FÜÜSIK SELGITAB ⟩ Kust tulevad pilved ja miks on rünkpilvede alumine äär sirge?

Rünkpilved. Pilt on illustreeriv Foto: Pixabay

Inimesed lendavad tänapäeval päris palju lennukitega ja on märganud, et pilved kipuvad altpoolt olema siledad – peaaegu nagu joonlauaga lõigatud, ülevalt aga kobrulised. Samas ei pea selle märkamiseks tingimata lennukiga lendama, seda näeb niisamagi taevasse vaadates. Miks see niimoodi on, selgitab Tallinna Tehnikaülikooli professor Jaan Kalda. 

Tõsi, mõnikord on see alumine sirge serv väga teravalt välja joonistunud, aga kui rünkpilved alles moodustuvad, siis ei saa sellest alumisest piirist veel väga hästi aru. Kui pilved on juba parajasti suurust kogunud, siis on selgemalt näha, kui siledad on need alt ja kui kobrulised ülevalt.

Et sellest teemast paremini aru saada, tuleb kõigepealt rääkida, kust pilved üldse tulevad. Muidugi, kui on pikemalt suvine ja kuiv olnud, niiskust ei ole, on ka taevas pilvitum. Kui aga on natuke niiskust, siis on niiskem ka maapind. Isegi kui maapind ei ole niiske, on tavaliselt läheduses järv vm veekogu. Niisiis muutub õhk, mis puutub vastu maapinda, niiskeks ja hakkab sisaldama veeauru. Suhteline niiskus kasvab ja ka õhk soojeneb. Nagu me teame, siis soe õhk on külmast õhust kergem, sest see paisub.

Õhk paisub ja üleüldse soojusega asjad paisuvad. Siinkohal võib tuua näite: kui teete mingit keedist või kuumutate mahla, panete selle purki ja jahutate maha, aga kui hakkate seda purki lahti tegema, käib «plaks». See plaks tulebki sellest, et enne oli õhk soe, võttis rohkem ruumi, veeauru oli ka seal rohkem. Nüüd see jahtub maha ja tõmbub kokku. Kui see kokku tõmbub, tahaks tihedus kasvada, aga seal ei ole õhku, ning seal tekib alarõhk. Siis käibki plaks.

Igatahes võtab soe õhk rohkem ruumi, on väiksema tihedusega, kerkib üles. Tekib üleslükkejõud – täpselt nii, nagu me vee peal ujume, siis oleme veest kergemad, kui kopsu õhku täis tõmbame. Kui õhk tõuseb üles, siis ta paisub. Miks ta paisub? Sellepärast, et üleval on rõhk väiksem.

Soojusvahetus mängib rolli

Nagu kooliajast mäletame, võrdub vedelikusamba rõhk tihedus korda raskuskiirendus korda kõrgus. Ehk teisisõnu – kui sukeldute kümne meetri sügavusele, siis tekib üks terve atmosfäär. See surub teid päris tugevasti. Tegelikult on kümne meetri sügavusel natuke ohtlik sukelduda juba seetõttu, et rõhk läheb liiga suureks.

Õhuga on samamoodi nagu veega, ehkki see on hulga kergem. Vee tihedus on tuhat kilogrammi kuupmeetri kohta. Õhk on küll umbes 800 korda kergem, tihedus on umbes 1,3 kilogrammi, seetõttu on märgatava rõhumuutuse jaoks vaja suuremaid kõrgusi, nt annab kilomeetripaksune õhusammas umbes 0,13 atmosfääri.

Kui nüüd õhk kerkib kõrgemale, peab ta õhurõhu vähenemise tõttu paisuma. Ja nüüd tuleb mängu selline oluline asi nagu adiabaatiline protsess, mille puhul ei toimu soojusvahetust ümbritseva keskkonnaga. Kaks näidet: kui jalgratast pumbata, siis pumba ots läheb kuumaks. Põhjus on selles, et teeme pumbaga õhku kokku surudes tööd. Kui see protsess on piisavalt kiire, siis soojusvahetust ei jõua toimuda ning pumpamisel tehtud töö ei saa energia jäävuse tõttu minna kuhugi mujale kui õhu siseenergia kasvatamisele – st õhus sisalduv soojushulk kasvab. Soojuse kasv tähendab ka temperatuuri kasvu.

Ja teine näide: kui keerate gaasiballooni ventiili lahti, siis gaasiballoon läheb külmaks, sest siin toimub vastassuunaline protsess: väljuva gaasi rõhk alaneb, gaas paisub ning teeb selle käigus oma soojuse arvelt tööd. Ja nüüd on meil sellised protsessid atmosfääris liikuva õhuga – õhk kerkib ja paisub, aga soojust seejuures juurde ei saa ega ära ei anna, sest õhu kerkimine on palju kiirem kui aeg, mis oleks vaja temperatuuride ühtlustumiseks.

