SISUKORD Eessõna 7 Maa atmosfäär 11 Pilvede olemus, tekkimine ja tähtsus 16 Pilvede klassifitseerimine, süstemaatika ja omavahelised seosed 26 Pilvede süstemaatika ajalugu 27 Pilvede nimetamine ja pilvede süsteem 38 Pilvenimetuste loend ja märkusi nimetamise kohta 42 Pilvenimetuste tähendused ja näiteid nende kasutamisest 46 Kui palju üldse on pilveliike ja alamliike? 46 Kuidas eristada pilvede puhul liike ja vorme 51 Pilvede liigid ja erimid 56 Pilveliikide kirjeldus ja iseärasused 56 Pilvede alamliigid, vormid ja erikujud 98 Kuidas puutub ilmarelva teemaga kokku Eesti elanik? 182 Mis on kondensjäljed ja kuidas need tekivad? 184 Muutlik atmosfäär 186 Kas joonpilved on head või halvad? 187 Fumulus ehk korstnapilv (põhivormiks enamasti kihtrünkpilved) 199 Lainelised pilved (undulatus, põhivorm varieeruv) 201 Rullpilv (kuulub tavaliselt Cumulonimbus arcus e juurde) 203 Kaootilis-lainelised kihtrünkpilved (Undulatus asperatus) 205 Kelvini-Helmholtzi lainepilved 206 Seelikuga rünk- või rünksajupilved (Cumulus/Cumulonimbus velum) 207 Kui taevas on mitut liiki pilvi (segataevas) 208 Kiudpilved koos sakmeliste pilvedega 209 Konvektsioonipilvede arengutsükkel 210 Mismoodi tekivad veidra kujuga pilved? 228 Keskatmosfääri pilved 230 Maa keskatmosfäär 230 Helkivad ööpilved ehk polaarmesosfääripilved 231 Vormid ja vaatlemine 236 Pärlmutterpilved ehk polaarstratosfääripilved 240 Eesti pilveatlas 5
Pilvede määramine, kui taevas on korraga mitu vormi või erimit 244 Pilvede hulk ja pilvisus 248 Pilved öösel 253 Iseäralikke mõtteid pilvedest 258 Ajaline jaotusviis 258 Konvektsiooniklassid 261 Määramismeetodid 261 Temperatuuripõhine jaotus 262 Pilved ja ilmaprognoos 264 Pilvede vaatlemine ilmamuutuste jälgimiseks 264 Ilmaprognoosid ja Eesti 264 Ilma ennustamine kohalike tunnuste järgi 269 Kuidas aimata hoovihma ja äikese tulekut 270 Järgnevus näitab tulevast ilma 277 Kaheosaline järgnevus 278 Kui järgnevuse osad pole eristatavad 279 Kokkuvõtlikke tähelepanekuid ja märkusi ilma lühiprognoosimisest 282 Jugavoolu-kiudpilved 284 Kiudkihtpilved ja halo 285 Kõrgkihtpilved ja vesine päike või kuu 286 Üleminek kihtsajupilvedeks, sajujooned, hatakpilvede ilmumine 287 Kaootiline (äikese-eelne) taevas 288 Ilm tsükloni soojas sektoris 289 Rünksajupilved ja hoovihmad 290 Punane päikeseloojang 291 Hea ilma rünkpilved 292 Halva ilma rünkpilved 293 Pilved, mis näitavad ilma püsimist 294 Optilised nähtused 295 Halonähtused 296 Muud nähtused 326 Pilved fotodel Karl Ander Adami 331 Kõik algas huvist 345 Mõningaid olulisi eestikeelseid teoseid 350 Mõistete ja terminite seletused 351 6 Eesti pilveatlas
Majesteetlikud rünksajupilved (Cumulonimbus capillatus incus) oma maksimaalse arengu või juba algava hajumise staadiumis: äike hakkab nõrgenema. Ristnas 6.08.2014 Foto: Päivi Palts EESSÕNA Ilm, ilmastik ja kliima on alati olnud inimese elu üheks põhiliseks osaks, sest need on määranud eluviisi, dikteerides näiteks seda, mida välja minnes selga panna, ja kujundanud isegi ajalugu. Mainigem kasvõi nn jumalikku tuult (神風 kamikaze), mis 13. sajandil säästis Jaapani mongolite vallutusest. Tänapäeva inimesel võib olla tunne, et ta sõltub ilmast vähem, sest meil on ju konditsioneeridega majad, autod ja palju muud sellist, kuid tegelik side ei ole Eesti pilveatlas 7
