pilvet

Pilvet ovat hyvin keskeisessä roolissa sään ennustamisessa ja koko ilmastojärjestelmässä ja niihin liittyy paljon ilmastonmuutoksen epävarmuuksia. Tutkijat selvittävätkin parhaillaan tarkemmin sitä, miten pilvet vaikuttavat ilmastoon ja kuinka muuttuva ilmasto vaikuttaa pilviin.  

Se tiedetään, että pilvillä on merkittävä rooli maapallon lämmönsäätelyssä. Ne viilentävät lämpötilaa heijastamalla Auringon säteilyä. Aerosoleilla on osoitettu olevan merkitys pilvien muodostumisessa, mutta suurin epävarmuus liittyy siihen, miten aerosolit muokkaavat pilvien heijastavuutta ja niiden elinaikaa.

"Aerosolitutkimuksessa Suomi on alan johtavia maita", hehkuttaa Ilmatieteen laitoksen pääjohtaja Juhani Damski Ilmatieteen laitoksen tiedotteessa.

"Tämän ilmastonmuutoksen kannalta oleellisen kysymyksen parissa tehdään töitä muun muassa Ilmatieteen laitoksella Kuopiossa. Puijon tornin huipulla on mahdollista mitata luonnollisissa olosuhteissa sitä, miten pienhiukkaset vuorovaikuttavat pilvien kanssa."

Parhaillaan Ilmatieteen laitos tutkii myös sitä, millainen rooli aerosolihiukkasilla on sateen keinotekoisessa synnyttämisessä.

"Tutkimuksen perusajatus on se, että ilmassa luontaisesti oleva kosteus saadaan aerosolien avulla tiivistymään tavanomaista tehokkaammin suuriksi pilvipisaroiksi, jotka aikaa myöten satavat vetenä maahan", tutkimusta johtava tutkimusprofessori Hannele Korhonen sanoo.

Pilvet vaikuttavat myös uusiutuvan energian tuotantoon. Ilmatieteen laitos tutkii ja kehittää parhaillaan säänennustusmalleihin pohjautuvia energiasääennusteita. Ilmatieteen laitos on myös tehnyt selvityksen, miten aurinkoenergia-alan kehitystä voitaisiin edistää Suomessa.

Ilmatieteen laitoksen satelliittituotteita ja maanpintamittauksia yhdessä hyödyntämällä voitaisiin tuottaa luotettavaa tietoa Suomen auringonsäteilyn ja aurinkoenergiapotentiaalin maantieteellisestä jakaumasta ja vuodenaikaisvaihteluista. Nämä tutkimuskokonaisuudet tuottavat tietoa päätöksenteon tueksi ja energia- ja ilmastostrategian tavoitteiden saavuttamiseksi.

Opportunity-kulkija kuvasi kymmenisen vuotta sitten pilvihaituvia lähellä Victoria-kraatteria. Mönkijän "silmien" edessä avautuva maisema on tasainen kuin meren ulappa, koska kraatteri on vastakkaisessa suunnassa.

Marsin pilvet voivat koostua sekä vesi- että hiilidioksidijään muodostamista kiteistä. Ohuet pilvimuodostelmat ovat hyvin korkealla, jopa sadassa kilometrissä.

Pilviä esiintyy myös öisin, mutta silloin ne ovat noin viisi kertaa päivätaivaan pilviä tiheämpiä ja hyvin paljon alempana. Ne leijuvat lähellä planeetan pintaa muistuttaen pikemminkin sumua tai usvaa. Samalla ne hidastavat lämpötilan laskua: pilvisillä alueilla yölämpötilat ovat parikymmentä celsiusastetta korkeampia kuin selkeillä seuduilla.

Kuva: NASA/JPL-Cornell

Saturnusta kiertävä Cassini-luotain on tehnyt jättiläisplaneetan suurimmasta kuusta Titanista havaintoja, jotka kertovat talven olevan tulossa rytinällä.

Cassini kuvasi jo vuonna 2012 Titanin etelänavan yläpuolella noin 300 kilometrin korkeudessa leijailevan laajan pilvimuodostelman. Se ei kuitenkaan ole mitään verrattuna sen alapuolella 200 kilometrissä piileskelevään jääkidepilveen.

Pilvi saatiin kuvattua luotaimen infrapunaspektrometrillä, jolla pystytään tarkastelemaan Titanin tiheän kaasukehän eri kerroksia lämpösäteilyn aallonpituuksilla. Jääpilvi on varsin harva ja muistuttaa lähinnä maanpinnan läheisyydessä esiintyvää sumua.

Sekä korkeammalla oleva pilvimuodostelma että sen alla oleva jääkidepilvi ovat merkkejä Titanin eteläiselle pallonpuoliskolle koittavasta talvesta. Titanin vuodenajoilla on pituutta noin 7,5 vuotta, joten hyinen vuodenaika on jokseenkin kylmimmimmillään, kun Cassinin taival päättyy vuonna 2017.

Kuulostaa äkkiseltään joltain Karhukoplan kepulikonstilta Roopen rahasäiliön ryöväämiseksi, mutta ei: kyse on todellisesta ilmiöstä, joka sai aikaan suurta tuhoa Yhdysvaltain kaakkoisosissa keväällä 2011.

