2.3. Lyhytkestoiset ilmaston vaihtelut: Pohjois-Atlantin heilahtelu ja El Nino Maapallolta tunnetaan joitakin lyhytkestoisia ja heilahduksenomaisia ilmaston vaihteluita. Näistä kuuluisimmat ovat eteläisellä Tyynellämerellä esiintyvä El Nino ja Pohjois-Atlantilla vaikuttava NAO. Kumpikin ilmiö vaikuttaa lähellä olevien maanosien sääoloihin parhaimmillaan sen verran pitkäaikaisesti, että on oikeutettua nimittää niitä ilmastollisiksi. NAO:n äärimuotojen vaikutukset kestävät parhaimmillaan pari vuosikymmentä, El Nino kestää pisimmillään muutaman vuoden ajan. Sekä El Ninolle että NAO:lle on ominaista, että sääolot heilahtelevat kahden vastakohtaisen ääripään välillä. Siksi ilmastodiagrammeissa kuvatut pitkän aikavälin keskiarvot eivät kuvaa arjessa toteutuvia sääolosuhteita kovinkaan osuvasti NAO:n ja ElNinon esiintymisalueilla.

2.3.1. NAO eli North Atlantic Oscillation eli Pohjois-Atlantin heilahtelu NAO toteutuu Pohjois-Atlantin ympäristössä alueella, joka ulottuu Ural-vuoristosta (siis 60 astetta itäistä pituutta) Pohjois-Amerikan itäosiin Hudsonin lahdelle (siis 90 astetta läntistä pituutta) asti. NAO:ssa ilmenee kaksi ääriasentoa. Niitä kutsutaan positiiviseksi ja negatiiviseksi vaiheeksi. Vaiheet vaikuttavat erityisesti talviaikaisiin sääoloihin. Positiivinen vaihe tuottaa lämpimän talven. Negatiivinen vaihe tuottaa kylmän talven. NAO:n positiivinen vaihe Pohjois-Atlantin ilmastoon vaikuttaa kaksi verrattain pysyvää ilmanpainevyöhykettä. Keskellä Atlanttia, Välimeren ja New Yorkin välissä (40 astetta pohjoista leveyttä), sijaitsee ns. Azorien korkeapaine. Sen ohella NAO:n käyttäytymiseen vaikuttaa pohjoisen napapiirin tuntumassa vallitseva Islannin matala (kuva 10).

Ilma virtaa korkeapaineesta matalapaineeseen päin. Korkeapaine on ikään kuin puhallin, josta ilma ottaa vauhtia virratakseen vieressä olevaan ”imuriin” eli matalapaineeseen päin (kuva 10). Ilmamassoja sekä ”työnnetään” Azoreilta käsin että ”vedetään” Islannista käsin. Mitä korkeampi on ilmanpaine Azoreilla ja mitä matalampi ilmanpaine on samaan aikaan Islannissa sitä kovempia ovat napaa kohti puhaltavat tuulet. Kun ilmanpaine-ero on voimakas, lämpimät eteläiset ilmamassat päätyvät talvella kauas pohjoiseen missä talvesta tulee leuto (kuva 11). Lämpimään ilmaan sitoutunut vesihöyry tiivistyy runsaiksi vesi- ja/tai lumisateiksi.

K

M

Azorit

Islanti E-Am

P-Am

Grönlanti

Afrikka

Intia

Kuva 10. Azorien korkea (K) ja Islannin matala (M).

90 astetta it.pit. 90 astetta

länt.pit.

Nolla astetta pituutta

Päiväntasaaja

90

astetta

it.pit.

90

astetta

länt.pit.

180

astetta

pituutta

Nolla

astetta

pituutta

Päiväntasaaja

Kuva 11. Polaaririntama siirtyy Atlantilla

kohti pohjoista. Pisteytetty alue kuvaa

kylmää napailmaa.

Tälle NAO:n niin sanotulle positiiviselle vaiheelle on ominaista kummankin ilmanpainevyöhykkeen samanaikainen korostuminen: voimakas Azorien korkea saa kumppanikseen voimakkaan Islannin matalan.

