Johdanto ilmakehän fysiikkaan, rakenteeseen ja syntyyn a.Fysiikka ja liike b.Rakenne ja synty Mittaus, lämpötila, kosteus Ilmakehä, suuret sääjärjestelmät,

Esitys aiheesta: "Johdanto ilmakehän fysiikkaan, rakenteeseen ja syntyyn a.Fysiikka ja liike b.Rakenne ja synty Mittaus, lämpötila, kosteus Ilmakehä, suuret sääjärjestelmät,"— Esityksen transkriptio:

1 Johdanto ilmakehän fysiikkaan, rakenteeseen ja syntyyn a.Fysiikka ja liike b.Rakenne ja synty Mittaus, lämpötila, kosteus Ilmakehä, suuret sääjärjestelmät, ilmastojako ja Suomen ilmaston pääpiirteet Ilmakehä Yleinen kiertoliike ja suuret sääjärjestelmät Globaali ilmasto ja Suomen ilmasto Paikallisilmasto Paikallisilmastoon vaikuttavat tekijät ja erityistyypit Kaupunki/maaseutuilmasto, ilmansaasteet Ilmaston huomioiminen suunnittelussa, melu, paikallisilmasto jatkuu… Ilmansaasteiden huomioiminen Melu ja sen torjunta Kasvillisuuden käyttö Sisäilman laatu Tentissä voi korvata yhden tehtävän, mikäli tekee viikon sääseuranta/ ilmanlaatutehtävän

2 ILMAKEHÄN RAKENNE: Troposfääri ulottuu noin 8-10 km:n korkeuteen ja sen ylärajalla sijaitsee tropopaussi. Troposfäärin lämpötila laskee ylöspäin mentäessä keskimäärin 6.5 °C / km. Myös ilmanpaine laskee ja hieman tropopaussin yläpuolella se onkin enää kymmenesosa merenpinnalla vallitsevasta paineesta. Lähes kaikki ilmakehään liittyvät sääilmiöt tapahtuvat troposfäärissä

3 Stratosfääri ulottuu noin 50 kilometrin korkeuteen ja sen yläpuolisena rajana toimii stratopaussi. Stratosfäärin lämpötila nousee korkeuden mukana, kunnes stratopaussissa lämpötila on sama kuin maanpinnalla. Tämän vuoksi kerros toimii kuin valtava inversio, jossa pystysuuntaiset virtaukset ovat vähäisiä. Stratopaussissa ilmanpaine on noin 1/1000 merenpinnan paineesta. Stratosfäärin otsonin vuoksi UV-C ja osa UV-B-säteilystä absorboituu stratosfääriin.

4 Mesosfääri on stratopaussin yläpuolella oleva kerros, joka ulottuu noin 80-90 kilometrin korkeuteen. Mesosfääri absorboi hyvin vähän Auringon säteilemää energiaa, ja lämpötila laskee ylemmäs mentäessä. Mesopaussissa lämpötila on laskenut jo sataan pakkasasteeseen. Meteorit eli tähdenlennot esiintyvät osin termosfäärissä ja mesosfäärissä.

5 Mesosfääri vaihettuu termosfääriin ja lopulta 500 kilometrin korkeudella eksosfääriksi,joka vaihettuu planeettainväliseen avaruuteen. Maan magneettikenttä ulottuu noin 25 000 km:n korkeudelle maanpinnasta ja se jakautuu kahteen kerrokseen. Näillä kerroksilla on tärkeä tehtävänsä aurinkotuulen ohjaamisessa maan ohi. Magnetosfäärissä liikkuvat protonit aiheuttavat voimakasta säteilyä, minkä vuoksi ihminen ja elektroniikka on suojattava avaruuslennoilla useiden senttimetrien lyijykerroksella. Termosfäärin alaosassa sijaitsee myös maapallon magneettikenttään liittyvä ionosfääri. Ionosfäärissä syntyvät revontulet, jotka aiheutuvat ilmakehään osuvista varatuista elektroneista ja protoneista. Myös radioaallot heijastuvat sieltä.