Savu oli lähtöisin Väli-Amerikasta, missä keväinen kaskeaminen – joka on aika tavalla laajamittaisempaa kuin entisaikain Suomessa – sai aikaan savupilviä, jotka kulkeutuivat Meksikonlahden yli Yhdysvaltain puolelle.

Pelkkä savu ei tietenkään synnytä tornadoja, mutta kun samaan aikaan sikäläinen säätila oli otollinen tavallisia ukkospilviä paljon suurempien supersolujen ja niistä maahan kurottavien tuulenpyörteiden synnylle, yhdistelmä oli tuhoisa.

Paikallisten sääolojen ja kaukaa kulkeutuneen savun yhteisvaikutuksesta muodostui 27. huhtikuuta päivän ja illan mittaan kaikkiaan 122 tornadoa, jotka surmasivat yhteensä 313 ihmistä eri puolilla kaakkoisia osavaltioita. Yhtä rankkaa keliä ei ole esiintynyt sitten vuoden 1950.

Alla olevassa karttakuvassa Meksikonlahden alueesta on yhdistetty eri satelliittien ja tutkimuslaitosten mittaustuloksia tuolta päivältä.

Uuden mittauksia ja mallinnusta yhdistävän tutkimuksen tulokset ilmakehän pisaroiden kasvunopeuksista useissa eri ympäristöissä on julkaistu Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America -lehdessä. Tulokset osoittivat, että erityisen hitaasti kasvavia hiukkasia ei löydy tai ne ovat niin harvinaisia, että niillä ei ole merkittävää vaikutusta pilvien muodostumiseen. ”Havainto poistaa yhden merkittävän pilvi- ja ilmastomallinnuksen epävarmuuden osoittamalla usein käytetyn oletuksen paikkansapitävyyden”, sanoo tutkimuksessa mukana ollut Ilmatieteen laitoksen tutkija Tomi Raatikainen.

Suuresti vaihtelevat arviot pilvipisaroiden kasvunopeuksista on ollut yksi suuri epävarmuus pilvimallinnuksessa ja erityisesti pilvien ilmastovaikutuksia arvioitaessa. Ilmastomallinnuksella voidaan tutkia ilmastojärjestelmää ja sen eri osia kuten pilvien ja pienhiukkasten vuorovaikutuksia. Ilmastomallinnusta käytetään myös ilmastonmuutoksen voimakkuuden ja vaikutusten ennustamiseen. Aikaisemmin on havaittu, että ainakin laboratorio-oloissa pisaroiden kasvu voi hidastua merkittävästi esimerkiksi silloin, kun pisaran pintaan muodostuu veden tiivistymistä estävä öljymäinen kalvo. Pienhiukkasissa tiedetään olevan huonosti veteen liukenevia orgaanisia yhdisteitä jotka voivat muodostaa tällaisia kalvoja kunhan pitoisuudet ovat riittävän suuria.

Ilmakehän pisaroiden kasvunopeuksista on erittäin vähän tietoa, mutta jos vastaavaa tapahtuisi merkittävissä määrin myös ilmakehän hiukkasissa, tämä pitäisi ottaa paremmin huomioon nykyisin käytössä olevissa pilvimalleissa. Pilvet muodostuvat vesihöyryn tiivistyessä ilmakehän pienhiukkasiin ja pisaroihin eli aerosoliin. Tiivistymisen vuoksi alkuperäisen aerosolin koko kasvaa nopeasti n. 100-kertaiseksi, jolloin niitä aletaan kutsua pilvipisaroiksi. Pisaroiden kasvunopeus vaikuttaa muodostuvan pilven ominaisuuksiin kuten pilvipisaroiden keskimääräiseen kokoon ja lukumäärään. Näillä taas on vaikutus pilven elinikään ja optisiin ominaisuuksiin, eli käytännössä kasvunopeudet ovat osa aerosolien epäsuoraa ilmastovaikutusta.

Tutkimuksen kokeellinen osa perustuu pilviydinlaskurimittauksiin, joita on suoritettu erilaisissa ympäristöissä Pohjois-Amerikassa ja Euroopassa käyttäen sekä kiinteitä mittausasemia että lentokoneita. Pilviydinlaskureissa ilmanäyte altistetaan suurelle ilmankosteudelle, jolloin näytteen hiukkasista alkaa muodostua pilvipisaroita. Mitattu pisaroiden koon vaihtelu kertoo suoraan mahdollisista muutoksista kasvunopeuksissa, mutta myös mittalaite ja olosuhteiden muutokset aiheuttavat vaihteluita. Tämän vuoksi kasvunopeuksien arvioimiseen käytettiin numeerista mallia, joka huomioi olosuhteet ja laitteen asetukset simuloidessaan pisaroiden kasvua laitteen sisällä.

Tutkimus tehtiin pääosin professori Athanasios Nenesin tutkimusryhmässä Georgia Institute of Technologyssä, Atlantassa Yhdysvalloissa, jossa Ilmatieteen laitoksen tutkija Tomi Raatikainen teki kahden vuoden ajan väitöksen jälkeistä tutkimusta. Tulokset on julkaistu arvostetun Proceedings of the National Academy of Science -lehden sähköisessä versiossa ennen lopullista julkaisua tulostetussa lehdessä.

Tämä teksti perustuu Ilmatieteen laitoksen tiedotteeseen.