Keskatmosfääri pilved: helkivad ööpilved ehk polaarmesosfääripilved

 

Maa keskatmosfäär
Atmosfääri saab jaotada kihtideks vastavalt sellele, mille võtame aluseks. Pilvede puhul on üldiselt väga tähtis õhutemperatuur ja selle vertikaalne profiil. Võttes atmosfääri kihtideks jaotamise aluseks temperatuuri, siis asub kõige madalamal troposfäär, mille tähtsaimaks tunnuseks on temperatuuri langemine kõrguse suurenedes; õhk on tihe (merepinnal 15 °C juures ρ ≈ 1,23 kg/m
3), ja niiskust palju. Seetõttu tekibki enamik pilvi ja kujuneb ühtlasi meie igapäevane ilm just troposfääris. Selle kohal asub stabiilne tropopaus, kus temperatuur püsib kõrguse suurenedes vähemuutuv (isotermia) või isegi veidi tõuseb (inversioon).
Tropopausi kohal asub stratosfäär, kus temperatuur tõuseb, sest lühilaineline kiirgus neeldub osoonis. Viimase puudumisel tõenäoliselt jätkuks troposfäär.
Umbes 50 km kõrgusel algab mesosfäär, kus gaasi tihedus on väga väike ja temperatuur jälle langeb vastavalt kõrguse suurenedes. See on külmim piirkond Maa atmosfääris, kus temperatuur võib langeda madalamale kui –100 °C. Mesosfäär ulatub umbes 80 km kõrgusele, millest edasi algab mesopaus.
Keskatmosfääriks loetakse stratosfääri, mis algab tropopausiga (kõrgus oleneb aastaajast ja geograafilisest laiusest), ulatudes 12–50 km kõrgusele, ja mesosfääri, mis ulatub kuni 80 km kõrgusele aluspinnast. Madalatmosfääriks on troposfäär, mis algab aluspinnalt ja ulatub sellest 7–20 km kõrgusele.
Erinevalt troposfäärist on keskatmosfääris äärmiselt vähe niiskust, mistõttu pilvi tavaliselt ei teki. Väga harva siiski teatud tingimustel tekib pilvi, mida soodustab asjaolu, et kümnete km kõrgusel aluspinnast (stratosfääri alumises osas ja mesosfääris) on väga madala temperatuuri tõttu küllastava veeauru rõhk väga väike, mistõttu isegi väikesest niiskushulgast piisab pilvede tekkeks: näiteks –88 °C juures on küllastatud veeauru rõhk ligikaudu 1,4•10
-4 hPa ja juba 3•10-6 g veeauru 1 g gaasi kohta on piisav kondensatsiooni tekkeks.
Keskatmosfääri pilvede hulka kuuluvad polaarstratosfääripilved ja polaarmesosfääripilved. Mõlema pilveliigi puhul kasutatakse ka teist nimetust (vastavalt pärlmutterpilved ja helkivad ööpilved), kuid kuna need nimetused ei ole eriti informatiivsed, siis eelistatakse rohkem esimesi nimetusi, eriti kaugseires.
 

Polaarmesosfääri- ehk helkivad ööpilved

Helkivate ööpilvede tähtsaimad tunnused: hõbedased või elektriliselt sinakad omapärase struktuuriga kiudpilvi meenutavad, millest eredamad tähed paistavad läbi. Kiudpilved on põhjataevas nende taustal väga tumedad, isegi mustad.
Helkivate ööpilvedega kaasnevad nähtused: ööd on valgemad, sest peegeldavad päikesevalgust maale tagasi.
Helkivate ööpilvede seos ilmamuutustega: nende teke on seotud pikkade ehk Rossby lainetega, seega on kaudselt ka valitseva ilma indikaatoriks. Suvisel ajal on eredaimate vaatemängude ajal tegu polaarse õhumassiga ehk jäädakse tsükloni / polaarfrondi tagalasse ja uue antitsükloni ida- või põhjaserva, mistõttu ilm on jahe või mõõdukalt soe. Nõrgemad vaatemängud võivad olla ka kuuma õhumassiga (paar juhtumit nt 2010. aastast).


