Timo Palo rääkis ERR Novaatorile osalemisest projektis “Polaaraalade kliima- ja keskkonnamuutused seotuna globaalsete muutustega ning nende mõju Põhja-Euroopa kliima kõikumistele” ning uuringu tulemustest.

Palo osa uuringu oli ruurida Arktika atmosfääri piirkihti ehk vahetult aluspinna kohal olevat ja sellelt mõjutusi saavat õhukihti, keskendudes iseäranis temperatuuri vertikaalsele jaotusele ja polaaraladele iseloomulikule temperatuuri inversioonile ehk temperatuuri tõusule kõrguse kasvades. See on ka ühtlasi minu väitekirja teema.

Uurimistöös on ta toetunud aastate jooksul välitöödel kogutud mõõtmisandmetele. See on aidanud paremini tulemusi interpreteerida, sest tal on selleks vajalik taustainfo ja tunneb mõõtmistingimusi. Samas olen kasutanud mõningal määral ka mudelite ja satelliitide andmeid, iseäranis nende parameetrite kohta, mida tal endal pole olnud võimalik mõõta.

„Uurimistulemustest rääkides tuleb mainida, et temperatuuri inversioone üldse on Arktikas suhteliselt vähe uuritud, veel vähem on andmeid Põhja-Jäämere jäävälja kohalt. Põhjused on suuresti puht praktilist laadi, kuna ligipääs Põhja-Jäämerele ja seal viibimine on kulukas ja keeruline ettevõtmine.“

Nii pole imestada, et suurem osa andmeid ja nendele toetuvaid analüüse temperatuuri vertikaalsest jaotusest Arktikas toetub rannikujaamades ja mõningatel saartel tehtavatele regulaarsetele raadiosondeerimistele.

Uuringuid on tehtud juba mõnikümmend aastat ja see annab ka ajalis-ruumilise muutlikkuse analüüsiks arvestatava aegrea. Samas aga jäämere kohalt andmeid napib. Kõige mahukama andmestiku ja pikima aegrea on andnud kunagised Nõukogude, hilisemad Vene triivjaamad, kus raadiosondeerimisi on tehtud alates 1950. aastast.

Siin on aga oma probleem, mis seotud raadiosondeerimiste madala resolutsiooniga ja kunagiste instrumentide ebatäpsusega. „Tekib küsimus, kui usaldusväärsed on need andmed tänases kontekstis ja kuivõrd võrreldavad kaasaegsete täpsemate instrumentide mõõtmistulemustega,“ märgib Palo. Nagu mitmest varasemast ja ka Palo uurimistulemustest selgus, on mõõtmiste resolutsioon arvestatav temperatuuri inversioonide statistika mõjutaja.

Täpsemaid instrumente on kasutatud viimastel aastatel jäälõhkuja pardal tehtavatel kruiisidel, kuid need kruiisid on võrdlemisi lühiajalised ega kesta rohkem kui paar kuud. Pikemaajalisi ja täpsemaid mõõtmisi temperatuuri inversioonide kohta on Põhja-jäämere jäält väga napilt ja on vaid üksikud jääl triivimised, kus on kasutatud ka kõrgema resolutsiooniga mõõtmistehnikat. Üks neist oli kahtlemata Tara laeva triiv, mis sai teoks IV Rahvusvahelise Polaaraasta raames tänu Arktika kliima uurimisele pühendatud Euroopa Liidu suurprojektile DAMOCLES. Just Tara triivi käigus kogutud andmed on olnud suuresti ka minu uurimistöö aluseks.

Varasemad Arktika atmosfääriuuringud on valdavalt keskendunud talvisele poolaastale, kus kliima soojenemise signaal on oodatavalt kõige suurem. Nii on suviste temperatuuri inversioonide kohta vähe teada ja Palo uurimistulemused täiendavad teadmisi just inversioonide suvise dünaamika ja tekkemehhanismide kohta. Tulemused näitavad, et siin on mitmeid erinevusi talviste inversioonidega võrreldes, seda nii tekkemehhanisme kui ka inversioonide endi struktuuri silmas pidades.

2007. aasta suvi, kust Tara mõõtmistulemused pärinevad, oli Arktikas väga erakordne. See oli tavatult soe ja jääkatte sulamine oli niivõrd intensiivne, et sügiseks päädis rekordiliselt madala jääkatte konsentratsiooniga.

Jää kahanemine oli sedavõrd suur, et üllatas teadlaskonda ning isegi mudelid ei suutnud seda ette näha. Siit alates hakati rääkima üha valjemalt Arktika amplifikatsioonist ehk läbi tagasisidemehhanismide iseeneslikult võimenduvast soojenemisest ja jääkatte kiirenevast kahanemisest. Hilisemad aastad on näidanud, et jää sulamine on tõesti veelgi intensiivistunud.