NAO:n negatiivinen vaihe NAO:n sanotaan olevan negatiivisessa vaiheessa silloin, kun sekä Azorien korkea että Islannin matala ovat heikosti kehittyneitä. Vähäinen ilmanpaine-ero vaimentaa napaa kohti suuntautuvat lämpimät tuulet. Ilmamassoilta puuttuu sekä ”työntöä” että ”vetoa”. Navalta poispäin puhaltavat kylmät tuulet muuttuvat tällöin vallitseviksi. Länsi- ja Pohjois-Eurooppaan tulee tuolloin kylmä ja vähäsateinen talvi (kuva 12).

90

astetta

it.pit.

90

astetta

länt.pit.

180

astetta

pituutta

Nolla

astetta

pituutta

Päiväntasaaja

Kuva 12. Polaaririntama siirtyy Atlantilla

etelään. Pisteytetty alue kuvaa kylmää

napailmaa.

NAO ja polaaririntaman sijainti narusilmukkamallina Kylmän napailman ja lämpimän subtrooppisen ilman (Pohjois-Atlantilla tämä ilmamassa saa alkunsa Azorien ja Pohjois-Amerikan väliseltä alueelta) törmäysvyöhykettä kutsutaan polaaririntamaksi (kuva 13).

Polaaririntama

N

S

1

Kuva 13. Polaaririntaman sijainti.

1 = Hadleyn solu

3 = napasolu

2

3

Polaaririntama

Polaaririntamaa voidaan tarkastella ikään kuin kiinteämittaisena narusilmukkana, joka kiertää napa-aluetta. Jos narusilmukan Atlantin puoleista osaa vedetään päiväntasaajaa kohti, on muiden osien siirryttävä kohti napaa (tilanne sama kuin kuvassa 12). Jos narusilmukkaa Atlantin seutuvilla siirretään kohti napoja, siirtyvät muut osat vastaavasti navalta kauemmaksi (tilanne sama kuin kuvassa 11). Kärjistetysti voidaan sanoa, että polaaririntamalla on Pohjois-Atlantin alueella vain kaksi reittivaihtoehtoa: pohjoinen ja eteläinen. Silloin, kun Länsi-Euroopassa ja itäisessä P-Amerikassa on leuto talvi, läntinen Pohjois-Amerikka kärsii usein poikkeuksellisesta kylmyydestä. Vastaavasti, kun meillä on poikkeuksellisen kylmä talvi, on läntisessä Pohjois-Amerikassa usein poikkeuksellisen leutoa. Ykköskurssiltamme ehkä muistat, että korkea- ja matalapaineet saavat tuulet kaartumaan. Matalapaineen keskuksia tuulet kiertävät pohjoisella pallonpuoliskolla vastapäivään. Korkeapaineen keskuksia tuulet kiertävät myötäpäivään. Mitä voimakkaampia ovat keskukset sitä

jyrkemmin tuulet kaartuvat. Polaaririntamassa tuulet noudattavat samaa periaatetta. NAO:n positiivisessa vaiheessa polaaririntama kiemurtelee levottomasti (kuva 14), negatiivisessa vaiheessa se lengottelee laiskanpulskeana (kuva 15).

90

astetta

it.pit.

90

astetta

länt.pit.

180

astetta

pituutta

Nolla

astetta

pituutta

Päiväntasaaja

Kuva 14. NAO:n positiivinen vaihe.

Polaaririntama mutkittelee voimakkaasti

Pohjois-Atlantin alueella.

90

astetta

it.pit.

90

astetta

länt.pit.

180

astetta

pituutta

Nolla

astetta

pituutta

Päiväntasaaja

Kuva 15. NAO:n negatiivinen vaihe.

Polaaririntaman mutkittelu Atlantin alueella

vähäistä.