katkenud. Seda näeme kasvõi siis, kui õhtuti kuulatakse ilmateateid, et teada saada, kas tuleb soe ja ilus ilm, nii et saab randa minna, või tabab meid torm, tuues kaasa elektrikatkestusi ja tuule ulgumist ning mõjudes tervisele. Üks ilmaelementidest, pilved, on nii praeguse kui lähituleviku ilmaga tihedasti seotud, sest need peegeldavad atmosfääriseisundit ja selle muutumist. Pilvi võib Eestis pea iga päev taevas näha ja nende tundmine võib osutuda väga kasulikuks ilma lühiprognoosimisel. Sestap peaks käesolev raamat pakkuma väga olulist lugemisvara. Samas kui Eesti inimestele on pilved igapäevased kaaslased, siis kõikjal maailmas pole need sugugi nii tavalised. Olen palju reisinud inimestelt kuulnud, et on paiku, kus ei pruugi ühtki pilve tekkida mitme kuu vältel. Meelde tuleb üks reisiõhtu, kus üks mitu kuud Lähis-Idas elanud eestlane rääkis sellest, et kui mitu kuud oli pilvedeta elatud, tekkis tal neist tugev puudus ja ta ootas nii väga, millal ometi tekib mõni pilv. Viimaks osutuski pilvede puudumine ajendiks, miks ta tuli Eestisse tagasi. Oma huvi tekkimist kirjeldaksin kui mosaiiki või puslet, milles igal killul ja tükil on oma osa lõpptulemuse kujunemisel. Mul tekkis huvi atmosfääri vastu juba lasteaias, kus kasvataja viis meid äikese ajal ikka akna alla ja seletas, mis toimub, või kui tegemist oli mõne ohutuma loodusnähtusega, siis läksime kõik koos õue, et saaksime seda nautida ja tundma õppida. Umbes samal ajal, 1996. aasta talvel, olin mõnda aega Haapsalu sanatooriumis. Oli külmalaine ja päevad täis päikest. Iga päev käisin õues koos vanaemaga jalutamas. Sanatooriumi kõrval oli mingi katlamaja, mille korstnast väljuvaid aurupilvi ma kogu aeg vaatasin ja mõtlesin, mismoodi need tekivad ja miks nad just sellise kujuga on. Samuti tekitas huvi see, miks mingi pilveriba teatud kaugusel hajus. Kolmas tükk selles pusles sai paika Kivimäe põhikooli 3. klassis, kui loodusõpetuse õpetaja Mare Põder palus kogu klassil teha nädala jooksul ilmavaatlusi. Kui nädal sai läbi, siis teised õpilased lõpetasid oma vaatlused, kuid mina mõtlesin, miks neid ei võiks jätkata. Ja nii saigi viimaks ühest nädalast kümme aastat: pidevaid ilmavaatlusi tegin Tallinnas 1998. aasta veebruarist kuni 2008. aasta suve lõpuni. Seejärel need katkesid seoses Tartu Ülikooli astumise ja Tartusse kolimisega. 1999. aasta oktoobrist alates kogusin ka ajalehtedest ilmateateid ja ilmateemalisi artikleid. Sellesse andis oma panuse ka Mare Põder, kes kinkis mulle hulga 1950. aastate ajaleheväljalõikeid. Neljanda pusletüki andis 2000. aastal TV1-s näidatud dokfilm Raevutsev taevas, kus räägiti pilvedest, äikesest ja tornaadodest, mis jättis unustamatu mulje ja süvendas mu huvi kõvasti. Tänaseks päevaks on selles filmis sisalduvad teadmised vananenud, sest võrreldes 8 Eesti pilveatlas
1995. aastaga, kui film tehti, on märksa targemaks saadud, eriti tänu tornaadouurimisprojektile VORTEX2, mis viidi USA-s läbi aastail 2009 ja 2010. Oma osa minu huvi süvenemises oli ka 1998. aastal välja antud raamatul Loodusõnnetused, mis vapustasid maailma (autor Guido Ilves), kus räägiti muu hulgas haaravalt orkaanidest, tornaadodest, äikesest jm ohtlikest atmosfäärinähtustest. Selliseid kilde olen aja jooksul ikka ja jälle avastanud. Hiljem on mu huvi muutunud üldisemaks, kuid endiselt paelub mind meteoroloogia. Lemmikteemadeks on kujunenud äike ja pilved. Pilvede puhul on ehk kõige võluvam asjaolu nende lõputu mitmekesisus, pidev muutumine ning nende omadus peegeldada atmosfääriseisundit ja -protsesse. See raamat, mida on nimetatud isegi lühimonograafiaks, ei pretendeeri punktuaalsele täpsusele ega vaieldamatusele. Eesmärk on laiendada lugejate silmaringi, jutustades neile, mida huvitavat võib pakkuda parasvöötme igapäevane taevas. Ehk leiab nii mõnigi lugeja selle raamatu abil tee meteoroloogia ehk ilmateaduse juurde. Samas rõhutan, et kõigel, mis käesolevas raamatus kirjas on, on minu enda arusaamade, tähelepanekute ja tõlgenduste värving. Raamat on Eesti-keskne, seetõttu on mõned