Päikesekiirgus

Kuidas on aastatega muutunud Eesti kohal oleva õhukihi läbipaistvus?

Hanno Ohvril

Esmalt tuleks täpsustada, kumba atmosfääriõhu läbipaistvust, horisontaalset või vertikaalset, mõeldakse. Horisontaalne läbipaistvus ehk nähtavus on määratud hetkeilmaga, udu või lumesaju korral võib see piirduda vaid mõne meetriga, selline olukord on väga ohtlik kõikidele transpordivahenditele, nii maal, vees kui õhus. Vertikaalse läbipaistvuse all mõeldakse atmosfäärikihti, alt üles, avakosmosesse, või vastupidi, ülevalt alla, aluspinnani, läbinud valguse (täpsemalt, elektromagnetkiirguse) nõrgenemist pilvisuse puudumisel. Globaalse saastelevi trendide uurimisel on huvipakkuvam just valguse nõrgenemine vertikaalses atmosfäärisambas, sellist läbipaistvust käsitlemegi käesolevas lühiülevaates.

Tagasivaateliselt on õhusamba läbipaistvuse muutumist võimalik hinnata Päikese kiiritustiheduse ehk Päikese otsekiirguse nõrgenemise järgi atmosfääri ülapiirilt alla aluspinnani jõudes. Vastavaid otsekiirguse mõõtmisi on paljudes mõõtmisjaamades, ka Eestis, Tartus-Tõraveres ja Tiirikojal, tehtud lausa aastakümnete kaupa. Tähelepanelik lugeja võib nüüd õigustatult küsida, et täiendavalt peaksime teadma päiksekiirguse vootihedust ehk kiiritustihedust atmosfääri ülapiiril, eriti arvestades, et päikseplekkide tõttu on see muutlik ja sugugi mitte lihtsalt mõõdetav suurus. Tõepoolest, rangelt võttes ei ole Päike kaliibritud valgusallikas. Aga ta on üsna stabiilne kiirgaja, mille muutused piirduvad vaid protsendikümnendikega. Paljude Maa atmosfääris toimuvate protsesside modelleerimiseks on isegi kasutusele võetud mõiste solaarkonstant – paikesekiirguse kiiritustihedus (irradiance) maailmaruumis Maa-Päike keskmisel kaugusel, mitmed Eesti teadlased (Russak, Ohvril jt) on kasutanud väärtust:

.                                                             (1)

Kuid atmosfääri ülapiirile mingil hetkel langev otsekiirgus on võrdne solaarkonstandiga ainult kahel kuupäeval aastas – 04. aprillil ja 05. oktoobril, see on siis kui Maa-Päike hetkeline kaugus d on võrdne oma keskväärtusega, d = d₀ = 1 AU, üks astronoomiline ühik (astronomical unit, AU:

d₀ =1 AU = 1.495×10¹¹ m = 1.495×10⁸ km = 149.5×10⁶ km » 150×10⁶ km.

Mingil suvalisel kuupäeval, kui Maa-Päike kaugus on d, arvutatakse atmosfääri ülapiiri pinnaühikule langev kiirgusenergia S₀ lihtsa valemi järgi:

                                    .                                                     (2)

 

Õhusamba läbipaistvust iseloomustava suuruse defineerimisel on veel üks probleem. Tundub mõistlik arvestada päiksekiirguse suhtelist nõrgenemist vaid atmosfääri ühekordse paksuse korral. Atmosfäärifüüsikud väljendavad valguse poolt läbitud atmosfäärikihtide arvu nn massiarvuga, m, seega tundub, et igati sobiks, kui m = 1. Selline eeldus tähendaks aga, et vaatluskohas peaks Päike asuma seniidis, tema kõrgus horisondist oleks h = 90°. Sellisel juhul, tähistades ühe atmosfäärikihi suhtelise läbitavuse sümboliga p₁:

                                               

,                                                                  (3)

 

kus S₁ oleks aluspinnalt seniidi suunas mõõdetud otsekiirgus, S₀ aga atmosfääri ülapiiri kiiritustihedus samal hetkel. Kuid olukord “Päike seniidis” on võimalik vaid troopikas asuvas vaatlusjaamas, jällegi ainult kahel hetkel aastas. Kas ei võiks mõõta otsekiirgust Päikese suvalise massiarvu m (ehk kõrgusnurga h) korral ja seejärel arvutada tulemus ümber massiarvule m = 1?

