Pilvet vaikuttavat ilmastoon toisaalta viilentävästi, koska ne heijastavat auringonvaloa takaisin avaruuteen, mutta toisaalta myös lämmittävästi pidättäessään maapallon pinnalta tulevaa lämpösäteilyä.
Suurimmalla osalla eri pilvityypeistä nettovaikutus on jäähdyttävä, mutta ohuet yläpilvet, eli cirruspilvet, lämmittävät ilmastoa enemmän kuin viilentävät. Lämmitysvaikutuksen suuruus on kuitenkin epäselvä, kuten on myös ihmisperäisten pienhiukkaspäästöjen vaikutus cirruspilvien ominaisuuksiin.
Cirruspilviä esiintyy pääasiassa 6 – 20 kilometrin korkeuksilla, alle -30 celsiusasteen lämpötiloissa. Niiden paksuus vaihtelee sadasta metristä kilometreihin, ja ne peittävät 20 – 25 % maapallon pinta-alasta, tropiikissa jopa 70 %. Cirruspilvet koostuvat 0,01 – 2 mm kokoisista jääkiteistä. Yli 0,1 mm kokoiset kiteet valuvat gravitaation johdosta alaspäin, mikä vaikuttaa cirruspilvien ulkonäköön (latinan sana cirrus tarkoittaa hiuskiehkuraa). Jääkiteitä cirruspilvissä on keskimäärin 30 kappaletta ilmalitraa kohti, mutta määrä vaihtelee valtavasti, välillä 0,0001 – 10 000 per litra. Pilvet, joissa jääkidepitoisuus on alhainen, ovat ihmissilmälle näkymättömiä, mutta pilviä havainnoivat satelliitti-instrumentit näkevät ne.
Cirruspilvien ilmastovaikutukset riippuvat jääkiteiden pitoisuudesta, koosta, muodosta sekä pilvien paksuudesta. Pääsääntönä voi sanoa, että yksittäisellä pilvellä jäähdytysvaikutus on lämmitysvaikutusta suurempi ainoastaan silloin, kun jääkiteet ovat hyvin pieniä. Kidekoko määräytyy pilven syntymekanismin mukaan, mihin vaikuttavat pilven syntyolosuhteet – lämpötila ja kosteus – sekä ilmassa olevien aerosolihiukkasten määrä ja laatu. Tämän ymmärtämiseksi kerrataan hieman pilvien syntyyn liittyvää termodynamiikkaa.
Alailmakehän vesipilvet ja sumut muodostuvat kun ilma jäähtyy kastepisteeseen, jolloin ilman suhteellinen kosteus on noussut sataan prosenttiin. Vastaavasti voisi ajatella, että jääpilvet syntyvät nollan celsiusasteen alapuolella, kun ilma jäähtyy härmistymispisteeseen, jolloin ilman suhteellinen kosteus jään suhteen on sata prosenttia. Näin ei kuitenkaan ole; lämpötilan pitää useimmiten pudota reilusti alle härmistymispisteen ennen kuin cirruspilvi syntyy. Joissain tapauksissa suhteellinen kosteus jään suhteen voi nousta jopa 170 prosenttiin.
Jääkiteiden synnyn laukaisee niin kutsuttu jäänukleaatio, ilmiö, joka voi tapahtua usealla eri tavalla (Kuva 1). Niin kutsuttu homogeeninen nukleaatio tapahtuu, kun ilmassa leijuva alijäähtynyt liuospisara jäätyy. Tyypillisiä ilmakehän liuospisaroita, myös cirruspilvien korkeuksilla esiintyviä, ovat sulfaatti- ja merisuolahiukkaset, jotka imevät itseensä vettä riittävän korkeassa kosteudessa. Kyseiset liuospisarat ovat aerosoleja, joiden koko on pääsääntöisesti alle millimetrin tuhannesosan. Homogeeninen nukleaatio tapahtuu -40 celsiusasteen lämpötilassa suhteellisen kosteuden (jään suhteen) ollessa 150 %, kun taas -90 asteen lämpötilassa vaaditaan 170 % suhteellinen kosteus.