pilvevormid, fenomenid ja nähtused, mis meid puudutavad väga vähe või ei puuduta üldse, välja jäänud või on neid käsitletud ainult minimaalselt mõnes peatükis või kirjelduses (v.a polaarmesosfääri- ehk pärlmutterpilved, mille esinemise kohta Eestis pole midagi kindlat teada, kuid neid võib näha näiteks Skandinaavia mägirajoonides). Varem pilvi põhjalikumalt käsitlevatest raamatutest tuleb nimetada aastal 2007 ilmunud Pilvevaatleja käsiraamatut, mille autor on pilveentusiast Gavin Pretor-Pinney. Selles teoses räägitakse pilvedest mitme vaatenurga alt, näiteks on väga palju tähelepanu pööratud pilvede seostele kultuuriga. Käesolevas raamatus on pea kogu tähelepanu keskendatud pilvedele endile, nende seostele praeguse ja tulevase ilmaga, samuti pilvedele nime andmisele ehk rõhuasetus on loodusteaduslik. Lisaks Pilvevaatleja käsiraamatule on eesti keeles veel mõningaid pilvi käsitlevaid trükiseid ilmunud: Heinrich Aruksaare Väike pilvede atlas (Tartu, 1962) ja Milvi Jürissaare 2006. aastal Keskkonnainvesteeringute Keskuse toel ilmunud Pilveaabits. Eestikeelseid olulisimaid meteoroloogiaalaseid teoseid vt lisaks lk 246. Raamatus on mõned mõisted poolpaksus kirjas. Need esiletoodud mõisted on raamatu lõpus olevas lühisõnastikus lahti seletatud. Vajaduse korral on tekstis siin-seal kasutatud viitamist, kui konkreetses kohas räägitavast saab veel mõnest raamatust või mõnest muust allikast lugeda, selle pilti vaadata või on see kuskil mujal pikemalt lahti seletatud. Eesti pilveatlas 9
Raamatus on kasutatud võimalikult palju illustreerivat materjali. Fotode autoriõigused kuuluvad mulle, kui pole märgitud teisiti. Kui see on teada, on lisatud foto tegemise aeg ja koht. Jooniste ja piltskeemide puhul on nende allikas allkirja järele lisatud. Mõned fotod ei pruugi olla kuigi ilmekad, sest pilvede fotografeerimine ei ole mitte kerge tegevus, kümnest liigist ja ligi viiekümnest erimist ei õnnestu mõnda mitte kuidagi pildile saada, nentis kunagi üks meie paremaid pilvede tundjaid meteoroloog Milvi Jürissaar*. Olen väga tänulik ilm.ee-le toetuse eest, abi eest vajalike fotode hankimisel ja organiseerimistöö eest; konsultantidele Ülo Kestlasele ja Ain Kallisele, kes lugesid käsikirja läbi ja parandasid vigu, kui neid silma hakkas, ning andsid näpunäiteid, kuidas midagi saaks teisiti ja paremini teha; Piia Postile, kes oli nõus käsikirja lugemist ja kommenteerimist arutama ja soovitas selle avaldamisega veidi viivitada, et see küpseks; kirjastustele, kes olid nõus kirjastamist arutama ja andsid häid nõuandeid toimetamise ja ülesehituse kohta, Varrakule, kes võttis raamatu kirjastada; Horisondile ja Eesti Loodusele, Kaarel Damian Tamrele ja Pirje Tummile graafika tegemise eest; Marek Karmile ilmakaartide ja jooniste kohendamise eest ning lõpuks fotograafidele Karl Ander Adamile tänu talle ka terve peatüki kirjutamise eest!, Pääro Metsandile, Jan Lepamaale, Kaarel Virrojale, Kairo Kiitsakule, Kalju Kotkasele, Ellu Viburile, Priit Kapstale, Liili Peäskele, Ain Vindile, Lee Nuutrele, Kristel Bankierile, Enely Lehtlale, Rene Liismale, Erik Kraanveltile ja Villu Lükkile. Kasutatud on veel nii internetiallikaid kui ka sõnastikke, käsiraamatuid jmt, et raamat kajastaks ka üldtunnustatud seisukohti, ent kui on vajadust, siis olen kirja pannud ka põhjendatud alternatiivseid arvamusi. Kasutatud ja soovitatavate allikate loendi leiab raamatu lõpust. Autor * See tsitaat on võetud Ain Kallise tervituskõnest Pilved on sageli otse taevalikud! Samas mõned lausa põrgulikud, mille ta pidas ilm.ee Pilvejaht 2011 parimatele pildistajatele auhindade kättejagamise sissejuhatuseks. Milvi Jürissaar on meteoroloog, kes on olnud pikka aega Tartu Lennukolledži õppejõud. Üks tema huvialasid on pilved, mille liikide tutvustused on ta avaldanud ka Eesti Looduses ja kogumikus Universum valguses ja vihmas. Milvi Jürissaar on avaldanud kaks põhjalikku eestikeelset lennundusmeteoroloogiaõpikut ja teda peetakse üheks parimaks pilvede tundjaks Eestis. 10 Eesti pilveatlas