Vastus sellele küsimusele pole sugugi lihtne. Nimelt Päikese otsekiirguse all mõeldakse kõiki lainepikkkusi hõlmavat ehk integraalset kiirgust. Seega on tegemist keeruka liit- mitte spektraalse kiirgusega. Liitkiirguse üksikud lainepikkused aga nõrgenevad erinevatel Päikese kõrgustel erinevalt. Üldine põhimõte on, et päiksekiirguse lühemad lainepikkused (violetsed ja sinised) nõrgenevad hajumise tõttu rohkem kui pikad (punased), siit siis taeva sinine ja loojuva Päikese punakas värvus. Teisisõnu, punased kiired säiluvad otsekiirguses paremini, madalate päiksekõrguste jaoks on atmosfäär läbipaistvam, nähtust kutsutakse Forbes’i efektiks. Selle efekti elimineerimiseks tuleks massiarvu m korral mõõdetud läbipaistvuskoefitsient p_m ümber arvutada ehk taandada mingile standardsele massiarvule, loomulik tunduks massiarvule m = 1. Ajalooliselt nii tehtigi. Seejärel aga leiti, et kuna enamik vaatluskohti ei asu troopikas, siis seniidisuunalised taandamata kontrollmõõtmised pole võimalikud. Tuleks valida suurem massiarv, näiteks m = 1.5, mille korral h = 41.8º, kuid sellist massiarvu kritiseeriti, et see pole täisarv. Üldist heakskiitu leidis massiarv m = 2, mis vastab Päikese kõrgusele horisondist h = 29.9° » 30°. Veel suurema täisarvulise massiarvu korral, m = 3, oleks Päikese kõrgus horisondist liiga madal, h = 19.3º, ning vastav vaatesuund sageli kaetud pilvedega (pilvisus kasvab horisondi suunas) või siis segaksid kõrgemad puud, ehitised, elektriliinid jne.

Lühidalt on õhusamba läbipaistvuskoefitsiendi arvutusprotseduur järgmine. Vaatlusjaamas mõõdetakse, mingil suvalisel massiarvul m, Päikese integraalne otsekiirgus S_m, ja arvutatakse, üldistades valemit (3), atmosfääri integraalne läbipaistvuskoefitsient (lühendatult, AILK) p_m,

 

,                                                                (4)

 

mis formaalselt vastab massiaarvule m = 1. Forbes’i efekt koefitsiendi p_m käitumises avaldub selles, et eeldades atmosfääri koostise muutumatust päeva jooksul, vastavad suurematele massiarvudele (st väiksematele Päikese kõrgustele) suuremad p_m väärtused. Läbipaistvus­koefitsiendi suurematest väärtustest varajastel hommiku- ja hilistel õhtutundidel järeldub, et väiksematel Päikese kõrgustel on atmosfääri läbipaistvus integraalsele kiirgusele parem (the virtual diurnal variation of atmospheric broadband transmission characteristics), sest aluspinnani ei jõua enam sama koostisega, vaid punakam valgus. Loomulikult raskendab Forbes’i efekt erinevatel Päikese kõrgustel mõõdetud integraalsete läbipaistvuskoefitsientide ja teiste läbipaistvuse ja sumeduse parameetrite omavahelist võrdlemist.

