Ilmakehän rajakerros

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. 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).

Ilmavirtaus rajakerroksessa on aina turbulenttinen, eli se koostuu kaoottisista kolmiulotteisista pyörteistä, lukuun ottamatta alinta millimetriä maanpinnan lähellä, missä virtaus on laminaarinen. Turbulenssi kuljettaa erittäin tehokkaasti liikemäärää, vesihöyryä ja lämpöä pystysuunnassa. Tällaisen 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.

Rakenne

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.

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.

Päivällä syntynyt konvektiivinen hyvin sekoittunut kerros ei välttämättä muutu kokonaan stabiiliksi yön aikana, vaan Ekman-kerroksen yläosiin jää ns. vanha sekoituskerros (residuaalikerros eli jäännöskerros). Vanha sekoituskerros voi säilyä jopa seuraavaan päivään. Residuuaalikerroksessa turbulenssi on heikompaa kuin hyvin sekoittuneessa kerroksessa. Pintakerros on päivällä konvektiivinen ja ulottuu korkeammalle, öisin kerros on matalampi ja stabiili. Myös Ekman-kerroksen syvyys pienenee kerroksen muuttuessa aurinkoisen päivän hyvin sekoittuneesta kerroksesta yön residuaalikerrokseksi. Inversiokerros erottaa rajakerroksen vapaasta ilmakehästä öisin, päivisin sekoituskerros. Sekoituskerroksessa vapaan ilmakehän ilmaa sekoittuu alapuolella olevaan turbulenttisempaan rajakerroksen ilmaan.

Sisäisen rajakerroksen rakenne ilmakehän rajakerroksessa. Ilmavirtaus on vasemmalta oikealle ja metsän ja pellon välille syntyy sisäinen rajakerros, joka kasvaa myötävirtaan.

Rajakerroksen sisältä voidaan eri alustojen rajapinnoilta tuulen suunnasta riippuen erottaa myös niin sanottu sisäinen rajakerros. Sisäinen rajakerros muodostuu kahden erityyppisen alustan (rosoisuus, lämpötila tai ilmankosteus muuttuu) rajapinnalle ilmavirran kulkiessa rajapinnan ylitse. Tyypillinen esimerkki kahden alustan rajapinnasta on metsän ja peltoaukean raja, jossa alustan rosoisuus muuttuu selvästi. Sisäisen rajakerroksen korkeus kasvaa rajapinnasta ilmavirran suuntaan ja sen sisällä virtaus on asettunut uuden alustan kanssa tasapainoon. Sisäisen rajakerroksen yläpuolella virtauksessa vallitsee vanhan alustan vaikutus.

Turbulenttisuus

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

Reynoldsin luku kertoo turbulenttisuudesta viskoosisuuden kautta.

Turbulenssin voimakkuus on suoraan verrannollinen turbulenttiseen kineettiseen energiaan.

Ilmakehäyhtälöt ja rajakerroksen mallintaminen

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 $q$ .

${\frac {\partial {\overline {u}}}{\partial t}}=-{\frac {1}{\overline {\rho _{0}}}}{\frac {\partial {\overline {p}}}{\partial x}}+f{\overline {v}}-{\frac {\partial {\overline {u^{\prime }w^{\prime }}}}{\partial z}}$

${\frac {\partial {\overline {v}}}{\partial t}}=-{\frac {1}{\overline {\rho _{0}}}}{\frac {\partial {\overline {p}}}{\partial y}}-f{\overline {u}}-{\frac {\partial {\overline {v^{\prime }w^{\prime }}}}{\partial z}}$

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

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

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

Rajakerroksessa esiintyvät ilmiöt

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

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.

Aiheesta muualla

• Suomen tuuliatlas: Rajakerros (Arkistoitu – Internet Archive)
• Stull, Roland B.: An Introduction to Boundary Layer Meteorology, s. 181. Kluwer Academic Publishers, 1988. ISBN 90-277-2768-6.
• Kurssit Helsingin yliopistolla, Fysiikan laitoksella: Rajakerroksen fysiikka 1 ja 2 (Arkistoitu – Internet Archive)