Jos ilmassa leijuva liuospisara sisältää kiinteän hiukkasen – esimerkiksi sopivan mineraalipölyhidun, jonka pinnalta jääkide voi alkaa kasvaa, tapahtuu niin kutsuttu immersiojäätyminen. Tämä jäänukleaation muoto tapahtuu alhaisemmassa suhteellisessa kosteudessa kuin homogeeninen nukleaatio. Kuinka paljon alhaisemmassa, riippuu jääytimen tehokkuudesta, mikä vaihtelee mineraalilajista toiseen voimakkaasti. Mineraalien lisäksi jääytiminä voivat toimia esimerkiksi nokihiukkaset, lentotuhkat, eräät bakteerilajit sekä siitepölyt.
Kolmas cirruspilvien kannalta merkittävä jäänukleaatiomuoto on depositionukleaatio, jossa jääkide syntyy vesihöyryn härmistyessä suoraan jääytimen pinnalle, Tämä vaatii sen, että jääydin ei ole liuospisaran sisällä, vaan leijuu ilmassa sellaisenaan. Laboratoriokokeissa on havaittu depositionukleaation olevan tehokkaampaa kuin immersiojäätymisen, eli tietty jääydinlaji aiheuttaa jäänukleaation alhaisemmassa suhteellisessa kosteudessa leijuessaan ilmassa sellaisenaan verrattuna tilanteeseen, jossa se on liuospisaran sisällä.
Syntyvän cirruspilven ominaisuuksien kannalta on merkittävää tapahtuuko jääkiteiden muodostuminen homogeenisen nukleaation kautta vai jääytimien laukaisemana. Ilmassa on yleensä paljon enemmän liuospisaroita kuin tehokkaita jääytimiä, olivat ne sitten pisaroiden sisällä tai eivät. Homogeenisen nukleaation tapahtuessa syntyy yleensä pilvi, jossa jääkiteitä on hyvin suuressa pitoisuudessa. Tällöin ilmassa oleva, jääkiteisiin tiivistyvä vesihöyry jakaantuu suureen määrään kiteitä, ja kiteiden koko jää pieneksi. Tällainen cirruspilvi heijastaa auringonvaloa suhteellisen tehokkaasti avaruuteen, ja sen jäähdytysvaikutus saattaa ylittää lämmitysvaikutuksen. Jos jääkiteiden synnyn puolestaan laukaisee alhaisessa pitoisuudessa oleva joukko tehokkaita jääytimiä, jääkiteet voivat kasvaa suuriksi, ja syntyvän pilven ilmastovaikutus on lämmittävä.
Ilmastomallinnuksen kannalta cirruspilvet ovat hankala pilvityyppi. On vain hyvin vähän havaintotietoa siitä, minkälaisia jääytimiä cirruspilvien korkeuksilla esiintyy eri puolilla maapalloa, missä pitoisuuksissa, ja ovatko ne pääasiassa liuospisaroissa vai sellaisenaan. Tästä syystä ilmastomallien tulokset niin cirruspilvien lämmittävästä vaikutuksesta kuin myös siitä, paljonko ihmisperäiset aerosolipäästöt sitä muokkaavat, vaihtelevat suuresti. Myös jäänukleaatiomekanismien – erityisesti jääytimien kautta tapahtuvien – ymmärrys on sangen puutteellista. Ilmatieteen laitos johtaa Suomen Akatemian rahoittamaa projektia, jossa tutkitaan laboratoriomittauksin erilaisten jääydinten depositionukleaatiotehokkuutta. Projektissa on havaittu, että monilla jääytimillä depositionukleaatio on tehokkainta tietyssä lämpötilassa (usein noin -50 celsiusasteen kieppeillä) ja vähemmän tehokasta lämpimämmässä tai kylmemmässä lämpötilassa. Tämä itse asiassa viittaa siihen, että depositionukleaatio koostuisi kahdesta eri mekanismista, joista ”lämpimämmässä” saattaisi olla kyse jääytimien pinnalle tiivistyneiden pisaroiden jäätymisestä ja ”kylmemmässä” höyryn tiivistymisestä suoraan jääkiteiksi. Onko näin, siitä saadaan toivottavasti lisätietoa lähivuosina infrapunaspektroskopian keinoin.
Teksti: Ari Laaksonen
Kuva: Eija Vallinheimo
Lähdeviite
DOI: 10.35614/ISSN-2341-6408-IK-2020-08-02