Nagu öeldud, taandatakse Forbes’i efekti elimineerimiseks koefitsiendid p_m arvutuslikult massiarvule m = 2 ehk Päikese kõrgusele h » 30º, tulemusena saadakse koefitsient p₂. Eestis kasutatav taandamisvalem tugineb Tartu Ülikooli kauaaegse atmosfäärifüüsika õppejõu Herman Mürgi (1900–1988) originaalsele teooriale (Ohvril et al., 1999):

                                    .                                         (5)

 

Vaatleme näitena Tõraveres 18. aprillil 2005 toimunud ostsekiirguse mõõtmiste alusel arvutatud läbipaistvuskoefitsiente. Joonise 1 vertikaalteljel on kujutatud nii esialgselt arvutatud koefitsiendi p_m väärtused (sinised punktid) kui massiarvule m = 2 taandatud p₂ väärtused (pruunid punktid).

Joon. 1. Tõraveres 18.04.2005 mõõdetud Päikese otsekiirgusest Sm arvutatud läbipaist­vuskoefitsientide pm ja p2 päevased käigud. Horisontaalteljel on kellaeg nn tõelises päikeseajas (TST, True Solar Time), st kell TST = 12 on Päikese kõrgus maksimaalne. Koefitsiendi p2 jaoks säilinud väga väike päevane käik võib olla põhjustatud Tõravere kohal olnud õhumassi muutustest.

Huvipakkuv on jälgida läbipaistvuskoefitsiendi p₂ aastakeskmiste muutumist erinevates vaatlusjaamades paljude aastate jooksul. Meie käsutuses on otsekiirguse andmed seitsmest vaatlusjaamast: Pavlovsk, Voeikovo, Tiirikoja, Tartu, Tõravere, Moskva, Karadag, vaatlusjaamade kaart on joonisel 2.

Joon. 2. Otsekiirguse vaatlusjaamad, milles mõõdetud Päikese otsekiirguse andmete kvaliteet on olnud sobiv õhusamba läbipaistvuskoefitsiendi p₂ aastakeskmiste arvutamiseks: Pavlovsk, Voeikovo, Tiirikoja, Tartu, Tõravere, Moskva, Karadag. Numbritega 1, 2 ja 3 on märgitud Narva lähedal asuvad soojuselektrijaamad.

Kõik loetletud vaatlusjaamad on mingil moel seotud endise NSVL-ga. Peamiseks põhjuseks on asjaolu, et Päikese otsekiirguse mõõtmiste teostamine ja hilisem analüüsimine on töömahukas ja vastavalt kulukas. Nii algselt Venemaa kui seejärel NSVL puhul oli tegemist totalitaarsete riikidega, kus teadlastel õnnestus anda oma uuringutele militaarne põhjendus ning suurendada ka aktinomeetrilise ehk Päikese kiirguse mõõtmise võrgustiku ülevalpidamise eelarveid. Lääneriikide meteojaamades piirduti igapäevaste ilmaprognooside kindlustamiseks vajalike mõõtmistega, aktinomeetrilisi mõõtmisi automatiseeriti ning loobuti nende toetamiseks vajalikest visuaalsetest päikeseketta seisundi ja pilvisuse vaatlustest. Tulemusena on automaatselt salvestatud tohutud andmebaasid, mille ümbertöötamiseks ja väärindamiseks puudub võimekus, mistõttu võivad jääda avastamata ja kuhjuda süstemaatilised mõõtmisvead. Aktinomeetriliste mõõtmiste, eriti Päikese otsekiirguse korral on kõige väärtuslikemaks kogenud meteoroloog-vaatleja vahetul osavõtul tehtud mõõtmised.

Ülevaade meie käsutuses olevatest õhusamba läbipaistvuse aegridade pikkustest on skemaatiliselt kujutatud joonisel 3. Kõige vanemaks aegreaks on aastatel 1906–1936 Pavlovskis toimunud mõõtmiste oma. Märgime, et Sankt-Peterburgi lähedal asuvas Pavlovskis paiknes enne sõda kuulus meteojaam, kus arendati välja aastakümneid NSVL-s tootmises olnud Moltšanovi meteoroloogiline raadiosond, millest üks kukkus 1931. aasta suvel Karjalasse, toodi talumehe poolt Helsingisse ja mille Vilho Väisälä võttis oma raadiosondi prototüübiks ning asutas firma nende tootmiseks, Vaisala OY. Pärast sõda jätkusid otsekiirguse mõõtmised Pavlovski asemel Voeikovos.

