Ilman ominaisuudet

1.2 Troposfääri

Lentoliikenne tapahtuu normaalisti troposfäärissä, joka ulottuu maanpinnasta stratosfääriin saakka. Tropopaussi on stratosfäärin ja troposfäärin rajana oleva inversiokerros, joka on päiväntasaajan lähellä noin 16 – 20 km ja napa-alueella noin 6 - 8 km korkeudella. Troposfäärissä ilman lämpötila laskee noin 6,5 °C/km joskin sääilmiöt aiheuttavat runsaasti vaihteluja molemmin puolin. Sääilmiöt rajoittuvat troposfääriin. Tropopaussin lämpötila on napa-alueilla noin -45°C ja päiväntasaajalla jopa -75°C. Troposfäärin yläpuolella oleva stratosfääri ulottuu noin 50 km korkeuteen.

Syy siihen, miksi lentoliikenne rajoittuu enimmäkseen troposfääriin, on moottoritehon heikkenemisessä, koska stratosfäärissä lämpötila ei laske, vaikka ilman tiheys edelleen pienenee. Hyötysuhteen lasku ei ole niin merkittävä, etteikö stratosfäärin alemmissa kerroksissa voisi lentää varsinkin napa-alueilla, joissa tropopaussi on suhteellisen matalalla. Erityisesti pitkän matkan matkustajakoneet lentävät usein tropopausin yläpuolella varsinkin pohjoisella pallon puoliskolla. Optimaalisin lentokorkeus olisi tropopaussin korkeus, koska silloin polttoaineen kulutus per lentomatka on pienimmillään.

1.3.1 Lämpötilan yksiköt

Ilman lämpötila ilmaistaan normaalisti Celsius- tai Fahrenheit-asteissa. Laskentakaavoissa esiintyvät usein Kelvin-asteet, koska monet luonnonilmiöt ovat verrannollisia absoluuttiseen lämpötilaan -273,15 ºC. 

Celsius, Fahrenheit ja Kelvin asteikkojen muunnoskaavat: 

C = 5/9 x (F-32) => F = 1.8 x C+32
C = K-273.15 => K = C+273.15

1.3.2 Ilman lämpötilan vertikaalijakauma

Ilman lämpötila laskee korkeuden kasvaessa. Lämpötilan laskun voimakkuus riippuu ilman kosteudesta sillä ilmassa olevan kosteuden tiivistyminen luovuttaa lämpöa ja höyrystyminen sitoo lämpöä. Täysin kuiva ilma jäähtyisi noin 9,8 ^oC per kilometri, mutta ilma on enimmäkseen kosteaa ja keskimääräinen jäähtyminen on noin 6,5 ^oC per kilometri. Kostean ilman noustessa sen suhteellinen kosteus yleensä kasvaa ja saattaa saavuttaa kyllästymispisteen, jolloin ilmaan syntyy pieniä pisaroita edellyttäen, että ilmassa on riittävästi tiivistymiskeskuksia. Ellei näitä ole, niin ympäristöään keveämpi ilma jatkaa nousuaan kunnes se saavuttaa tasapainotilan ympäröivän ilman kanssa. Epätasainen lämpötilan jakaantuminen johtaa pystysuoriin ilmavirtauksiin, joista nousevia kutsutaan termiikeiksi ja alas suuntautuvia laskeviksi. 

Savun etenemisen avulla voi päätellä ilman stabiilisuuden. Inversio eli lämmin ilma kylmän päällä estää savun nousemisen ylemmäksi. Inversiokerroksessa tuuli voi olla voimakas, mutta lähes vapaa turbulenssista. Labiilissa eli epävakaassa kelissä on runsaasti turbulenssia ja nousevia sekä laskevia virtauksia. Kuvassa u on tuulen nopeusjakauma.

1.3.3 Lämmön siirtyminen

 Lämpö siirtyy kolmella tavalla, johtumalla, väliaineen kuljettamana tai säteilemällä. Maahan lämpö tulee auringon säteilyn välittämänä. Osa säteilystä jää pilviin tai heijastuu takaisin avaruuteen ja osa saapuu maahan saakka, jossa se lämmittää maanpinnan. Yöllä säteily puolestaan jäähdyttää maanpintaa varsinkin, jos taivas on pilvetön. Pilvettömän yön jälkeen aamulla maanpinnan lämpötila voi olla noin 7 astetta kylmempi kuin muutaman metrin korkeudella olevan ilman. Syksyllä ja keväällä tämä tarkoittaa, että maanpinta voi olla kuurassa tai jäässä vaikka ilman lämpötila on plussalla. Sama koskee myös ulkona säilytetyn lentokoneen pintoja. Säärintamat ja tuulet siirtävät ja tasaavat lämpötilaeroja eri alueiden välillä.

Tuulet ovat erinomaisia lämmösiirtimiä ja tasoittavat laajojen alueiden lämpötiloja.

