Keskileveysasteiden matalapaineet voivat voimistua tietyissä olosuhteissa myrskyiksi asti. Miten tämä oikein tapahtuu ja mistä sääilmiö saa voimansa?

Päivittäinen säämme Suomessa on hyvin vaihtelevaa. Yhtenä päivänä sataa ja toisena paistaa. Suurin osa sään päivittäisestä vaihtelusta johtuu liikkuvista matalapaineen alueista, joita meteorologiassa kutsutaan keskileveysasteiden matalapaineiksi. Nämä matalapaineet tuovat yleensä sateita ja tuulia, mutta toisinaan ne voivat voimistua myrskyiksi asti aiheuttaen vahinkoa yhteiskunnalle myrskytuulien, tulvien tai esimerkiksi lumisateiden vuoksi. Keskileveysasteiden matalapaineet syntyvät pääosin pohjois-eteläsuuntaisten lämpötilaerojen vaikutuksesta. Lämpötilaerot pohjoisten leveysasteiden ja eteläisten leveysasteiden välillä ovat suurimmillaan talvikaudella. Tällöin myös matalapaineita esiintyy eniten, ja ne ovat voimakkaimmillaan. 

Voimakkaat keskileveysasteiden matalapaineet ovat yksi eniten vaaraa aiheuttavista sääilmiöistä Suomessa. Niiden ennustaminen ja niihin varautuminen on siten tärkeää monelle yhteiskunnan osa-alueelle, kuten sähkö- ja vakuutusyhtiöille, metsänomistajille tai energiasektorille. Sen lisäksi että keskileveysasteiden matalapaineet ovat merkittäviä yhteiskunnan kannalta, niillä on suuri rooli myös koko maapallon ilmastojärjestelmän ja energiatalouden kannalta. Matalapaineet esimerkiksi kuljettavat lämpöä matalilta leveysasteilta kohti pohjoista, ja tasaavat näin ollen voimakasta lämpötilaeroa napa-alueiden ja tropiikin välillä. On laskettu, että matalapaineet ovat jopa tehokkaampia lämmön kuljettajia kuin valtamerien suuret merivirrat. Ilman näitä liikkuvia matalapaineita napa-alueilla olisi niin kylmää, ettei siellä voisi elää, ja toisaalta tropiikki olisi nykyistäkin kuumempi.

Kuva: Adobe Stock

Ilmakehän prosessit säätelevät ilmiön voimakkuutta

Mikä vaikuttaa keskileveysasteiden matalapaineiden voimakkuuteen? Nämä tekijät, eli ilmakehän prosessit, voidaan fysikaalisesti jakaa karkeasti kahteen eri luokkaan: kuiviin, ilmakehän ns. adiabaattiseen dynamiikkaan liittyviin prosesseihin, ja kosteisiin, ilmakehän ns. diabaattiseen dynamiikkaan liittyviin prosesseihin. Näistä ensimmäinen, adiabaattinen dynamiikka kuvaa myrskyn ja siihen liittyvän yläilmakehän aaltohäiriön virtauskenttää ja sen voimakkuutta. Myrsky voimistuu nopeasti, jos yläilmakehässä myrskyn yläpuolelle virtaa lisää pyörteisyyttä, tai jos alailmakehässä lämpötilaerot ovat voimakkaita. Näitä virtauksiin ja lämpötilaeroihin liittyviä mekanismeja kutsutaan meteorologiassa adiabaattisiksi prosesseiksi. Nimi adiabaattinen tarkoittaa sitä, että ilmapaketteihin ei siirry lisää lämpöä muuten kuin mekaanisen työn eli tässä tapauksessa ilmakehän nousuliikkeen kautta. 

Toinen myrskyjen kehitykseen vaikuttava tekijä ovat diabaattiset prosessit. Diabaattisia lämmitysmuotoja ilmakehässä ovat esimerkiksi auringonsäteily, lämmön vuo merestä tai pilvissä tapahtuva piilevän lämmön vapautuminen. Näistä viimeisin, eli piilevän lämmön vapautuminen on myrskyjen kannalta tärkein. Myrskyissä esiintyy nousevaa ilmaliikettä, jolloin ilman sisältämä vesihöyry tiivistyy pilvipisaroiksi. Myöhemmin vielä pilvipisarat jäätyvät jääkiteiksi ja ne satavat alas. Jos maan pinnalla on tarpeeksi lämmintä, sade tulee vetenä. Sekä tiivistymisessä että jäätymisessä vapautuu suuret määrät sidottua eli latenttia lämpöä, mikä voimistaa myrskyä. Diabaattiset eli ilmakehän kosteaan dynamiikkaan liittyvät prosessit ovatkin tärkeässä roolissa meren yllä ja kesäkaudella syntyvissä myrskyissä, jolloin kosteutta on paljon saatavilla. Trooppiset hirmumyrskyt saavat energiansa pelkästään diabaattisista prosesseista, eli piilevän lämmön vapautumisesta.

Koska ilmakehässä kaikki prosessit tapahtuvat samanaikaisesti, on vaikea arvioida, miten suuri osuus jonkun yksittäisen myrskyn kehityksessä on adiabaattisen dynamiikan aikaansaamaa ja toisaalta, mikä osuus on diabaattisella dynamiikalla. Tähän tarpeeseen väitöskirjassani kehitettiin diagnostinen menetelmä, jolla myrskyjen adiabaattiseen ja diabaattiseen dynamiikkaan liittyviä prosesseja voidaan erotella toisistaan. Näin voitiin saada määrällisiä arvioita siitä, miten paljon eri ilmakehän prosessit vaikuttavat myrskyn kehitykseen. Tätä menetelmää sovellettiin sekä nykyilmastossa että nykyistä lämpimämmässä ilmastossa esiintyviin myrskyihin.

Ilmastonmuutos vaikuttaa keskileveysasteiden matalapaineisiin

Väitöstutkimuksessani selvisi, että lämpimämmässä ilmastossa myrskyt ovat entistä enemmän diabaattisten prosessien voimistamia. Tämä onkin johdonmukainen tulos, sillä lämpimään ilmaan mahtuu enemmän kosteutta ja siksi piilevänlämmön vapautuminen myrskyjen sadepilvissä on voimakkaampaa. Mallikoe, jolla tulos saatiin, oli tosin melko yksinkertaistettu eikä vastannut täysin todellista maailmaa. Siksi aihe vaatii vielä lisää tutkimusta. 

Ilmastonmuutos vaikuttaa keskileveysasteiden matalapaineisiin monin tavoin. Käynnissä oleva napa-alueiden voimakas lämpeneminen pienentää pohjois-eteläsuuntaista lämpötilaeroa. Tämä ilmiö vaikuttaa heikentävästi myrskyjen adiabaattiseen dynamiikkaan, koska myrskyille käytettävissä olevat lämpötilaerot pienentyvät. Toisaalta lämpimämpään ilmakehään mahtuu enemmän kosteutta. Tällä on puolestaan matalapaineita voimistava vaikutus, mikä tulee esille diabaattisten prosessien voimistumisena. Koska molemmat prosessit tapahtuvat samaan aikaan ilmakehässä, ei ole ihme että ilmastomallien ennusteet matalapaineiden reittien muutoksista ovat vielä melko epävarmoja.

Teksti: Mika Rantanen
Kuva: Adobe Stock

Lähdeviite
DOI: 10.35614/ISSN-2341-6408-IK-2020-11-02