautuneiden haihtuvien yhdisteiden myötä Maapallon muinainen ilmakehä muodostui hiilidioksidista (CO2), typestä (N2), vesihöyrystä (H2O) sekä vedystä (H2). Se ei muistuta juurikaan nykyistä ilmakehäämme. Vrt. Venuksen ilmakehä (97% CO2), Marsin ilmakehä (95% CO2) Nykyilmakehän n synty Ilmakehä alkoi saavuttaa nykykoostumustaan, kun Vesihöyry tiivistyi valtameriksi, Hiilidioksidi (CO2) liukeni meriin ja muodosti ajan myötä karbonaatti kiviä (esim. CaCO3) sedimenteistä. Typpi (N2) on kemiallisesti inertti (se ei reagoi), joten se on kertynyt ilmakehään ja on tällä hetkellä tärkein ilmakehän rakennusaine. Alkuilmakehässä ei ollut happea (O2). Sitä alkoi syntyä vasta fotosynteesin (yhteyttämisen) kautta ensimmäisten eliöiden myötä (ensimmäiset happea tuottavat bakteerit meriin n. 3 mrd vuotta sitten). On arvioitu, että nykyinen happitaso saavutettiin n. 400 milj. vuotta sitten. Nykyinen happipitoisuus pysyy, kun yhteyttäminen (+) hengitys ( ) sekä orgaanisen hiilen hajotus ( ) ovat tasapainossa. Hapellinen ilmakehä mahdollisti myös otsonin (O3) syntymisen. Otsoni suodattaa tehokkaasti auringon ultravioletti (UV) säteilyä, joka on haitallista monimutkaisille eliöille. Otsonin synty oli välttämätöntä elämän myöhemmälle kehitykselle. Nykyilmakehän koostumus on edelleen muutoksessa, mutta verrattuna koko kehityshistoriaan muutokset ovat hyvin pieniä. Kuitenkin esimerkiksi ihminen on toiminnallaan lisännyt ilmakehään kaasuja, joita ei siellä ennen ole ollut, nopeassakin tahdissa. 2
Ilmakehän n (kaasuseos) nykykoostumus 2005: CO2 379 ppm CH4 1,77 ppm N2O 0,32 ppm Typpi N2: Runsain ilmakehän kaasuista, pitkäikäinen ja sekoittunut hyvin tasaisesti ilmakehään. Ei kuitenkaan osallistu aktiivisesti ilmakemiallisiin reaktioihin, ei vaikuta kasvihuoneilmiöön Happi O2: Elämän kannalta välttämätön, pitkäikäinen ja hyvin sekoittunut. Korkeammissa ilmakehän kerroksissa kahden happiatomin muodostama happimolekyyli hajoaa UV säteilyn vaikutuksesta kahdeksi vapaaksi happiatomiksi, jotka nopeasti yhdistyvät mm. happimolekyylien kanssa muodostaen kolmen happiatomin muodostamaa otsonia. Muodostunut otsoni suodattaa UV säteilyä. Argon Ar (0.93%), Neon Ne (18 ppm), Helium He (5 ppm), Krypton Kr (1.1 ppm) (ppm= parts per million, tilavuuden miljoonasosa eli 0.0001%): Jalokaasuja, joiden pitoisuudet ovat pieniä. Pysyviä ja niiden merkitys vähäinen. Hiilidioksidi CO2 (tällä hetkellä n. 379 ppm, ennen teollistumista 280 ppm): Pitkäikäinen kaasu, sekoittunut hyvin ilmakehään. Tärkeä kasvihuonekaasu ja kasvit käyttävät sitä yhteyttämiseen. Kasvihuoneilmiö on luontainen ilmakehän ilmiö, joka ylläpitää elämän kannalta sopivaa maapallon pintalämpötilaa. Ihmisen aiheuttamien päästöjen on katsottu lisäävän kasvihuonekaasujen pitoisuuksia ilmakehässä, mikä kiihdyttää kasvihuoneilmiötä ja näin aiheuttaa ilmastonmuutoksen. Metaani CH4 (tällä hetkellä 1.7 ppm, esiteollinen aika 0.7 ppm) Vesihöyry H2O (vaihtelee alueellisesti): Näkymätöntä, vasta tiivistyessään pilvi tai sumupisaroiksi muuttuu ilmakehässä näkyväksi. Lisäksi ilmakehässä on paljon erilaisia yhdisteitä, kokonaisuuden kannalta pieninä