Kuidas siis ikkagi on selle lume sulamisega?

Kuna kõik ei pruugi järgnevast nö õigesti aru saada, pean kirjutama hoiatuse. Kui tehakse mingi uurimus, siis on see teatud valimi alusel, mis piirab üldistusjõudu. Seega ei saa öelda, et igal pool või igal juhul on täpselt nii. Konkreetselt kirjutasin selle Harjumaa, Tartumaa ja Jõgevamaa põhjal (täna kavas minna Otepääle). Kui teie asukohas on tegu vana lumega, mille albeedo on näiteks 0,7, siis võib arvata, et päikese käes muutub see sulaks. Seegi on ju alljärgnevat kirjas. Seega, kel huvi ja võimalust, uurigu, kuidas on tema asukohas.
Siin kirjas olevad asjad on üldtuntud. Midagi uut siin pole neile, kes on teemaga vähegi rohkem kursis. Kõik inimesed kindlasti ei tea alljärgnevat, mistõttu arvan, et tasus küll alljärgnev kirjutada.
Inimesed nõuavad sageli ka õigust ignorantsusele. Eks lugejad ise otsustavad, kas nad tahavad jääda siis teadmatusse ja säilitada omad uskumused, ükskõik, on need siis valed või mitte.

Defineerime alguses mõisted.
a) Albeedo e. peegeldustegur on pinnalt peegeldunud voo suhe sellele pinnale langevasse voogu. See on pinda iseloomustav suurus. Antakse kas kümnendmurdudes (0-1) või protsentides. Looduslikke pindade albeedod jäävad tavaliselt 0,1-0,3 vahele. Erandlikud on vesi, mille puhul see oleneb kiirte langemisnurgast, ja lumi, millel võib albeedo ka üle 0,9 olla.
b) Lühilaineline kiirgus - meile nähtav valgus, lainepikkus 0,38 µm<λ<0,76 µm, sellest väiksema lainepikkusega on ultraviolettkiirgus, aga suuremaga infrapuna-, ka soojuskiirgus (0,76 µm<λ<3000 µm).
c) Absoluutselt must keha - selline keha, mis neelab kogu talle langeva kiirguse. Lumi käitub absoluutselt mustale kahel sarnaselt infrapunakiirguse piirkonnas, vt allpool olevat graafikut.

Hilistalvel ja kevadel arvavad inimesed, et päike sulatab olulise osa lumest. Veel arvatakse, et lume sulamisele aitab olulisel määral kaasa vihm. Alates märtsi viimasest nädalast võtsin päikese sulatava mõju lumele põhjalikumalt vaatluse alla ning tegin põhjalikemaid retki nii linnas kui maal. Lisaks on homme (kolmapäev) plaan minna Haanjasse, et uurida, kuidas seal on täpselt olukord. Kirjutan seniste vaatluste tulemustest ja järeldustest.
Lühike kommentaar vihma kohta. Vihm pole oluline lume sulataja, sest kui sulaga sajab vihma, siis on selle temperatuur peaaegu null kraadi, samuti ei ole sadu kuigi intensiivne, mistõttu üleantav soojushulk on väga väike. Kui vihma temperatuur on juba paar kraadi üle nulli ja seda sajab rohkesti, siis on teine lugu. Tegelikult on ikka soe õhk see, mis paneb lume sulama. Kui sooja õhumassi korral sajab ka vihma, st kaks asjaolu langevad kokku, siis arvatakse, et vihm põhjustab sulamise. Tegelikult jällegi on pearoll soojal õhul, kuna vihma üleantav soojushulk on tavaliselt väga väike. Nüüd aga lume ja päikese juurde.

Esiteks, millised on lume kiirguslikult omadused? Lumi on lühilainelise kiirguse väga hea peegeldaja. Puhta värske lume albeedo võib isegi üle 0,9 olla. Seega suurem osa päikesekiirgusest peegeldub lumelt lihtsalt tagasi. Lume temperatuur ei tõuse päikese käes nullini, kui õhutemperatuur on nullist madalam. Tarvitseb aga lumi olla märg või saastunud, porine või väga vana, juba firniks muutunud, siis on selle albeedo oluliselt madalam ning neeldub rohkem kiirgust. Märtsipäike suudab sel juhul sellist lund sulama panna. Samuti sulab lumi siis, kui see on kontaktis mingi tumedama pinnaga, mis soojeneb päikese mõjul ja siis hakkab see tume pind lund sulatama. Seega, kui lumikate on piisavalt õhuke ja hõre, siis võib päike soojendada lume all olevat pinda niipalju, et lumikate hakkab altpoolt sulama.


Ülemine graafik näitab mõningate pindade spektraalseid signatuure (van Leeuwen, 2009), alumine aga puhta ja saastunud lume spektraalseid signatuure (Painter et al., 2007). 

Ülemine graafik näitab seda, et lühilainelise kiirguse peegeldab värske puhas lumi suures osas tagasi. See kehtib ka aluspinnani jõudva UVkiirguse kohta, seega ei mõju ka UV sulatavalt. Samas pikalainelises, eriti soojuskiirguses, käitub lumi peaaegu absoluutselt musta kehana - neelab praktiliselt kogu pealelangeva soojuskiirguse. See aitab vastata küsimusele, miks talvel pilves ilmaga juba null kraadi juures läheb lumi sulaks. Asi on selles, et madalad pilved kiirgavad soojuskiirgust, kusjuures pikalainelise kiirguse voog võib madalate pilvede korral olla isegi suunatud aluspinna poole. Selle aga neelab lumi väga hästi. Null kraadi juures, kuid selge ilmaga on soojuskiirguse voog pilvede puudumise tõttu atmosfäärist aluspinnale palju väiksem ja nii ei pruugigi lumi sulaks minna. See asjaolu oli Tallinnas eriti ilmekas 7. veebruaril: päeval oli null kraadi, aga selge - lumi ei olnud sula, kl 15ks aga kattus taevas madalate pilvedega ja ehkki temperatuur ei tõusnud, läks lumi kohe sulaks. Muidugi, kui ikkagi õhutemperatuur on üle null kraadi, on lumi sula, ükskõik, kas on selge või pilves.

