Ilmakehän rajakerros

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Ilmakehän rajakerros, joka tunnetaan myös nimillä planetaarinen rajakerros tai pelkästään rajakerros, on rajakerros ilmakehässä troposfäärin alaosassa, jossa alla oleva maa- tai vesipinta vaikuttaa ilmakehään voimakkaimmin. Rajakerroksen paksuus vaihtelee paikan, vuoden- ja vuorokaudenajan sekä säätilanteen mukaan. Yhden määritelmän mukaan rajakerrokseen kuuluu kaikki ilma, joka on ollut kosketuksissa maanpinnan kanssa viimeisen vuorokauden aikana[1]. Toisen määritelmän mukaan rajakerros on se osa troposfääriä, johon maan pinnan ominaisuudet suoraan vaikuttavat ja joka reagoi pinnan pakotteiden muutoksiin korkeintaan noin tunnin viiveellä (poikkeuksena yöllinen residuaalikerros).[2]

Ilmavirtaus rajakerroksessa on aina turbulenttinen, eli se koostuu kaoottisista kolmiuloitteisista pyörteistä, lukuunottamatta alinta millimetriä maanpinnan lähellä, missä virtaus on laminaarinen. Turbulenssi kuljettaa erittäin tehokkaasti liikemäärää, vesihöyryä ja lämpöä pystysuunnassa. Tälläisen pystysuuntaisen kuljetuksen nimi on turbulenttinen vuo. Rajakerroksen yläpuolella on vapaa ilmakehä, jossa vallitsee geostrofinen tuuli ja virtaus on vain ajoittaisesti turbulenttista. Ilmakehän rajakerros on siis ikään kuin vapaan ilmakehän ja maanpinnan välinen puskuri.[2]

Rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ilmakehän rajakerroksen rakenne. Kuva ei ole mittakaavassa.

Rajakerroksen alinta osaa, yleensä noin kymmenesosaa sen paksuudesta, kutsutaan pintakerrokseksi, missä tuulen pystyprofiili noudattaa logaritmista tuulilakia ja Moninin–Obuhovin samanlaisuusteoria pätee. Pintakerroksen yläpuolella kitkan vähitellen laimeneva vaikutus saa aikaan Ekmanin spiraalin (ks. myös Ekman-Taylor-spiraali), jossa tuuli muuttuu voimakkaasti korkeuden mukaan: voimistuu ja kääntyy pohjoisella pallonpuoliskolla myötäpäivään, eteläisellä vastapäivään.[3]

Ilmakehän rajakerroksen rakenteen vuorokausisykli manneralueella selkeänä kesäpäivänä.

Kesällä manneralueilla rajakerroksen paksuudella on poutasäällä selvä vuorokausivaihtelu: päiväsaikaan auringon lämmityksen aikaansaama konvektio ja turbulenssi sekoittavat ilmaa, ja hyvin sekoittunut ilmakerros kasvaa parin kilometrin paksuiseksi, kun taas yöllä muodostuu säteilyjäähtymisen takia pintainversio. Inversion korkeus on tällöin sama kuin rajakerroksen paksuus.[4] [2]

Turbulenttisuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Richardsonin luku kertoo stabiilisuuden kautta, onko ilmakehän rajakerros turbulenttinen vai ei. Pintakerroksessa stabiilisuutta kuvataan myös stabiilisuusindeksillä \zeta.

Reynoldsin luku kertoo turbulenttisuudesta viskoosisuuden kautta.

Ilmakehäyhtälöt ja rajakerroksen mallintaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Rajakerroksen tilan kehittymistä ajassa voidaan kuvata ilmakehäyhtälöillä, jotka ovat numeerisen rajakerrosmallin perusta. Seuraavassa on ilmakehäyhtälöt tuulen komponenteille u ja v (voidaan johtaa Navier-Stokes-yhtälöistä) sekä lämpötilalle T ja kosteudelle q [5].

