Pilvet

Muodostuminen ja lähteet

Pilvet alkavat, kun vesihöyryä sisältävä ilma jäähtyy sen kastepisteeseensa ja aerosolihiukkasiin, kuten pölyyn, merisuolaan tai siitepölyyn, tapahtuu tiivistymistä.

Pilviä ruokkiva kosteus on peräisin haihtumisesta pinnalla ja kasvien transpiraatiosta. haihdunta ja transpiraatio.

Ilmaa nostavat ja jäähdyttävät erilaiset mekanismit - pintalämmityksestä johtuva konvektio, ilmamassojen törmätessä rintamanaikainen noste, orografinen noste maaston yläpuolella ja laajamittainen konvergenssi sääjärjestelmissä - ja kukin mekanismi tuottaa yleensä erilaisia pilvimuotoja ja pystysuoria rakenteita.

Pinnan säteilyjäähtyminen yöllä voi myös johtaa matalien pilvien muodostumiseen, kun taas paikalliset kosteuslähteet, kuten järvet tai kastellut pellot, voivat synnyttää pilviä lähistöllä.

Luokittelu ja pilvien ulkonäkö

Meteorologit luokittelevat pilvet pääasiassa niiden korkeuden ja perusmuodon mukaan. Suuret korkeusryhmät ovat korkeat, keskipitkät ja matalat pilvet sekä erillinen luokka pilville, joissa on voimakas pystysuora kehitys:

• Korkeat pilvet: cirrus, cirrostratus ja cirrocumulus; ne koostuvat pääasiassa jääkiteistä ja näyttävät ohuilta tai haaleilta.
• Keskimmäiset pilvet: altostratus ja altocumulus; ne sijaitsevat korkeiden ja matalien kerrosten välissä ja ovat usein merkki muuttuvasta säästä.
• Matalat pilvet: stratus, stratocumulus ja nimbostratus; näitä pilviä hallitsevat vesipisarat, ja ne aiheuttavat yleensä pilvistä taivasta ja lievää tai kohtalaista sadetta.
• Pystysuoraan kehittyneet pilvet: cumulus ja cumulonimbus; nämä vaihtelevat säänmukaisesta pöhöttyneisyydestä tornimaisiin ukkospilviin, jotka tuottavat rankkasateita, salamoita ja voimakkaita tuulia.

Pilvien nimiä voidaan yhdistellä kuvaamaan sekoittuneita ominaisuuksia (esimerkiksi nimbostratus tarkoittaa paksuja, sateisia kerrostuneita pilviä), ja niiden ulkonäkö vaihtelee valaistuksen, taustataivaan ja kosteuspitoisuuden mukaan.

Pilvimikrofysiikka ja sademäärät

Pilven sisällä pienet pisarat ja jääkiteet ovat jatkuvasti vuorovaikutuksessa keskenään. Pisarat kasvavat tiivistymällä ja törmäämällä toisiin pisaroihin ja yhdistymällä niihin; lämpimissä pilvissä tämä törmäys- ja yhdistymisprosessi voi tuottaa sadepisaroita.

Sekafaasipilvissä, joissa on jäätä ja alijäähtynyttä vettä, Bergeron-prosessi aiheuttaa jääkiteiden kasvua vesipisaroiden kustannuksella, mikä johtaa usein lumeen tai jäähän, joka sitten sulaa sateeksi lämpimämpien kerrosten alla.

Aerosolipitoisuus, pisarakokojakauma ja jääytimien esiintyminen vaikuttavat siihen, tuottaako pilvi tihkusadetta, tasaista sadetta, lunta vai ei lainkaan sadetta. Lämpötilaprofiili, pystysuuntaiset liikkeet ja pilven paksuus määräävät vallitsevan mikrofysikaalisen reitin.

Elinkaari ja dynamiikka

Pilvillä on elinkaari: syntyminen, kasvu, kypsyminen ja hajoaminen. Jos nousuvirtaukset ovat voimakkaita ja jatkuvia, pilvet kerääntyvät pystysuoraan ja voivat kehittää sademäärää ja turbulenssia.

Mukana kulkeutuminen, ympäröivän kuivemman ilman sekoittuminen pilveen, voi rajoittaa kasvua ja edistää haihtumista ja hajoamista.

Rintama- ja kerrostumapilvipeitteet ovat riippuvaisempia laajamittaisesta nosteesta ja kosteuden konvergenssista, ja ne pysyvät usein pidempään alueen yllä. Paikalliset tekijät, kuten pinnan lämpeneminen, topografia ja kosteus, vaikuttavat siihen, kuinka kauan pilvet elävät ja miten ne kehittyvät.

Rooli säässä ja ilmastossa

Pilvet ovat keskeisiä sekä lyhyen aikavälin sään että pitkän aikavälin ilmaston kannalta.

Heijastamalla auringonvaloa pilvet lisäävät planeetan albedoa ja vaikuttavat viilentävästi; absorboimalla ja säteilemällä infrapunaenergiaa pinnalta ne vaikuttavat lämmittävästi.

Se, onko tietyllä pilvikerroksella lämmittävä vai viilentävä nettovaikutus, riippuu sen korkeudesta, paksuudesta, hiukkasvaiheesta ja vuorokaudenajasta. Matalat, paksut pilvet yleensä viilentävät pintaa heijastamalla auringonvaloa, kun taas korkeat, ohuet pilvet yleensä lämmittävät pidättämällä lähtevää säteilyä.

Koska pilvipalautteet voimistavat tai vaimentavat lämpötilan muutoksia, ne ovat merkittävä epävarmuustekijä ilmastoennusteissa.

Havainnointi ja mittaus

Pilviä havainnoidaan monessa mittakaavassa ja monilla välineillä.

Koulutetut havainnoitsijat kuvaavat pilvien tyyppiä ja peittävyyttä maasta käsin; ceilometrit arvioivat pilvien pohjakorkeuden; radiosondit mittaavat lämpötilan ja kosteuden pystysuuntaisia profiileja, jotka osoittavat, missä pilviä voi muodostua; säätutkat havaitsevat hydrometeori-ilmiöitä ja sademäärän rakennetta; ja satelliitit tarjoavat laajan kattavuuden näkyvillä, infrapuna- ja mikroaaltokanavilla, jotka paljastavat pilvien yläosan korkeuden, vaiheen ja liikkeen.

Lidarilla ja kehittyneillä kaukoantureilla voidaan profiloida ohuita pilviä ja aerosolikerroksia, joita on vaikea havaita tavanomaisilla laitteilla.

Numeeriset säämallit käyttävät näitä havaintoja ennusteiden laatimiseen ja pilviprosessien esittämiseen, vaikka pilvien parametrisointi mallin ruudukkotasolla on edelleen haastavaa.

Käytännön vaikutukset ja sovellukset

Pilvet vaikuttavat moniin ihmisen toimintoihin ja teollisuudenaloihin.

Ilmailussa ne vaikuttavat näkyvyyteen, turbulenssiin ja jäätymisriskiin, aurinkoenergian alalla ne muokkaavat aurinkosähkötehoa ja ennusteiden epävarmuutta, maataloudessa pilvet muuttavat haihduntaa, varjostusta sekä sateiden ajoitusta ja määrää, ja vesivarojen hallinnassa pilvistä johtuvat sademallit määräävät altaiden tulovirrat ja tulvariskin.

Pilvihavainnot ovat myös ratkaisevan tärkeitä ilmanlaadun arvioinnissa, ulkoilmatapahtumien suunnittelussa ja hätätilanteissa vakavien myrskyjen aikana.