6 Lähde: wikipedia

7 Kappaleen säteily ja absorptio Kaikki kappaleet säteilevät sähkömagneettista säteily, jollei niiden lämpötila ole absoluuttinen 0 Ne myös imevät säteilyä Ihminen (1m 2 ) säteilee noin 520W, mutta imee noin 420W, joten nettohäviö on noin 100W Suurimmat säteilytasot (auringosta)kesällä Suomessa ovat n. 600Wm -2 Säteilyn aallonpituus pienenee, kun kappaleen lämpötila kasvaa –auringon lämpötila on 6000K joten se säteilee eniten näkyvän valon aallonpituudella (vihreä, keltainen jne) –Esim. sähkölevyn muuttuminen punaisesta sinisemmäksi

8 Näkyvä valo muodostaa pääosan sähkömagneettisesta säteilystä. Näkyvän valon aallonpituus on 400-700 nm (violetista punaiseen). Ihmissilmä on herkin keltaiselle valolle, jonka aallonpituus on noin 550 nm. Tämä lienee johtuu evoluutiosta (keltaista valoa tulee auringosta eniten). Säteilyn aallonpituudet

9 Näkyvää valoa lyhyemmän aallonpituuden omaavalla ultraviolettisäteilyllä aallonpituus on 10-400 nm (UV-A = 315-400 nm, UV-B = 280- 315 nm ja UV-C = alle 280 nm). –Onko ultraviolettisäteily ionisoivaa säteilyä? Aallonpituuden lyhentyessä alle 10 nm on kyseessä röntgensäteily ja alle 0,01nm kyseessä on gammasäteily. Näkyvää valoa suurempia aallonpituuksia ovat mm. infrapunasäteily ja sen osana lämpösäteily. Tätä suurempia ovat mikro- ja radioaallot

10 http://www.stuk.fi/sateilytietoa/mitaonsateily/fi_FI/mitaonsateily/

11

12 Aurinkovakio Auringon säteily aiheuttaa ilmakehän ylärajalla kohtisuoralla pinnalla säteilytehon (l. aurinkovakio) 1365 Wm -2 mikä levitettynä TASAISESTI (kuviteltu tilanne) maapallon koko pinnalle tekee noin 340 Wm -2. http://opko.laurea.fi/saa- asema/Current_Vantage_Pro_Plus. htm

13 SIRONTA Kun säteily (lähinnä näkyvä valo) saavuttaa ilmakehän se osuu molekyyleihin ja hiukkasiin ja tapahtuu sirontaa. Sironnassa fotoni tuhoutuu ja syntyy samanlainen eri suuntaan liikkuva fotoni. Säteilyn aallonpituus ei muutu, mutta suoraan kohteesta saapuva säteily heikkenee Rayleigh’n sironta: kun hiukkaset johon valo osuu ovat hyvin pieniä (aallonpituuden kymmenesosan luokkaa), kuten kaasumolekyylit. Sirontaa tapahtuu tällöin kaikkiin suuntiin, joskin hieman tehokkaammin eteen – ja taaksepäin. Taivas saa tällöin sinisen värin, sillä sininen aallonpituus siroaa parhaiten (lyhintä). Mien sironta: Hiukkasten koon kasvaessa aallonpituusriippuvuus heikkenee ja sirontakuvion muoto muuttuu. Suurempi osa sironnasta tapahtuu suoraan eteenpäin säteilyn kulkusuuntaan. Taivas näyttää tällöin harmaammalta (esim. aerosolit*, pilvipisarat). (Isoilla hiukkasilla (pöly) sironta tapahtuu eteenpäin (pöly näkyy vastavaloon)

14 Mitä paksumpi ilmakehä välissä, sen suurempi sironta (ilmaperspektiivi) Laskeva Aurinko näkyy punaisena, koska pitkäaaltoista punaista valoa siroaa pois näkösäteeltä paljon vähemmän kuin sinistä valoa (Ilmakehä paksumpi). http://www.ursa.fi/ursa/julkaisut/ilmajasaa/ilmajuttu.html

15 lyhytaaltoinen pitkäaaltoinen 31 69 vesihöyry (maan albedo) (ilma kosketuksissa maanpinnan kanssa suoraan)

16

17 Ilmankehän ekstinktio Ekstinktiolla tarkoitetaan ilmakehän absorption (imeynnän) ja sironnan aiheuttamaa säteilyn heikkenemistä. Gamma- ja röntgensäteily absorboituvat ilmakehän yläosan atomeihin ja happi- ja typpimolekyyleihin, mikä on elämän säilymisen kannalta välttämätöntä.  synnyttää otsonia O 3 –Otsonikerros taas estää ultraviolettisäteilyn pääsyä maanpinnalle. Alkuilmakehän hapen ja otsonin puute esti elämän levittäytymisen maalle juuri ultraviolettisäteilyn takia (katso ilmakehän synty ja kehitys).