\frac{\partial \overline{u}}{\partial t}= -\frac{1}{\overline{\rho_0}}\frac{\partial\overline{p}}{\partial x}+f\overline{v}-\frac{\partial\overline{u^\prime w^\prime}}{\partial z}

\frac{\partial \overline{v}}{\partial t}= -\frac{1}{\overline{\rho_0}}\frac{\partial\overline{p}}{\partial y}-f\overline{u}-\frac{\partial\overline{v^\prime w^\prime}}{\partial z}

\frac{\partial \overline{T}}{\partial t}=\overline{S_\theta}\qquad\qquad
-\frac{\partial\overline{\theta^\prime w^\prime}}{\partial z}

\frac{\partial \overline{q}}{\partial t}=\overline{S_q}\qquad\qquad -\frac{\partial\overline{q^\prime w^\prime}}{\partial z}

Yhtälöryhmä ei ole ratkaistavissa, koska vuotermejä (esim. \overline{u^\prime w^\prime}) ei tunneta. Tätä ongelmaa kutsutaan sulkemisongelmaksi.

Rajakerroksessa esiintyvät ilmiöt[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sumu ja sumupilvi ovat tyypillisiä rajakerrokseen rajoittuvia sääilmiöitä. Rajakerroksen virtausilmiöitä ovat vuoristoaallot, hydraulinen hyppy, kaupunkivirtaus, rannikkokonvergenssi, merituuli, rinnetuulet sekä yöllisiä suihkuvirtauksia aiheuttava inertiaalioskillaatio. Rajakerroksen yläosissa pyörteilyä voivat aiheuttaa kirkkaan ilman turbulenssi ja top-down turbulenssi.

Ilmansaasteiden lähteet ovat suurilta osin ilmakehän rajakerroksessa, ja siten leviäminenkin tapahtuu pääosin rajakerroksessa. Saasteiden leviämistä voidaan ennustaa lähilaskeumamallien ja kaukokulkeutumismallien avulla.

Rajakerroksen havainnointi ja mittaustekniikat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ilmakehän rajakerrosta voidaan havainnoida in situ -mittauksilla (eli paikallisset mittaukset) tai kaukokartoitustekniikoilla. Mittauksissa havainnoidaan joko ilmakehän keskimääräistä käyttäytymistä (esim. 30 min keskiarvot) tai turbulenssia (<1 s). Tyypillisimpiä keskimääräistä käyttäytymistä kuvaavia in situ mittauksia ovat mastossa mitatut lämpötila- ja tuuliprofiilit sekä pinnan nettosäteily. Eniten käytetty turbulenssia havainnoiva in situ menetelmä on pyörrekovarianssi-tekniikka. Tyypillisiä kaukokartoitustekniikoita ovat eri menetelmät, joilla mitataan keskimääräis- tai turbulenssisuureiden pystyprofiileja, esimerkiksi lidar, sodar ja ceilometri. Sodar-laitteella voidaan lisäksi määrittää matalan (<400m) ja lidar-laitteella paksumman rajakerroksen korkeus. Seilometriä on perinteisesti käytetty paljon lentokentillä pilvien alarajan korkeuden määrittämiseen.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Karttunen, Hannu & Koistinen, Jarmo & Saltikoff, Elena & Manner, Olli: Ilmakehä, sää ja ilmasto, s. 72. Ursan julkaisuja 107. Helsingissä: Ursa, 2008. ISBN 978-952-5329-61-2.
  2. a b c Stull, Roland B.: An Introduction to Boundary Layer Meteorology, s. 666. Kluwer Academic Publishers, 1988. ISBN 90-277-2768-6.
  3. Ekman Spiral AMS Glossary of Meteorology. American meteorological Society
  4. atmospheric boundary layer AMS Glossary of Meteorology. American meteorological Society
  5. Holton, James R.: An Introduction to Dynamic Meteorology, s. 535. 4th edition. Elsevier Academic Press, 2004. ISBN 0-12-3540-16-X.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]