 

Joon. 3. Erinevates vaatlusjaamades mõõdetud Päikese otsekiirgusest arvutatud õhusamba läbipaistvuskoefitsientide aegridade pikkused. Kõige vanemaks on Pavlovski aegrida, 1906–1936, kõige pikemaks Krimmis asuva Karadagi aegrida, 1934–2014. Eesti kolm aegrida, Tartu-1, Tartu-2 ja Tõravere on käsitletavad ühtse Tartu-Tõravere aegreana, milles aga on katkestus, 1941–1949.

Kõige pikemaks katkematuks aegreaks on Krimmi oma, 1934–2014. See aegrida on ainulaadne, sest sisaldab mõõtmisi ka Krimmi kaheaastasest okupatsiooniperioodist (juuli 1942 – mai 1944), mil Karadagis töötanud meteoroloogid said Wehrmachtilt töötasuna toidupakke, mis hiljem tõi kaasa süüdistused koostööst saksa okupatsioonivõimudega. Mereäärse poolkõrbelise asukoha tõttu on Krimmis palju pilvituid päevi ning head tingimused aktinomeetrilisteks mõõtmisteks. Sõjajärgselt kujunes Karadag üleliiduliseks aktinomeetriliste instrumentide võrdlusmõõtmise keskuseks, kus ka Tõravere jaama kauaaegne juhataja Laine Avaste käis aktinomeetreid kaliibrimas. Kahjuks ei olnud ei Ukraina ega Vene Föderatsiooni võimud nõus pärast 2010. aastat Karadagi jaama vajalikult rahastama ning viimased paar aastat toimetas selle varasem juhataja geograafiakandidaat Gennadi Guštšin mõõtmisi lausa tasuta (joon. 4). Krimmi läbipaistvuse unikaalne aegrida lõpeb kahjuks aastaga 2014.

 

Joon. 4. Aastakümneid juhatas Karadagi meteojaama geograafiakandidaat G. Guštšin. Parempoolsel pildil on töölauad aktinomeetriliste võrdlusmõõtmiste jaoks. (Foto H. Ohvril, 26. okt, 2010)

Eestis alustati otsekiirguse mõõtmistega 1931. aastal prof Kaarel Kirde juhatusel Tartu Ülikooli meteoroloogia observatooriumis (Liivi tn 4). Esimeseks aastaks, mil kõik kalendrikuud olid esindatud, oli 1932. Mõõtmised katkesid 1941. aastal, hinnaline mõõteriist, Ångströmi pürheliomeeter, hävis sõjas. Aastatel 1950–1965 toimusid otsekiirguse mõõtmised Tartu aktinomeetriajaamas (linna lõunapiiril Riia tänava ääres) NSVL aktinomeetriga AT-50. Alates 1965. aastast algasid mõõtmised ka Tõravere avaral meteoväljakul (joon. 5). Võrreldes omavahel 1965. aastal paralleelselt toimunud mõõtmisi Tartus ja Tõraveres, selgus, et väikese vahemaa, 20 km tõttu, võib ühendada Tartu ja Tõravere aktinomeetrilised aegread. Märtsis 2012 vahetati Tõraveres aktinomeeter AT-50 välja USA firma Eppley Laboratory pürheliomeetriga NIP. Alates septembrist 2018 toimuvad mõõtmised Hollandi firma 2018 Kipp&Zonen pürheliomeetriga CHP-1.