MAA ATMOSFÄÄR Maa on üks nendest planeetidest, mida ümbritseb märkimisväärse tiheduse ja ulatusega atmosfäär ehk gaaskest, mida hoiab hajumast Maa külgetõmbejõud (gravitatsiooniväli). Atmosfäär on võrreldes planeetidevahelise gaasiga märkimisväärse tihedusega veel umbes 1000 1500 km kaugusel Maa pinnast. Sellisel kõrgusel võib Päikeselt lähtuv osakestevoog juba vastastikmõjustuda atmosfääri koostises olevate gaasimolekulidega, põhjustades virmalisi. Neid on nähtud vähemalt 1200 km kõrgusel. Mingit kindlat piiri siiski atmosfääri ja planeetidevahelise gaasi vahel ei ole üleminek on sujuv ja seetõttu ei saa atmosfääri välist piiri täpselt määratleda. Tavaliselt öeldakse, et Maa atmosfääri gaas ehk õhk on gaaside mehaaniline segu. Võib väita ka alternatiivselt, et tegu on lahusega*, kus lämmastikus hpa hpa hpa hpa hpa hpa hpa Atmosfääri struktuur; kihid, temperatuuri ligikaudne käik, mõned näitajad. PNS Infograafika / Kaarel Damian Tamre * Üldiselt siiski õhku ei peeta lahuseks, sest gaasides ei ole keemilist sidet molekulide vahel, mida enamasti lahuse määratlemisel väga oluliseks peetakse. Eesti pilveatlas 11
kõrgus (km) õhurõhk (hpa) 0 o C = 273,15 o K Temperatuuri vertikaalne käik ja selle alusel määratletavad kihid vastavalt standardatmosfäärile. PNS Infograafika / Kaarel Damian Tamre, Wallace ja Hobbs, 1977 järgi. (78 mahuprotsenti) on lahustunud teised gaasid: hapnikku 21 mahuprotsenti, argooni 1 mahuprotsent, süsihappegaasi 0,04 mahuprotsenti, ülejäänuid, nagu neoon, heelium, metaan jm, on juba märksa vähem. Lisaks on õhu koostises alati ka veeauru, mida kogu atmosfääris on vaid 0,4 mahuprotsenti, kuid Maa aluspinna lähedal enamasti 1 4 mahuprotsenti. Erandiks on atmosfäär jääväljade ja mandrite kohal miinuskraadide puhul, kus veeauru on märksa vähem. Veeauru hulk on väga muutlik ja see on ainus gaas, mis võib kondenseeruda ja seetõttu moodustada pilvi ning sadeneda ja sademetena alla sadada. Atmosfääri saab ehituse poolest jaotada mitmel alusel. Tavaliselt võetakse jaotamise aluseks õhutemperatuuri vertikaalne käik. Sellisel juhul on võimalik eraldada 5 kihti ja 4 vahekihti, kusjuures vahekihtide puhul on tegu temperatuuri miinimumide või maksimumidega. Atmosfääri kihid on järgmised. 12 Eesti pilveatlas
TROPOSFÄÄR on kõige alumine, pilvede seisukohalt tähtsaim kiht, mis ulatub olenevalt aastaajast ja laiuskraadist 8 18 km kõrgusele, keskmistel laiustel enamasti 10 12 km kõrgusele. See sisaldab umbes 80% kogu atmosfääri massist ja selles kujuneb meie igapäevane ilm. Kuigi troposfääri tähtsaim tunnus on temperatuuri langemine maa- või veepinnast eemaldudes, on selles siiski sagedased lokaalsed inversioonid ja isotermiad. TROPOPAUS on vahekiht troposfääri ja stratosfääri vahel. See on enamasti pilvede ülemine piir. Vahel võivad ägedaid äikesetorme tekitavad rünksajupilved ulatuda tropopausi või seda läbida. Eestis registreeriti see näiteks 26.07.2010, 8.08.2010 ja 28.07.2011 (tipp rohkem kui 15 km kõrgusel). Tropopausis väheneb temperatuurigradient järsult ja temperatuur võib ka tõusta. Tropopausi all või alumises osas on teatud kohtades õhujõed jugavoolud, milles õhk võib liikuda kiirusega mitusada km/h. Tropopaus võib olla katkendlik (klimatoloogiliste frontide piirkonnas) või mitmekihiline. Tropopaus on Päikesesüsteemi planeetidest