SUIHKUVIRTAUKSESTA SULKUKORKEAPAINEESEEN

Laura Rontu 1.9.2010 (päivitetty 4.9.2010)

Johtuivatko Venäjän palot ja Pakistanin tulvat suihkuvirtauksen seisahtelusta (Helsingin Sanomat) tai tukkeutumisesta (Yleisradio)? Onko tämä kaikki nyt sitä ilmaston muutosta? Ilmakehässä kaikki liittyy kaikkeen - suihkuvirtauksella, ilmakehän aalloilla ja sulkukorkeapaineella on yhteys. Laajat sääjärjestelmät liikkuvat, muuttavat muotoaan ja vaikuttavat toisiinsa koko maapallon mitassa ja maanpinnalta ilmakehän ylärajoille. Suihkuvirtaukset eivät pysähtele eivätkä tukkeudu, ilmakehän liike ei koskaan lakkaa vaikka suvantokohtia olisikin. Kyllä, tämänkesäiset Suomen helteet ja myrskyt, Venäjän palot ja Pakistanin tulvat liittyvät yhteen ja ilmastonmuutos kuuluu kuvaan. Yhteydet ovat silti mutkikkaampia kuin puolen sivun uutisissa ja kommenteissa esitettiin.

Syntipukkia etsimässä

Elokuun toisella viikolla 2010 tunnetut kansainväliset aikakauslehdet "The Economist" ja "New Scientist" julkaisivat kumpikin oman artikkelinsa Pakistanin tulvien ja Venäjän metsäpalojen yhteyksistä. Suomessa Helsingin Sanomat ja Yleisradio kiirehtivät laatimaan tiivistelmänsä "New Scientistin" artikkelista. Suomen tietotoimisto nojautui uutisessaan The Economistiin. Ilmatieteen laitoksen tutkijatkin pääsivät vaikuttamaan STT:n uutiseen sekä kertomaan mielipiteitään Ylen areenoilla.

Toimittajat kysyivät: aiheuttiko suihkuvirtauksen seisahtuminen sekä Suomen helteet että Pakistanin tulvat ja Venäjän palot? Ja vastasivat, Economistin ja New Scientistin haastateltaviin vedoten, että näin asia näytti olevan. Sitten marssitettiin paikalle uusia määritelmiä ja käsitteitä: suihkuvirtauksen lisäksi esiteltiin Rossbyn aallot ja sulkukorkeapaine, monsuunikin mainittiin. Lopuksi pohdiskeltiin onko tämä kaikki nyt sitä ilmastonmuutosta.

Suomen viestimet tarttuivat rohkeasti ilmakehän dynamiikan teoriaan ja onnistuivat hiukan sotkemaan sitä. Teorian ymmärtäminen vaatii aika tavalla taustatietoa. Yritän seuraavassa kertoa muutamista peruskäsitteistä ja niiden kehityksestä. Tarkoituksena on auttaa hahmottamaan miten loputtomassa liikkeessä ja muutoksessa olevaa ilmakehää tutkitaan, miten voitaisiin ymmärtää vuorovaikutuksia joissa kaikki vaikuttaa kaikkeen koko maapallon mitassa ja maanpinnalta korkealle yläilmoihin.

Erik Palmen ja suihkuvirtaus

1940-luvun lopulla pohjoisen pallonpuoliskon ilmakehässä alettiin tehdä säännöllisiä luotaushavaintoja. Suuret ilmapallot nostavat luotaimet toistakymmentä kilometriä maanpinnan yläpuolelle. Matkan varrella ne mittaavat lämpötilan, tuulen, kosteuden ja ilmanpaineen pystyjakaumaa. Luotaukset toivat valtavasti uutta tietoa ilmakehän virtauksista ja kolmiulotteisesta rakenteesta. Enää ei tarvinnut rajoittua maanpinnan läheisen kerroksen sään havainnointiin.

Huomattava ruotsalainen ilmakehän tutkija Carl Gustav Rossby (linkki englanninkieliseen Wikipediaan) vaikutti näihin aikoihin Chicagossa. Rossby kutsui suomalaisen ilmakehätutkijan, tulevan yliopistoprofessorin ja akateemikon Erik Palmenin työvierailulle tutkimusryhmäänsä. Sittemmin Chicagon yliopistoon asettunut Erik Palmen tutki ilmakehän havaittua rakennetta laatimalla siitä poikkileikkauksia (kuva lainattu C.W. Newtonin artikkelista "Erik Palmen: Synthesizer of the Atmospheric General Circulation" sivulta 284).

