Huvi päritolu

Üks komponentidest minu huvi tekkimisel oli kas teises või kolmandas klassis ajakirjast "Täheke" selle artikli lugemine.

Aeg-ajalt on minult ikka päritud, kust siis see huvi meteoroloogia vastu. Sageli on nii, et ei olegi konkreetset põhjust, miks keegi tunneb huvi just nende asjade vastu, nagu ta tunneb. Huvi tekkimine on tihti tasapisi arenev ja ebamäärane, koosnedes vahel ka mitmetest pisi- või kesksündmustest, mis suurendavad sisemist motivatsiooni ühe või teise valdkonnaga tegelemise vastu.
Ma oskan siiski üsna konkreetselt välja tuua, kuidas ja miks selline huvi tekkis.  Olgu siin siis see lugu jutustatud.

Huvi tekkimist kirjeldaksin kui mosaiiki või puslet, milles igal killul ja tükil on oma osa lõpptulemuse kujundamisel. Raamatu autoril (edaspidi: mina) tekkis huvi ilmanähtuste vastu juba lasteaias, kus kasvatajal oli näiteks äikese puhul komme meid akna alla viia ja seletada, mis toimub või kui tegemist oli mõne vähem ohutu loodusnähtusega, siis ka õue minna, et seda kõike nautida. Umbes samal ajal (1996. a. talvel) viibisin mõnda aega Haapsalu sanatooriumis. Oli külmalaine ja päevad täis päikest. Iga päev käisin ka õues jalutamas, kusjuures sanatooriumi kõrval oli mingi katlamaja, mille korstnast kogu aeg väljuvaid „aurupilvi“ vaatlesin ja mõtlesin selle tekke ja kujude põhjuste üle. Samuti tekitas huvi see, miks pilveriba teatud kaugusel hajus. Kolmas tükk selles tervikus juhtus 3. klassis, kui  loodusõpetuse õpetaja palus kogu klassil teha nädala jooksul ilmavaatlusi. Kui nädal sai läbi, siis teised õpilased olid vaatlustega lõpetanud, kuid ma mõtlesin, miks neid ei võiks jätkata ja nii saigi viimaks ühest nädalast kümme aastat. Niisiis tegin pidevaid ilmavaatlusi Tallinnas 1998. a veebruarist kuni 2008. a suve lõpuni, kui need katkesid seoses Tartu Ülikooli astumise ja Tartusse kolimisega. 1999. a oktoobrist alates kogusin ka ajalehtedest ilmateateid ja ilmateemalisi artikleid või analüüse. Neljanda  panuse andis 2000. aastal TV1-s näidatud dokfilm „Raevutsev taevas“, kus räägiti pilvedest, äikesest ja tornaadodest, mis jättis unustamatu mulje ja seega süvendas huvi. Tänaseks päevaks on selles filmis antud teadmised vananenud, sest võrreldes 1995. aastaga, kui filmi tehti, on teadmised edasi arenenud, eriti seoses VORTEX2 tõttu, mis on tornaadouurimisprojekt ja viidi USAs läbi 2009-2010.

Hiljem on huvi muutunud üldisemaks, kuid on endiselt meteoroloogiaalane ja lemmikteemadeks on kujunenud äike ning pilved. Pilvede puhul on ehk kõige võluvamaks asjaoluks nende lõputu mitmekesisus, pidev muutumine ja nende omadus peegeldada atmosfääriseisundit ning -protsesse.

Üks oluline aspekt on veel rääkimata. Esimeses lauses toodud lingi alt leiab ühe artikli, mis on pärit Tähekese 1998. a. veebruarinumbrist. 3. klassis tahtis klassijuhataja, et hakkaksime iga kuu Tähekesi ostma, et sealset materjali eesti keele tundides kasutada. Alustasime märtsinumbrist, kuid tundsin nõrka huvi, millised olid varasemad numbrid. Kooli raamatukogus oli veebruarinumber olemas ja seda lehitsedes hakkas silma lehekülg, kus räägiti pilvedest ja äikesest, seesama, mis pildinagi siin toodud. Muljet avaldasid fotod, eriti vasakpoolne, mis tundus tõeliselt tore ja lahe. Tahtsin kohe endale selle numbri osta, kuid enam ei olnud seda kuskil müügil. Alles aastaid hiljem taipasin teha koopia ja asi oligi korras. See juhtum suurendas tunduvalt huvi pilvede vastu.

