II osa jääle ja lumele pühendatud selgitustesarjast. Teises osas võtame vaatluse alla lume kui sademeteliigi ja uurime, kuidas see tekib.
Foto 2. Lumised puud 22.12.2009 Tallinna lähedal.
Autori foto
Lumi on tahkete sademete liik, mis kujutab endast jääkristalle ja nende kogumeid – lumehelbeid. Lumi tekib pilvedes, kus on piisavalt kondenseerunud veeauru ning temperatuur on alla vee külmumispunkti.
Üks väga olulisi tingimusi korralikuks lumesajuks on soodne veepiisakeste ja jääkristallide suhe pilvedes. See on vahemikus 1:1000 - 1:1000000, sobivaim umbes 1:100000 ehk kui ühe jääkristalli kohta tuleb pilves ligikaudu tuhat kuni miljon veepiisakest, on korralik sadu võimalik, sest jääkristallid kasvavad veepiisakeste arvelt. Kuna lumesaju puhul langeb pilvest massiliselt jääkristalle välja, peab saju katkematuse ja pikaajalisuse tagamiseks olema piisav tagavara veepiisakesi ehk viimaste suur ülekaal jääkristallide ees ning piisavalt madal õhutemperatuur, et ka jääkristalle saaks juurde tekkida, kuid mitte liiga madal, sest siis jäätuksid veepiisakesed (järgmises lõigus selgitus). Samas, kui jääkristalle on liiga vähe, siis ei jätku lumesajuks algtuumakesi, et lumehelbeid saaks massiliselt tekkida, kuid see-eest võivad need üksikud kristallid väga suurteks kasvada. Seega on pilvedes olemas korraliku lumesaju tekkimiseks mingi optimaalne veepiisakeste ja jääkristallide segu. Kirjeldatud tingimused on olemas kihtsajupilvedes, millest sajab kaua ja mõõdukalt või tugevalt lund, kui temperatuur on piisavalt madal selles suhtes, et lumi jõuaks ikka lumena maapinnani, mitte ei sulaks enne ära. Näiteks suvel, eriti kui õhumass on jahe, moodustub pilvedes lumi, aga see sulab enne maapinnale jõudmist ära, nii et sajab vihma.
Selgituseks, et pilvedes on tõepoolest vedela vee piisakesed sageli tunduvalt alla null kraadi, mida nimetatakse allajahtunud olekuks. Veel on omadus vedelaks kapillaarides ja väga väikeste veepiisakestena (pilvepiisakesed, ka udu) või kui vesi on äärmiselt puhas, st vaba lahustunud gaasidest ja muudest lisanditest ka siis, kui temperatuur on 0°C-st tunduvalt madalam. Kui temperatuur langeb -30°-st madalamale, alles siis hakkab enamus piisakesi muutuma jääkristallideks. Selline vee omadus võimaldabki siis segapilvedes (pilvedes, mis koosnevad nii veepiisakestest kui jääkristallidest ja mille temperatuur on palju kraade alla nulli) jääkristallidel ja veepiisakestel koos eksisteerida.
Lund võib sadada ka teiste pilvede puhul (rünksajupilved, kihtrünkpilved, kõrgkihtpilved jne), kuid siis sajab tavaliselt vähe – näiteks 17.12.2009. a. sadas Saaremaal väga palju lund, kuid mandril enamikes kohtades vaid väga peenikest lumepuru – mandri kohal olid ülemise kihi pilved, kus oli korraliku saju tagamiseks liiga palju jääkristalle (pikemalt vt artiklit sellest: www.ilm.ee/?46757). Vähese veesisaldusega kiudkihtpilvedes ei olnud piisavalt veepiisakesi, mille arvelt oleksid jääkristallid saanud kasvada ja seetõttu sadaski väga väikesi „pilvekristalle“. Rünksajupilvedest sajab enamasti mõõdukat või tugevat hooglund laiade helvestega, ent saju kestus on tihti lühike ja üle mõne mm sademeid tavaliselt ei tule. Märkimisväärne lumesadu äikese ja pagiga rünksajupilvedest oli 4.12.2010. a., loe: https://ilm.ee/?48198.