Pohjoisen pallonpuoliskon ilmakehässä vallitsee tyypillisesti länsivirtaus, jossa tuulet puhaltavat lännestä itään. Poikkileikkauksissa näkyi noin kymmenen kilometrin korkeudessa kovan tuulen nauhoja tai putkia, joissa tuulen nopeus oli usein yli 50 metriä sekunnissa. Ne liittyivät norjalaisen koulukunnan meteorologien jo vuosisadan alussa löytämään polaaririntamaan, pohjois-eteläsuuntaisen lämpötilaeron vyöhykkeeseen polaarisen ja keskileveysasteiden ilmamassan rajalla, jossa matalapaineet pilvineen ja sateineen syntyvät ja liikkuvat. Erik Palmen ja hänen Chicagon koulukunnan tutkijatoverinsa ryhtyivät kutsumaan kovan tuulen nauhoja suihkuvirtauksiksi.

Suihkuvirtaukset osoittautuivat tärkeäksi osaksi ilmakehän suurimittaisten virtausten kolmiulotteista dynamiikkaa. Polaarisen suihkuvirtauksen lisäksi havaitaan heikommat arktinen ja subtrooppinen suihkuvirtaus, nekin ilmamassojen rajalla. Suihkuvirtaukset mutkittelevat enimmäkseen lännestä itään, mutta voivat paikoin kääntyä kulkemaan poikki leveyspiirien.

Carl Gustav Rossby ja pyörreyhtälö

Kymmenisen vuotta ennen kuin Erik Palmen tutki Chicagossa suihkuvirtauksia, Rossby oli johtanut pyörreyhtälön ja tarkastellut sen ratkaisuja. Ilmakehän suurimittaista liikettä kuvaavat liikeyhtälöt perustuvat klassisen virtausmekaniikan teoriaan. Yhtälöt sitovat yhteen tuulen ja ilmanpaineen pyörivän maapallon ilmakehässä. Ensimmäisenä ilmakehän tilaa kokoavat yhtälöt kokosi yhteen nykyaikaisen meteorologian isä, norjalainen Vilhelm Bjerknes kirjoituksessaan Meteorologische Zeitschrift - lehdessä vuonna 1904. Bjerknesin kirjoitus loi pohjan, jonka perustalta 1920-luvulla englantilainen Lewis Fry Richardson ja myöhemmin 1950-luvulla amerikkalainen Jule Charney kolleegoineen rakensivat ja toteuttivat ensimmäiset numeeriset sääennustusmallit. (Englanninkielentaitoiset löytävät edellä viitattujen wiki-sivujen lisäksi erinomaista aineistoa ilmakehämallien kehityksestä Dublinin yliopiston professori Peter Lynchin kotisivulta.)

Liikeyhtälöiden ratkaisu ei onnistu kynällä ja paperilla. Siksi Rossby lähti 1930-luvulla yksinkertaistamaan niitä. Pelkistetyimmässä muodossaan yhtälöt kutistuvat pyörreyhtälöksi, joka kertoo että pyörivällä maapallolla maapallon pyörimiseen ja ilmavirtaukseen liittyvän pyörteisyyden summa pysyy vakiona. Tämä pyörreyhtälö voidaan ratkaista ja tulokseksi saadaan Rossbyn aaltoja (viite on englanninkieliseen Wikipediaan), ilmakehän pitkiä planetaarisia aaltoja. Aallonpituudesta riippuen ne voivat ilmakehässä edetä itään, pysyä paikallaan tai peruuttaa länteen päin. Ne nousevat hitaasti myös pystysuunnassa maanpinnalta yläilmakehään.