Helkivad ööpilved eristuvad ülejäänud pilvedest, mis on mustad, väga selgelt (heledus 2-3, vorm 1). Tallinnas Õismäel, 18.07.2008

Polaarmesosfääripilved ehk helkivad ööpilved (ka hõbepilved) tekivad mesosfääri ülaosas ja mesopausis, kui temperatuur langeb väga madalale: vähemalt –120 °C, kuid vahel isegi alla –140 °C. Sellised tingimused kujunevad pooluste lähedal suvises mesosfääris, sest sinna toovad olulise osa soojusenergiat troposfääris genereeritud mehhaanilised lained, mille läbipääsu võimalused suurde kõrgusesse on oluliselt paremad talvel. Suvel aga jõuab mesosfääri vähem energiat ja see põhjustab jahtumise. Polaarmesosfääripilved on kõrgeimal Maa atmosfääris tekkivad pilved, mis asuvad keskeltläbi 80 km kõrgusel aluspinnast, kuid võivad tekkida kõrgusvahemikus 75–90 km.


Polaarmesosfääripilvede levik 22.07.2013. Allikas: http://lasp.colorado.edu/aim/browse-images.php

Polaarmesosfääripilved koosnevad äärmiselt väikestest jääkristallidest, mis võivad tekkida kas otseselt veeaurust või veeauru sublimeerumisest tolmukübemetele. Tolmu ja niiskuse päritolu on olnud kaua vaidlusküsimus, kuid arvatavasti on tolm maavälise päritoluga (meteoorne tolm), ent ka vulkaanid võivad olla allikaks. Veeaur pärineb arvatavasti troopikas ülivõimsate rünksajupilvede tippudest, mis läbivad tropopausi või hoopiski stratosfääris toimuvatest fotokeemilistest reaktsioonidest, mille üks komponente on näiteks metaan.
Alates teatud temperatuurist (kriitiline temperatuur) ja rõhust saab vesi olla vaid gaasilises või tahkes olekus, mis seletab osa põhjusest, miks ikkagi tekivad nii vähesest niiskusest jääkristallid. Teine osa põhjusest, miks saavad üldse tekkida mingid pilved, seisneb väga madalas temperatuuris, mistõttu küllastava veeauru rõhk on väga väike, seega isegi äärmiselt väikesest kogusest niiskusest saaks juba tekkida pilvi. Mesosfääris valitsevates tingimustes ei ole veemolekulid üle ühe ööpäeva stabiilsed, sest intensiivne kiirgus lagundab need. Seega toimub pidev veevarude täienemine, sest muidu poleks võimalik helkivaid ööpilvi üksteisele järgnevatel öödel vaadelda.
Helkivad ööpilved said nimetuse selle järgi, et neid saab jälgida siis, kui päikeseketas on allpool horisonti (–6...–12°, teatud juhtudel kuni –18°) ja on tumeda taeva taustal hõbedased või sinakasvalged (väga harva kollakad ja sedagi sumestatud õhumassis silmapiiri lähedal) helendavad triibud, kogumid jne. Sina põhjuseks on pilvi moodustavate jääkristallide väiksus, mistõttu tooni annab juba molekulaarne (Rayleigh) hajumine. Pilvede äärmise hõreduse tõttu paistavad heledamad tähed neist läbi.
Helkivate ööpilvede ehk polaarmesosfääripilvede vaatlemiseks soodsad tingimused on laiustel, kus on valged ööd, mis tähendab, et atmosfääri alumine osa on Maa varjus, kuid kõrgemasse ossa, sealhulgas mesosfääri ülemisse ossa, jõuab otsene päikesekiirgus, mis hajub jääkristallidel ja osa valgusest peegeldub tagasi, mistõttu ongi pilved võrdlemisi eredad ja öisel ajal hästi nähtavad. Nendel ja esimeses lõigus selgitatud põhjustel on parim aeg polaarmesosfääri pilvede nägemiseks pärast astronoomilist suve algust ja kuni augustini (põhjapoolkeral) ja 50°...65° laiustel, kus on parajalt valged ööd. Kõige paremini tulevad pilved esile umbes 60. (põhja)laiusel. Põhjapoolkeral on helkivaid ööpilvi palju nähtud, ent lõunapoolkeral vaid umbes sajal korral, kusjuures pilved on nõrgemad. Selle põhjuste selgitamisel peab arvestama sellega, et lõunapoolkeral on vaatlemiseks soodne piirkond palju vähem asustatud kui põhjapoolkeral.
Tavalised kiudpilved näivad helkivate ööpilvede taustal mustad või väga tumedad, sest asuvad liiga madalal, et päike saaks neid valgustada, v.a eha-koidu vööndis, kus kiudpilved on lihtsalt raskesti nähtavad. Kui asuvad seniidis või lõunataevas, siis võivad samuti olla ümbritsevast taevas heledamad ja nii päris palju valeteateid on kindlasti just sellise olukorraga seotud.


