Vastab Tallinna Tehnikaülikooli dotsent, Eesti Meteoroloogia ja Hüdroloogia Instituudi peaspetsialist AIN KALLIS
Kumb on tähtsam, päike või kuu?
Aga loomulikult kuu,
sest ta paistab öösel, kui on pime,
Igipõlistest aegadest saadik on inimesed teadnud, et Päike on väga olulisel kohal meie elus. Mida ta endast aga kujutab ja kuidas ta meid mõjutab - see oli juba keerulisem küsimus.
"Päikese kiired on pidanud pikka ja kõverat teed käima, enne kui nad meie juures ennast jälle soojusena avaldasid. Kui mõni pärima hakkab, kust meie ja kõige looduse eluallikas oma määratu soojuse tagavara võtnud, siis ei saa ta teadusmeeste käest mitte vastust. Nad seletavad ainult, et vastus niisuguse küsimise pääle inimliku mõistuse piiridest juba väljaspoole on". (Stud. math. J. Sarv, Postimees, 06.02.1902.)
Kui "teadusmehed" sajandi eest ei teadnud Päikese energiaallika kohta midagi väita, siis, oli terastel saarlastel üpris tõepärane hüpotees Päikese olemusest: "Päike on üks suur tulekuul, mis nii kaua maailma soendab kui viimsepäävani. Siis ta pääseb lahti ja põletab kõik maailma ära." (Andres Kuperjanov, Uskumusi ja tõlgendusi, 2004.)
Tekk muudab elu palavaks
Saja aasta vältel on teadmised meie planeedisüsteemi kesksest kujust märksa täienenud. Teatmeteostest võime lugeda, et Päike on Maale kõige lähem täht, mille mass - 1,99·1030 kg (330 000 korda suurem Maa massist) moodustab 99,9 protsenti kogu Päikesesüsteemi massist. Tema poolt välja kiiratavast energiast jõuab Maad ümbritseva atmosfääri ülapiirile vaid pool miljardikku osa, mis moodustab aastas ligikaudu 5,4·1012 teradžauli ehk 1,3·1024 kalorit. Sedagi hajutavad, neelavad ja peegeldavad õhuosakesed ja pilved. Pinnases neeldub vaid pool kiirgusest, mis oli jõudnud atmosfääri ülapiirile.
Ometi piisab sellest kogu atmosfääri õhumasside ja ookeanide vee liikuma panemiseks ning elu säilitamiseks biosfääris. Kui maakeral poleks päikesekiirguse erinevusi , siis poleks ka erinevusi õhurõhus, tuuli, ookeanihoovusi ja palju muud, mis kujundab kliimat. Seega on igati õige väita, et Päike on ilmastikuteatri peanäitejuht.
Võrdluseks olgu öeldud, et Maa sisemusest eraldub meie laiuskraadil aasta jooksul sama kogus soojust, kui palju annab Päike suvisel keskpäeval ühe tunniga!
Peaksime olema rahul nii Maa kui ka planeedi asukohaga Päikesesüsteemis, samuti praeguse atmosfääri koostisega. Kui tiirleksime praegusest kaugemal orbiidil, külmuksime, lähemal Päikesele aga kõrbeksime. Ka on atmosfäär meid katmas päris parajalt paksu vaibana: kui seda, nn kasvuhoone-efekti poleks, siis oleks Eesti keskmine aastane temperatuur mitte +5 kraadi (maakeral 15º) ümber, vaid ligi 23 pügala võrra külmem.
Kui see "tekk" muutub liialt paksuks, läheb kogu planeedi eluolu pehmelt öeldes palavaks. Kasvuhooneefekti tugevnemist seostatakse nii õhus leiduva aerosooli (tolm, suits, vulkaanipursete produktid jne), veeauru, pilvede kui kasvuhoonegaaside (metaan, süsinikdioksiid, kloori- ja broomiühendid jne) hulga suurenemisega atmosfääris.