 

Joon. 5. Tõravere meteoväljaku aktino­meetriliste instrumentide paiknemise üldvaade. Vahetult joonise vasakus servas on Eppley pürheliomeeter NIP ja paremas aktinomeeter AT-50. Alates 1999. aastast kuuluvad siin toimuvad mõõtmised ülemaailmse võrgustiku Baseline Surface Radiation Network (BSRN) andmebaasi.  (Foto A. Kallis, 2014)

Aastatel 1956–2015 toimusid otsekiirguse mõõtmised ka Mustvee põhjapiiril asuvas Tiirikoja järvejaamas, kuid personali koondamise tõttu ei suudeta instrumente vajalikult hooldada ja sealsed andmed pole enam usaldusväärsed.

Moskva Riikliku Ülikooli meteoroloogia observatooriumi (ca 0.5 km MRÜ peahoonest, botaani­kaaia territooriumil, joon. 6) otsekiirguse aegrida algab aastast 1955. Lisaks Tõraverele on see käesoleval ajal endise NSVL territooriumi ainuke vaatluskoht, kus jätkuvad piisava kvaliteediga otsekiirguse mõõtmised atmosfääri läbipaistvuse trendide arvutamiseks.

Joon. 6. Moskva Riikliku Ülikooli meteoro­loogia observatooriumi aktinomeetrilised instrumendid paiknevad kahekordse hoone katusel. Kellamehhanismile monteeritud aktinomeeter AT-50 on foto vasakus servas. (Foto H. Ohvril, 2018)

 

Kanname nüüd eespool kirjeldatud seitsme vaatlusjaama andmestiku alusel arvutatud atmosfäärikihi läbipaistvuskoefitsientide p₂ aastakeskmised ühele joonisele, kus horisontaalteljel on aastaarvud (joon. 7). Selgitame vertikaaltelje ulatust. Atmosfääri puudumisel ei toimuks päiksekiirguse nõrgenemist ning läbipaistvuskoefitsient omaks maksimaalset võimalikku väärtust, p₂ = 1. Kui atmosfäär oleks kuiv ja puhas (CDA – clean and dry atmosphere) ehk tegemist oleks nn ideaalse atmosfääriga, siis ikkagi toimuks Päikese otsekiirguse nõrgenemine kahel põhjusel, molekulaarse hajumise tõttu ning neeldumise tõttu osoonis. Arvutused, näitavad, et ideaalse atmosfääri läbipaistvuskoefitsient oleks, p₂ » 0.9. Reaalses atmosfääris on läbipaistvus parem põhjapoolsetes jaamades, kus õhus on vähem tolmu ja veeauru. Nii Pavlovskis, Voeikovos, Tartus, Tiirikojal kui Tõraveres on aastakeskmine läbipaistvus korduvalt ületanud nivood p₂ = 0.8, seda pole aga juhtunud ei Karadagis ega Moskvas.

Joonisel torkavad silma üksikud aastad, mil õhu läbipaistvus drastiliselt kahanes. Sajandi suurim kahanemine toimus Pavlovskis aastal 1912. Põhjuseks oli sama aasta kevadel (06.06.1912) Alaska vulkaani Katmai/Novarupta plahvatus. Vulkaani kaksiknimi tuleneb sellest, et vana vulkaani Katmai ja uue vulkaani Novarupta kraatrid asuvad inimtühjal alal lähestikku (10 km) ning alles 1950tel selgus, et tegemist on siiski erinevate vulkaanidega (Ohvril et al., 2009). Vulkaaniliselt olid eelmisel sajandil väga aktiivsed neli aastat, 1979–1982, mil järjestikku plahvatas 4 vulkaani: Soufriere (Antillid, 1979), Saint Helens (USA, 1980), Alaid (Kuriilid, 1981), El Chichón (Mehhiko, 1982).  

Kokku on maailmas ca 1500 potentsiaalset vulkaani, enamus neist pasiivsed. Umbes 500 vulkaani pursked on ka ajalooliselt dateeritud. Globaalne mõju on vulkaanidel, mis purskavad kõrgemale kui 10 km, see tähendab stratosfääri. Joonisel 7 on selliste võimsamate vulkaanide pursete algushetked, kokku 29, märgitud joonise allservas.