Havaitaanko ilmakehässä Rossbyn aaltoja vai ovatko ne vain teoreettinen rakennelma? Ilmakehä on täynnä aaltoja: pienimmät aallonpituudeltaan metrien, suurimmat tuhansien kilometrien kokoisia. Aaltoja syntyy monella tavalla, vaikkapa ilmavirtauksen ylittäessä vuoristoja tai matalapaineiden ja kuuropilvien kehittyessä ja liikkuessa. Ilmakehän aallot liikkuvat, muuttuvat toisikseen ja särkyvät pyörteksi, syntyvät ja häviävät samaan tapaan kuin meren aallot tai kosken pyörteet. "Puhtaita" aaltoja ei olekaan, mutta matemaattisin menetelmin aaltoliike voidaan jakaa erikokoisiin osiin, joiden syntyä ja ominaisuuksia hallitsevat erilaiset fysikaaliset tekijät. Eri säätilanteissa erilaiset aallot voivat vaikuttaa virtaukseen enemmän tai vähemmän.

Ilmakehän (ja valtameren) Rossbyn aaltojen synty liittyy maapallon pyörimiseen ja pallomaisuuteen. Puhtaimmillaan näitä aaltoja voidaan havaita suihkuvirtauksen tasolla ylhäällä ilmakehässä. Ilmakehän virtaus seuraa ilmanpaineen jakaumaa kaartaen korkeapaineen selänteet pohjoispuolelta (myötäpäivään) ja matalapaineen solat eteläpuolelta (vastapäivään). Rossbyn aaltoja voidaan nähdä juuri ilmanpaineen jakaumasta, virtaviivoista. Näin myös suihkuvirtauksen mutkittelu voidaan liittää Rossbyn aaltoihin. Siten aallot liittyvät polaaririntamaan, liikkuviin matalapaineisiin ja myös vähemmän liikkuviin korkeapaineisiin. Näitä kaikkia havaitaan hiukan eri muodoissa ilmakehän kaikilla korkeuksilla maanpinnasta suihkuvirtausten tasolle.

Sulkukorkeapaine ja Erik Palmenin työn jatkajat

1970- ja 1980-luvuilla Helsingin yliopiston meteorologian laitoksella uurastettiin ilmakehän suurimittaisen virtauksen dynamiikan tutkimuksessa. Maailmanlaajuisia havaintotietoja analysoimalla haettiin lainmukaisuuksia ja yhteyksiä, jotka auttaisivat kuvaamaan ja ymmärtämään ilmavirtausten käyttäytymistä. Professori Eero Holopaisen tutkimusryhmä keskittyi liikkuvien matala- ja korkeapaineiden ja keskimääräisen virtauksen vuorovaikutuksiin. Professori Juhani Rinteen tutkimusryhmä etsi virtauksen tyypillisiä rakenteita - mm. sulkukorkeapaineita - uudenlaisen matemaattisen analyysin (empiiriset ortogonaalifunktiot) keinoin. Maestro Erik Palmen saapui joka päivä polttamaan sikarin ja keskustelemaan päivän sääkartoista sekä muista ajankohtaisista asioista.

Sulkukorkeapaineeksi (engl. blocking anticyclone) kutsutaan pitkäikäistä vahvaa ja laajaa korkeapainetta, joka ohjaa alempana ilmakehässä liikkuvat häiriöt ja ylempänä suihkuvirtauksen kulkemaan tavanomaisen länsivirtauksen sijasta paremminkin pohjois-eteläsuuntaan. Tällaiset korkeapaineet ovat ilmakehässä tavallisia ja usein niihin liittyy kaunis ja aurinkoinen sää. Sopivaan kohtaan asettuessaan sulkukorkeapaine voi kärjistää säätilaa laajalla alalla - kuivuutta, maastopaloja toisaalla, myrskyjä ja rankkasateita toisaalla. Kun tällainen korkeapaine kerran syntyy, siitä on vaikea päästä eroon.

Sulkukorkeapaineita on tutkittu paljon 1950-luvulta alkaen, ehkä erityisesti 1980-luvulla jolloin mm. englantilainen ilmakehätutkija Brian Hoskins ja Suomessa Helsingin yliopiston tutkijat olivat liikkeellä. Vuonna 1987 ilmestyi kirjoitus sulkukorkeapaineista (Holopainen ja Fortelius, 1987) ja niiden yhteydestä polaaririntaman liikkuviin matalapaineisiin. Tässä kirjoituksessa oli esimerkkinä talvinen sulkukorkea, joka sattuu näyttämään aika tavalla samanlaiselta kuin tämänkesäinen ennätyskorkeapaine (kuva lainattu artikkelin sivulta 1634). Tutkimuksessa käytettiin työkaluna muunnelmaa Rossbyn johtamasta pyörreyhtälöstä ja osoitettiin matemaattisen analyysin avulla, että korkeapaineen ympärillä liikkuvat matala- ja korkeapaineet pyrkivät vahvistamaan sitä. Mahdollisesti liikkuvia häiriöitä tarvitaan jo sulkukorkeapaineen syntyvaiheessa.

