Maatiede

oppitunnin tavoitteet

• listaa konvektiokennossa olevien ilmavirtojen ominaisuudet.
• Kuvailkaa, miten korkea-ja matalapainesolut luovat paikallisia tuulia ja selittäkää, miten syntyy useita erityyppisiä paikallisia tuulia.
• keskustele siitä, miten globaalit konvektiosolut johtavat maailmanlaajuisiin tuulivyöhykkeisiin.

Sanasto

• advektio
• Chinookin tuulet (Foehnin tuulet)
• haboob
• korkeapaineen vyöhyke

suihkuvirtaus

• maatuuli

matalapaineen alue monsuuni

• vuoristotuuli

polaaririntama

• sadekuuroefekti
• Santa Anan tuulet
• merituuli
• laaksotuuli

johdanto

muutamat perusperiaatteet kertovat paljon siitä, miten ja miksi ilma liikkuu: lämpimän ilman nousu luo maahan matalapainevyöhykkeen. Ympäröivän alueen ilma imetään nousevan ilman jättämään tilaan. Ilma virtaa vaakasuoraan troposfäärin huipulla; vaakasuoraa virtausta kutsutaan advektioksi. Ilma jäähtyy, kunnes se laskeutuu. Maahan saavuttuaan se luo korkeapaineen alueen. Korkeapaineen alueilta matalapaineeseen virtaava ilma luo tuulia. Lämpimään ilmaan mahtuu enemmän kosteutta kuin kylmään ilmaan. Kunkin pallonpuoliskon kolmen suuren konvektiosolun tyvillä Päiväntasaajan Pohjois-ja eteläpuolella liikkuva ilma luo globaalit tuulivyöt.

ilmanpaine ja tuulet

troposfäärissä ovat konvektiokennoja (kuva alla).

ilma, joka liikkuu vaakatasossa korkea-ja matalapainevyöhykkeiden välillä, tekee tuulta. Mitä suurempi paine-ero painevyöhykkeiden välillä on, sitä nopeammin tuuli liikkuu.

konvektio ilmakehässä luo planeetan sään. Kun lämmin ilma nousee ja jäähtyy matalapainevyöhykkeellä, se ei välttämättä pysty pidättelemään kaikkea sisältämäänsä vettä höyrynä. Osa vesihöyrystä voi tiivistyä pilviksi tai sateiksi. Kun viileä ilma laskeutuu, se lämpenee. Koska siihen mahtuu silloin enemmän kosteutta, laskeutuva ilma haihduttaa vettä maahan.

suurten korkeapaineiden ja matalapaineiden välillä liikkuva ilma luo maailmanlaajuiset tuulivyöhykkeet, jotka vaikuttavat syvästi alueelliseen ilmastoon. Pienemmät painejärjestelmät synnyttävät paikallisia tuulia, jotka vaikuttavat paikallisen alueen säähän ja ilmastoon.

Illinoisin yliopiston online-opas ilmanpaineeseen ja tuuliin löytyy täältä: http://ww2010.atmos.uiuc.edu/%28Gh%29/guides/mtr/fw/home.rxml.

paikalliset tuulet

paikalliset tuulet johtuvat siitä, että ilma liikkuu pienten matala-ja korkeapainejärjestelmien välillä. Korkea-ja matalapainesoluja syntyy monenlaisissa olosuhteissa. Joillakin paikallisilla tuulilla on erittäin merkittäviä vaikutuksia joidenkin alueiden säähän ja ilmastoon.

maa-ja Merituuli

koska veden ominaislämpö on erittäin korkea, se pitää lämpötilansa hyvin. Vesi siis lämpenee ja jäähtyy hitaammin kuin maa. Jos meren pinnan (tai suuren järven) ja sen vieressä olevan maan välillä on suuri lämpötilaero, muodostuu korkea-ja matalapainealueita. Tämä luo paikallisia tuulia.