Termiikki

Kosteuden tiivistyminen pisaroiksi tai jääksi tai lumikiteiksi vapauttaa runsaasti lämpöä, mikä aiheuttaa ilman lämpenemistä ja kevenemistä ympäröivän ilman suhteen, jolloin ilma nousee ylös muodostaen yleensä pilviä.

Laskeva

Vastakkainen ilmiö tapahtuu, kun pisarat muuttuvat vesihöyryksi tai jää sulaa vedeksi, mikä sitoo lämpöä ja jäähdyttää ympäröivää ilmaa, mikä aiheuttaa laskevan ilmavirtauksen. 

1.3.4 Lämpögradientti, stabiili ja epästabiili säätila

Ilman lämpötilan muutosta korkeuden funktiona kutsutaan lämpögradientiksi. Periaatteessa ilma jäähtyy adiabaattisesti 6,5^oC/km mutta poikkeamat tästä vaikuttavat ilman vertikaaliseen käyttäytymiseen. Jos ilma jäähtyy tätä enemmän, niin alempana oleva ilma pyrkii nousemaan ylemmäksi, mikä aiheuttaa nousevan ilmavirtauksen. Jos nousevan ilman lämpötila laskee niin paljon, että saavutetaan kastepiste eli suhteellinen kosteus nousee 100%:iin, niin ilmasta tulee alijäähtynyttä kunnes kosteus tiivistyy pisaroiksi, joiden joukkoa kutsumme maanpinnan lähellä sumuksi ja ylempänä pilveksi. Tiivistyminen vaatii tiivistymiskeskuksia eli mitä likaisempaa ilma on sitä helpommin pisarat syntyvät. Sama tilanne on myös talvella, jolloin ilmassa saattaa olla alijäähtyneitä vesipisaroita, jotka vain odottavat konettasi, johon voi tiivistyä jääksi. Yli 35 mikronin kokoiset alijäähtyneet vesipisarat voivat muodostaa hvyin nopeasti huomattavan määrän jäätä koneen otsapintoihin ja kaasuttimen kurkkuun.

Stabiili tilanne edellyttää, että ylempänä oleva ilma on lämpimämpää kuin adiabaattisesti jäähtyvä ilma. Tällöin alempana oleva ilma ei kykene nousemaan ylemmäksi eikä vertikaalisia virtauksia synny. Tämä on purjelentäjille huono keli. Jos lämmin ilmakerros on selkeästi kylmän päällä, tilannetta kutsutaan inversioksi.

1.3.5 Inversio 

Inversio vallitsee silloin, kun lämmin ilmamassa on kylmän päällä. Koska kylmä ilma on painavampaa kuin lämmin, ei inversiokerroksen läpi tapahdu pystysuoria virtauksia. Inversiokerroksen yläpuolella virtaus on lähes kitkatonta ja tuuli voi saavuttaa melkoisia nopeuksia, vaikka maanpinnalla olisi aivan tyyntä. Inversiokerroksen alapuolella esiintyy turbulenssia ja yläpuolella vähemmän jos ollenkaan.

Selkeimmin inversiokerros on havaittavissa tyynenä talvipäivänä, jolloin piipuista nouseva savun nousu pysähtyy ja jatkaa vaakatasossa vakio korkeudella. Tilannetta on usein edeltänyt kylmä ja kirkas yö, jolloin maanpinta on jäähtynyt ulos säteilyn johdosta. Inversiokerros on yleensä muutaman metrin tai kymmenen metrin korkeudessa. Varsinkin kesäisin tällainen inversiokerros käsittää sumua, joka nousee vähitellen ylemmäksi ja hälvenee auringon lämmittäessä maanpintaa. Sumu johtuu siitä, että kylmän ilman päällä on lämmintä kosteaa ilmaa, joka jäähtyy alemman kylmän ilman johdosta, jolloin vesihöyry tiivistyy pisaroiksi ja muodostaa sumua. 

Kesällä inversio syntyy samalla tavalla ja ilmenee aamusumuna, joka nousee ja hälvenee auringon noustua ja häviää vähitellen. Inversion aiheuttama sumu voi estää näkyvyyttä esimerkiksi lentoonlähdössä tai laskussa.

Inversio voi johtua myös lämpimän rintaman virratessa kylmän päälle. Tällainen inversiokerros on varsinkin rintaman etureunassa korkealla ja rintaman edetessä kerros tulee matalammalle. Inversion voi havaita kerrokseen syntyneiden pilvien avulla. Pystyvirtaukset eli termiikit eivät juurikaan läpäise inversiokerrosta ja jos läpäisevät, niin seurauksena on usein ukkospilvi. 

