Konvektsioon 29. juuli hommikul ja seos termodünaamilise diagrammiga

29. juuli varahommikust avaldati siin hullult ilusad pildid: http://ilmastik.blogspot.com/. Sain samadest pilvedest ka ise pilte, mis on siin ära toodud. See hommik on õpetlik näide atmosfääri tasakaalust. Sellest teemast kirjutasin artikli juuli Horisonti. 

Huvilised saavad sealt täpsemalt lugeda, kuid toon siiski siin ära sissejuhatava lõigu, mis on selles postituses relevantne: Atmosfääri tasakaalu võib määratleda kui keskkonna (atmosfääri) omadust takistada või soodustada vertikaalseid liikumisi. Teisisõnu – see on atmosfääri vastupanu vertikaalsetele liikumistele. Tasakaalu analüüsimisel on tähtis mõiste õhuosake – terviklik, keskkonnast mõtteliselt eraldatud õhukogum, mille mahus ei ole täpselt kokku lepitud, sest see sõltub kontekstist, kus vastavat kontseptsiooni kasutatakse. Atmosfääri tasakaalust rääkides on otstarbekas tegeleda õhuosakestega, mille maht on mõne kuupmeetri suurune.

Lisaks kasutame tollest hommikust rääkides Harku sondeerimisandmete alusel koostatud Skew T Log P diagrammi. Selle telgedeks on y = log P ja x = T ja energia/ pindala nõue pole täidetud, kuid kasutan ikkagi seda, sest sealt on hästi näha õhumassi energia ja konvektsiooniks sobiv vahemik. 

Konvektsiooniks on vaja, et õhumassi energia oleks positiivne ja õhk hakkaks tõusma, nii et sellele hakkab mõjuma üleslükkejõud. Diagrammilt on näha kolme jämedad joont. Vasakpoolne siksakiline on kastepunkt, paremal tunduvalt sirgem on temperatuur ja seda kolmest kohast lõikav üsna sujuv joon on olekukõver. See näitabki õhumassi energiat. Kui see jookseb temperatuurijoonest paremalt poolt, siis on selles kohas konvektsioon võimalik. Sellisel juhul lõikuvad need jooned teatud kõrguses, mis näitab, kuhu maani saab konvektsioon ulatuda. Vahel on selleks tropopaus, nagu antud juhul võib näha. See pindala, mis jääb olekukõvera ja temperatuurijoone vahele, moodustab CAPE, näidates kui palju on potentsiaalset energiat konvektsiooniks kättesaadav. See arvutatakse integreerimise teel ja tulemus antakse J/kg. Ühtlasi näitab see teoreetilist kõige suuremat tõusvate õhuvoolude kiirust. Diagrammist paremal ülal on terve rida indekseid. Sealt otsides CAPE leiame, et 29. juuli hommikul oli see sondeeringu järgi 837,5 J/kg, mis on väga ebatavaline tulemus. Lisaks on näha, et aluspinna lähedal on olekukõver temperatuurijoonest vasakul, kusjuures saab leida ka selle pindala. See on negatiivne CAPE ehk CIN, mis antakse samuti J/kg. See on tõkkekiht, sageli inversiooni tõttu, mis takistab konvektsiooni teket. 

Järgmine tähtis näitaja on LI, mis näitab, kui suur on tõusva õhu ja seda ümbritseva keskkonna vahel temperatuurierinevus kraadides. Positiivne väärtus näitab, et tõusev õhk jääks külmemaks ja tihedamaks, negatiivne, et soojemaks ja kergemaks kui ümbritsev keskkond. Seetõttu siis on konvektsiooni korral iseloomulik negatiivne LI. Antud diagrammil oli selleks LIFT=-3,77, mis on samuti ebatavaline. LI on CAPE tihedalt seotud.