• merituuli puhaltaa kesällä viileämmältä valtamereltä lämpimämmän maan yli (kuva alla). Missä on korkeapaineen alue ja missä matalapaineen alue? Merituuli puhaltaa noin 10-20 kilometrin tuntinopeudella ja laskee ilman lämpötilaa jopa 5-10°C (9-18°F).
• maatuuli puhaltaa talvisin maalta mereen. Missä on korkeapaineen alue ja missä matalapaineen alue? Jonkin verran lämpimämpää ilmaa nousee merestä ja vajoaa sitten maalle, jolloin lämpötila maan yllä lämpenee.

maa-ja merituulet luovat miellyttävän ilmaston, josta Etelä-Kalifornia tunnetaan. Maa-ja merituulten vaikutus tuntuu vain noin 50-100 kilometriä sisämaahan päin. Sama viilentävä ja lämmittävä vaikutus esiintyy vähäisemmässä määrin päivällä ja yöllä, koska maa lämpenee ja jäähtyy nopeammin kuin meri.

monsuunituulet

monsuunituulet ovat suuremman mittakaavan versioita maa-ja merituulista; ne puhaltavat mereltä maalle kesällä ja maalta merelle talvella. Monsuunituulia esiintyy siellä, missä erittäin kuumat kesämaat ovat meren vieressä. Ukkoset ovat yleisiä monsuunien aikana (kuva alla).

maailman tärkein monsuuni esiintyy joka vuosi Intian niemimaan yllä. Yli kaksi miljardia Intian ja Kaakkois-Aasian asukasta ovat riippuvaisia monsuunisateista juoma-ja kasteluvetensä vuoksi. Purjelaivojen aikaan monsuunituulten kausivuorot kuljettivat tavaroita edestakaisin Intian ja Afrikan välillä.

vuoristo-ja Laaksotuulet

lämpötilaerot vuorten ja laaksojen välillä synnyttävät vuoristo-ja laaksotuulia. Päivisin vuorenrinteiden ilmaa lämmitetään enemmän kuin viereisen laakson yllä samalla korkeudella olevaa ilmaa. Päivän edetessä lämmin ilma nousee ja vetää viileää ilmaa ylös laaksosta luoden laaksotuulen. Yöllä vuorenrinteet viilenevät läheistä laaksoa nopeammin, mikä saa vuoristotuulen virtaamaan alamäkeen.

Katabaattiset tuulet

Katabaattiset tuulet liikkuvat ylös-ja alas rinteitä, mutta ne ovat voimakkaampia vuoristo-ja laaksotuulia. Katabaattisia tuulia muodostuu korkean maa-alueen ylle, kuten ylätasangolle. Ylätasankoa ympäröivät yleensä lähes joka puolelta vuoret. Talvisin ylänkö kylmenee. Ylätasangon yläpuolella oleva ilma kylmenee ja vajoaa ylätasangolta alas vuoristossa olevien aukkojen kautta. Tuulen nopeus riippuu ilmanpaineen erosta ylängöllä ja ympäristössä. Katabaattisia tuulia muodostuu monien manneralueiden ylle. Erittäin kylmät katabaattiset tuulet puhaltavat Etelämantereen ja Grönlannin yllä.

Chinook-tuulet (Foehnin tuulet)

Chinook-tuulet (tai Foehnin tuulet) kehittyvät, kun ilmaa pakotetaan vuorijonon ylle. Näin tapahtuu esimerkiksi silloin, kun länsituulet tuovat ilmaa Tyyneltämereltä Sierra Nevadan vuoriston yli Kaliforniaan. Kun suhteellisen lämmin, kostea ilma nousee vuorten tuulenpuoleiselle puolelle, se jäähtyy ja supistuu. Jos ilma on kosteaa, se voi muodostaa pilviä ja pudottaa vettä tai lunta. Kun ilma vajoaa vuorten leeward-puolelle, se muodostaa korkeapaineen vyöhykkeen. Vuorijonon tuulenpuoleinen puoli on se puoli, joka vastaanottaa Tuulen; leeward-puoli on se puoli, johon ilma vajoaa.