NAO:lle ominaisten syklien kesto NAO:n käyttäytymisessä on havaittu säännöllisyyttä, jossa jompikumpi olomuoto säilyy jaksoittain toista olomuotoa yleisempänä. On havaittu jopa 25 vuotta jatkuneita kylmä- tai leutotalvisuuteen painottuneita jaksoja. Tavallisempia ovat muutaman vuoden mittaiset heilahdusjaksot. Säätieteilijät pitävät mahdollisena, että jatkossa jo hyvissä ajoin syksyllä pystyttäisiin ennustamaan tulevan talven yleissäätila NAO:n käyttäytymisestä tehtävien tietokonemallien perusteella. 2.3.2. El Nino El Nino on merivirta- ja ilmastohäiriö, joka esiintyy Tyynellä Valtamerellä. Sekin aiheutuu rintamavyöhykkeen mutkittelusta mutta toisaalta myös korkea- ja matalapaineenkeskusten vuorovaikutuksesta. Se muistuttaa näissä suhteissa Pohjois-Atlantin heilahtelua, johon sitä usein verrataankin. El Ninon ja NAO:n välillä on ainakin jonkinlainen riippuvuussuhde. Kun Tyynelle Valtamerellä käynnistyy El Nino, muodostuu Atlantille usein voimakas Azorien korkea eli NAO:n positiivinen vaihe. Tällöin sateet noudattavat Atlantilla talvellakin pohjoista reittiä. Siksi Välimeren alue jää vaille talvista vesiannostaan (Välimeri kuuluu talvisateiden ilmastoon) ja kärsii kesäisin tavallistakin suuremmasta vesipulasta. Eteläisen Tyynenmeren sääoloihin vaikuttava rintamavyöhyke on nimeltään ITC (kuva 16). Kirjainlyhenne tulee sanoista Inter Tropical Convergence, suomeksi päiväntasaajan matalapaine. Toisinaan tämä kirjoitetaan muodossa ZITC (= zone of intertropical convergence).

ITC

ITC

N

S

1

1

Kuva 16. ITC eli päiväntasaajan matala.

1 = Hadleyn solut

Päiväntasaajan matalapaine seurailee auringon zeniittiasemaa eli maan kiertoradan tason siirtymistä pohjois-eteläsuunnassa vuodenaikojen mukaan. Siksi se siirtyy pohjoisen kesällä päiväntasaajan pohjoispuolelle lähelle pohjoista kääntöpiiriä ( kuva 17) ja etelän kesällä vastaavasti lähelle eteläistä kääntöpiiriä (kuva 18).

Kuva 17. ITC:n sijainti pohjoisen kesällä (siis

etelän talvella). ITC merkitty paksummalla

katkoviivalla.

Kuva 18. ITC:n sijainti etelän kesällä (siis

pohjoisen talvella). ITC merkitty paksummalla

katkoviivalla.

Päiväntasaajan matalan kohdalla korkeuksiin kohoavat ilmamassat laskeutuvat alas vyöhykkeillä, joista käytetään nimeä hepoasteiden korkea (kuva 19).

S

N

Kuva 19. Pystyvirtaussolut ja niihin liittyvät

peruskäsitteet.

1 = Hadleyn solut

a = polaaririntaman matala

b = hepoasteiden korkea

c = päiväntasaajan matala eli ITC

S ja N = napakorkea

b

c

a

a

b

3

2

1

1

2

3

Jos päiväntasaajan matala tekee mutkan pohjoiseen tai etelään, samainen mutka ilmaantuu usein myös hepoasteiden korkeapaineen vyöhykkeisiin. Ykköskurssilla nämä asiat tulivat tutuiksi pystyvirtaussoluina. Päiväntasaajan matalan ja hepoasteiden korkeiden yhteisvaikutuksesta syntyvät ilmavirtausjärjestelmät ovat nimeltään Hadleyn solut (tsekkaa vielä edellä olleesta kuvasta 19). ITC:n mutkittelu meri- ja manneralueilla

Meriveden lämpötila muuttuu hitaasti. Siksi päiväntasaajan matala reagoi merialueilla heikosti auringon zeniittiaseman muutoksiin (tsekkaa vielä tämä asia edellä olleista kuvista 17 ja 18). Manneralueilla ITC:n mutkittelu on merialueisiin verrattuna suorastaan räväkkää. Räväkkyys ilmenee erityisen hyvin kaakkoisessa Aasiassa. Siellä esiintyvät monsuunituulet ja -sateet selittyvät osittain Hadleyn solujen toiminnalla. Kesämonsuunin aikana eteläinen Hadleyn solu siirtyy Aasian eteläosien yläpuolelle ja työntää mukanaan Intian Valtamereltä kosteata ja lämmintä ilmaa (kuva 20).