18 OTSONIKATO -kloori (tulivuoret, freonit/ CFC-yhdisteet), typen oksidit (lentokoneet) ja bromi (sammutinaineiden halonit ja torjunta-aineet). -napa-alueilla (stabiili napapyörre, riittävän kylmää) UV-indeksi UV-indeksiSäteilyn voimakkuusTurvallinen auringossaoloaika 0-2olematon1 päivä 2-4Heikko1-2 tuntia 4-6Kohtalainen30-60 min 6-10Voimakas15-30 min yli 10Erittäin voimakas5-15 min Haitallista etenkin UV-B:n pienemmän aallonpituusalueen säteily, jota otsonikato lisää. UV ja sironta!!!

19 DU = dobson unit 1 DU = 2,69x10 16 neliösenttimetriä kohti (pylväässä)

20

21 Näkyvä valo (400-700 nm) läpäisee ilmakehän hyvin. Tätä 300-800 nm:n aallonpituusaluetta sanotaankin optiseksi ikkunaksi Infrapunasäteilyä absorboituu lähinnä ilmakehän vesihöyryyn, osa läpäisee ilmakehän Aallonpituuksilla 0.02-1 mm ilmakehä on täysin läpinäkymätön. Radioaaltojen aallonpituusalueella ilmakehä muuttuu jälleen läpinäkyväksi (radioikkuna ).

22 ILMAKEHÄN SYNTY -Alkuilmakehä: CO 2, typpi ja vesihöyry. -meriin kehittyi vesimolekyylejä hajottavia bakteereita -happi ensin kallioperään -2 miljardia v.s. happipitoisuus oli vain 2% nykyisestä -440 milj.v.s elämä maalle otsonin syntymisen takia Lehtinen ym 1999)

23 Siitä miten kasvihuoneilmiö tulee vaikuttamaan ilmastoon ei olla yksimielisiä. Yhden teorian mukaan maapallon keskimääräinen lämpötila ja merenpinta tullee nousemaan (15 - 95cm) vuoteen 2100 mennessä. Merivedenpinta nousee sulavien jäätiköiden seurauksena. Pohjoisen pallonpuoliskon pohjoisilla alueilla lämpötilan nousu lienee suurinta. Toisaalta jos lämpeneminen vaikuttaa esim. Golfvirtaan, voi ilmasto Suomessakin kylmetä. Muitakin skenaarioita on, kuten että lisääntyvä sadanta lisää lumen kasautumista jäätiköille, jonka johdosta jäätiköt kasvavat. Menneitä ilmastomuutoksia tutkitaan mm. sedimenttien siitepölyjen, piilevien ja vesikirppujen, surviaissääskien, kultalevien lepomuotojen (kystat) muutoksien sekä puulustojen ja jäätikköjen happi-isotooppimuutosten avulla. Sedimenttitutkimukset tehdään yleensä pohjoisilla alueilla, sillä ne ovat herkkiä muutoksille ja niissä on havaittavissa vähemmän muiden tekijöiden (ihmistoiminta) vaikutuksia.

24 Säteilymittaukset Aurinkosäteilymittauksia tehdään satelliittihavainnoin sekä myös maan pinnalla. Vuonna 1957 aloitettiin Helsingissä, Jyväskylässä ja Sodankylässä ensimmäiset mittaukset. Mittaus tapahtuu solarimetrillä. Mitattavia säteilykomponentit ovat –globaalisäteily (K), joka käsittää kaiken ylhäältäpäin tulevan säteilyn, –suora auringonsäteily (I), joka käsittää ainoastaan suoraan auringosta tulevan säteilyn ilman sironnutta ja ilmasta heijastuvaa säteilyä sekä –hajasäteily (D), joka on ilmakehästä vaakasuoralle pinnalle tuleva osa. –K = I+D. Pilvisellä säällä kaikki säteily on hajasäteilyä (K=D). –Hajasäteily (D) mitataan varjostamalla suora auringonsäteily pois (mittausvirhe noin 10 % luokkaa, koska varjostinrengas estää osaa hajasäteilyä pääsemästä mittauspinnalle).