Nii võib Tara triivi käigus kogutud temperatuuri profiile pidada ka omamoodi unikaalseks soojenemise eksperimendi käigus kogutud andmeteks. See võimaldas varasemate andmetega võrdlust tehes uurida, mis juhtub temperatuuri inversioonidega, kui suvisel ajal soojust Arktikasse üha enam lisandub.

Teadlane kaevamas lumekristallide pildistamise koobast Soome Aboa jaamas Kuninganna Maudi maal Antarktikas. Foto: Timo Palo/Wikimedia Commons

Kui kirjeldada teie uurimisteemat ehk temperatuuri inversioone Arktikas, siis mis on selle nähtuse kohta praeguseks vaatlusandmete põhjal selgunud?

Minu uurimistulemused näitavad, et talvise poolaastaga võrreldes on temperatuuri inversioonide tekkemehhanismid suvel erinevad ja märksa komplekssemad. Kui talvel võib valdavaks tekkemehhanismiks pidada aluspinna (jää/lumi) negatiivset kiirgusbilanssi, siis suvel muutub määravamaks sooja õhu advektsioon lõunapoolsematelt laiustelt. Sooja õhu import Arktikasse, mis 2007. aastal oligi iseäranis intensiivne, on aga pool inversiooni tekkepõhjusest. Teine pool on iseäranis omane suvisele poolaastale, ega avaldu talvisel ajal.

See on seotud sellega, et suvisel ajal eksisteerivad mõlemad vee faasid, nii tahke (jää ja lumi) kui vedel ning oluliseks saab sulamis/külmumistemperatuur nende faaside vahel. See tähendab, et vahetult jääpinna kohal olev õhk saab soojeneda nii kaua kuni temperatuur jõuab jää sulamispunkti 0ºC. Sealt alates lisandunud soojus mitte enam ei tõsta õhutemperatuuri, vaid kasutatakse ära jää ja lume sulamiseks. Seepärast püsib aluspinna lähedane temperatuur suhteliselt madal, võrrelduna temperatuuriga atmosfääri piirkihi ülaosas, kus temperatuur saab tõusta kõrgemale 0 kraadist Celsiusest.

Näiteks mõõtsime me 1,5 kilomeetri kõrgusel õhutemperatuuriks 11°C. Kui ootuspäraselt temperatuuri inversioonide, mis on atmosfääri piirkihi stabiilsuse indikaator, nõrgenemine ja esinemissageduse kahanemine on seotud soojenemise ja aluspinna kohal oleva õhukihi ebastabiilsuse suurenemisega (suurenev turbulents), siis jäämere kohal suvisel ajal soojuse lisandumine näib hoopis inversioone tugevdavat.

Siit tõstatas minu uurimistöö ka hüpoteesi, kas temperatuuri inversioonid võiksid olla omamoodi kliima soojenemise indikaatoriks.

Veelgi enam, analüüsides neid nii talvisel kui suvisel poolaastal, võib teha järeldusi ka soojenemise vertikaalse jaotuse kohta, ehk millises õhukihis on see enim aset leidnud. Arutelus, kus diskuteeritakse, kas soojenemine Arktikas on aset leidnud enam aluspinna kohal või atmosfääri piirkihi ülaosas ning veelgi kõrgemal (kilomeeter kuni mõni) siis minu tulemused jäämere kohalt toetavad pigem teist seisukohta.

Pilt muutub kirjumaks aga seetõttu, et Arktika ei koosne mitte ainult jäämerest, vaid ka seda ümbritsevast maismaast, mis iseäranis suvisel ajal on merejääga võrreldes atmosfäärile sootuks erinev aluspind. 2007. aasta suve erakordsust ilmestas ka inversioonide suvine dünaamika, mis oli märksa erinev mitmetest varasemalt publitseeritutest.

Kuidas mõjutab jääkatte kahanemine Arktika ookeani kohal olevaid õhuvoolusid/tuuli ja kas siin saab juba tuua välja ka potentsiaalseid mudeleid või stsenaariume?

Tõsi on, et Põhja-Jäämere jääkate ei ole ainuüksi tundlik kliimamuutuse indikaator, vaid avaldab ka ise tugevat mõju teistele kliimasüsteemi komponentidele. Üsna veendunud võib olla selles osas, et nii suure koguse merejää sulamine ei saa toimuda ilma mingi mõjuta atmosfäärile. Arktika jääkate oma suure päikesekiirguse tagasipeegeldusvõimega on omamoodi isolaator atmosfääri ja ookeani vahel. Selle sulamine muudab oluliselt aluspinna kiirgus- ja soojusbilanssi ning läbi selle mõjutab ka atmosfääris toimuvat.