määrinä, mutta joilla voi olla suuri merkitys eliöiden hyvinvoinnille. Kaasujen lisäksi ilmakehässä on vaihtelevia määriä nestemäisiä tai kiinteitä aerosolihiukkasia (Aerosoli=ilman ja hiukkasten muodostama seos). Pitoisuus vaihtelee alueellisesti ja paikallisesti mm. päästöolosuhteiden mukaan. Hiukkaset vaikuttavat auringon säteilyyn lisäksi niillä on tärkeä rooli pilvien ja sateen muodostumisessa. Ne voivat toimia pilvipisaroiden (vesihöyryn) tiivistymisytiminä, jotka joko pysyvät ilmassa tai kasvaessaan putoavat sateena alas. Ilmakehän kerrokset Eksosfääri. Ilmakehän uloin kerros, joka nousee >500 km korkeuteen. Kaasumolekyylit, joilla on tarpeeksi suuri energia pystyvät karkaamaan maapallon vetovoiman piiristä. Termosfääri (ionosfääri). Termosfääri kohoaa mesopaussista n. 100 km korkeuteen. Lämpötila on korkea, koska typpi ja happi absorboivat lyhytaaltoista säteilyä. Ionosfääri on ylimmän mesosfäärin ja alemman termosfäärin alue, jossa syntyy ioneita. Mesosfääri. Kohoaa stratopaussista (stratosfäärin ylärajan) 80 90 km korkeuteen maanpinnasta. Lämpötila laskee korkeuden noustessa. Pystysuuntainen sekoittuminen on voimakasta. Stratosfääri. Nousee tropopaussista (troposfäärin yläraja) 45 55 km korkeuteen maanpinnasta. Lämpötila nousee ylöspäin mentäessä, miksi pystysuuntainen sekoittuminen on heikkoa. Otsonikerros sijaitsee stratosfäärin yläosassa. Troposfääri. Ilmakehän alin kerros (n. 10 15 km maanpinnasta). Lämpötila laskee ylöspäin mentäessä. Sekoittuminen on voimakasta. Sääilmiöt tapahtuvat troposfäärissä. 3
Ilmakehän n kerrostuneisuus Sähkömagneettisen säteilyn s spektri 4
Auringosta tuleva sm säteilyn spektri ilmakehän ulkorajalla (TOA) ja meren pinnalla Näkyvän valon aallonpituusalue 400 700 nm UV <400 Infrapuna (lämpö) >700 Ei ionisoiva ionisoiva sm säteily vaikutuksia Effects Ultraviolet (UV) Radiation: Chronic exposure to UV radiation may cause premature skin aging, excessive wrinkling of the skin, skin cancer, and cataracts (opacities in the lens of the eyes). UV A (315 400 nm): Effects include tanning (and some burning) of the skin, and fluorescing of ocular media (corneal and lens effects). UV B (280 315 nm): Effects include "sunburn" of the skin, inflammation of the cornea of eye, and cataracts. UV C (100 280 nm) "Germicidal UV : Principal effect is inflammation of the cornea of the eye. Infrared (IR) Radiation IR A (700 nm 1.4 mm) "Near IR : High intensity may cause skin burns and retinal thermal injury. IR B (1.4 3.0 mm) and IR C (3.0 mm 1 mm) "Far IR : High intensity may cause skin burns and corneal inflammation. Radio frequency (RF) and Microwave (MW) Radiation RF (0.3 30 MHz) and MW (30 MHz 300 GHz): Effects may include formation of cataracts, neurological effects, male sterility and possibly cancer. Control Methods for Non Ionizing Radiation UV Radiation Eye protection (goggles, safety glasses, face shields) and protective clothing should be worn when working with high level UV sources, which should be enclosed or shielded to prevent exposures. When fully enclosed and interlocked UV sources are used, protective eyewear and clothing are not needed. IR Radiation Same as UV (eye and skin protection). Measures to avoid hyperthermia (over heating of the body) may be needed. Radiofrequency (RF) and Microwave (MW) Radiation Sources must be properly isolated and shielded. 5