25 –Heijastunut säteily (R) mitataan kääntämällä solarimetri ylösalaisin, jolloin saadaan mitatuksi maanpinnasta heijastuneen lyhytaaltoisen säteilyn osuus. Mittaus tehdään 2 metrin korkeudelta maanpinnasta, joka on kesäaikana hoidettua nurmikkoa. –R on yleensä kesäaikana pieni, mutta talvella jopa 70- 80 % globaalisäteilystä (lumi). –Myös auringonpaisteaikaa mitataan Suomessa nk. Campbell-Stokes- aurinkografilla. Havaintoja on tehty vuodesta 1896. Kuva wikipedia

26 Pintasäähavaintoverkko (lähde ilmatieteen laitos)

27 Säteilyn määrä kaltevuudeltaan erilaisilla pinnoilla ja ilmansuunnissa -EKSPOSITIO, rinteen suunta ja kaltevuus

28 Lumi 0,4-0,85 (vanhasta tuoreeseen, huomioitava lumen rakenne ja ikä) Vesi <0,1 (säteen tulokulma vaikuttaa) Jää 0,20-0,45 Trooppiset metsät 0,13 Aavikot 0,20-0,45 Ruoho 0,16-0,26 (lyhyestä pitkään ruohoon) Sekametsät 0,15-0,20 Havumetsät 0,05-0,15 Albedo, heijastuskyky 0 = musta 1= täydellinen peilipinta

29 ILMANPAINE JA TUULI Auringon säteilyn epätasaisuus maapallon eri osissa aiheuttaa erilaista lämpenemistä ja tästä johtuvia ilmanpaine-eroja. Ilmanpaine- eroja tasoittavat tuulet. Ilmanpaine on molekyylien liikkeestä johtuvasta pommituksesta aiheutuvaa voimavaikutusta pintayksikköä kohden. Paineen perusyksikkö on yhden newtonin voima neliömetriä kohden ja sen yksikkö on pascal (Pa). 1 Pa = 1 N/m 2 1 atm = 760 mm Hg = 1013.25 hPa = 1013.25 mbar

30 Ilmanpainetta mitataan esim. tyhjiö U-putkella, joka on toisesta päästään suljettu. Nestepintojen välimatka on verrannollinen ilmanpaineeseen. –Ilmanpainemittareista esimerkkinä on elohopea- mittari, jossa yhden millimetrin paksuinen elohopeakerros aiheuttaa yhden mm:n paineen (yhden torrin) pohjapintaa vastaan. Normaali ilmakehä (atm) aiheuttaa noin 760 mm:n paineen. Jos mittarissa käytettäisiin vettä, vesipatsas nousisi 10 m korkeuteen. Lisäksi ilmanpainetta voidaan mitata rasia- eli aneroidi- ilmapuntareilla Jos haluaa verrata oman mittarin arvoja (ambient pressure) ilmanpainekarttojen arvoihin on esim. mittauspaikan sijaitessa merenpinnan tason yläpuolella ilmapuntarin antamaan painearvoon lisättävä keskimäärin 1.2 hPa suuruinen korjaus jokaista 10 metriä kohden. Ilmanpainearvoihin tehdään myös lämpötilakorjauksia

31

32 Tendenssi Ilmanpaineen muutosnopeuden mittana on ilmanpaineen tendenssi eli ilmanpaineen muutos kolmessa tunnissa. Ilmanpaineen noustessa se on positiivinen ja laskiessa negatiivinen. Tavallisimmat muutosnopeudet ovat luokkaa 0-2 mb/3h. Voimakkaiden myrskyjen yhteydessä tendenssi voi olla huomattavasti suurempi.