Mõnikord sajab kihtpilvedest lund, aga see sadu on enamasti nõrk, tihti langeb vaid üksikuid helbeid, mis võivad seevastu olla väga ilusad ja korrapärased. Põhjus on selles, et kihtpilvedes pole piisavalt jääkristalle, kuigi veepiisakesi võib-olla piisavas hulgas. Seega, need vähesed jääkristallid, mis on olemas, saavad küllaldase veepiisakeste varu tõttu kasvada üpris suurteks, mistõttu langevad lõpuks kihtpilvedest sademetena alla. On teada, et mida suurem on õhu veeauru sisaldus, seda harulisemad helbed tekivad. Sellest on põhjustatud kihtpilvedest langevate helveste suurus ja paljuharulisus, sest kihtpilved on tavaliselt madalal, kus on soojem ja rohkem niiskust. Kihtpilvede alus on mõnekümne kuni mõnesaja meetri kõrgusel, kihtsajupilvede alus on aga 1-2 km kõrgusel maapinnast ja suurem pilvemass jääb veelgi kõrgemale, kus on tavaliselt külmem ja õhk kuivem (absoluutses mõttes!). Teisiti võib-olla olukord siis, kui ilm on väga külm – ka kihtpilvedest võib siis üsna tugevasti lund sadada, sest jääkristalle on pilvedes rohkem ja nende suhe veepiisakestega on sademeteks optimaalsem, vt järveefekti kohta artikli lõpus.
Miks kasvavad jääkristallid veepiisakeste arvel, mitte aga vastupidi?
Põhjus on küllastava veeauru rõhkude erinevuses vee ja jää kohal. Jää kohal on veeauru rõhk väiksem, kui vee kohal. Aine hakkab liikuma madalama rõhu suunas (see põhjustab atmosfääris näiteks tuuli) ja seega liiguvad ka veemolekulid jääkristallile, sest selle vahetus ümbruses on veeauru rõhk väiksem ja nii kasvabki jääkristall veepiisakeste arvel. Just nii tekib enamik sademetest meie laiustel ja seda protsessi või sademete moodustumise viisi nimetatakse jääkristalli või Bergeron-Findeiseni protsessiks, ka lihtsalt sademeteprotsessiks. See toimub külmades pilvedes, mille temperatuur on märgatavalt alla nulli ja kus on koos nii veepiisakesed kui jääkristallid. Troopikas (väikestel laiustel) on suur osa sademetest konvektiivse päritoluga ja suure tähtsusega on laatumis-kokkupõrke protsess, mis toimub soojades pilvedes, nagu näiteks rünkpilved ja lisaks on vaja, et veepiisakesed oleksid erineva suurusega. Koalestsentsi kohta vt http://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=coalescence1
Joonis 4. Graafikul on näidatud jämeda punase joonega veeauru rõhk allajahtunud vee (vesi, mis on vedelas olekus, kuid mille temperatuur on alla null kraadi) ja jää kohal. Suurim on erinevus -15°...-20°C piirkonnas.
Allikas
Joonis 5. Jääkristalli ehk Bergeron-Findeiseni protsessi käigus kasvavad jääkristallid veepiisakeste arvel veeauru tasakaalulise rõhkude erinevuse tõttu.
Allikas
On huvitav, et A. Wegener, kes on tuntud mandrite triivi teooria rajana, kirjeldas esimesena kirjeldatud protsessi (ideed 1911. aastal). Kuid siiski Tor Bergeron ja W. Findeisen arendasid kesklaiuste sademetetekke teooria välja ja täpsustasid seda, mistõttu jääkristalliprotsessi nimetatakse just nende, mitte aga Wegeneri järgi. Wegeneri ajal ja varem polnud muidugi teada, kuidas vihmapiisad (sademed) tekivad ja liikusid ainult üksikud ideed ja kuulujutud, et isegi suvisel ajal tekivad pilvedes jääkristallid, mis muutuvad lumehelvesteks ja alles hiljem sulavad üles vihmaks.