iseloomulik vaid Maa atmosfäärile. STRATOSFÄÄR algab tropopausi kohalt (vahel loetakse ka viimast stratosfääri osaks). Selle alumine osa on väga külm, kuid juba umbes 25 km kõrgusel tõuseb temperatuur kindlalt ja võib saavutada kihi ülemisel piiril 0 C. Soojenemist põhjustab osoon, mis neelab Päikeselt tulevat lühilainelist kiirgust. Osooni tõttu nimetatakse 25 35 km kõrgusel paiknevat kihti vahel osonosfääriks. Stratosfäär on väga kuiv, seetõttu seal üldjuhul pilvi ei teki. Erandiks on harva tekkivad värviküllased pastelsed polaarstratosfääripilved. STRATOPAUS on vahekiht stratosfääri ja mesosfääri vahel, milles algab temperatuurilangus. Samas on seal tegu temperatuuri maksimumiga. See jääb 50 55 km kõrgusele. MESOSFÄÄR jääb stratopausi kohale, alates seega 55 60 km kõrguselt. Kõrguse kasvades temperatuur üha langeb, jõudes 90... 100 C-ni, kuid suvel võib olla märksa madalam. Seega on mesosfääri ülaosa külmim piirkond Maa atmosfääris. Mesosfääris on tugev tsonaalne õhuvool, kuid samuti atmosfääri looded ja lained. Mesosfääri ülaosas ja mesopausis tekivad piisavalt madala temperatuuri korral hõbedased polaarmesosfääripilved, mis on valgete ööde ajal nähtavad. Mesosfääri alaossa ulatuvad ka mõned eksootilised välguvormid, nagu sinijoad ja spraidid. Kuna mesosfäär jääb kõrgemale õhusõidukite lennukõrgusest ja madalamale orbitaaljaamadest, siis on seda kõige raskem uurida ja selle kohta on andmeid vähe. Seetõttu on mesosfäär atmosfäärikiht, millest kõige vähem teatakse. MESOPAUS paikneb mesosfääri kohal ja sealt algab temperatuuri tõus. See jääb enamasti 100 km kõrgusele, kuid suurematel laiustel võib suvel laskuda Eesti pilveatlas 13
85 km-ni. Mesopausi lähedale jääb turbopaus, mis eraldab madalamale jääva hästi segunenud atmosfääriosa kõrgemal asuvast ebaühtlaselt segunenud atmosfäärist, kus õhu keemiline koostis kõrgusega muutub. TERMOSFÄÄR jääb mesopausi kohale ja seal temperatuur tõuseb, olles 112 km kõrgusel juba üle 0 C. Ülapiiril võib temperatuur olla 1500 2500 C, kuid see sõltub Päikese aktiivsusest mida suurem see on, seda kõrgem temperatuur. Selle põhjuseks on UV-kiirguse üpris tugev neeldumine atomaarse hapniku ja lämmastiku tõttu. Kõrge temperatuur poleks seal aga tajutav ja seda ei saa ka otseselt mõõta, sest gaas on nii hõre, et ei anna efektiivselt oma soojust üle. Gaasi suur hõredus on põhjuseks, miks umbes 160 km-st kõrgemal ei saa heli enam levida. EKSOSFÄÄR paikneb termosfääri kohal, olles atmosfääri ülemiseks piiriks. Seal on tüüpiline, et gaasimolekulid saavutavad kiiruse (200 km kõrgusel on teine kosmiline kiirus 11,01 km/s), mis võimaldab neil gravitatsiooni haardest pääseda. Gaas, mis koosneb peamiselt vesinikust ja heeliumist, on väga hõre, umbes 1000 aatomit kuupkilomeetris, minnes üle planeetidevaheliseks gaasiks. Atmosfääri saab jaotada kihtideks ka teistel põhimõtetel. Kui aluseks võetakse õhu segunemine, siis võib eristada homosfääri, milles õhk on hästi segunenud, ja heterosfääri, kus segunemist ei ole ja gaasid kihistuvad gravitatsiooniliselt. Nende vahele jääb eespool nimetatud turbopaus, mis asub 95 100 km kõrgusel. Hõõrdejõu mõju järgi saab atmosfääri jagada planetaarseks piirkihiks ja vabaks atmosfääriks. Piirkihis mõjutab hõõrdejõud oluliselt õhu liikumist, põhjustades turbulentsi. Piirkihi paksus muutub iga päev ja oleneb pinnamoest. Kui tegu on tuulevaikse ilmaga näiteks lume- ja jääväljade kohal, võib piirkiht peaaegu puududa, ent kui labiilses õhumassis arenevad tugevad tõusvad õhuvoolud (konvektsioon), siis ulatub piirkiht kuni rünksajupilvede ülemise piirini, sest konvektsioonipilvedes on turbulents tugev. Keskmiselt algab vaba atmosfäär 1000 1500 m kõrgusel, kõrgmäestike kohal ulatub see kuni kõrguseni 7 9 km ja merede-ookeanide kohal mõnesaja meetri kõrguseni. Piirkihis on ilmaelementidel ööpäevane käik ja tuul pöördub kõrguse kasvades paremale. Täpsemalt jaguneb piirkiht Ekmani-Åkerblomi kihiks, kus olenevalt kõrgusest tuule suund muutub ja selle kiirus kasvab, ning Maa aluspinna lähedaseks kihiks (kõrgus keskmiselt 50 100 m), milles tuule suund ei muutu, kuid kiirus kasvab. Kui tekivad kihtpilved, siis piirkiht (täpsemalt Ekmani kiht) ulatub pilvede alumise piirini. 