Vulkaanilise õhusaaste kauglevi mehhanism on lihtsustatult järgmine. Enamus võimsamaid vulkaane paikneb maakera soojemates piirkondades. Umbes 2-3 nädalaga kujuneb vulkaanilistest heitmetest, millest üks tähtsamaid on vääveldioksiid (SO₂), välja troopikas maakera ümbritsev ekvaatoriga paralleelne vöö. Tuhk ja tolm settivad mõne nädalaga, vulkaanilised gaasid aga hajuvad stratosfääris pooluste suunas ligi kaks aastat. Keerukate fotokeemiliste protsesside (milles tähtis osa on lämmastikuühenditel) tulemusena moodustuvad vääveldioksiidist ja veeaurust väävelhappetilgad. Viimased, hajutades päikesekiiri, muudavadki taeva valkjaks ning vähendavad õhu läbipaistvust.

Joon. 7. Õhusamba läbipaistvuskoefitsiendi p₂ aastakeskmiste väärtuste muutumine alates 1906. Joonise allservas on suuremate vulkaanipursete algushetked.

Eestis oli õhu läbipaistvus kõrge enne sõda, 1930te alguses. Sõjajärgsel perioodil halvenes läbipaistvus aastatel 1960–1980, seda nii vulkaanipursete kui ekstensiivse, loodust mittesäästva majandamise tõttu. Lääne-Euroopas, eriti Inglismaal, kulmineerus õhusaaste 1950tel kivisöe laialdase kasutamise tõttu. Tuulevaiksetel detsembripäevadel 1952. aastal halvas sudu Londonis liikluse ja põhjustas tuhandeid surmajuhtumeid (Great Smog of London, December 5–9, 1952; joon. 8).

Joon. 8. Ebasobivate meteotingimuste (kõrgrõhkkond, madal Päike, tuulevaikus, inversioon) tõttu täitus London viie detsembripäeva (05.-09. dets 1952) jooksul udu ja kütuse põlemisejääkide (SO₂, CO₂, CO, tahm) seguga. Hinnangulisel hukkus 12000 astma- ja südamehaiget.

(Paul Andrews, https://paulwandrews.wordpress.com/2019/04/21/the-great-smog-of-london-killed-thousands-of-souls/)

Siiski kulus ligi neli aastat, enne kui Briti parlament võttis vastu nn Puhta õhu seaduse (Clean Air Act, 1956), millega keelustati Londonis kivisöe kasutamine küttekolletes. Euroopa õhu puhtusele aitas kaasa ka energiamahuka tööstuse järk-järguline kolimine Kagu-Aasiasse.

Möödunud aastakümnete suurim oli Filipiinide vulkaani Mt Pinatubo purse juunis 1991. Euroopas värvus taevas valkjaks 2-3 kuu pärast. Eestis jäi see tähtis loodusnähtus siiski tähelepanuta, sest Moskvas toimunud augustimässu järel toimus NSVL kui riigi kokkuvarisemine ja Balti riikide taasiseseisvumine.

Põuastel suvedel halvendavad õhu läbipaistvust suured metsa- ja soopõlengud. Käsitletud vaatlusjaamadest on loodustulekahjud enim mõjustanud õhu läbipaistvust Moskvas aastatel 2002, 2006 ja 2010 (joon. 9).

Joon. 9. Punane väljak Moskvas augustis 2010. (Wikipedia)

Aastatel 2018 ja 2019 langes õhusamba läbipaistvus nii Tõraveres kui Moskvas. Võimalik, et põhjuseks on ligi 3 aastakümmet kestnud vulkaanilise rahuperioodi katkemine. Juunis 2018 plahvatas Fuego vulkaan Guatemaalas ning juunis 2019 Raikoke vulkaan Kuriilidel. Nende kahe vulkaani mõju Euroopa kohal oleva õhu läbipaistvusele ei ole teaduskirjanduses veel põhjalikult analüüsitud.