Atmosfääri suuremõõtmelist tsirkulatsiooni ehk õhu liikumist kirjeldatakse kvantitatiivselt tsirkulatsiooni indeksitega. Indeksile vastav tsirkulatsiooni muster iseloomustab õhurõhuväljade paiknemist. Neile indeksitele on omane ajaline muutlikkus ilma mingi kindla perioodilisuseta. Arktika puhul räägitakse enim Arktika Ossilatsiooni (AO) indeksist. See iseloomustab õhu liikumist atmosfääris põhja polaarala ja keskmiste laiuste vahel.

Õhu liikumise atmosfääris määravad üldises plaanis aga suured tsirkulatsiooni süsteemid. Üheks selliseks on ka läänest itta puhuv polaarne jugavool, mis eraldab troopilise õhu põhjapoolsest arktilisest õhust. Seda jugavoolu troposfääri ülaosas võib ette kujutada kui kiirelt liikuvat suhteliselt kitsast õhujõge. Tsirkulatsiooni indeksid kirjeldavadki seda, mil moel need suured tsirkulatsiooni süsteemid avalduvad aluspinna lähedases õhukihis.

Seoses jääkatte kahanemisega on koostatud mitmeid mudeleid ja stsenaariume, mis püüavad kahanemise mõju atmosfääri tsirkulatsioonile hinnata, kuid selles osas on veel rohkesti ebatäpsust ja määramatust.

Iga mudel on matemaatiline lihtsustus, kuid Arktika kliimasüsteem on oluliselt komplekssem, sisaldades rohkesti erinevaid tagasisidemehhanisme ja sisendeid, mida on väga keeruline kvantitatiivselt kirjeldada.

Viimastel aastatel on üha enam uuritud ekstreemsete ilmastikunähtuste, iseäranis just keskmistel laiustel (Põhja-Ameerikas, Euroopas, aga ka Ida-Aasias) aset leidnud sagedaste talviste külma arktilise õhu sissetungide ja lumetormide võimalikku seost Arktikas toimuvaga. Kuigi nende seoste uurimine on veel suhteliselt varajases staadiumis, on siiski levimas arvamus, et jääkatte sulamine, mis lisab märkimisväärselt soojust atmosfääri ja ookeani, kahandab omakorda temperatuuri kontrasti arktiliste ja troopiliste alade vahel. See temperatuuri kontrast on aga määrav polaarse jugavoolu tsonaalset liikumist (lääne-ida suunaline) silmas pidades.

Jää sulamine ja temperatuuride tõus Arktikas muudab jugavoolu lääne-ida suunalise liikumise nõrgemaks ja suureneb selle n-ö lainelisus ehk kallutatus meridionaalses (põhja-lõuna) suunas. Siit tulenevalt transporditakse rohkem arktiliste alade õhku lõunapoolsetele laiuskraadidele. See juhtub just peamiselt sügisel ja talvel, kui pärast suvist jää sulamist on ookeani enim soojust akumuleerunud.

Selleks, et uus jäätumine saaks alata tuleb esmalt sellest üleliigsest soojusest vabaneda ja selle vabanemine atmosfääri hoiab õhutemperatuuri kõrgemana. Jugavoolusid mõjutada võivaid tegureid on aga teisigi ja seetõttu on hetkel veel küsimusi rohkem kui vastuseid. Samuti on olemasolev vaatlusperiood võrdlemisi lühike, mis teeb keeruliseks eristada neid tegureid, mis on otseselt seotud jää kiire kahanemisega.

Eeltoodule lisaks on mitmed uuringud viidanud ka tsüklonaalse tegevuse kasvule Arktikas ja lõunapoolsetelt laiustelt soojema õhu intensiivsemale transpordile sügavamale Arktika sisealadele. Kogu seda intensiivsemat õhuvahetust Arktika ja keskmiste laiuste vahel on seletatud ka Arktika stratosfääris asuva nn polaar pöörise nõrgenemisega just tulenevalt jääkatte vähenemisest.

Polaar pööris on ulatuslik ümber mõlema polaarala tsirkumpolaarselt paiknev püsiv tsüklonaalne süsteem. Arktikas on see põhjapool polaarset jugavoolu ja pöörleb Coriolise jõul läänest itta. Selline püsiv õhuringlus hoiab külma arktilise õhumassi polaarala kohal, kuid kui see pööris nõrgeneb, siis rajab see tee suuremale õhuvahetusele Arktika ja lõunapoolsemate laiuskraadide vahel.