Joonisel 4 näidatud graafikult näeme, et tasakaalulise veeauru rõhkude erinevus on suurim -15°...-20°C vahemikus. Seega on jääkristalli protsess ja lumesaju tekkimine selles temperatuurivahemikus kõige kiirem. Omast kogemusest võime aga öelda, et kõige suuremad lumesajud ja tuisud on tavaliselt nullilähedase temperatuuri juures (tuletage kasvõi viimaseid suuremaid lumesadusid meelde – temperatuur oli nulli ümber või oli paar-kolm kraadi külma). Pilvedes on muidugi temperatuur madalam, kuid siiski ilmselt mitte väga palju madalam kui -10°C. Asi on selles, et mida külmem on õhk, seda väiksem on selle niiskusesisaldus ja vähem jätkub seega sademeteks. Sellega on seletatav, miks ikkagi on suuremad lumesajud iseloomulikud just pehme talveilma või sulaga seoses. Mõnikord sajab laia ja tugevat lund ka päris külma ilmaga. Sel juhul on õhuvooludega liikunud kuskilt suurem kogus niiskust ja ilm läheb väga tõenäoliselt tunduvalt soojemaks. Kui külma ilmaga hakkab aga peent ja terataolist lund sadama, siis ilmselt niiskust suureks lumesajuks ei jätku ja külm ilm püsib, sest niiskus tuleb ikkagi siis, kui saabumas on soe õhumass.
Keerukaks teeb olukorra nn järveefekt – sel juhul võib ka väga külma ilmaga (-10°C ja madalam temperatuur) sadada tugevat lund. Tugev lumesadu on sageli samal ajal ka keskmiselt kuni väga lai lumi, sest suurte helveste tiheduse tõttu on head tingimused nende liitumiseks. Ometigi ilm siis ei soojene, sest sooja õhku pole kuskilt saabunud. Võti peitub sel juhul jääkatteta veekogus, mis varustab pilvi ja sademeid küllaldase veeauruga. Järveefekti tõttu sadas väga palju lund nii 2009/2010. a. aastavahetuse ajal põhjarannikul, kui Tallinn-Harkus jõudis lumepaksus 63 cm-ni, mis osutus uueks jaamarekordiks kui ka 2010. a. novembri lõpus samuti põhjarannikul, kui lumepaksus suurenes kohati enam kui 40 cm-ni. Järveefekt on oma nime saanud Põhja-Ameerika Suure Järvistu järgi, kus see on üsna sagedaseks nähtuseks. Eestis on see nähtus tihti seotud Soome lahega, mistõttu võiksime siin seda nimetatada ka (Soome) lahe efektiks. Järveefekt tekib vaid teatud tingimustel, mis on järgmised. Kui õhutemperatuur 1,5 kilomeetri kõrgusel on 8-13 või enam kraadi madalam kui veekogu temperatuur, tekivad tõusvad õhuvoolud ja nende tõttu pilved, võimalikud on isegi rünksajupilved, kuid siis peaks temperatuurierinevus olema üle 13 kraadi. Et õhumass saaks piisavalt niiskust, peab veekogu olema vähemalt 80–100 kilomeetrit lai. Et arenevad pilved püsiksid koos ja kasvaksid, peab tuule suund olema suhteliselt püsiv, st ei või olla suurt tuulenihet. Seega ei saa järveefekt tekkida näiteks Tamula järve kohal või kaldaaladel, sest see on liiga väike veekogu ega ka siis, kui õhutemperatuur on näiteks -20°C, kuid õhumass ise polegi väga külm, sest pole soodsaid tingimusi õhu vertikaalseks liikumiseks. Viimasel juhul näeme lahtise veekogu kohal lihtsalt auramisudu. Loomulikult soodustab järveefekti madalrõhulohk või madalrõhkkonna mõju.
Jää ja lumi (25.12.2011) See on pikem ülevaade jääst ning lumest, mis on Eesti talvise looduse üheks lahutamatuks komponendiks. Seega võiks sellest rohkem teada. Ülevaade on mitmeosaline. Esimene on sissejuhatav ja keskendub jääle, selle erimitele ning struktuurile.