Suihkuvirtaus, sulkukorkeapaine, palot ja tulvat

Nyt päästään vihdoin alkuperäiseen kysymykseen: Onko Pakistanin tulvilla ja Venäjän metsäpaloilla yhteys? Johtuvatko tämän kesän poikkeussäät kasvihuoneilmiön voimistumisesta? Asian käsittely sujuu parhaiten seuraamalla Brian Hoskinsin "The Economistin" haastattelua (saman Brian Hoskinsin, joka 1980-luvulla tutki sulkukorkeapaineita ja kehitti ilmakehän virtausmuotojen teoriaa; henkilöviite englanninkieliseen Wikipediaan).

Professori Hoskins sanoo, että tänä vuonna Atlantin säähäiriöt ovat luoneet suotuisat olosuhteet suihkuvirtauksen poikkeamiseen vallitsevasta länsi-itä-suunnasta, virtauksen kääntymiseen poikki leveyspiirien. Matalapaineen sola vakiintui kesällä länsi- ja keski-Eurooppaan ja korkeapaineen selänne Venäjälle. Selänteen itäpuolella Aasiassa oli jälleen matalapaineen alueita.

Lähellä maanpintaa Venäjälle syntynyt sulkukorkeapaine vahvisti itseään. Korkeapaineen oloissa pilviä ja sateita ei kesällä helposti synny. Aurinko paahtaa pilvettömältä taivaalta ja kuivattaa maanpintaa, mikä edelleen haittaa sateiden syntymistä. Tuuleton ilma pitää tulipalojen savut maanpinnan lähellä, jossa noki ja pöly nielevät auringon säteilyä ja lämmittävät ilmaa entisestä paksummassa kerroksessa.

Venäjän sulkukorkeapaine heikensi suihkuvirtausta eteläpuolellaan. Lähempänä maanpintaa lämmintä ja kosteaa monsuuni-ilmaa pääsi virtaamaan tehokkaasti Intian valtamereltä Aasian mantereelle pitkin Pakistanissa vallinnutta matalapaineen solaa. Samaan aikaan pohjoisen puolelta sulkukorkeapaineen kiertänyt suihkuvirtauksen osa vei Pakistanin tienoilla kylmää ilmaa ylempään ilmakehään. Tavanomaisen ja vuoden 2010 heinäkuun tuulten jakaumaa noin viiden kilometrin korkeudessa esittää kuva (lainattu Kirsti Jylhän esityksestä).

Tilanne, jossa alhaalla on lämmintä ja kosteaa ja ylhäällä kylmää, on erityisen suotuisa kuurojen ja rankkasateiden syntymiseen. (Hiukan samantapainen tilanne vallitsi myös Suomessa heinäkuun lopussa kun helteet vaihtuivat Astan, Veeran ja Sylvin päivien myrskyiksi. Silloin Atlantilta virtasi kylmää ilmaa korkeapaineessa lämmenneen sekä metsistä ja vesistöistä kosteutta keränneen ilman yläpuolelle.) Tällä tavoin sulkukorkea ja suihkuvirtaus liittivät Venäjän ja Suomen helteet ja myrskyt Pakistanin tulviin.

Olisiko sulkukorkeapaine voinut syntyä ja suihkuvirtaus muuttaa suuntaansa vaikkapa sata vuotta sitten, jolloin kasvihuoneilmiö ei vielä lämmittänyt ilmakehää? Kyllä olisi, ja syntyikin, näitä on ilmakehässä ollut aina. Professori Hoskins ei usko että ilmastonmuutos muuttaisi dramaattisesti ilmakehän perusdynamiikkaa. Mahdollisesti ilmavirtaukset asettuvat tulevaisuudessa keskimäärin hiukan eri asemiin maapallolla. Sensijaan ilmastonmuutos vaikuttaa seurauksiin: viileämmässä maailmassa Venäjän korkeapaineen lämpöaalto olisi todennäköisesti ollut lievempi ja Pakistanin tulvat heikompia.