laskeva ilma lämmittää ja luo voimakkaita, kuivia tuulia. Chinook-tuulet voivat nostaa tunnissa yli 20°C: n (36°F) lämpötilan ja ne vähentävät nopeasti kosteutta. Lumi leeward puolella vuori katoaa sulaa nopeasti. Jos sademäärä laskee, kun ilma nousee vuorten ylle, ilma on kuivaa, kun se vajoaa leeward-kokoiseksi. Tämä kuiva, vajoava ilma aiheuttaa sadeilmiön (kuva alla), joka luo monia maailman aavikoita.

Santa Anan tuulet

Santa Anan tuulet syntyvät myöhään syksyllä ja talvella, kun Sierra Nevadan itäpuolella oleva suuri allas jäähtyy muodostaen korkeapaineen vyöhykkeen. Korkeapaineen voimat puhaltavat alamäkeen ja myötäpäivään (Corioliksen vuoksi). Ilmanpaine nousee, joten lämpötila nousee ja kosteus laskee. Tuulet puhaltavat lounaisten aavikoiden yli ja kiitävät sitten alamäkeen ja länteen kohti merta. Ilma pakotetaan San Gabriel-ja San Bernardino-vuoria halkovien kanjonien läpi (kuva alla).

Santa Anan tuulet saapuvat usein Kalifornian pitkän kesän kuivuuskauden päätteeksi. Kuumat ja kuivat tuulet kuivattavat maisemaa entisestään. Jos palo syttyy, se voi levitä nopeasti ja aiheuttaa laajamittaista tuhoa (kuva alla).

Aavikkotuulet

korkeat kesälämpötilat luovat aavikolle voimakkaita tuulia, jotka usein liittyvät monsuunimyrskyihin. Aavikon tuulet keräävät pölyä, koska siellä ei ole niin paljon kasvillisuutta, joka pidättelisi likaa ja hiekkaa. (Kuva alla). Ukkosmyrskyn eteen muodostuu syöksyvirtauksissa haboob.

Pölypaholaisia, joita kutsutaan myös pyörretuuliksi, muodostuu maan kuumentuessa niin, että sen yläpuolella oleva ilma kuumenee ja nousee. Matalapaineeseen virtaa ilmaa,joka alkaa pyöriä. Pölypaholaiset ovat pieniä ja lyhytikäisiä, mutta ne voivat aiheuttaa vahinkoa.

ilmakehän kierto

koska enemmän aurinkoenergiaa osuu päiväntasaajalle, ilma lämpenee ja muodostaa matalapainevyöhykkeen. Troposfäärin huipulla puolet liikkuu kohti pohjoisnapaa ja puolet Etelänapaa. Liikkuessaan troposfäärin huipulla se jäähtyy. Viileä ilma on tiheää ja korkeapaineen alueelle saavuttuaan se vajoaa maahan. Ilma imetään takaisin kohti Päiväntasaajan matalapainetta. Tämä kuvaa konvektiosoluja Päiväntasaajan Pohjois-ja eteläpuolella.

Jos maa ei pyörisi, pohjoisella pallonpuoliskolla olisi yksi konvektiokenno ja eteläisellä päiväntasaajalla nouseva ilma ja kullakin navalla vajoava ilma. Mutta koska planeetta pyörii, tilanne on monimutkaisempi. Planeetan pyöriminen tarkoittaa, että Coriolis-ilmiö on otettava huomioon. Coriolis-ilmiötä on kuvattu Earth ’ s Oceans-kappaleessa.