Lisaks on seal terve hulk näitajaid ja indekseid, mida siin ei hakkagi lahti seletama, kuid võib näiteks mainida, et Showalteri indeks on äikeste ajal negatiivne, diagrammil SHOW= −1,58;  sadestatav vesi, mis näitab, kui paksu veekihi saaks, kui veeldaks kogu veeauru, mis on terves vertikaalse atmosfäärisambas, diagrammil PWAT = 33.91, mida peab jälle pidama väga kõrgeks ja lõpuks kondensatsiooni- ja konvektsioonitasapind, millest esimene paikneb olekukõvera ja temperatuurijoone lõikepunktis umbes 790 hPa pinnal, mis on enam kui 2 km kõrgusel ja inversiooni (CIN) kohal ja teine joonte ülemises lõikepunktis, mis jääb 219 hPa pinna lähedale, mis on enam kui 11 km kõrgusel.

Sond lastakse Harku jaamas kl 0 (UTC järgi) üles ja see hakkab eemale triivima, mistõttu ei anna vertikaalset läbilõiget, aga hea ülevaate saab küll. Kui uurida paljusid selliseid sondeeringuid, siis väga harva on seal CAPE üle 100 või LI negatiivne jne. Seetõttu pidid tingimused konvektsiooniks eriti soodsad olema. Kuna aluspinna lähedal oli tugev inversioon, sest juba 400 m kõrgusel oli temperatuur 3°C kõrgem ehk üle 26°C. Niisiis sai konvektsioon tekkida piirkihi (inversiooni) kohal ja oli päikese mõjust sõltumatu. Hommikused konvektsioonpilved tekkisid 2 km-st kõrgemal, kuid järgmistel fotodel ei ole siin ainult kõrgrünkpilved, vaid teisel ja järgmistel piltidel rünkpilved, need on lihtsalt palju kõrgemal, kui tüüpiliselt (alus 1 km juures, mõnisada meetrit siia-sinna). See läheb hästi diagrammiga kokku.

Sellised pilved võivad tekkida näiteks mingite lainete tõttu atmosfääris, neid aga põhjustab topograafia, see võib seletada, miks castellanus on sageli ridadena. Nende puhul mainitakse ka teisi troposfääri häiringuid, näiteks äikese lähedus, millest laskuv õhuvool võib põhjustada castellanuste tekke.

Mõned pildid sellisest kõrgele lükatud konvektsioonist:

Siin on näha äike. Kuna see asub vaatlejast kaugel, siis tundub see olevat kuiv äike, aga tegelikult pilve all võib tekkida üleujutus.

 

Esiplaanil on näha kiirelt arenev rünkpilv, selle ümarad tipud näitavad tugeva üleslükkejõudu, pilvede aluse kõrguseks mõõdeti ligi 3 km.

Videvikukiired

Järgnevalt täiendavaid selgitusi termodünaamilistele diagrammidele ja indeksitele.

CAPE on atmosfääri potentsiaalse energia näitaja, täpsemalt see energia, mis vabaneks, kui õhuosake lükataks vertikaalselt mingile kindlale kõrgusele ehk tegu on arvutusliku suurusega. Positiivne CAPE näitab, et tõusvad õhuvoolud on võimalikud, kui CAPE puudub, siis ei saa konvektsioonivoolud areneda. Äikeste tekkimise korral on CAPE tavaliselt vähemalt 200-300 J/kg.

Siiski üksnes lihtsalt kättesaadava energia olemasolust troposfääris konvektsioonivooludeks ei piisa. Näiteks võib piirkihi kohal olla tugev inversioon, mille tõttu ei hakka pilved arenema (ei teki konvektsiooni) või hakkavad siis, kui inversioon laguneb (intensiivsete äikeste jm ohtlike nähete põhjus USAs). Koos CAPE tuuakse ka LI (lifted index). See on tõusva õhuosakese temperatuuri erinevus võrreldes ümbritseva keskkonnaga. Kuna atmosfääris toimuvaid liikumisi vaadeldakse enamasti toimuvat adiabaatilistena, st liikuv õhk ei vaheta ümbritsevaga soojust, siis saab rääkida ka sellistest temperatuurierinevustest. Pilvede tekkimisel osalev õhk liigub mõne tunniga või ööpäevaga, mis on piisavalt kiire, et selline protsesside adiabaatilisuse eeldus kehtiks. Kui LI on negatiivne, siis on tõusev õhk soojem kui ümbritsev keskkond ja see on taas viide konvektsioonile, kui positiivne, siis jahedam ja konvektsioonivoolud ei saa areneda. LI ja CAPE on omavahel seotud, sest positiivse energiaga (CAPEga) õhumassis on LI tavaliselt negatiivne ja vice versa.

