Huvi päritolu

Üks põhjus huvi tekkimisel oli kolmandas klassis ajakirjast „Täheke“ selle artikli lugemine.

Aeg-ajalt on minult ikka päritud, millest siis selline huvi pilvede või laiemalt ilma (meteoroloogia) vastu. Sageli on nii, et ei olegi konkreetset põhjust, miks keegi tunneb huvi just nende asjade vastu, mille vastu 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. Kuid ma püüan võimalikult konkreetselt kirjeldada seda, kuidas ja miks selline huvi tekkis. Olgu siingi siis see lugu jutustatud.

Oma huvi tekkimist kirjeldaksin kui mosaiiki või puslet, milles igal killul ja tükil on oma osa lõpptulemuse kujunemisel. Mul tekkis huvi atmosfääri vastu juba lasteaias, kus kasvataja viis meid äikese ajal ikka akna alla ja seletas, mis toimub, või kui tegemist oli mõne vähem ohutu loodusnähtusega, siis läksime kõik koos õue, et saaksime seda nautida ja tundma õppida. Umbes samal ajal, 1996. aasta talvel, olin mõnda aega Haapsalu sanatooriumis. Oli külmalaine ja päevad täis päikest. Iga päev käisin õues koos vanaemaga jalutamas. Sanatooriumi kõrval oli mingi katlamaja, mille korstnast väljuvaid „aurupilvi“ ma kogu aeg vaatasin ja mõtlesin, mismoodi need tekivad ja miks nad on just sellise kujuga. Samuti tekitas huvi see, miks mingi pilveriba teatud kaugusel hajus. Kolmas tükk selles pusles sai paika Kivimäe põhikooli 3. klassis, kui loodusõpetuse õpetaja Mare Põder palus kogu klassil teha nädala jooksul ilmavaatlusi. Kui nädal sai läbi, siis teised õpilased lõpetasid oma vaatlused, kuid ma mõtlesin, miks neid ei võiks jätkata. Ja nii saigi viimaks ühest nädalast kümme aastat: pidevaid ilmavaatlusi tegin Tallinnas 1998. aasta veebruarist kuni 2008. aasta suve lõpuni. Seejärel need katkesid seoses Tartu Ülikooli astumise ja Tartusse ajutise kolimisega. Pärast 2015. a, kui tulin tagasi Laagrisse, ilmavaatlused enam endisel kujul ei jätkunud.
Alates 1999. aasta oktoobrist kogusin ka ajalehtedest ilmateateid ja ilmateemalisi artikleid. Sellesse andis oma panuse samuti Mare Põder, kes kinkis mulle hulga 1950. aastate ajaleheväljalõikeid. Neljanda pusletüki andis 2000. aastal TV1-s näidatud dokfilm „Raevutsev taevas“, kus räägiti pilvedest, äikesest ja tornaadodest, mis jättis unustamatu mulje ja süvendas kõvasti mu huvi. Tänaseks päevaks on selles filmis sisalduvad teadmised vananenud, sest võrreldes 1995. aastaga, kui see film tehti, on märksa teadlikumaks saadud, eriti tänu tornaadouurimisprojektile VORTEX2, mis viidi USA-s läbi 2009. ja 2010 aastal. Oma osa minu huvi süvenemises oli veel 1998. aastal välja antud raamatul „Loodusõnnetused, mis vapustasid maailma“ (autor Guido Ilves, kus räägiti muu hulgas haaravalt orkaanidest, tornaadodest, äikesest jm ohtlikest atmosfäärinähtustest, kuigi hiljem olen aru saanud, et sealne info ei pruugi olla usaldusväärne või piisavalt põhjalik. Selliseid kilde olen aja jooksul ikka ja jälle avastanud.
Hiljem on mu huvi muutunud üldisemaks, kuid endiselt paelub mind meteoroloogia (seisuga 2017. a sügis). Niisis lemmikteemadeks on kujunenud äike ja pilved. Pilvede puhul on ehk kõige võluvam asjaolu nende lõputu mitmekesisus, pidev muutumine, nende omadus peegeldada atmosfääriseisundit ja -protsesse.

