Miks just äikese ajal on tuulepuhanguid?

Nii küsis üks Delfi lugeja. See küsimus saadeti vastamiseks EMHIsse, kuid sealt paluti omakorda mul vastata. Niisiis tegin seda ja vastus ilmus juba samal päeval: http://forte.delfi.ee/news/smart/miks-on-just-aikese-ajal-kovemad-tuulepuhangud.d?id=48225441. Esitan selle ka siin, mis on väga lihtsustatud versioon.
Tegelikult peaks rääkima rünksajupilvedest, sest äike, nagu ka tuulepuhangud, on just nendega seotud. Pilvede põhiliike on 10, neist kõige suurema (mitu kilomeetrit) vertikaalse ulatusega on kihtsajupilved (Nimbostratus) ja rünksajupilved (Cumulonimbus), mõlemad annavad põhilise osa sademetest. Tuulepuhangud, mis tekivad laskuvate õhuvoolude tõttu, on seotud aga rünksajupilvedega.
Rünksajupilved kuuluvad konvektsioonipilvede hulka, tekkides küllalt intensiivsete tõusvate õhuvoolude tõttu. Rünksajupilvede ja seega äikesepilve elutsüklis eristatakse kolme staadiumi.
Esimene on rünkpilvestaadium, kui ülekaalus on tõusvad õhuvoolud, sademeid enamasti pole ja pilve ülemine osa pole jäätuma hakanud. Tõusvate õhuvoolude tõttu on rünkpilvede all sageli tuulevaikne, kuid mitte alati, sest tuule tugevust mõjutavad teisedki tegurid, nagu õhurõhugradient jne.
Kui õhumass on piisavalt labiilne ja niiskust jätkub, võib rünkpilve tipp jõuda vähemalt 6-7 km kõrgusele aluspinnast. Nii suures kõrguses on õhk aastaringselt väga külm, temperatuur on -20˚...-30˚C ja madalamgi. Seetõttu algab pilvepiisakeste jäätumine – moodustuvad jääkristallid. Äike on seotud pilve tipuosa jäätumisega – mida kõrgemale tipp ulatub, mida tugevamad on tõusvad õhuvoolud ja seega mida suurem ja kiirem jääkristallide produktsioon, seda tugevam äike ka on tavaliselt. Pilvetipp võib jõuda tropopausini, kuid mitte oluliselt kõrgemale ja seetõttu moodustub
rünksajupilvede ülemisse ossa alasitaoline lame pilveosa[1]. Nüüd on jõudnud pilv maksimaalse arengu staadiumisse, millega seoses tekivad laskuvad õhuvoolud. Õhk on jõudnud selles staadiumis suurtesse kõrgustesse, mistõttu see on märkimisväärselt jahtunud.

Rünksajupilved maksimaalses arengustaadiumis 21.6.2011 Tallinnas, see tõi endaga kaasa rahe. Autori foto

Laskuva õhuvoolu moodustumisel on väga oluline roll jääkristallide sublimatsioonil ja sulamisel ning pilvepiisakeste/sademete aurumisel veeaurust küllastumata õhukihis, sest nendeks protsessideks kulub soojust. See soojus saadakse keskkonnast, seega õhk jahtub eespool nimetatud protsesside tõttu täiendavalt. Külm õhk on aga tihedam ja raskem, mistõttu see hakkab laskuma. Ka sademed, mida rünksajupilvedest tuleb sageli rikkalikult, põhjustavad õhu laskumist[2]. Teatud juhtudel, näiteks siis, kui õhutemperatuur langeb kõrgusega väga kiiresti[3], muutub laskumine väga tormiliseks ja võivad tekkida tugevad pagid, mis võivad ka kahju tekitada. Ulatuslikke ja väga võimsate rünksajupilvede või nende süsteemidega (multicell, supercell) seoses võivad tugevaid tuuli ergutada/põhjustada ka õhurõhuerinevused pilveosade all, kuid sellest aspektist teatakse kõige vähem.
Konvektsioonipilvede elutsüklis on viimane hajumisstaadium. Siis saavutavad ülekaalu laskuvad õhuvoolud ning äike ja sademed hääbuvad.

[1] Tropopaus on troposfääri ja stratosfääri vahekiht, mida iseloomustab tugev ja aastaringselt püsiv isotermia ja inversioon (temperatuur tõuseb kõrgusega), mis muudab selle väga stabiilseks, mistõttu õhu vertikaalne segunemine enamasti ei ulatu tropopausist kõrgemale. Tõusvate õhuvoolude tarbeks on vaja, et temperatuur langeks kõrgusega ja mida kiiremini, seda tugevamad tõusvad õhuvoolud võivad tekkida. Tropopausis on temperatuur kõrgusega vähemuutuv või tõuseb ja seega tõusvad õhvoolud vaibuvad sinnani jõudes, kuna tõusva õhu temperatuur ühtlustub keskkonna temperatuuriga ega ole enam soojem (kergem), mis aga on õhu tõusmiseks vajalik. Tropopaus asub polaaraladel (8-10 km aluspinnast) madalamal, kui troopikas (15-20 km aluspinnast).

[2] Seega on mitu põhjust, miks õhk hakkab laskuma ja mis põhjustavad ja/või soodustavad õhu laskumist ja aitavad laskumise kiirenemisele kaasa. Üks olulisemaid põhjusi ongi just (sademete, pilvepiisakeste) aurustumine, sest selleks kulub üpris palju soojust – vee aurustumissoojust on normaalrõhul (101325 Pa) 2257 kJ/kg. Seega vee aurustumine aitab vägagi efektiivselt kaasa õhu jahtumisele.

[3] Laskuv õhk soojeneb adiabaatiliselt, sealjuures veeaurust küllastumata õhk märksa kiiremini. Seega, kui õhutemperatuur langeb kõrgusega väga kiiresti, siis seega vastavalt laskuva õhu jaoks tõuseb selle laskumisel ümbritsev õhutemperatuur väga kiiresti, mistõttu jääb laskuv õhk keskkonnast ehk ümbritsevast õhust kogu aeg külmemaks (tihedamaks, raskemaks) ja seetõttu laskumine kiireneb.