33 ILMANPAINE jaetaan kahteen painetyyppiin: Virtauksesta aiheutuvaa painetta, joka on verrannollinen virtausnopeuden (v) neliöön kutsutaan patopaineeksi ja se on on sukua liike-energialle (lauseke saadaan vaihtamalla massan sijalle tiheys (p)) P d = ½ pv 2 Staattinen paine (P s ) on se paine, joka ympäröi meitä (ilmakehän paino). Kokonaispaine on staattisen ja dynaamisen paineen summa. P s +P d = vakio. Jos virtausnopeus on pieni, niin patopaine on pieni ja suurin osa paineesta aiheutuu staattisesta paineesta.

34 Tuuli ja ilmanpaine Ilmanpaine-eroista johtuvat tuulet Mitä suurempi ero, sen voimakkaampi tuuli Tuuli puhaltaa korkeasta matalaan paineeseen päin Isobaarit

35 Tuuliruusu

36 TUULTEN LUOKITTELU: Heikko (1-3 m/s), kohtalainen 4-7 m/s), navakka (8-13m/s), kova(14-20m/s), myrsky (21-31 m/s) ja hirmumyrsky (32 tai yli). (Keskituuli) Anemometri

37

38

39 LÄMPÖ Lämpö on molekyylien liikettä ja lämpöenergia molekyylien liike-energiaa. –Kaasuissa ja nesteissä lämpö on molekyylien etenemistä, pyörimistä yms. –Kiinteässä aineessa lämpöliike on atomien värähtelyä tasapainoasemiensa ympärillä. Metallit poikkeavat muista kiinteistä aineista siksi että osa elektroneista pääsee liikkumaan lähes vapaasti. Tämän vuoksi niillä onkin hyvä lämmönjohtokyky. Periaatteessa lämpö siirtyy lämpimästä kylmempään (termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö). Toisaalta tässä on huomioitava, että lämpö siirtyy monella tapaa, kuten johtumalla, säteilyllä, kuljetuksella ja advektion avulla.

40 Johtuminen tapahtuu väliaineessa. Johtuminen on ainoa keino siirtää lämpöä kiinteässä aineessa. Esimerkkinä johtuminen metallitankoa pitkin. Säteily (myös tyhjiössä). Esim. auringon säteilyn siirtämä lämpö. Kuljetus eli konvektio. Konvektiota tapahtuu nesteissä ja kaasuissa virtausten mukana. Konvektio tarkoittaa nimenomaan lämpötilaeroista johtuvaa lämmön kuljetusta. Tällaista virtausta ilmenee lähinnä pystysuuntaisissa virtauksissa (esim. kynttilän liekin yläpuolinen ilma, joka nousee ylös, tai konvektiiviset säätilanteet). Tuulen tai muun virtauksen mukana tapahtuvaa lämmönsiirtoa kutsutaan puolestaan advektioksi. Advektio siirtää lämpöä lähinnä vaakasuunnassa. Advektioksi kutsutaan myös muuta kuin lämmönsiirtoa (esim. kosteuden kuljetus ilmavirran mukana). Toisaalta kylmä ilma raskaampana painuu alaspäin

41 Lämpötila-asteikkoja on monia: Kelvinit (K): Absoluuttinen lämpötila ilmoitetaan kelvineinä (on periaattessa virallinen SI-yksikkö). Esim. absoluuttinen nollapiste 0 K. Veden sulamispiste on 273,15 K. Celsius-asteet voi muuttaa kelvineiksi lisäämällä 273.15 celsiusasteina ilmoitettuun lämpötilaan. Fahrenheit-asteikko: Veden sulamispiste on 32  F ja kiehumispiste 212  F. Fahrenheit -asteina annetut lämpötilat voidaan muuntaa Celsius -asteiksi: t c = 5/9 (t f -32) ja päinvastoin t f = 9/5 t c + 32

42 Termodynamiikkaa Termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön mukaan energia säilyy.  U= Q + W, jossa  U on kaasun sisäenergian (U) muutos Q on kaasuun tuotu lämpö W on kokoon puristettaessa tehty työ.