Ilmakehän n säteilytases IPCC 2007 Ilmakehän n säteilytases Lyhytaaltoinen säteily (UV + näkyvä valo) Tuleva: 100 yksikköä (alkup. 340 W/m2) heijastuu 30 pois (albedo) = 70 yksikköä Pitkäaaltoinen säteily (lämpösäteily) Lähtevä: pinnan suora lämpösäteily 6 yksikköä + ilmakehän lämpösäteily 64 yksikköä = 70 yksikköä 6
Sähkömagneettisen säteilyn s spektri Keskimää ääräinen sm säteilyn jakauma leveysasteen mukaan Lähtevän säteilyn jakauma tasaisempi leveysasteiden mukaan (deficit) Lämpöä jakautuu päiväntasaajalta ylemmille leveysasteille Merivirrat Ilmavirtaukset 7
Ilmakehän n suuren mittakaavan liikkeet Hadleyn solu päiväntasaajalla (Trooppinen ilmamassa) Lämmin, kostea ilma nousee ylös ja tiivistyy pilviksi, jolloin kuivuu ja viilenee Kääntyy kohti napoja troposfäärin yläosissa Lämpenee säteilyn vaikutuksesta ja laskeutuu n. 30 N/S Ilmakehän n suuren mittakaavan liikkeet 60º 30º 60º 30º Hadleyn solun lisäksi Ferrellin solu (keskileveysasteiden ilmamassa) ja polaari solu (polaari ilmamassa) eivät yhtä voimakkaita Coriolisilmiö aiheuttaa ilmavirtausten kääntymisen maanpinnalla 8
Keskimääräiset geostroofiset tuulet pohjoisen pallonpuoliskon talvella (Lehkonen. Synoptiikka I), ilmamassat: Azorien korkea ja Islannin matala= NAO (North Atlantic Oscillation) Suihkuvirtaukset Voimakkaan tuulen (>30 m/s) kapea (satoja km) ja pitkä (tuhansia km) alue troposfäärin yläosassa, ilmamassojen raja alueilla Arktinen (n. 70 N) Polaarinen (55 65 N) Subtrooppinen (n. 30 N) Suunta keskimäärin lännestä itään Mutkittelee (aaltomaiset häiriöt, tuhansiakin km) voimakkaasti johtuen lämpösäteilyn epätasaisesta jakautumisesta navoille ja ekvaattorille, maa merijakaumasta sekä maanpinnan epätasaisuudet (esim. vuoristot) Häiriöiden takia esim. Suomen alueella vaikuttavat ilmamassat vaihtelevat ilmamassat määräävät säätyypin. Häiriöiden seurauksena syntyy matalapaineen keskuksia, jotka liikkuvat rintamavyöhykkeitä pitkin seuraten suihkuvirtauksia. 9
Esimerkki suihkuvirtauksien esiintymisestä Pohjoisella pallonpuoliskolla (Lehkonen. Synoptiikka I), Suomi 60º ja 70º pohj. lev.. välissv lissä polaari ja keskileveysasteiden ilmamassat 70º 60º 10
Matalapaine sykloni Matala ja korkeapaineen määrittely perustuu ilmanpaineen alueelliseen jakaumaan Ilmanpaine ilmoitetaan useimmiten joko hehtopascaleina (hpa) tai millibaareina (mbar), nämä vastaavat toisiaan eli 1 hpa=1 mbar. Häiriintymätön polaaririntama on monesti vakaa. Syklonit syntyvät aaltohäiriöstä ja ovat tärkein säähän vaikuttava ilmiö polaaririntaman alueella. Lämpimien merivirtojen (esim. Golf virta) läheisyydessä otolliset olosuhteet synnylle. Sykloni alkaa syntymisensä jälkeen pyöriä, jolloin lämmin ilmamassa muuttuu aaltomaisesta leveän V kirjaimen muotoiseksi. Näin matalapaineessa on kapeahko lämmin sektori ja leveämpi kylmä sektori. Kylmä ilmamassa on monesti pohjoisten leveysasteiden polaarista ilmaa ja lämmin keskileveysasteiden ilmaa, mutta joskus kylmä ilma on arktista ilmaa ja lämmin polaarista ilmaa. Lämpimälle ilmamassalle ovat usein tyypillisiä kerrosmaiset pilvet, kylmälle kumpupilvet. Pohjoisella pallonpuoliskolla ilmavirtaukset kiertävät matalapaineen keskusta vastapäivään (Coriolis ilmiön vaikutuksesta) Matala liikkuu yläaallon mukana 1000 8000 km ja kestää 3 7 päivää Matala ja korkeapaineiden liikeet Vasen kuva: syklonin ikääntyminen vasemmalta oikealle 11