Helkivate ööpilvede vaatlemise skeem (vaatlusgeomeetria). Allikas: http://science1.nasa.gov/media/medialibrary/2003/02/13/19feb_nlc_resources/geometry.gif

Kui helkivad ööpilved asuvad seniidis ja lõunataevas, siis need ei ole säravalt hõbedased, vaid pigem tuhmilt sinakad ja sel juhul on esmapilgul, eriti aga just kogenematutel vaatlejatel, raske neid kiudpilvedest eristada.

Helkivatel ööpilvedel on huvitav ajalugu. Esimest korda nägid kindlalt polaarmesosfääripilvi 1885. aastal korraga mitu vaatlejat, sealhulgas Eestist Karl Ernst Albrecht Hartwig. On kahtlustatud ka, et juba 1851. aastal võis neid näha Tartus Johann Heinrich Mädler. Lõunapoolkeral nähti neid esmakordselt 1888. aastal Punta Arenases. Esialgu seostati neid 1883. aastal toimunud Krakatau vulkaanipurskega, mille tõttu sattus atmosfääri, sealhulgas stratosfääri ja ilmselt siis ka mesosfääri, palju tolmu, kuid pilvi nähti edaspidigi ikka ja jälle, kui tolm oli juba atmosfäärist sadeneda jõudnud. Igatahes ei tundu usutav, et just see vulkaanipurse põhjustas nende pilvede teket.
Tänapäeval on teada, et helkivad ööpilved koosnevad väga väikestest jääkristallidest. Nende esinemise sagedus on isegi tõusnud, sest mesosfäär jahtub tasapisi. Täpne põhjus on teadmata, kuid suure tõenäosusega on nähtus seotud nn kliima soojenemisega või laiemalt kliimamuutustega.
Varem arvati, et neid on vaid valgete ööde vööndis. Seda arvamust põhjustas asjaolu, et pooluste lähedal on suvel taevas heledam kuni selleni välja, et päike ei loojugi (polaarpäev) ja seetõttu ei ole helkivad ööpilved taeva taustal visuaalselt lihtsalt eristatavad. Hiljem selgitati, et mida poolusele lähemale, seda rohkem neid on, kuni esinemissageduse maksimumini pooluse kohal, kus neid on enam kui pooltel päevadel suvel (vt eespool ka levikupilti).
Helkivad ööpilved on seotud ka päikese aktiivsusega: miinimumi ajal on pilvi kõige rohkem ja nad on kõige eredamad, sest ultraviolettkiirgus lõhub siis vähem veemolekule, mis on pilvede tekkeks vajalikud. Näiteks oli päikese aktiivsuse madalseis 2008.–2010. a ja polaarmesosfääripilvi võis visuaalselt jälgida igal aastal Eestis kuni paarikümnel suveööl. 2013. aasta oli siiski vaatamata aktiivsemale päikesele veelgi ekstreemsem, sest hooaeg algas juba mai esimesel poolel ja järgnevalt registreeriti neid pea igal järgneval ööpäeval kuni juuli lõpuni välja (vt ka galeriid) kuni lõpuks augusti keskpaigas olid viimased vaevueristatavad juhtumid. Seevastu 2017. a oli mesosfääris kuumalaine, mistõttu helkivaid peaaegu polnudki, v.a juuli lõpus paaril ööl.
Endises Nõukogude Liidus ja sealhulgas Eestis tegeldi helkivate ööpilvede vaatlemisega aktiivselt ja vaatlusmetoodikas saavutati kõrge kvaliteet. Eestlastest oli polaarmesosfääri-pilvede uurijana teenekas Charles Villmann (1923–1992), kes oli pikka aega eestvedajaks Tartu Observatooriumis. Helkivaid ööpilvi uuriti ka orbitaaljaamade abil. Tänapäeval on üheks olulisimaks uurimiskeskuseks maailmas Kiruna.