Syitä ja seurauksia kaaoksen keskellä?

Voiko suihkuvirtaus tukkeutua tai pysähtyä kuten Ylen uutinen tulkitsi "New Scientistin" englanninkielisen ilmaisun ("unusual holding pattern"). Pysäyttäisikö sen länteen päin peruuttava Rossbyn aalto? Vastaus on selvä: suihkuvirtaus ei pysähdy, vaikka se voi heikentyä jossain kohdassa, muuttaa suuntaa tai korkeutta. Ilmakehän liike ei ikinä lakkaa, vaikka sulkukorkeapaineen kaltaisia suvantokohtia toisinaan syntyisikin. Olisiko suihkuvirtauksen paikallinen muutos sulkukorkeapaineen syy ja Pakistanin tulva tai Suomen helle sulkukorkeapaineen syy? Ilmakehän virtauksen pilkkominen selkeisiin palikoihin, palikoiden asettelu lokeroihin ja lokeroiden välisten syiden ja seurausten etsintä taitaa olla yhtä helppoa kuin perunakattilan tai Kainuun koskien pyörteiden luokittelu. Maapallon ilmakehä ei tunne rajoja - pohjoisen ja etelän säät maanpinnalta yläilmakehään ovat yhteydessä, jatkuvassa liikkeessä ja muutoksessa. Voimme puhua vuorovaikutuksista, kuvata ja analysoida niitä, yrittää ymmärtää suurinpiirtein mitä tapahtuu nyt ja vuosien mittaan, mutta tuskin löydämme jokaiselle säätilalle omaa selkeää syytään, varsinkaan edellisestä säätilasta.

Ilmakehän liike on kaoottista, kuten Massachussetsin Teknisen Korkeakoulun (MIT) meteorologian professori Edward Lorenz (viite englanninkieliseen Wikipediaan) osoitti 1960- ja 1970-luvun uraauurtavissa tutkimuksissaan. Ilmakehällä on loputon määrä mahdollisia tasapainotiloja, joiden valinta riippuu sattumasta. Alkutilan pienet erot johtavat ajan kuluessa suuriin eroihin virtauksen käyttäytymisessä. Juuri siksi sään yksityiskohtien ennustaminen käy sitä hankalammaksi mitä pitemmäksi ajaksi sitä yritetään. Keskimääräisolojen muutosta voidaan kyllä käsitellä: emme osaa ennustaa vuoden 2090 joulusäätä, mutta ilmastomalli voi arvioida melko luotettavasti vaikkapa millainen lumipeite Pohjois-Euroopassa keskimäärin vuosisadan lopussa vallitsee tai miten yleisiä nykyiseen verraten ovat myrskyt, helteet ja tulvat jos kasvihuoneilmiön vahvistuminen lämmittää ilmakehää nykyvauhtia.

Bjerknesin, Richardson, Rossbyn, Charneyn, Palmenin, Lorenzin ja tuhansien muiden ilmakehän dynamiikan tutkijoiden työhön perustuvat ilmakehämallit sopivat sekä lähipäivien sään että tulevaisuuden ilmaston ennustamiseen. Nämä mallit pyrkivät jäljittelemään ilmakehän koko dynamiikkaa, kaikkia sen sisäisiä vuorovaikutuksia sekä yhteyksiä maanpinnan oloihin, ilmakehän koostumukseen, auringon säteilyn muutoksiin jne. Ne ratkovat virtausmekaniikan perusyhtälöitä pyörivän maapallon oloissa askel kerrallaan, edeten minuuttien tai tuntien askelin parin vuorokauden sääennusteeseen tai kymmenien vuosien ilmastoennusteeseen. Nykymallit eivät rajoitu Rossbyn johtamaan yksinkertaistettuun pyörreyhtälöön, vaan sisältävät Bjerknesin alkuperäisten yhtälöiden koko rikkauden. Mutta se onkin jo toinen tarina ...

Kiitokset neuvoista, aineistoista ja parannusehdotuksista Marja Bisterille Helsingin yliopistosta sekä Mikko Alestalolle, Ari-Juhani Punkalle, Kimmo Ruosteenojalle, Kirsti Jylhälle ja Sami Niemelälle Ilmatieteen laitoksesta.