tarkastellaan ilmakehän kiertoa pohjoisella pallonpuoliskolla Coriolis-ilmiön seurauksena (kuva alla). Ilma nousee päiväntasaajalla, mutta liikkuessaan kohti napaa troposfäärin huipulla se kääntyy oikealle. (Muista, että se vain näyttää taipuvan oikealle, koska maa sen alla liikkuu.) Noin 30 ° N leveysasteella päiväntasaajalta tuleva ilma kohtaa korkeammilta leveysasteilta kohti päiväntasaajaa virtaavan ilman. Ilma on viileää, koska se on tullut korkeammilta leveysasteilta. Molemmat ilmaerät laskeutuvat, jolloin syntyy korkeapainevyöhyke. Maanpinnalle päästyään ilma palaa päiväntasaajalle. Tätä konvektiokennoa kutsutaan Hadleyn soluksi ja se esiintyy välillä 0° ja 30°N.

pohjoisella pallonpuoliskolla on vielä kaksi konvektiosolua. Ferrellin solu on välillä 30°N-50° n-60°N. tämä solu jakaa eteläisen, laskevan puolensa Hadleyn solun kanssa sen eteläpuolella. Sen pohjoinen nouseva raaja on yhteinen Napasolun kanssa, joka sijaitsee välillä 50°N-60°N ja pohjoisnavan välillä, jonne kylmä ilma laskeutuu.

eteläisellä pallonpuoliskolla on kolme peilikuvakiertosolua. Sillä pallonpuoliskolla Coriolis-ilmiö saa kappaleet näyttämään taipuvan vasemmalle.

globaalit Tuulivyöt

globaalit tuulet puhaltavat planeettaa ympäröivissä vöissä. Maapallon tuulivyöhykkeet ovat valtavat ja tuulet suhteellisen tasaisia (kuva alla). Nämä tuulet ovat seurausta ilman liikkeestä ilmakehän suurimpien kiertokennojen pohjalla, jossa ilma liikkuu vaakasuoraan korkeapaineesta matalapaineeseen.

globaalit Tuulivyöt

tarkastellaan globaaleja Tuulivöitä pohjoisella pallonpuoliskolla.

• Hadleyn soluilman pitäisi siirtyä pohjoisesta etelään, mutta Coriolis kääntää sen oikealle. Ilma siis puhaltaa koillisesta lounaaseen. Tämä vyö on pasaatituulet, niin sanottu, koska purjelaivojen aikaan ne olivat hyviä kaupankäynnissä.
• Ferrelin soluilman pitäisi siirtyä etelästä pohjoiseen, mutta todellisuudessa tuulet puhaltavat lounaasta. Vyö on Länsituuli tai Länsituuli. Miksi lento Yhdysvaltojen halki San Franciscosta New Yorkiin vie vähemmän aikaa kuin takamatka?
• Napasellissä tuulet kulkevat koillisesta ja niitä kutsutaan napaseuduiksi

tuulivyöhykkeet on nimetty niiden ilmansuuntien mukaan, joista tuulet tulevat. Esimerkiksi länsituulet puhaltavat lännestä itään. Nämä nimet sopivat myös eteläisen pallonpuoliskon tuulivyöhykkeiden tuulille.

tämä videoluento käsittelee ilmakehän kierron 3-soluista mallia ja siitä johtuvia globaaleja tuulivöitä ja pintatuulivirtauksia (5a): http://www.youtube.com/watch?v=HWFDKdxK75E (8:45).

globaalit tuulet ja sademäärät

sen lisäksi, että ne vaikuttavat maapallon tuulivyöhykkeisiin, kuuden ilmakehän kiertokulun synnyttämät korkea-ja matalapainealueet määrittävät yleisellä tavalla alueen saaman Sademäärän. Matalapaineen alueilla, joilla ilma nousee, sateet ovat yleisiä. Korkeapaineen alueilla vajoava ilma aiheuttaa haihtumista ja alue on yleensä kuiva. Tarkempia ilmastovaikutuksia kuvataan ilmastoa käsittelevässä luvussa.