Mõõtmised käivad üheksas jaamas
Üks viis uurida atmosfääris toimuvaid protsesse, nende hulgas muutusi kliimas, on mõõta päikesekiirgust. Palja silmaga me ei suuda täheldada taolisi muutusi, sest inimsilm suudab tajuda vaid umbes poolt päikesekiirguse spektrist. Kui õhu temperatuuri on kraadiklaasiga hinnatud enam-vähem korralikult ligi kaks sajandit, siis kiirgust on suudetud mõõta vahest poole vähem. Põhjus: termomeetrid on lihtsama ehitusega, igaüks mõistab saadud suurusi, nende vajalikkust.
Päikesekiirgust mõõtev aktinomeetriline aparatuur on palju keerulisem, mõõtetulemusi sageli raske lahti mõtestada. Seetõttu ongi kiirgusjaamasid maailmas suhteliselt vähe. Eestis said aktinomeetrilised mõõtmised alguse päris varakult - 1904. aastal Tartu Ülikooli juures. Kolmekümnendail aastail oli professor Kaarel Kirdel kasutada üks Euroopa paremaid instrumente - Ångströmi pürheliomeeter Nr 197. See aga kadus sõjamöllus.
Pidevad, senini kestvad mõõtmised algasid alles 1950. aastal, alguses Tartu külje all, hellitavalt Eesti aktinomeetria isaks kutsutava Juhan Rossi juhtimisel. Alates 1965. aasta sügisest kolis kiirgusjaam koos astronoomidega 20 km kaugusele Tõraverre. Momendil registreeritakse päikesekiirguse hulkasid üheksas Eesti ilmajaamas. Need on Tartu-Tõravere, Tiirikoja, Tallinn-Harku, Pärnu, Vilsandi, Pakri, Narva-Jõesuu, Roomassaare ja Haapsalu. Lisaks veel 14 jaamas mõõdetakse päikesepaiste kestust.
Päikesekiirguse muutumist on seega jälgitud, moodsamalt öeldes - seiratud ehk monitooritud, üle poole sajandi. Vaatlusread nii Tartus-Tõraveres kui Mustvee külje all asuval Tiirikojal on kujunenud üheks pikemaks Põhja-Euroopas. Ilmselt ka kvaliteetseks, ega muidu oleks tehtud esimesele neist 1992. aastal ettepanek kandideerida päikesekiirguse mõõtmiste baasjaamade võrgu BSRN (Baseline Surface Radiation Network) liikmeks. Nimetatud võrk loodi selleks, et siduda satelliitidelt tehtavaid mõõtmist vaatlustega maapealsetes jaamades, teha väga täpseid kiirgusmõõtmisi maakera eri osades ning ühtlasi jälgida Maa kiirgusrežiimi pikaajalisi muutusi.
Tartu-Tõravere meteojaam on alates 1999. aastast BSRN-võrgu täisliige. Kokku kuulub võrku momendil 35 jaama, neist seitse asuvad Euroopas. Meist ida pool on järgmine sõsarjaam alles Hiinas ja Jaapanis, läänes aga Lindenbergi jaam Saksamaal. Kiirgusmõõtmisi baasjaamades püütakse teha ühtede ja samade sensoritega, samuti ühtse mõõtmismetoodika alusel.
Raskeks teeb töö taolistes jaamades tõik, et mõõtmised toimuvad väga tihedalt - iga kuue sekundi tagant! Nende alusel arvutatakse minuti keskmised, samuti selles ajavahemikus leitud maksimaalsed ning minimaalsed kiirguse väärtused. Kogu too tohutu andmemassiiv kontrollitakse hoolikalt üle ning saadetakse kuu lõppedes maailma kiirguskeskustesse, kuni viimase ajani Zürichisse, edaspidi aga Bremenisse.
Kõikide BSRN-jaamade vahel käib võistlus - kes suudab kõige kiiremini ning kvaliteetsemalt edastada andmeid keskusesse. Neid ootavad ju satelliitidelt teostatavate mõõtmiste tegijad, et võrrelda omi andmeid maapealsetega.