Ilmansaasteiden leviäminen Suomeen meteorologisen tiedon käyttk yttö lähdealueanalyyseihin Ilmasto Paikan tai alueen ilmasto: alueelle tyypillinen sää ja sen vaihtelut. Ilmastoa kuvaa joukko tilastoja ja yleistyksiä. Ilmaston kuvausta laadittaessa tulee huomioida ilmakehässä vaikuttavat erikokoiset ilmiöt. Tarkasteltavien ilmiöiden koon mukaan onkin eroteltu: mikro eli pienilmasto (vaakasuunnassa 1 mm 1 km, pystysuunnassa 1 mm 10 m) meso eli paikallisilmasto (vaaka 1 km 100 km, pysty 10 m 1 km, laakso, metsä) makro eli suurilmasto (vaaka 100 km, pysty 1 km, maanosat) 12
Ilmasto Ilmastotekijät ovat tähtitieteellisiä, fysikaalisia tai maantieteellisiä tekijöitä, jotka vaikuttavat ilmastoon. Tärkeimpinä mm.: saapuva auringon säteily maaperän lämpösäteily ominaisuudet vallitsevat ilma ja merivirtaukset maan ja meren jakautuminen korkeus merenpinnasta ja maanpinnan muodot maalaji, kasvillisuus, lumi tai jääpeite Ilmastomuuttujat ovat kaikki sää ja ilmastohavaintoihin liittyvät suureet, kuten: ilman lämpötila ja kosteus tuuli pilvisyys näkyvyys sadanta haihdunta Suomen ilmasto Sijainti 60 ja 70 N leveysasteen välillä, Euraasian mantereen rannikkoilmastovyöhykkeessä, jolle on ominaista sekä meri, että mannerilmastonpiirteet sen mukaan mistä ilmavirtaukset kulloinkin tulevat. Suomen keskilämpötila on useita asteita (talvella yli 10 astetta) korkeampi kuin samalla leveyspiirillä sijaitsevien vastaavien alueiden. Lämpötilaa kohottavat (vaihtelua tasoittavat) Itämeri sisävesistöt Golfvirran lämmittämältä Atlantin valtamereltä tulevat ilmavirtaukset. Selkeät vuodenajat Suomi sijaitsee lisäksi polaaririntaman liikkuvien matala ja korkeapaineiden vyöhykkeellä, joten ilmanpaine, tuulet sekä sateet vaihtelevat nopeasti, varsinkin talvella. Kohtalaiset tuulet ja epäsäännölliset sateet Etelä ja Keski Suomessa vuotuinen sademäärä vaihtelee yleensä 600 ja 700 mm välillä (rannikoilla jonkin verran vähäisempiä, vuoden keskilämpötila +2ºC +5 ºC. Pohjois Suomessa sataa n. 600 mm vuodessa, josta noin puolet tulee lumena. Keskilämpötila 2ºC +1 ºC Sateettominta on maaliskuussa, minkä jälkeen sateisuus lisääntyy syys lokakuuhun saakka, mistä lähtien sademäärät taas pienenevät talvea ja kevättä kohti. Sademäärän vuotuinen vaihtelu on samanlaista koko maassa. 13
Suomen ilmasto lumipeitteisyys Selvät vuodenajat Keskimäärin 100 250 lumipeitteistä päivää Lounas koillis gradientti (mantereisuus) Suomen ilmasto kasvillisuusvyöhykkeet 70º 60º 14