Polaaririntama ja suihkuvirtaus

polaaririntama on Ferrellin ja Polaarisolujen yhtymäkohta. Tällä matalapainevyöhykkeellä Ferrellin solun suhteellisen lämmin, kostea ilma valuu suhteellisen kylmään, kuivaan Polaarisolun ilmaan. Sää, jossa nämä kaksi kohtaavat, on erittäin vaihteleva, tyypillinen suuressa osassa Pohjois-Amerikkaa ja Eurooppaa.

napasuihkuvirtaus esiintyy korkealla ilmakehässä, jossa kaksi solua yhtyvät. Suihkuvirta on nopeasti virtaava Ilmajoki troposfäärin ja stratosfäärin rajalla. Suihkuvirtauksia muodostuu silloin, kun kahden ilmamassan välillä on suuri lämpötilaero. Tämä selittää, miksi polaarinen suihkuvirtaus on maailman voimakkain (kuva alla).

Suihkuvirrat liikkuvat kausittain aivan kuten auringon kulma taivaalla liikkuu pohjoiseen ja etelään. Polaarinen suihkuvirtaus, joka tunnetaan nimellä ”suihkuvirtaus”, liikkuu talvella etelään ja kesällä pohjoiseen välillä noin 30°N ja 50° n ja 75°n välillä.

oppitunnin Yhteenveto

• tuulet puhaltavat korkeapainevyöhykkeiltä matalapainevyöhykkeille. Painevyöhykkeet syntyvät, kun lähellä maanpintaa oleva ilma muuttuu lämpimämmäksi tai kylmemmäksi kuin lähellä oleva ilma.
• paikallisia tuulia voi esiintyä vuoristolaaksossa tai rannikon läheisyydessä.
• globaalit tuulikuviot ovat pitkäkestoisia, tasaisia tuulia, jotka vallitsevat suuren osan maapalloa ympärillä.
• globaalien tuulivyöhykkeiden sijainnilla on suuri vaikutus alueen säähän ja ilmastoon.

Kertauskysymykset

1. piirtävät kuvan ilmakehässä olevasta konvektiokennosta. Merkitse matala-ja korkeapaineen alueet ja missä tuuli on.
2. millaisissa olosuhteissa tuulet tulevat olemaan hyvin voimakkaita?
3. ottaen huomioon, mitä tiedät maailmanlaajuisista konvektiosoluista, minne matkustaisit, jos sinua kiinnostaisi kokea lämmintä, runsasta sadetta?
4. kuvaile ilmakehän kiertoa kahdessa paikassa, joissa on todennäköisesti aavikoita, ja selitä, miksi nämä alueet ovat suhteellisen lämpimiä ja kuivia.
5. miten Intian monsuunien suuruusluokkaa voitiin pienentää? Miten näiden tärkeiden monsuunisateiden väheneminen vaikuttaisi tuohon osaan maailmaa?
6. miksi nimi ”lumensyöjä” on osuva kuvaus Chinookin tuulista?
7. miksi Coriolis-ilmiö saa ilman näyttämään liikkuvan myötäpäivään pohjoisella pallonpuoliskolla? Milloin Coriolis-ilmiö saa ilman näyttämään liikkuvan vastapäivään?
8. merimiehet viittasivat aikoinaan osaan valtamerestä doldrumeina. Tämä on alue, jossa ei usein tuule, joten Laivat tulisivat becalm päivien tai jopa viikkojen ajan. Missä arvelet lamaannuksen olevan suhteessa ilmakehän kiertosoluihin?
9. Kuvittele, että suihkuvirtaus sijoittuu kesäksi tavallista etelämmäksi. Millainen sää on aivan suihkuvirtauksen pohjoispuolella sijaitsevilla alueilla normaaliin kesään verrattuna?
10. anna yleinen kuvaus siitä, miten tuulet muodostuvat.

Further Reading/Supplemental Links

• High and Low Pressure Systems animations, Bureau of Meteorology, Australian hallitus http://www.bom.gov.au/lam/Students_Teachers/pressure.shtml

Points to Consider

• miten paikalliset tuulet vaikuttavat alueen säähän?
• miten globaalit tuulivyöt vaikuttavat alueen ilmastoon?
• mitkä ovat ne pääperiaatteet, jotka ohjaavat ilmakehän kiertoa?