Viimasel ajal on pinev rebimine olnud meie ning Jaapani Tateno jaamaga. Kord on peal nemad, kord Tõravere.
Kas maailm pimeneb või vastupidi?
Kiirgusliike, mida tuleb registreerida, on kümmekond: päikese ehk lühilainelist, samuti maa ja atmosfääri pikalainelist kiirgust. Päikesekiirgus jaguneb omakorda otsekiirguseks (tuleb päikeselise ilmaga praktiliselt paralleelsete kiirtena), hajuskiirguseks (saabub pilvedelt ja mujalt atmosfäärist) ja maapinnalt peegeldunud kiirguseks.
Päikesekiirgust me üldiselt näeme, maa ja atmosfääri kiirguse lainepikkused aga jäävad väljapoole inimese silma tundlikkuse piire. Muide, kõik kehad, mille temperatuur ületab absoluutset nulli, s.t temperatuur on kõrgem kui -273 ºC, kiirgavad soojust. Tundub küll, et jäätüki puhul oleks "soojuse kiirgamine" palju öeldud. Ent kujutage ette: isegi paljas 1,8 ruutmeetrise suuruse kehapinnaga inimene kiirgab nagu üheksa lambipirni. Ainult et see kiirgus on meile nähtamatus, nn infrapunaspektripiirkonnas.
Aktinomeetriajaamad mõõdavadki sääraseid soojusvoogusid, mis tulevad nii atmosfäärist kui maapinnast. See kõik on vajalik, et hinnata muutusi nn kasvuhooneefektis, sealt edasi maakera kliimas.
Pikaajalised atmosfääri läbilaskvuse määramised on näidanud, et praegu on Eestis õhk pea sama puhas kui möödunud sajandi kolmekümnendail aastail. Nimetatud mõõtmistulemused, mis on saadud "Eesti aktinomeetria ema" Viivi Russaku ning Tartu Ülikooli uurimisgrupi poolt, on teadusilmas juba nimetatud klassikalisteks. Atmosfääri pideva pimenemise asemel on viimastel aastatel õhk muutunud puhtamaks. Põhjuseid võib olla palju - muutused atmosfääri tsirkulatsioonis, samuti saastava tööstuse vähenemine siinkandis, seda nii Eestis kui Ida-Euroopas jne.
Ultraviolettkiirguse mõõtmised on muidugi rahvale enam tuntud: hoiatatakse ju inimesi selle kiirgusliigi ohtlikkuse eest. Viimastel suvedel on ultraviolettkiirguse tase mitmel päeval küündinud päris Vahemere-äärsete näitajateni!
Lõpuks viimane uudis: Eestile on tehtud ettepanek luua kompleksne atmosfääri tingimusi uuriv jaam, kus oleksid esindatud nii päikesekiirguse, aerosooli, atmosfäärielektri ehk äikese kui ka muud uuringud. Taolised jaamad kuuluvad nn GAW-võrku (Global Atmosphere Watch). Igati austav väljakutse, nagu nüüd on tavaks öelda.
otsekiirgus
Otsekiirgus on see osa päikesekiirgusest, mis jõuab maapinnaleparalleelsete kiirte kimbuna, hajumata; erineval hajuskiirgusest, mis jõub maapinnale pärast ühe- või mitmekordset hajumist atmosfääris.Otsekiirguse korral annavad läbipaistmatud esemed varju, hajuskiirguse puhul aga esemetel vari puudub. Seda vahekorda on hea jälgida enne sooja fronti: täisvarjud nõrgenevad kiudpilvede lisandumise tõttu, kuni kaovad täiesti kõrgkihtpilvede korral.
kliima
Kliima ehk ilmastu on teatud piirkonnale omane pikaajaline keskmistatud režiim. Kliima alla ei kuulu üksnes keskmised näitajad, vaid ka rekordid jt äärmused, mis on kliimat iseloomustavad näitajad. Teadus, mis tegeleb kliimaga, on klimatoloogia.