Helkivad ööpilved lõunataevas enne päikesetõusu 22.07.2014 Laagris. Kuigi on näha, et need on sinakad, puudub neil iseloomulik elekterjas helk, sest neid valgustab eha-koidu vööndi kuma, st hajuskiirgus erinevalt põhjataevas olevatest polaarmesokatest, mida valgustab päikese otsekiirgus. Kogenematud vaatlejad võivad pidada neid kas tavalisteks kiud-pilvedeks või jätta üldse tähelepanuta.

Vormid ja vaatlemine
Helkivatel ööpilvede morfoloogia alusel eristatakse mitut vormi ja neil omakorda alamvorme. Need on järgmised.
Vorm 1: õrnad pilvetriibud, mis sarnanevad kiudpilvedega (Cirrus fibratus).
Vorm 2: see sarnaneb korratutele kiudpilvedele (Cirrus intortus) ehk on pikkade triipude ja ribadena (vöödid), mis võivad murduda ja omavahel põimuda ja moodustada kogumeid. Jagatakse veel omakorda a ja b alamvormiks, millest esimesel juhul on triipude ja kogumite servad ühtlased (difuussed), aga teisel väga teravate servadega.
Vorm 3: virved ja lained (vt viimasel fotol), mis jagatakse samuti a ja b alamvormiks. Esimesel juhul on tegu pigem lühikeste ja kitsaste triipudega, ent teisel juhul on selgelt jälgitavad lained (nagu Cirrus / Cirrocumulus undulatus).
Vorm 4: see on mitmesuguste keeristena ja harva isegi ringjate moodustistena, millel keskosa on tume. Jagatakse koguni a, b ja c alamvormiks, millest esimesel juhul on keerised üsna vähearenenud ja võivad laineid meenutada, kuid teisel juhul on juba keerised paremini väljakujunenud ja kolmandal juhul on keerised suured, vahel rõngjate moodustistena ja keeruka struktuuriga.
Lisaks neile on veel loor, mis meenutab ühtlast (difuusset) helendust. Loori üldiselt kogenematu vaatleja ei märka, kuid teisi tüüpe (virved ja keerised või tombud) saavad kõik erilise vaevata vaadelda. Loor eelneb tavaliselt teistele vormidele.

Vaatlemisel antakse helkivatel ööpilvede heledusele 5-pallises skaalas hinnang:
1. Väga nõrgad helkivad ööpilved, mida üldiselt ei avastata või ainult binokliga.
2. Pilvi märgatakse kergesti, aga on väikese heledusega.
3. Pilved tulevad taevas selgelt esile.
4. Heledad pilved, mis tõmbavad kohe endale tähelepanu.
5. Erakordselt heledad helkivad ööpilved, võivad tekkida varjud. Veelgi eredamate puhul märgitakse heleduseks 5+ (tekivad varjud).