Nüüd võiks veidi analüüsida seda artiklit, kas sealne jutt on adekvaatne või mitte. Alguses esitatud küsimused on head ja neile vastates tuleb alustada tõepoolest palju kaugemalt. Aga juba pisut edasi lugedes osutub jutt mitte just kõige täpsemaks. Kuigi ülemäära lihtsustades võib muutuda jutt ja arutluskäik vääraks, on siiski ometigi võimalik kirjutada väga lihtsalt, aga tõelevastavalt. Näiteks on seal öeldud, et pilved koosnevad veepiisakestest, kuid külmal ajal piisad jäätuvad, asendudes jääkristallidega. See jutt on tõene vaid kihtpilvede, eriti udu kohta. Ka siis on vaja väga madalat (-20˚C ja madalam) temperatuuri, sest veepiisakestel ja kapillaarveel on omadus jääda vedelaks ka allajahtunud olekus. Pilvedele ei saa nii läheneda, et külmal ajal koosnevad need jääkristallidest, põhjustades lund, lörtsi, rahet, sest troposfääri kesk- ja eriti ülaosas on alati väga madal temperatuur ja jääkristallide olemasolu on aasta läbi võimalik.
Väga kummaline on artiklis väide, et rünksajupilved on kõige madalamal - 400-1000 m aluspinnast. Tegelikult on mõistagi selleks kihtpilved ja selle üks erijuhte - udu. Rünksajupilved asuvad siiski peaaegu alati 400 m-st kõrgemal, sageli on alus 800-1500 m kõrgusel; kui rünksajupilved arenevad kõrgrünkpilvedest, võib alus kahest kilomeetrist kõrgemal olla.
Artikli alguses püstitatud küsimused jäävad vastuseta. Vastakem neile siis ise.
1) Millest tekivad pilved? Pilved tekivad õhus alati leiduvast veeaurust. Vajalik on jahtumisprotsess, et õhk küllastuks veeaurust, et see saaks hakata kondenseeruma. Õhk jahtub tõusmisel, sest selle soojusvahetus on väga väike. Et need paar lauset ei laseks asjal müstilisena tunduda, siis olgu antud huvilisele füüsikaliselt sisukam ja korrektsem vastus.
Kui õhuosake tõuseb atmosfääris kõrgemale, siis see paisub väheneva õhurõhu tõttu ning jahtub samal ajal, sest paisumiseks tehakse siseenergia arvel tööd ja selle tõttu kerkiva õhu temperatuur langeb. Seejuures jahtub õhk peaaegu 1°C iga saja meetri tõusu kohta, mida nimetatakse temperatuuri kuivadiabaatiliseks gradiendiks, kuid kondenseerumisel vabaneb varjatud soojus ja sel juhul on langus umbes 0,6°C saja meetri kohta, mida nimetatakse temperatuuri märgadiabaatiliseks gradiendiks, ent viimane pole konstant ja selle väärtus sõltub õhurõhust ning temperatuurist. Eelduseks on see, et protsess on adiabaatiline, st ümbritseva keskkonnaga ei vahetata soojust. Eeldus kehtib atmosfääris küllaltki hästi, sest õhk kerkib suhteliselt kiiresti (mõne minuti kuni mõne tunni jooksul) ja selle jooksul vahetatakse keskkonnaga tühine osa soojusest, sest atmosfääris on väljaspool pilvi ja piirkihti soojusülekande ajamastaap kahe nädala suurusjärgus. Seetõttu on adiabaatilise protsessi lähend õhuosakese puhul kasutatav. Kui selles õhuosakeses (reaalses atmosfääris võib-olla tegu ka ulatusliku õhukihiga) langeb temperatuur kastepunktini, siis edasi algab kondenseerumine ehk tekivad veepiisakesed. Üleüldse saab veeaurust pilvi tekkida lisaks eespoolselgitatule veel seetõttu, et Maa atmosfääris on veeauru osarõhk piisavalt suur ja kriitiline temperatuur on väga kõrge (vastavalt 0,1-30 hPa ja 374˚C).