E-Am

P-Am

Afrikka

Kuva 20. Kesämonsuuni. Eteläinen Hadleyn solu ja ITC ovat

Kaakkois-Aasian yllä. Tuulet puhaltavat mereltä maalle päin (leveät

nuolet).

Nolla astetta

pituutta

Päiväntasaaja

ITC

Pohjoinen

Hadleyn

solu

Eteläinen

Hadleyn

solu

ITC kulkee tuolloin Intian pohjoisosien ja Kiinan kaakkoisosien yli. ITC:n matalapainevaikutusta korostaa Aasian mantereen kesäaikainen lämpeneminen. Lämpenevät ilmamassat kohoavat ylöspäin ja niiden tilalle siirtyy uutta ilmaa ympäröiviltä merialueilta. Talvimonsuunin aikana ITC siirtyy Intian Valtameren ylle. Tällöin pohjoinen Hadleyn solu puskee ilmamassoja poispäin Aasian mantereelta (kuva 21). Tätä vaikutusta tehostaa nyt Aasian mantereen talviaikainen kylmeneminen. Kylmät ilmamassat syöksyvät paitsi alaspäin myös ympäröiville merialueille.

Eteläinen

Hadleyn

solu

Kuva 21. Talvimonsuuni. Pohjoinen Hadleyn solu on Kaakkois-Aasian

yllä. Tuulet (leveät nuolet) puhaltavat merelle päin.

Päiväntasaaja

E-Am

P-Am

Afrikka

Nolla astetta

pituutta

ITC Pohjoinen

Hadleyn solu

Monsuunijärjestelmä Australiassa Kaakkois-Aasian monsuunijärjestelmän pienimuotoisempi kopio sykkii Australiassa. Koska Australia on päiväntasaajan eteläpuolella, muodostuu kesämonsuuni sinne silloin, kun pohjoisella pallonpuoliskolla vallitsee talvi. Keskellä etelän kesää Australian pohjois- ja koillisosien kohdalle siis tavallisesti muodostuu ITC:n synnyttämä matalapaine ja sadekausi (kuva 22).

Kuva 22. Etelän kesä normaalitilanteessa. Tuulet

puhaltava Tyyneltä Mereltä kohti Australian yli

kulkevaa ITC:tä

M

K

ITC pysyttelee merialueilla läpi vuoden päiväntasaajan tuntumassa. Siksi myös hepoasteiden korkea pysyttelee eteläisen Tyynenmeren keskellä suurin piirtein paikoillaan. Normaalisti etelän kesällä tämä korkeapaine työntää ilmamassoja kohti Australiaa, missä ITC:n etelään suuntautuva mutka toimii ilmamassoja houkuttelevana imurina (edellä ollut kuva 22). ITC:n kohdalla puhaltavat pasaatituulet kuljettavat vireästi merivettä Etelä-Amerikasta Australiaan päin. Australian pohjoispuolelle Indonesian saaristoon muodostuvat maapallon kaikkein lämpimimmät vesimassat. Samoin merenpinta on näillä alueilla pasaatituulten vaikutuksen vuoksi n. puoli metriä korkeammalla kuin Etelä-Amerikan länsirannikolla. Etelän talvi taas ilmenee Australiassa korkeapaineen sävyttämänä kuivana kautena (kuva 23). Eteläinen Hadleyn solu kuljettaa ilmaa Australiasta pohjoiseen päin.