Vaatlemisel märgitakse taeva selgusaste: täiesti selge, veidi kiudpilvi, osaliselt kaetud keskmiste pilvedega jne, ja kellaaeg. Üldiselt oleks hea, kui taevast on võimalik pidevalt vaadata, sest silmad harjuvad siis pimedusega paremini. Kui kasutada on mingeid abivahendeid (nt binokkel), siis on neid võimalik avastada kuni pool tundi varem kui palja silmaga.
Mõtet on neid hakata vaatlema mais ja nii kuni septembrini välja. Helkivate ööpilvede esinemise kestus ulatub mõnest minutist mitme tunnini. Mõnikord on need eredamad kesköö paiku ja nõrgenevad siis hommikupoole ööd ruttu, aga vahel saavutavad suurima heleduse just vastu hommikut (enne päikesetõusu).
Välja on antud ka vaatlusjuhendeid, Herman Mürk; Herbert Niilisk 1959. Juhend helkivate ööpilvede ja virmaliste vaatlusteks. Eesti NSV Teaduste Akadeemia (ka sarjas Abiks loodusevaatlejale 41).

 
Vasakul: eredaimad helkivad ööpilved (heledus 5+, vorm 2a), mida 2008.2013. a vahemikus on näha õnnestunud (17.07.2008 Tallinnas); paremal: väga maalilised helkivad ööpilved 25.07.2009 öösel Tallinna kohal.


18.07.2013 öösel võis jälgida erakordset helkivate ööpilvede vaatemängu (heledus 5+?, pildistatud Laagris). Siin on selgelt näha laineid (vorm 3b).

Helkivate prognoosimine: tuleviku perspektiivid. Selleks, et prognoosida helkivaid ööpilvi, tuleb koostada prognoos mesosfääri kohta. Esimene selline prognoos üldse tehti eksperimendi korras 2010. aastal. Selle aluseks võeti Rossby lained, et kindlaks teha, millal need on jahtumisfaasis mesosfääri suhtes. Eesti seisukohast tähendab see seda, et jäädakse polaarfrondi tagalasse, kus on soodsad tingimused polaarse õhumassi sissetungiks. Kahjuks ei saa helkivaid ööpilvi kuigi suure kindlusega prognoosida, sest selleks tuleks koostada prognoos mesosfääri kohta, kuid viimase kohta on sellise ülesande lahendamiseks vajalikke andmeid liiga vähe. Vaatlused näitavad siiski, et suurema tõenäosusega võib helkivaid ööpilvi näha siis, kui jäädakse polaarfrondi tagalasse, kus on soodsad tingimused polaarse õhumassi sissetungiks. Tõepoolest, võimsaimad vaatemängud ongi just jaheda või keskmiselt sooja, mitte aga kuuma õhumassi korral, sest siis jäädakse polaarfrondi tagalasse, mis üldiselt vastab Rossby ehk planetaarsete lainete jahtumisfaasile.
Veel on võimalus nende ilmumist aimata nn signaali abil, mida saab jälgida spetsiaalsel veebilehel https://www.iap-kborn.de/forschung/abteilung-radarsondierungen/aktuelle-radarmessungen/oswin-mesosphaere/: seal on antud peegelduse graafik, ühikud detsibellides (75-st 110ni). Mida intensiivsem on kaja (signaal), seda rohkem on mesosfääris laetud jää osakesi ja seda suurem tõenäosus on näha helkivaid ööpilvi. Seega mida intensiivsem kaja või signaal, seda suuremad võimalused.
Kahjuks ei ole kumbki meetod väga suure usaldusväärsusega: 2010. a võis helkivaid korduvalt näha tugevate kuumalainetega, ja on mitmeid näiteid, mil signaali pole, aga helkivad ööpilved on väga võimsad olnud, näiteks 23.06.2016 öösel.