Ilmansaasteiden laimenemiseen ja leviämiseen vaikuttavia paikallisen mittakaavan ilmiöit itä Päästörakenne (liikenne, teollisuus, energiantuotanto) Päästö/ leviämiskorkeus Päästöjen suuruus Päästöjen laimeneminen ja kulkeutuminen Topografiset ja paikallisilmastolliset olot (maa vesistöjakauma, rakennukset, mäkisyys, niemekkeisyys) Ilmakehän lämpötilan pystyjakauma (sekoituskorkeus) Tuuliolot Topografiset ja paikallisilmastolliset olot rajakerros (boundary layer) ) ja rakennettu ympärist ristö Paikallinen leviäminen Turbulenttisuus Mikrometeorologia pienen mittakaavan ilmiöt 15
PM10 Tervahattu (toim.) 2007.VIEMEloppuraportti PM2.5 pää äästömäärät t 2000 Suomessa ja ihmisten altistus eri pääp äästölähteille (KOPRA projekti:: SYKE, IL, KTL) Puun pienpolton päätöt (DOM) haja asutusalueilla, jossa harvassa vähän ihmisiä Liikenteen päästöt suurelta osin kaupungeissa, ihmisten hengityskorkeudella Vastaavan suuruisilla vähennyksillä suurissa energia ja teollisuuslaitoksissa ei (enää) saavuteta vastaavia terveyshyötyjä kuin esim. liikenteessä 70 80 luku keskitetyt lämpölaitokset, korkeat piiput, tehokkaat päästöjen vähennystekniikat 16
Teollisuuslaitokset ja ilmansaasteiden leviäminen (Laukkanen, 2005) Laukkanen, 2005 Suomessa 70 80 80 luvulla kaupunkien ilmanlaatu parani, kun siirryttiin keskitettyyn lämml mmöntuotantoon, Laitosten savupiiput nostivat päästökorkeutta,, jolloin paikallisen mittakaavan ilmanlaatuongelmat vähenivät Huom!! PääP äästökorkeudella ei vaikutusta alueellisiin ongelmiin, joissa päästömäärä tärkeämpi Ilmakehän n pystysuuntainen sekoittuminen turbulenttisuus Turbulenssi: tuulen suunnan ja nopeuden lyhytaikaiset vaihtelut (pyörteet) Voi kuvata epäsuorasti ilmakehän nk. stabiilisuustilan/ luokkien avulla Stabiili tila: pystysuuntainen sekoittuminen on heikkoa (epäpuhtaudet laimenevat hitaasti) lämpötila nousee korkeuden mukana Labiili tila: sekoittuminen ja laimeneminen voimakasta lämpötila laskee korkeuden mukana 17
Inversio Yleensä ilman lämpötila laskee ylöspäin mentäessä ja lämmin ilma kevyempänä nousee ylös. Toisinaan kuitenkin tilanne on päinvastoin: inversio on kerros ilmakehässä, jossa lämpötila nousee korkeuden mukana ei sekoittumista (stabiili tila) Maanpintainversio: sekoittuminen maanpinnalta ylöspäin heikkoa maanpinnalla oleva viileämpi ilma jää ylempänä olevan lämpimämmän ilman alle (maan pinnan läheinen ilmakerros stabiili) Yläinversio: Stabiili tila alkaa vasta korkeammalla (sekoittuminen tiettyä rajaa korkeammalle estyy) Lämpötila eri korkeuksilla inversion aikana 18
Ilmakehän n lämpl mpötilan pystyjakauma inversio Voimakas inversio Helsingissä 22.11.2005 Liikenneperäisten isten ilmansaasteiden pitoisuudet kohosivat erittäin in suuriksi. Hengitettävien hiukkasten pitoisuudet YTV:n Helsingin mittausasemilla 16. 3.11.2005 Typpimonoksidin pitoisuudet YTV:n Helsingin mittausasemilla 16. 23.11.2005 19
Mitä opimme? Ilmansuojelun perusteet kurssi johdanto Ilmansuojelun terminologiaa Tällä kurssilla käsiteltävät ilmansuojeluongelmat Ilmansaasteita, niiden elinaikoja ilmakehässä ja vaikutusalueen mittakaavoja Ilmansuojelusykli Ilmakehä Auringon säteilyn ja ilmakehän vuorovaikutus Ilmakehän liikkeet globaalista paikalliselle tasolle ja niiden vaikutus ilmansaasteiden leviämiseen Ilmastokäsite ja Suomen ilmastoa kuvaavia tekijöitä 20