El Nino –tilanteessa ”työvuoronvaihto” Australian ja Aasian välillä epäonnistuu El Nino käynnistyy tavallisimmin Joulun aikoihin eli keskellä etelän kesää. Tämä on aikaa, jolloin ITC:ssä olevan mutkan pitäisi heilahtaa Aasian yläpuolelta Australian ylle (kuvan 23 pitäisi muuttua kuvaksi 22). Matka on pitkä ja Australian pohjoispuolella on suuria suorastaan mannermaiselta vaikuttavia saaria (Borneo ja Papua-Uusi-Guinea), joten on ymmärrettävää, että mutka ei aina kehity kunnolla, vaan ITC saattaa jäädä hortoilemaan Indonesian saariston seutuville tai se saattaa muodostua rakenteeltaan epämääräiseksi. Näinhän käy myös omalle polaaririntamallemmekin ajoittain. Tällaisessa tilanteessa hepoasteiden korkea on Australian riesana läpi vuoden, joskus jopa usean peräkkäisen vuoden ajan (tsekkaa tämä vielä kerran edellä olleesta kuvasta 23). Keskellä Tyyntä merta ITC kulkee tällöinkin lähellä päiväntasaajaa. Koska tuulet puhaltavat korkeapaineesta matalapaineeseen, käyttäytyy Australia nyt imurin sijasta puhaltimen tapaan (kuva 24). Puhallus tukahduttaa pasaatijärjestelmän, jolloin merivirrat hidastuvat. Nyt Indonesian saariston ja Etelä-Amerikan välinen merenpinnan korkeusero alkaa tasoittua. Lämpimät vesimassat lähtevät virtaamaan Tyynenmeren keskiosien yli kohti Etelä-Amerikkaa. Vyöryvien vesimassojen leveys on itä-länsisuunnassa tyypillisesti n. 3000 km. Rannikkoon törmätessään tämä virtaus synnyttää niin sanottuja Kelvinin aaltoja. Nämä hyökyaallot pahimmillaan tuhoavat rannikoilla sijaitsevia kyliä ja kaupunkeja.

Kuva 23. ITC:n sijainti etelän talvella. Australiassa on kuiva kausi, sillä ITC (paksu

katkoviiva) suuntautuu pohjoiselle pallonpuoliskolle.

K

M

Näin Etelä-Amerikan edustalle siis hulahtaa suoranainen lämpimän veden ”kakku” (kuin pissa housuun). Meren pintakerroksiin muodostuu laaja paikallaan seisova ja voimakkaasti lämpenevä vesialue. Tämä lisää yläpuolellaan olevan ilman kosteutta. Nyt syntyy El Nino -tilanteelle ominaisia rankkasateita Etelä-Amerikkaan alueille, jotka muutoin ovat tavallisesti tunnettuja vähäsateisuudestaan. Andien vuoristossa voi sataa rankasti ja yhtäjaksoisesti jopa kuusi viikkoa. Vesi pehmittää maaperän ja vuoristossa tapahtuu runsaasti vaarallisia maanvyörymiä.

El Nino ja syvänmeren virtaukset Tavallisesti Etelä-Amerikan mannerjalusta toimii hyppyrinä, jota pitkin eteläisen napapumpun (termohaliininen kierto) synnyttämät syvänmeren pohjavirtaukset kumpuavat pintaan Etelä-Amerikan länsirannikolla. Samalla ne lisäävät pintaveden ravinteisuutta, mikä selittää Etelä-

Kuva 24. Etelän kesä ElNino-tilanteessa. ITC jää hortoilemaan Australian ja Aasian väliselle

alueelle. Tyynenmeren keskiosissa eteläiselle pallonpuoliskolle siirtyvä ITC imee tuulia

Australiasta kohti Etelä-Amerikkaa.