14 Eesti pilveatlas
Ioniseerituse järgi jagatakse atmosfäär neutraalseks atmosfääriks (seda nimetatakse ka lihtsalt atmosfääriks) ja ionosfääriks. Ionosfääriks nimetatakse 85 600 km kõrgusel paiknevat atmosfääriosa, kus gaas on päikesekiirguse tõttu ioniseeritud. Ühtlasi on tegu magnetosfääri sisemise osaga. Ioniseeritus sõltub päikesekiirguse tugevusest, seega muutub see ööpäeva lõikes ning vastavalt aastaaegade ja päikese aktiivsuse vaheldumisele. See on väga oluline raadiolainete kauglevi seisukohast. Sellest lähtudes eristatakse ionosfääris F-, E- ja D-kihti. Paksu F-kihi ülemine osa püsib terve ööpäeva jooksul ja on sellisena peamine raadiolainete peegeldaja. Ka virmalised jäävad sellesse kihti. Mõju järgi kosmose(lennu-)aparaatidele jagatakse atmosfäär tihedateks kihtideks ja Maa-lähedaseks kosmoseruumiks, kuid see on väga tinglik. Tihedates kihtides on õhutakistusel kiirusele suur mõju ja seisatud mootoritega aparaat kaotab kiiresti oma kiiruse. 150 km-st kõrgemal õhutakistus järsult väheneb ja lennu aparaat võib teha vähemalt ühe tiiru ümber Maa väljalülitatud mootoritega. Hilissuvine päikeseloojang mere ääres: alles veel sooja vee kohal on kerged tekkima miraažid, mida fotol on näha; pilvedest on esindatud kihtrünkpilved ja rebenenud rünkpilved (Cumulus fractus) 17.09.2011 Viimsis. Foto: Päivi Palts Eesti pilveatlas 15
PILVEDE OLEMUS, TEKKIMINE JA TÄHTSUS Pilvevaatleja Lätis Eesti piiri lähedal 8.07.2009 Pilvede definitsioone on vähemalt kaks. (1) Pilv on kolloidne süsteem, mille moodustavad õhus hõljuvad veepiisakesed, jääkristallid või nende segu. (2) Pilv on ükskõik milline aerosooliosakeste kogum õhus, mis on piisavalt tihe, et oleks silmaga nähtav või mõne instrumendiga kindlaks määratav. Nii võib rääkida suitsu-, tolmu- ja tuhapilvedest ning nende hübriididest veeauru kondenseerumise produktidega (Pyrocumulus, Pyrocumulonimbus). Selles raamatus räägitakse pilvedest esimese definitsiooni tähenduses. Kuna pilvi moodustavate veepiisakeste läbimõõt on mõni kuni mõnikümmend mikromeetrit keskmiselt 10 μm, maksimaalselt 200 μm, siis suudavad õhuvoolud neid ülal hoida. Et elektrostaatilised jõud hoiavad tekkinud aerosooli kokkuleppeliselt, n-ö vaikimisi pilvi aerosoolideks küll ei nimetata stabiilse, siis ongi pilved hõljuvas olekus. Varem (ja sageli praegugi) peeti pilve olemasolu määratlemisel väga oluliseks 16 Eesti pilveatlas
visuaalselt eristamist kui silmaga polnud midagi näha, siis polnud ka pilve. Tänapäeval peetakse pilveks ka sellist kolloidset süsteemi, mille olemasolu saab kindlaks määrata näiteks üksnes radariga. Seega, pilv ei pruugi tingimata olla inimsilmale nähtav. Näiteks embrüonaalses arengufaasis rünkpilv võib-olla nähtamatu, sest kondenseeruvad veepiisakesed on veel nii tillukesed ja neid on nii hõredalt, et valgus ei haju piisavalt ja inimsilm pilve ei näe. Pilved kui kolloidsed süsteemid eeldavad atmosfääri olemasolu ja neid tekib seega kõikidel planeetidel ja kuudel, kus on atmosfäär ja midagi, mis saab kondenseeruda. Näiteks Marsil on väga hõre atmosfäär ja temperatuur on üldiselt väga madal, mis võimaldab