2) Miks vahel sajab neist vihma, lund või rahet? Selleks, et pilved annaksid sademeid, peavad need üldjuhul sisaldama korraga nii veepiisakesi kui jääkristalle. Sealjuures märkimisväärsed sademed tekivad siis, kui ühe jääkristalli kohta on umbes 100 tuhat veepiisakest ja temperatuur -15˚...-20˚C. Sellistel tingimustel saab toimida küllalt intensiivne Bergeron-Findeiseni ehk jääkristalliprotsess, mis põhineb asjaolul, et jää kohal on tasakaaluline veeauru rõhk väiksem kui vedela vee kohal samal temperatuuril. Seega, kui pilvedes on korraga nii veepiisakesi kui jääkristalle, siis liiguvad veemolekulid veepiisakestest jääkristallidele ehk viimased kasvavad esimeste arvelt. Moodustuvad lumehelbed, mis hakkavad raskusjõu mõjul laskuma. Suvisel ajal sulavad need vihmapiiskadeks, kuid külmal ajal, kui kogu õhumassis on temperatuur madalam kui 0˚C, jõuavad lumena aluspinnani ehk sajab lund. Seega saab keskmistel ja suurtel laiustel enamus sademetest alguse lumena.
Rahe teke on teistsugune. See tekib ainult rünksajupilvedes, kus on väga tugevad tõusvad õhuvoolud ja turbulents. Rahe tekkeks peab olema pilvedes üsna ulatuslik keskmiselt tugevate tõusvate õhuvooludega ala, mis hoiab rahet mõnda aega sellises pilvede regioonis, kus on optimaalsed tingimused rahe kasvuks. Samal ajal peab muidugi pilvedes olema piisavalt embrüoid (algmaterjali), millest saaks hakata rahe kasvama. See embrüo hakkab populaarse teooria järgi liikuma pilvedes üles-alla, sest see satub kord ühe, kord teise tõusva õhuvoolu meelevalda, kusjuures suuremas kõrguses külmuvad pilvepiisakesed rahe pinnale, moodustades läbipaistmatu kihi, aga pilvede almises osas suuremad veepiisakesed, mis kokkupõrkel rahega valguvad selle pinnal laiali, see veekiht jäätub ja tekib läbipaistev kiht. Nii selgitatakse rahe kihilist ehitust. Uuemad uuringud näitavad, et see kõik ei pruugi nii toimuda. Rahe võib sattuda ka lihtsalt õhuvooludega erinevatesse pilveosadesse, mille läbimisel võib tekkida analoogne kihilisus. Väga suured rahetükid on tavaliselt ebakorrapärase välimusega. See tekib seetõttu, et rahe väline pind on varjatud soojuse vabanemise tõttu väga märg, isegi kleepuv, mistõttu võib see haarata enda külge väiksemaid raheterasid (akretsioon). Teine rahe moodustumise võimalus on selline, et jääkübemed liiguvad juhtvoolu tõttu läbi tõusva õhuvoolu ja pilve ülaosast kuni satuvad pilvede tagalasse, kus need hakkavad laskuma, seejuures kiiresti kasvades. Sellistel rahetükkidel pole erilist kihilist ehitust märgata. 
Uduvihma tekkemehhanism on samuti vihma ja lume tekkest erinev. Uduvihma sajab kiht- ja kihtrünkpilvedest, mis koosnevad veepiisakestest. Järelikult ei toimu seal jääkristalliprotsessi, vaid selle asemel on sooja pilve protsess. See seisneb selles, et veepiisakesed kasvavad kas kondenseerumise teel või omavahelistel kokkupõrgetel, kuid ainult sel teel ei teki väga suuri veepiisakesi. Seetõttu on uduvihm hästi peen, mõnikord palja silmaga märkamatu. Selliste kergete piisakeste väljalangemine on võimalik seetõttu, et tõusvad õhuvoolud on kihtpilvedes nõrgad. Mulle pakuvad enim huvi lörts ja rahe. Rahe on lemmiksademeteliik.
Kahjuks on nii lollisti juhtunud, et viimastel aastatel peaaegu ei olegi kogenud suurte teradega rahesadusid, kuigi neid Eestis on ikka olnud. Korralikumat rahet olen näinud vaid neljal korral elus, nii nagu ma mäletan: juuli keskel 2001 (kuni kanamunasuurune), 9.7.2004 (pöidlaotsasuurused terad, kuid sadu oli väga tihe), 7.9.2004 (rahetükkide suurus kuni 3 cm) ja 15.8.2009 (läbimõõt 1-2 cm); kõikidel kordadel oli äikest. Ülejäänud kogetud rahesajud on olnud ainult peenrahe kujul. Järgnev foto on tehtud 15.8.2009. a. Riisipere lähedalt, kui sadas kuni 2 cm läbimõõduga rahet:


Autori foto
 

Samuti on imekombel olemas foto 7.9.2004. a. suurt rahet põhjustanud pilvest vahetult enne möllu algust:

Autori foto
Foto rahest: http://www.ilm.ee/index.php?41441124225921114

3) Miks mõnikord suvel muutuvad pilved mustaks ning hakkab müristama ja välku lööma? Selles küsimuses on ebatäpsus: äike ei pruugi olla vaid suvel, vaid üsna sageli on seda ka sügisel (2011. a. september ja oktoober on suurepäraseks näiteks), harva ka talvel ja varakevadel. Äikest põhjustavad pilved ei pruugi üldsegi olla tumedad, ka heledates pilvedes võib-olla äikest ja see võib isegi tugev olla.  Väga palju sõltub vaatleja asukohast, kellaajast ehk päikeseketta kõrgusest ja asendist horisondi suhtes (öösel pimeda ajal ei saa rääkida pilvede tumedusest) ja teistest pilvedest, mis määravad rünksajupilvede tumeduse ja värvusvarjundid. Viimast mõjutavad veel rünksajupilvede paksus, tihedus ja koostis.
Äikese teke on seotud konvektsiooniga, õhumassi veesisalduse ja troposfääri temperatuurijaotusega. Konvektsioon on tugev siis, kui õhumass on niiske, temperatuur langeb kiiresti kõrgusega ja aluspind on suhteliselt soe. Sel juhul on õhu vertikaalne transport soodustatud ja võivad areneda intensiivsed tõusvad õhuvoolud. Need võivad tekkida ka frontidel ja kui õhuvool ületab mäestike. Igal juhul on äikese tekkimise aluseks piisav niiskus ja tõusvad õhuvoolud. Nende tagajärjel võivad tekkida konvektsioonipilved - äike on alati seotud rünksajupilvedega. Välgu tekkeks peab pilvede ülaosa jäätuma (pilvede tipp ulatub 6-7 km kõrgusele, kus temperatuur on -20°C-st madalam) ja samal ajal peab pilvedes olemas olema tugev tõusev õhuvool (7-10 m/s ja rohkem). Kui jääkristallide teke on piisavalt intensiivne, siis tekivadki välgud.
Välkusid on kaht põhitüüpi: pilv-aluspind ja pilvesisene (välgutüüpe on muidugi enam, kuid siin nendest ei räägi). Pilv-aluspind tüüpi välgu teket kirjeldab striimeriteooria ja selle kohta leidub palju materjale. Teisiti on pilvesiseste välkudega. Rünksajupilvedes on regioone, kus elektriväli on tugevam. Selliseid laengutsentreid võib-olla väga palju, olenevalt pilvesüsteemi struktuurist ja ulatusest. Mõned laengutsentrid on positiivse, teised jälle negatiivse laenguga. Teatud tingimustel võib ühes sellistest laengutsentritest areneda elektronide laviin. Järgnevalt areneb välk nii, et ühes suunas on haruneb negatiivne liider, teises haruneb positiivne liider. Hiljem, välgusähvatuse lõpu poole tekib positiivses otsas kiireid negatiivseid liidreid, mis levivad tagasi välgu tekkekoha (elektronide laviini alguskoha) juurde. Seega toimuvad pilvesisesed välgud pilvedes olevate laengutsentrite vahel.

Ülal: uhke pilv-aluspind tüüpi välk nähtuna 4.8.2010. a. öösel Laitsest. Seda tüüpi välkusid on põhjalikult uuritud, sest praktilistel põhjustel on huvi suurem (tekitavad varalist kahju, surmavad inimesi ja loomi jne). Pilvesiseseid välkusid on kaugelt kõige rohkem, kuid neid on rohkem hakatud uurima alles viimase paari kümnendi jooksul.
Autori foto