CAPE üldisel kujul määratakse termodünaamiliselt diagrammilt olekukõvera ja temperatuurikõvera järgi, integreerides õhuosakese üleslükkejõudu kondensatsioonitasapinnast kuni konvektsioonitasapinnani. CAPE saab leida muidugi ainult siis, kui olekukõver lõikub kuskil temperatuurikõveraga. Lõikumisel tekib kõveratega piiratud ala, mille pindala sisuliselt CAPE ongi. Kui selline ala jääb temperatuurikõverast paremale, siis selle pindala on (positiivne) CAPE, kui vasakule, siis negatiivne CAPE ehk CIN – energiahulk, mis takistab õhu tõusmist aluspinnalt esimese inversioonini. Hommikusel ajal on sageli, eriti sooja õhu advektsiooni korral, olemas ka CIN, kuid päevase soojenemise käigus võib see kaduda. Kui on jahe ja hoovihmadega (hästi segatud) õhumass, siis CIN enamasti puudub, reaalsuses tähendab see rünkpilvede arengu algust juba hommikul.

Et juttu paremini mõista, selleks on vaja näidisdiagramme, ühe panin siia: http://tinyurl.com/cwt4uh5

See on Harku aeroloogiajaama kohta käiv termodünaamiline diagramm 1. juuli 2011. öö kohta. Seal on näha kolm joont: must jäme näitab niiskuse jaotust atmosfääris, täpsemalt kastepunkti vertikaalset käiku, punane temperatuuri vertikaalset käiku (nimetatakse stratifikatsioonikõveraks, aga ma nimetan siin seda temperatuurikõveraks) ja helesinine on olekukõver, mis iseloomustab tõusva õhu (õhuosakese) temperatuuri muutust vertikaalselt ehk püstsuunas. NB! Punane on õhutemperatuuri ehk keskkonna temperatuurikäik ja helesinine õhuosakese temperatuuri muutumine, mitte neid segi ajada!

Kui tahame hinnata õhumassi energiat ja arvutada CAPE, siis selleks peame vaatama, kuidas need kõverad jooksevad – kui olekukõver temperatuurikõverast paremalt, siis on energia positiivne ja saab arvutada CAPE, kui vasakult, siis negatiivne, CAPE pole ja tõusvad õhuvoolud ilmselt ei arene. Eraldi teema on piirkihiga (esimesed sajad meetrid kuni ligi 2 km, oleneb olukorrast), kui seal liigub olekukõver esmalt vasakult poolt temp.kõverat, aga siis lõikub viimasega, siis on see märk CIN ehk negatiivse CAPE ja seega ilmselt inversiooni olemasolust. Konkreetselt sellele diagrammil on näha, et õhuosakesed ilmselt piirkihist kerkima hakata ei saa, sest CIN on üpriski märkimisväärne, aga piirkihist (inversioonist) kõrgemalt saaks küll konvektsioon tekkida. Täpselt nii oligi – rünkpilved ja äike arenesid tol ööl 2 km-st kõrgemal, ma nimetan seda konvektsiooni kõrgrünkpilvede ehk castellanus-tüübiks.

CAPE on siiski üldmõiste ja tegelikult on olemas mitut erinevat CAPE tüüpi, sest selle arvutamisel saab arvesse võtta mitmeid asjaolusid ja oleneb ju see ka sellest, millise atmosfäärikihi kohta või korrektsemalt, millise õhuosakese kohta üldsegi arvutuse teeme. Alustada tuleb õhuosakesega, millel on sama temperatuur ja niiskusesisaldus, kui ümbritseval õhul. Kui CAPE arvutamisel lähtutakse õhuosakesest, millel on samad näitajad kui paari meetri kõrgusel aluspinnast, siis nimetatakse saadud suurust SBCAPE (surface based), kui aga õhuosakesest, millel on mingi õhukihi keskmine segusuhe ja potentsiaalne temperatuur, siis MLCAPE (mean layer), kusjuures täpsustatakse, millise kihi keskmised on arvestatud jne, neid tüüpe on tõepoolest päris palju.