Seda seepärast, et õhumassid on väga suured ja mida suuremad on vahemaad, seda aeglasemalt kandub edasi soojus. Paksu lihatüki grillimine võtab seetõttu ka hulga rohkem aega kui õhukese lihaviilu kuumutamine. Niisiis toimub langeva õhuga samasugune adiabaatiline protsess, nagu pumbas selle kokku surumisel – õhu temperatuur kasvab. Õhu kerkimisel on adiabaatilise protsessi suund vastupidine – temperatuur langeb.

See on sarnane põhjus, miks mägedes on külm. Iga saja meetriga mägedes temperatuur langeb peaaegu täpselt ühe kraadi võrra selle adiabaatilise protsessi tõttu. Näiteks kui õhk liigub mööda mäge üles, siis ta läheb kõrgematesse kihtidesse, rõhk väheneb, paisub, jahtub. Olukorra kirjeldamiseks kasutatakse sellist mõistet, nagu adiabaatiline atmosfäär.

See on selline atmosfäär, kus päike soojendab maapinda, õhk on kogu aeg üles-alla liikumises. Selgub, et sellises adiabaatilises atmosfääris temperatuur langeb täpselt lineaarselt; antud tulemuse tuletamine nõuaks juba veidi keerulisemat matemaatikat, jätame selle praegu kõrvale. Üks kraad saja meetri kohta kehtib enam-vähem piiramatult seni, kuni temperatuur läheb juba nii madalaks, et enam madalamaks minna ei saa. Vastavalt lineaarse kahanemise seadusele peaks õhutemperatuur jõudma absoluutse nullini, st -273 ^oCni umbes 30 km kõrgusel. Reaalsuses lõpetab see seadus siiski kehtivuse ca 20 km kõrgusel, kust edasi algab troposfäär, sest suurematel kõrgustel ei ole õhk enam märkimisväärselt üles-alla liikumas.

Pilvede ja sauna ühine joon

Kui nüüd tulla tagasi pilvede ja nende kuju küsimuse juurde, siis, kui rõhk kerkib, langeb ta iga saja meetriga ühe kraadi võrra. Niiskuse hulk kerkides küll ei muutu, aga mängu tuleb selline asi, nagu kastepunkt.

Mis asi see on? Näiteks võtate mõne hea külma joogipudeli külmkapist ja tõstate tuppa, siis kattub see udukihiga – selle klaasi temperatuur on madalam kui kastepunkt. Kastepunkt ongi selline temperatuur, mille juures antud niiskusega õhust hakkab vesi välja kondenseeruma ja kus suhteline niiskus saab võrdseks saja protsendiga.

Õhk kerkib seal atmosfääris üles ja paisub. Kui temperatuur saab võrdseks kastepunktiga, siis vesi hakkab välja kondenseeruma ja see kondenseerub pisikestele tolmuteradele või mis iganes seal on, nii tekivad tillukesed udupilved ja see ongi see, mida me näeme.

Altpoolt on see pilv sile, sest õhk, mis kerkib, on suhteliselt hästi segunenud ja seal on igal pool enam-vähem sama niiskus. Temperatuur sõltub nüüd ainult kõrgusest – kui see kerkib mingile kõrgusele, on sellel mingi kindel temperatuur, ehk teisisõnu on kindel kõrgus, kuhu õhk peab kerkima, et temperatuur langeks allapoole kastepunkti, selleks et need piisakesed areneksid. Ja sellel kõrgusel ongi pilve alumine piir – ilus, nagu noaga lõigatud.

Kastepunkt puudutab ka saunateemasid. Näiteks see, millal inimene tunneb saunas palavust, ei sõltu ainult temperatuurist, vaid ka kastepunktist. Mida kõrgem on kastepunkt, seda subjektiivselt palavam tunne meil on – aga see on juba järgmine teema.

Pilvede ülemisel piiril on udupiisakesed, mis natuke kasvavad. Mida kõrgemale, seda suuremaks nad lähevad. Lähevad nad nii kõrgele, kui kõrgele turbulentne õhuvoolus neid kannab. Ühesõnaga, mis me pilve ülemisest osast näeme, on sellised õhukeerised – kui kõrgele need õhupiisku kannavad. Mida rohkem päike soojendab, seda kõrgemale need kerkivad, seda suuremad pilved tekivad.