Üks oluline aspekt on veel rääkimata. Vaadake pilti ülal. See on Tähekese 1998. a veebruarinumbri tagakaas. 3. klassis tahtis klassijuhataja (Anneli Laaspere), 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 ehk seesama, mida ülal pildil kujutatud: muljet avaldasid fotod, eriti vasakpoolne, mis tundus tõeliselt vahva ja meeliköitev. Tahtsin kohe endale selle numbri osta, kuid enam ei olnud seda kuskil müügil. Alles aastaid hiljem taipasin teha raamatukogus koopia ja asi oligi korras. See juhtum suurendas tunduvalt huvi pilvede vastu. Veel huvi arengust ja ilmaküttimisest: http://www.looduskalender.ee/node/13747

Nüüd võiks veidi analüüsida seda Tähekese artiklit, kas sealne jutt on õige 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, siis on ometigi enamasti 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 (märga lund) või 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 ehk 400–1000 m aluspinnast. Tegelikult on mõistagi selleks kihtpilved ja selle üks erijuhte (Eestis, sest mägedes võivad selleks olla teisedki pilveliigid) – udu, mis sest, et tegelikkus on keerulisem, aga tavaliselt moodustavad udu tõepoolest kihtpilved. Rünksajupilved asuvad siiski peaaegu alati 400 m-st kõrgemal, kusjuures sageli on nende alus 800–1500 m kõrgusel, kuid see oleneb suhtelisest õhuniiskusest; kui rünksajupilved arenevad kõrgrünkpilvedest, võib nende alus koguni kahest kilomeetrist kõrgemal olla.
Artikli alguses esitatud küsimused jäävad vastuseta. Püüan neile nüüd vastata.
1) Millest tekivad pilved? Pilved tekivad õhus alati leiduvast veeaurust. Vajalik on jahtumisprotsess, et õhk küllastuks veeaurust, nii et see saaks hakata kondenseeruma. Õhk jahtub tõusmisel, sest selle soojusvahetus keskkonnaga on väga väike. Et need paar lauset ei laseks asjal müstilisena tunduda, siis olgu antud huvilisele füüsikaliselt sisukam ja korrektsem vastus.
Kui õhuosake (parcel) kerkib õhumassis, siis see paisub väheneva õhurõhu tõttu ja jahtub samal ajal, sest paisumiseks tehakse siseenergia arvel tööd – selle tõttu kerkiva õhuosakese temperatuur langeb. Kui veeaur ei kondenseeru, siis jahtub õhk peaaegu 1 °C iga saja meetri tõusu kohta, mida nimetatakse temperatuuri kuivadiabaatiliseks gradiendiks. Kui aga veeaur kondenseerub, siis vabaneb varjatud soojus ja sel juhul on langus umbes 0,6 °C saja meetri kohta, mida nimetatakse temperatuuri märgadiabaatiliseks gradiendiks, ent viimane pole konstant – selle väärtus sõltub õhurõhust ja temperatuurist. Eelduseks on protsessi adiabaatilisus, st ümbritseva keskkonnaga ei vahetata soojust. Eeldus kehtib atmosfääris küllaltki hästi, sest õhk kerkib suhteliselt kiiresti (mõne minuti kuni mõne tunni jooksul) – selle aja jooksul vahetatakse keskkonnaga üksnes 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 edasisel jahtumisel algab kondenseerumine ehk tekivad veepiisakesed. Üleüldse saab veeaurust pilvi tekkida lisaks eespoolselgitatule veel seetõttu, et Maa atmosfääris on veeauru osarõhk piisavalt suur ja vee 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 keskmiselt umbes 100 000 veepiisakest ja temperatuur –15...–20 ˚C. Sellistel tingimustel saab toimida küllalt intensiivne Bergeroni-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 (difusiooniline depositsioon). 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 saavad keskmistel ja suurtel laiustel sademed enamasti 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 siis satub kord ühe, kord teise tõusva õhuvoolu meelevalda, kusjuures suuremas kõrguses külmuvad pilvepiisakesed rahe pinnale, moodustades läbipaistmatu kihi, aga pilvede alumises 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 näha.
Külmades pilvedes toimub niisiis mitu protsessi: difusiooniline depositsioon (tavalised laussademed), akretsioon (jääkristallid kasvavad kokkupõrkel veetilkadega, nii tekib härmunud lumi, lumekruubid ja jääkruubid) ja agregatsioon, mis tähendab kristallide omavahelist liitumist, kuid see toimub 0 ˚C lähedal.
Uduvihma tekkemehhanism on lausvihma ja lauslume tekkest hoopis erinev. Uduvihma sajab tavaliselt kiht- ja kihtrünkpilvedest, mis koosnevad veepiisakestest. Järelikult ei toimu seal jääkristalli- ega teisi külmade pilvede protsesse, vaid selle asemel on sooja pilve protsess. See seisneb selles, et veepiisakesed kasvavad kondenseerumise teel või omavahelistel kokkupõrgetel, kuid ainult nii ei teki väga suuri veepiisakesi. Seetõttu on uduvihm hästi peen, palja silmaga sageli märkamatu. Selliste kergete piisakeste väljalangemine on võimalik seetõttu, et tõusvad õhuvoolud on kihtpilvedes nõrgad.
Mulle pakuvad enim huvi lörts ja rahe. Rahe ja tugev lörts on sademeliikidest tõelised lemmikud. Kahjuks on nii lollisti juhtunud, et viimastel aastatel peaaegu ei olegi kogenud tõelist hiidrahet, kuigi neid Eestis on ikka olnud, nagu näiteks 12.08.2015 Ida-Eestis. Korralikumat rahet olen näinud vaid neljal korral elus, nii nagu ma mäletan: 2001. a juuli keskel (kuni kanamunasuurune), 9.07.2004 (pöidlaotsasuurused terad, kuid sadu oli väga tihe), 7.09.2004 (rahetükkide suurus kuni 3 cm) ja 15.08.2009 (läbimõõt 1–2 cm); kõikidel kordadel oli äikest. Ülejäänud kogetud rahesajud on olnud ainult peenrahe kujul. Alles 2017. aastal õnnestus Aegviidus näha midagi hiidrahelaadset, vt http://lepo.it.da.ut.ee/~cbarcus/12.08.2017.htm.