43 Ilman lämpötilalla on suuri vaikutus sen liikkeisiin, lähinnä siksi että kaasun tilanyhtälö on vakio. Tästä syystä, jos esim. lämpötila muuttuu, täytyy jonkun muun tekijän (tilavuus, tiheys tai paine) muuttua: PV/T = vakio (paine * tilavuus / lämpötila = vakio) P/ pT = vakio (paine / tiheys*lämpötila = vakio)

44 Adiabaattiset prosessit Kun aurinko lämmittää maanpintaa ja sen yläpuolella olevaa ilmaa, ilma laajenee, tiheys pienenee ja ilmamassa kohoaa kevyempänä ylöspäin. Ilmamassan käyttäytyminen tapahtuu nk. adiabaattisena muutoksena, jossa kaasun lämpöenergia ei muutu. Adiabaattisuus johtuu lähinnä siitä, ettei ilmamassa noustessaan ehdi reagoida ympäristönsä kanssa (vrt. termospullo tai dieselmoottori).

45 Adiabaattisia prosesseja on kahdenlaisia: Kuiva-adiabaattinen jäähtyminen (ja lämpeneminen) Kohotessaan lämmennyt ilma joutuu ympäristöön, jossa paine on pienempi. Tällöin ilmamassa laajenee, johon vaaditaan työtä, joka kuluttaa energiaa. Näin ilma kylmenee (noin 10 ºC/km). Toisaalta tilanteessa, jossa lämpimämpi ilma painuu alaspäin, se joutuu ympäristöön, jossa paine on suurempi ja ympäröivä ilma puristaa sitä kokoon. Ympäröivä ilma tekee siis työn, jota vastaava energiamäärä varastoituu kokoonpuristuvaan ilmaan. Tästä seuraa ilman lämpeneminen.

46 Kyllästysadiabaattinen eli kostea-adiabaattinen jäähtyminen Jos kohoavassa ilmassa oleva vesihöyry on kylläistä, adiabaattinen jäähtyminen aiheuttaa vesihöyryn tiivistymisen, jolloin vapautuva tiivistymislämpö (latenttia lämpöä*) lämmittää ilmaa ja lämpötilan lasku on vähäisempi (keskimäärin 5º C/km). Tällöin ilmamassa pysyy kauemmin ympäristöään lämpimämpänä ja voi kohota tavanomaista korkeammalle, jolloin saattaa syntyä mm. ukkonen.

47

48 VESI ja sen vaikutus ilmastoon HYDROLOGINEN KIERTO

49 -- + VEDEN OLOMUODON MUUTOKSET - -kuura syntyy härmistymällä suoraan vesihöyrystä kiinteään muotoon, -Huurre syntyy vesipisaroista

50

51 Ilman kosteus Ilmassa olevan vesihöyryn määrään ei lasketa mukaan sumuja ja pilviä. Ilman kosteus voidaan ilmoittaa kahdella tavalla: 1)Absoluuttinen kosteus g/m 3 –Kertoo kuinka paljon vettä on ilmassa 2)Suhteellinen kosteus % -kertoo kuinka monta prosenttia kosteus on kyllästyskosteudesta (siitä mitä se voisi ko. lämpöisessä ilmassa olla) Kyllästyskosteus –Määrittelee kuinka paljon kosteutta voi olla tietynlämpöisessä ilmassa kaste!

52 Kyllästyskosteus eri lämpötiloissa LÄMMIN ILMA VOI SISÄLTÄÄ ENEMMÄN KOSTEUTTA KUIN KYLMÄ

53

54 Kosteussuosituksia: -Sopiva suhteellinen kosteus huoneilmassa olisi 30-40 %, kesäisin voi olla suurempi (30-60 %) -Liian suuri suhteellinen kosteus (yli 40%) sisäilmassa saattaa taas aiheuttaa kosteusvaurioita ja homeongelmia. -Liian kuiva ilma saattaa ärsyttää limakalvoja -Ilman absoluuttinen ksteus on Suomessa suurimmillaan heinäkuussa (haihtuminen suurinta) ja pienimmillään helmikuussa. Vastaavasti suhteellinen kosteus on suurimmillaan alkutalvella (90%) ja pienimmillään alkukesästä (65-70%). -Suurin keskimääräinen vuotuinen suhteellisen kosteuden arvo lienee 95 % Indonesiassa (Bataviassa) ja pienin Khartumissa, Sudanissa (20%). MITTAUS!!!!!

55 Suhteellinen kosteus

56