süsihappegaasil ja vähesel veeaurul kondenseeruda. Ainsad pilved peale tolmupilvede, mida Marsi taevas näha saab, on süsihappegaasi- ja jääkristallidest koosnevad kiudpilved. Veenuse atmosfäär on palju tihedam kui Maa oma ja seetõttu on see planeet pidevalt kaetud paksu pilvkattega, mis koosneb väävelhappetilgakestest, sest seal on temperatuur väga kõrge. Saturni kuul Titaanil koosnevad pilved, nii palju kui seni teada, metaanitilgakestest ja seal sajab ka metaanivihma või -lund. Võimas atmosfäär koos võimsate pilvkatetega on Jupiteri tüüpi planeetidel. Selles raamatus räägitakse vaid Maaga seotud pilvedest. Pilvi uurivat meteoroloogia teadusharu nimetatakse nefoloogiaks ehk pilveteaduseks või pilvede füüsikaks. Pilvede tekkimine. Pilved on niisiis kondenseerumisel tekkinud veepiisakeste või jääkristallide kogumid atmosfääris. Veeauru kondenseerumine on meie planeedi atmosfääris võimalik vaid seetõttu, et vee (H 2 O) puhul on kriitiline temperatuur (T kr ) koguni 374 C ja veeauru osarõhk on piisavalt suur, ulatudes niiskes soojas õhumassis kuni 20 hpa-ni*, samas näiteks süsihappegaasi T kr = 31 C, kuid CO 2 osarõhk on kondenseerumiseks liiga väike. Olgu rõhutatud, et veeaur on nähtamatu gaas, seega kui näeme hingeauru, siis on see ikka udu, mitte tõeline veeaur! Selleks, et kondenseerumine ja seega pilved saaks tekkida, peavad olema täidetud järgmised tingimused: õhus peab olema piisavalt veeauru, et kondenseerumine oleks tingimuste (temperatuur, rõhk) mõningase muutumise tagajärjel võimalik; õhus peab olema kondensatsioonituumakesi ehk tihenemispihusid, nagu vanemas kirjanduses neid nimetatakse, millele veeaur saaks kogunema hakata. Tuumakesteks sobivad näiteks tolmuosakesed, soolakübemed, * Maa atmosfääris kõigub õhurõhk Maa aluspinna lähedal enamasti 950 1050 hpa vahel, väiksem või suurem on õhurõhk sellest vahemikust väga harva. Veeauru hulk atmosfääris on äärmiselt muutlik, see võib muutuda maapinna lähedal vahemikus 1 4% ruumalast (kogu atmosfääris ~0,4%). Eesti pilveatlas 17
bakterid. Kui neid tuumakesi ei ole, siis võib õhk tugevasti üleküllastuda, see tähendab, et suhteline niiskus võib olla mitusada protsenti, enne kui algab veeauru spontaanne kondenseerumine. Sademete ja pilvetekke seisukohalt on äärmiselt olulised sublimatsiooniehk jäätuumakesed, millele jääkristallid saavad moodustuma hakata. Jäätuumakeste allikaks on näiteks meteoorne ja mineraalne (eelkõige savi-)tolm, samuti juba olemasolevate jääosakeste purunemisel tekkiv jäätolm. Vajalik on jahtumisprotsess, et õhk saavutaks kastepunkti temperatuuri, mille juures on eelnevate tingimuste täidetuse korral kondenseerumine võimalik. Ning on veel üks väga üldine põhjus, mis võimaldab nii pilvedel kui ka muudel nähtustel tekkida ja protsessidel Universumis kulgeda: see on temperatuuride erinevus. Kui kogu Universum oleks termodünaamiliselt soojuslikus tasakaalus (nn soojussurmas), ei saaks mingeid protsesse kulgeda ega nähtusi tekkida. Seega üldises taustsüsteemis on pilvede tekkimiseks vajalikud temperatuurierinevused (tekitades konvektsiooni, fronte, kondenseerumist jne) ja energia muundumised (päikesekiirguse neeldumine, kondenseerumine, latentse soojuse vabanemine jm). PILVEDE TEKKIMISE PÕHJUSED Pilvede teke seisab peamiselt õhutemperatuuri kastepunktini langemise taga, sest üsna harva on piiravateks teguriteks liiga vähene veeauru hulk või kondensatsioonituumakeste puudumine. Seega, kui õhutemperatuur piisavalt ei lange, siis ei teki ka pilvi. Jahtumisprotsessid. Pilvede teke on tavaliselt seotud ühe või korraga mitme (mitmesuguses kombinatsioonis) jahtumisprotsessiga: kiirguslik jahtumine (tavaliselt maapinnal või selle lähedal); jahtumine aurustumise tagajärjel; jahtumine õhu tõusmise tagajärjel (selle punkti puhul on oluline mõiste õhuosake). 18 Eesti pilveatlas