7. veebruar Tallinnas. Kuni pärastlõunani oli selge, aga null kraadi. Lumi polnud sula. Kell 15ks läks lauspilve ja lumi läks sulaks, ehkki temperatuur ei muutunud.

Kui on plusskraadid (soe õhumass), aga taevas kaetud madalate pilvedega, siis on jällegi aluspinnale suunatud soojuskiirguse voog palju tugevam kui samades tingimustes, kuid selge ilmaga. Seetõttu talvel pilves ilmaga sulabki lumi intensiivsemalt kui samades tingimustes, aga selge ilmaga. Peame ka meeles, et soe õhk ise kiirgab ju ka soojuskiirgust. Kui meil on kaks selget ilma, ühe juhul on külm õhumass, teisel juhul soe õhumass, siis sulab lumi soojas õhumassis intensiivsemalt, sest jällegi on soojuskiirgusvoog suurem (praegu ei arvestanud kontakti sooja õhuga).

Niisiis, kuna praegu on õhumass väga külm ja madalaid pilvi pole, siis järelikult pole ka aluspinnale suunatud soojuskiirgusvoog kuigi suur. Samal ajal peegeldab lumi suurema osa lühilainelisest kiirgusest tagasi, nii et ka see ei põhjusta lume sulamist. Seda kinnitavad ka minu käigud maapiirkondadesse.

27. märtsi päikeseline ilm Pikkjärve ääres (Vooremaal).  Ehkki pärastlõunaks oli Jõgevamaalgi vaatlusjaamades temperatuur justkui üle null kraadi, ei hakanud lumi sulama.

Teisiti on olukord siis, kui lumi on väga vana (firn) või saastunud. Alumiselt graafikult näeme, et saastunud lume albeedo on oluliselt madalam. Seega neeldub tunduvalt enam kiirgust ja lumi võib üksnes neeldunud kiirguse mõjul sulada, isegi kui õhutemperatuur on nullist madalam. Seda näemegi maanteede ümbruses ja asulates, kus lumi on saastunum, eriti kui pole pikka aega lund sadanud. Suuremates asulates lisandub kindlasti veel soojasaare efekt - inimese elutegevuse tõttu eritub keskkonda soojust, samuti neelavad asulad päikeselise ilmaga palju rohkem kiirgust, mistõttu temperatuur on asulates kõrgem ja see mõjub samuti lund sulatavalt. 

1. aprillil sadas mitmel pool värske lumi maha. Otsustasin linnakeskkonnas uurida, kas saastest veel vaba puhas lumi tõepoolest ei hakka sulama päikese mõjul. 2. aprillil oli päikeseline ilm ja see sobis uurimiseks. Tulemused on järgmised.

Tartu kl 14 paiku

Ehkki päikese kõrgus pildistamise ajal oli umbes 32 kraadi horisondist (kulminatsioonikõrgus umbes kl 12.15 36,8 kraadi), mis on võrreldav 9. septembriga, ei sulanud puhas lumi pärastlõunasele päikesele vaatamata. 

Värske lume albeedo on üle 0,9, mistõttu väga vähe kiirgust neeldub ja seetõttu päike ei sulata. 

Et lumi polnud sula, sellest saab aru peamiselt kahel moel: lumi on kohev, ei hakka kokku ja lumi sätendab. Täpselt nii oligi pildi tegemise hetkel. Küllaga sulab päikese mõjul vana, firniks muutunud lumi, saastunud ja porine lumi ning lumi, mis on kontaktis mingi tumedama pinnaga, näiteks puutüvede vahetus läheduses, asfaltil jne. 

Vaatamata  tuulevaiksele kohale ja tugevale päikesekiirgusele ei hakanud lumi sulama.

Kui vaatame vaatlusandmeid, siis näeme, et temperatuur oleks justkui üle nulli ja lumi peaks sulama, eriti veel suuremates asulates, kus on madalam albeedo ja tõenäoline soojasaare efekt: http://www.emhi.ee/?ide=21. 

Milles siis asi? Ilmselt on võimalikud järgmised asjaolud: a) õhutemperatuur oli alla nulli, aga tugeva kiirgusliku mõju tõttu näitab termomeeter, isegi kui see on varjestatud, päeval ikkagi üle nulli;

b) õhutemperatuur oli üle nulli, aga mitte vahetult lumikatte kohal;

c) lume sulamistemperatuur oli vale ja/või muutunud. 

Et ainult lumikatte kohal oli õhuke külma õhu kiht, seda ei usu, sest oli tuult ja see segas õhku piisavalt, pigem võiks päikeselise ja vaikse ilmaga ikka pinna kohal sooja õhu kiht tekkida. Samuti ei usu, et looduses on mingid seaduspärasused muutunud, nii et ütleks, et kiirguslik mõju instrumentidele on piisavalt tugev. 

Puhas värske lumi on hea indikaator, näidates seda, kas temperatuur on hilistalvel (klimaatiline kevad pole ju veel alanud) üle nulli või mitte.

Lumised väljad 2. aprillil

Siin on hästi näha albeedo mõju lume sulamisele: 1. aprillil sadanud värske lumi on säravvalge ega pole sulaks muutunud, vana firn on aga palju tumedam ja oli õhtulgi veel sula.

Siin on näha tumeda objekti mõju lume sulamisele: need oksad on enda alt ja ümbert lume sulatanud.