K

M

Amerikan rannikkovesien runsaat planktonesiintymät ja niistä alkunsa saavat kalaisat ravintoketjut. Ravintoketjujen huipulla keikkuvat Etelä-Amerikkalaiset kalastajat. El Nino estää pohjavirtausten pintaan nousun. Ravinteikkaat vedet jäävät vangiksi niitä kevyempien lämminvesimassojen alle (mutta, kuten alempana todetaan, syy- ja seuraussuhde saattaa olla myös päinvastainen). Planktontuotanto vähenee, kalakannat romahtavat ja lopulta romahtavat myös kalastajakannat. Termokliinin käyttäytyminen El Nino –ilmiön aikana Termokliini on vesipatsaassa oleva raja, jossa lämmin pintavesi jyrkästi vaihtuu kylmäksi syvävedeksi. Suomessa termokliinin havaitsee helposti, kun pinnastaan lämmenneissä luonnonvesissä uidessa ojentaa jalkansa kohti pohjaa. Etelä-Amerikan länsirannikolla termokliini sijaitsee toisinaan syvällä joskus taas varsin lähellä pintaa. Normaalivuosina termokliini on n. 50 metrin syvyydessä. Tällöin ohut pintavesikerros helposti sekoittuu syvältä kumpuaviin kylmiin vesiin, joten pintavedet eivät lämpene erityisen voimakkaasti (kuva 25).

El Nino -tilanteessa termokliini painuu n. 150 metrin syvyyteen. Pinta- ja syväveden toisiinsa sekoittuminen on vähäistä, joten pintavedet lämpenevät voimakkaasti ja poikkeuksellisen laajoilta alueilta (kuva 26).

50 M

100 M

150 M

200 M

Perun ja Chilen rannikko Tyynen Valtameren keskiosat

Termokliini

Kuva 25. Termokliinin käyttäytyminen eteläisen Tyynenmeren alueella ns. normaalivuosina

(itä-länsi-suuntainen poikkileikkaus).

Kumpuaminen voimakasta

El Nino –ilmiön vastakohta La Nina taas on tilanne, jossa Etelä-Amerikan länsirannikolla pintavesi on tavallista laajemmalla alueella tavallista viileämpää ja termokliini harvinaisen lähellä merenpintaa. Australiassa pintavedet ovat tällöin poikkeuksellisen lämpimiä. Usein tämä johtaa jopa laaja-alaisiin korallikuolemiin (englanniksi coral bleaching eli korallien muuttuminen valkoisiksi). Estääkö El Nino kumpuamisen vai kumpuaminen El Ninon? Kylmän syvävesipatsaan sisältämä vesi saapuu Etelä-Amerikan länsirannikolle Etelä-Mantereelta. Liikkeelle panevana voimana toimii eteläisen napa-alueen lämpöpumppu (lukaise läpi napa-

50 M

100 M

150 M

200 M

Perun ja Chilen rannikko Tyynen Valtameren keskiosat

Termokliini

Kuva 26. Termokliinin käyttäytyminen eteläisen Tyynenmeren alueella El Nino -ilmiön aikana.

Kumpuaminen vähäistä

alueiden lämpöpumppua käsittelevä osiomme). Etelä-Amerikan rannikkoon törmätessään kylmä navalta saapuva syvävesi kumpuaa pintaan. Alue on yksi maailman merkittävimmistä kumpuamisalueista. Perinteisesti on ajateltu, että El Nino heikentää kumpuamista. On kuitenkin mahdollista, että vaikutussuhde onkin päinvastainen. El Nino saattaa aiheutua tavallista heikommasta syvänveden virtauksesta. Kumpuamisen heiketessä pintavesi pääsee levittäytymään El Ninolle ominaiseksi tavallista laajemmaksi ja paksummaksi kerrokseksi. Termokliinin tarkkaileminen onkin yksi tapa havaita El Ninon käynnistyminen. Tarkoitusta varten Tyynen Meren pohjaan on ankkuroitu suuri määrä havaintopoijuja. Ilmaston lämmetessä napa-alueiden lämpöpumpun toiminnan odotetaan heikkenevän. Tällöin päiväntasaajan merivirrat hidastuisivat ja päiväntasaajalla seisova vesi lämpenisi aikaisempaa enemmän. Samaan aikaan napa-alueet alkaisivat viiletä. Lopputuloksena olisi ilmasto-olojen alueellinen äärevöityminen.