Too viimast liiki jahtumine on põhjustatud järgmistest teguritest: maapinna ebaühtlane soojenemine; pinnamood (kõrgustike, eriti aga mäestike tuulepoolsetel külgedel on õhk sunnitud tõusma); õhumasside konvergents (näiteks poolsaare keskel võivad kohtuda briisid); õhumassi tõus seoses frondiga; konvektsioon (tüüpiline labiilses õhumassis). Õhu tõus on tihti mehaaniline, n-ö sunnitud. See võib aset leida mitmel moel: frondiga seotud õhu tõus; õhu tõus tsüklonis (õhk voolab keskele kokku ja on sunnitud tõusma); kohalik õhuringlus; soojuslik labiilsus (õhukiht muutub näiteks Maa aluspinna tugeva soojenemise tõttu kergemaks ja kipub seetõttu kerkima). On veel kaks võimalust jahtumiseks: jahtumine horisontaalse liikumise tagajärjel (näiteks soe õhk jahtub, kui see liigub külma aluspinna kohal); jahtumine õhumasside segunemise tõttu. Äikesehuvilised 1.07.2009 Läti-Leedu piiri ääres. Eesti pilveatlas 19
Pilvede tekkimisel ja arenemisel mängib väga tähtsat rolli atmosfääri tasakaaluolek. Sellest oleneb, kas üldse ja kui, siis millise kujuga, mis liiki ning millal ja kus pilved tekivad. Väga tähtis mõiste on õhuosake (parcel), mis tähendab terviklikku õhukogumit, mille maht on mõni kuni mõnisada kuupmeetrit see pole kokku lepitud, aga see õhukogus on muust keskkonnast mõtteliselt eraldatud. Oluline on teada järgmist: Soe õhk on kergem kui külm või madalama temperatuuriga õhk. Niiske õhk on kergem kui kuiv õhk. Põhjus on selles, et vee molekulkaal (18 g/mol) on väiksem kui õhu keskmine molekulkaal (29 g/mol). Lisaks on looduses seaduspärasus, et kindel kogus gaasi sisaldab jääval temperatuuril ühesuguse arvu molekule. Seda arvu tuntakse Loschmidti* arvuna. Seega, kui veeauru tuleb juurde, siis selles õhukoguses jääb teisi raskemaid molekule sellevõrra vähemaks, nii et see kindel õhukogus läheb veidi kergemaks, kuid molekulide arv jääb samaks. Õhumasse jaotatakse nii nende päritolu (geograafiline klassifikatsioon) kui ka termodünaamiliste omaduste järgi. Viimasel juhul võib õhumass olla kas stabiilne, labiilne (ebastabiilne ehk ebapüsiv) või neutraalne (ükskõikne ehk indiferentne). Kolmandana kasutatakse veel nimetust kohalik õhumass, mis soojal aastaajal on pigem labiilne, külmal aga stabiilne. Kui õhumass on stabiilne, siis liikuma lükatud õhuosake püüab naasta oma esialgse tasakaaluasendi poole (nagu pall lohus). Kui õhumass on labiilne, siis liikuma hakanud õhuosake liigub võimaluse korral oma esialgsest asendist kaugemale ning liikumine võimendub (nagu pallil künkast alla veeredes). Kui õhumass on loid ehk ükskõikne, siis liikuma hakanud õhuosake jääb võimaluse korral oma uuele asukohale (nagu pall tasasel pinnal). Pilved tekivad veeauru kondenseerumisel või sublimeerumisel, kui õhk on tavaliselt selle tõusmise tagajärjel adiabaatiliselt ehk soojusvahetuseta jahtunud kastepunktini. On ka erandeid, näiteks rünksajupilvega seotud pilve erikuju mamma** arvatakse üldiselt tekkivat õhuvoolude laskumise tagajärjel, kui pilve * Rohkem on ehk tuntud Avogadro arv, mis on aineosakeste arv ühemoolises ainehulgas. Loschmidti arv on Avogadro arvuga analoogne suurus, kuid mõeldud on sel juhul aineosakeste arvu ühes kuupsentimeetris. ** Kuigi mammatus on levinum nimetus, on keeleliselt õigem nimekuju mamma, mida peaks eelistama. Mamma võib tekkida ka teiste pilveliikide puhul, nagu kiudpilved, kihtrünkpilved või kõrgkihtpilved. 20 Eesti pilveatlas
Õhu jahtumine tõusmisel ja pilvede teke. PNS Infograafika / Kaarel Damian Tamre Eesti pilveatlas 21