Maailma Meteoroloogia Organisatsiooni (World Meteorological Organization, WMO) järgi saab kliimast rääkida vaid siis, kui on olemas vähemalt 30 aasta ilmaandmed antud paiga kohta. Selline otsus tuleneb Gaussi normaaljaotusest.
pilv
Pilved on nähtavad aerosoolikogumid taevas. Tavaliselt koosnevad veepiisakestest või jääkristallidest, eriti sageli aga nende segust, mis on kondenseerunud sobivatel tingimustel. Seejuures hõljuvad pilved planeedi pinna läheduses. Astronoomias nimetatakse pilveks ka nähtavate aineosakeste massi, mis püsib koos tänu gravitatsioonile, nagu näiteks udukogu.
Pilved tekivad enamasti õhu adiabaatsel jahtumisel, st reeglina siis, kui õhk tõuseb, jahtub ja veeaur lõpuks kondenseerub, kuid tuntakse ka pilveliiki, mis tekib õhu vajumisel.
Pilved klassifitseeriti alles 19. sajandil (Luke Howard) ning tänapäeval jaotatakse need nelja klassi ja kümnesse põhiliiki. Pilveliike on tegelikult üle saja ning sagedane on üleminek ühest liigist teise.
Pilved on oluline kliimafaktor, mis põhjustab sademeid (nii vedelaid kui tahkeid), muudab temperatuurirežiimi vähem kõikuvaks jne, aga nende täpne klimatoloogiline mõju, eriti temperatuurile, pole siiski teada.
hajuskiirgus
Hajuskiirgus on see osa päikesekiirgusest, mis jõuab maapinnani pärast hajumist atmosfääris. Selle hulk sõltub atmosfääri läbipaistvusest, päikese kõrgusest, pilvedest ja albeedost.
Kui taevas on läbipaistmatu pilvekiht nii, et täisvarjusid, st terava piirjoonega varjusid ei teki, siis jõuab maapinnale ainult hajuskiirgus. Kui aga tekivad ka terava piirjoonega varjud, jõuab maapinnale nii otse- kui hajuskiirgus.
Hajuskiirgust mõõdetakse püranomeetriga.õhumass
Õhumass on suurte horisontaalsete mõõtmetega ja kindlate omadustega õhu hulk teatud territooriumil. Selle vertikaalne ulatus on tavaliselt vaid mõni kilomeeter.
Õhumasside liigitamine tugineb kas termodünaamikale või geograafiale. Õhumass saab tekkida vaid siis, kui suur hulk õhku on pikemat aega seisnud ühe ja sama aluspinna kohal. Selliseid piirkondi nimetatakse õhumassikolleteks ning sellele toetubki geograafiline klassifikatsioon. Kui õhumass liigub koldest eemale uute omadustega aluspinna kohale, siis hakkab õhumass tavaliselt transformeeruma.
aktinomeetria
Aktinomeetria on meteoroloogia haru, mis uurib päikesekiirgusse levi atmosfääris. Sellest laiem teadusharu on atmosfäärioptika, mis uurib nii loodusliku kui tehiskiirguse levi atmosfääris. Päikese ja selle kiirguse uurimine on väga oluline, sest see on elu aluseks Maal, samuti paneb päikesekiirgus liikuma atmosfääri ja ookeani, kuigi päikese poolt väljakiiratavast energiast tabab Maa vaid 0,000000005 protsenti, kusjuures selle kiirguse võimsus on 1367 vatti ruutmeetri kohta.
Maailmas on olemas 1200 jaama, kus mõõdetakse päikesekiirgust. Nendest 1200-st on ainult 35-40 baasjaama, mille hulka kuulub 1999. aastast Tõravere. Eesmärgiks on rajada Eestisse kompleksne atmosfääri uurimise jaam ehk GAW (Global Atmosphere Watch), mida on maailmas vaid paarikümne ringis.
Spetsiaalne aktinomeetriajaam rajati Tartu linna piiril 1. jaanuaril 1950, kuid 1965. aastal viidi jaam täielikult üle Tõraverre, kus see on tänini.