See foto on tehtud 15.08.2009 Riisipere lähedalt, kui sadas kuni 2 cm läbimõõduga rahet:

Samuti on imekombel olemas foto 7.09.2004 hiidrahet põhjustanud pilvest vahetult enne möllu algust:

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 vahel on seda ka sügisel (2011. a september ja oktoober on suurepäraseks näiteks; ebatavaliselt äikeserohke oli 2012. a september ja oktoobri lõpp rannikualadel), harva ka talvel ja varakevadel. Äikest põhjustavad pilved ei pruugi üldsegi olla tumedad, ka heledates pilvedes võib tekkida äike, mis 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 ehk vertikaalse temperatuuriprofiiliga. Konvektsioon on tugev siis, kui õhumass on niiske, temperatuur langeb kiiresti kõrgusega ja aluspind on suhteliselt soe. Sel juhul on õhu vertikaalne liikumine soodustatud (õhumass on labiilne) ja võivad areneda tugev konvektsioon. See võib tekkida ka frontidel ja siis, kui õhuvool ületab mäestikke (orograafiline äike). Igal juhul on äikese tekkimise aluseks piisav niiskus ja tõusvad õhuvoolud. Nende tagajärjel võivad tekkida konvektsioonipilved – äike on alati seotud rünksajupilvedega. Välgu tekkeks peab pilvekogumi ülaosa jäätuma (pilvede tipp ulatub vähemalt 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, vt http://stormhighway.com/types.php). Pilvesiseseid välke on kõikidest umbes 70%, kuid iga konkreetse äikese puhul see varieerub. 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 laengukeskmeid võib olenevalt pilvesüsteemi struktuurist ja ulatusest olla palju. Mõned laengukeskmed on positiivse, teised negatiivse laenguga. Teatud tingimustel võib ühes sellises laengukeskmes areneda elektronide laviin. Edasi areneb välk nii, et ühes suunas haruneb negatiivne liider, teises haruneb positiivne liider (eelvälk). Hiljem, välgusähvatuse lõpu poole, tekib positiivses otsas kiireid negatiivseid liidreid (k-protsess), mis levivad tagasi välgu tekkekoha (elektronide laviini alguskoha) juurde (AMS Glossary, 2012). Seega toimuvad pilvesisesed välgud pilvedes olevate laengukeskmete vahel.

Uhke pilv-aluspind tüüpi välk nähtuna 4.08.2010 öösel Laitsest. Seda tüüpi välke on palju uuritud praktilistel põhjustel – need tekitavad varalist kahju, surmavad inimesi ja loomi jne. Pilvesiseseid välke esineb ülekaalukalt kõige rohkem, kuid põhjalikult on neid hakatud uurima alles viimase paari kümnendi jooksul.