1.3.6 Lämpötila maanpinnan läheisyydessä

Ilman lämpötila vaihtelee suuresti maanpinnan läheisyydessä. Vaihtelu on sekä alueellista että korkeudesta riippuvaista. Vaihtelua aiheuttavat maanpinnan muodot, peitteisyys ja lämpöominaisuudet. Maanpinta ja pintakasvillisuus joko imee ilmasta lämpöä tai luovuttaa sitä. Lämpötasapaino riippuu ilman kosteuspitoisuudesta, koska vesihöyryn lämpösisältö on moninkertainen kuivaan ilmaan verrattuna. Erityisen merkittäviä lämmönlähteitä ovat vasta kynnetyt tai karhitut pellot kesäauringon paisteessa. Pinnasta nousee lämmin kostea ilma, joka jatkaa nousuaan kunnes ilman kosteus tiivistyy ja muodostaa kauniin cumulus pilven. Vastakohtana kostea suo, joka on ympäristöä paljon kylmempi ja jäähdyttää välittömästi pinnan yläpuolisen ilman ja, jos se on riittävän kosteaa, syntyy sumua. 

Lähellä toisiaan olevat eri lämpöiset alueet aiheuttavat pystysuoria virtauksia, jotka sekoittavat tuulta ja muodostavat turbulenssia. Mitä voimakkaampia lämpötilaerot ovat sitä voimakkaampi turbulenssi. Purjelentäjien on syytä opetella tunnistamaan alueet, joilta on saatavissa hyviä nostoja.

1.4 Ilman paine

Ilmanpaineen vaihtelut johtuvat auringon lämmön epätasaisesta jakaantumisesta maanpinnalla. Ympäristöään lämpimämpi ilma nousee ylös ja kylmempi laskee. Nouseva ilma. joka usein on myös kosteaa, synnyttää matalapaineen ja laskeva ilma, joka on kylmä ja kuiva synnyttää korkeapaineen. Matalapaineeseen liittyy usein kosteudesta johtuen pilvisyyttä ja korkeapaine on useimmiten pilvetön. Paine-ero pyrkii tasaantumaan tuulen välityksellä siten, että korkeapaineesta tuuli pyrkii kohti matalapainetta mutta maapallon pyörimisestä johtuen tuuli kääntyykin pohjoisella pallon puoliskolla vastapäivään ja eteläisellä myötäpäivään. Korkeapaineen ja matalapaineen keskukset liikkuvat yleensä Pohjois-Euroopassa itään ja koilliseen. Matalapaineet, jotka saapuvat Suomeen syntyvät usein Atlantilla ja koukkaavat Etelä-Ruotsin yli heiketen ennen saapumista Suomeen. Korkeapaineet tulevat useimmiten idästä. Mitä suurempi ero ja mitä lähempänä toisiaan korkea- ja matalapaine ovat, sitä voimakkaampaa tuulta on odotettavissa.

Ilmanpainetta ja lämpötilaa on mitattu jo satoja vuosia ja näiden mittausten perusteella on pystytty muodostamaan sääkarttoja jopa 1700 luvulle saakka. 

Kansainvälinen ilmakehä määrittelee ilmanpaineen riippuvuuden korkeudesta.

1.4.1 Barometrinen paine ja isobaarit

Ilmanpainetta mitataan barometrillä. Mittaustulokset esitetään karttapohjalla korkeuskäyrien tapaan isobaareina, jotka edustavat samaa painetta. Mitä tiheämmmin käyrät ovat sitä suurempi on paine-ero, joka synnyttää tuulta. Isobaarit ovat sulkeutuvia käyriä ainakin riittävän isolla kartalla. Kahden tai useamman vierekkäisen korkeapainealueen väliin jäävää aluetta kutsutaan korkeapaineen selänteeksi ja vastaavaa matalapaineen aluetta matalapaineen selänteeksi.

Esimerkki isobaareista sääkartalla. Mitä tiheämmässä isobaarit ovat sitä suurempi paine-ero, joka synnyttää tuulta. Tuuli pyrkii korkeapaineen alueelta kohti matalapainetta mutta Coriolis-voima kääntää sitä matalapainetta lähestyttäessä vastapäivään. Ilmanpaineen yksikkö on hPa tai mbar ja aiemmin käytetty mmHg.

Isobaarit

Sääkartalla ilmanpaine osoitetaan isobaareilla, jotka ovat painekorkeuskäyriä.

1.4.2 Korkeuden vaikutus paineeseen

Ilmanpaine vastaa mittauskorkeuden yläpuolella olevan ilman painoa/pinta-ala. Mitä korkeammalla ollaan sitä vähemmän ilmaa on yläpuolella ja sitä alhaisempi ilmanpaine. Lentokoneen lentokorkeus mitataan vertaamalla lentokorkeuden ilmanpainetta meren tai maanpinnalla vallitsevaan paineeseen. Ilmanpaine on 5500 m korkeudella noin puolet merenpinnalla vallitsevasta paineesta.