Kui palju mahub pilved lund mahutavad?

Küsimusele, kui palju pilvedesse lund mahub, kohe vastates mahub suhteliselt tagasihoidlikku kihtsajupilvelahmakasse ligikaudu 90 000 000 tonni lund, mis vastab 2 045 454 545–281 250 000 metsseale või 24 752 000–16 500 000 aafrika elevandile. Järgnevalt on esitatud põhjalikumalt taust ja arutelu, kuidas nende arvudeni jõuda.

Esimese küsimuse puhul tuleb täpsustada pilveliiki, sest erinevatel pilveliikidel on erinev veesisaldus ja nentida fakti, et suur osa pilvi ei sisalda kuigi palju lund, (kui selleks pidada jääkristalle), vaid koosnevad sageli allajahtunud veetilkadest.

Viimase selgituseks: üpris sageli koosnevad pilved allajahtunud veepiisakestest, mille temperatuur on -20°...-30 °C, kuid jäätumist esialgu ei toimu, sest jäätuumakesi pole piisavalt. Asi on selles, et veel on omadus jääda kapillaarides vedelaks või olla väikeste piisakestena allajahtunud olekus isegi üsna palju madalamal temperatuuril kui 0 °C (looduses kuni –40 °C).

Pilved jaotatakse kümneks liigiks ehk põhivormiks: kiudpilved (Cirrus), kiudkihtpilved (Cirrostratus), kiudrünkpilved (Cirrocumulus), kõrgkihtpilved (Altostratus), kõrgrünkpilved (Altocumulus), kihtsajupilved (Nimbostratus), kihtpilved (Stratus), kihtrünkpilved (Stratocumulus), rünkpilved (Cumulus) ja rünksajupilved (Cumulonimbus).

Üldjoontes on nimekiri esitatud pilvede veesisalduse kasvu järjekorras. Kõige väiksema veesisaldusega on tavaliselt kiudpilved – kõigest mõni tuhandik grammi kuupmeetri kohta (keskmiselt 30 jääkristalli liitri kohta, aga tiheduse erinevused võivad ulatuda kaheksa suurusjärguni), lähedase veesisaldusega on ka kiudrünk- ja kiudkihtpilved. Seevastu võimsates rünkpilvedes (Cumulus congestus) ja rünksajupilvedes on veesisaldus juba kuni 8 g/m3, mõne ebatavaliselt võimsa konvektsioonipilve ülaosas koguni 10–20 g/m³.

Veesisaldus oleneb temperatuurist ja niiskusallika kättesaadavusest. Kiudpilved on kõige külmemad ja seetõttu väikseima veesisaldusega, seevastu rünksajupilved esinevad tavaliselt soojal ajal niiskes õhumassis ja on seepärast suurima niiskussisaldusega.

Kuigi kiudpilved on koostise ja sademete poolest 100 protsenti lumepilved, siis sellest hoolimata me seda lund otseselt ei koge, sest kiudpilvedest tulev lumesadu ei jõua maapinnani, vaid aurustub enne seda. Näha võivad olla üksnes sajujooned. Ülejäänud pilveliigid varieeruvad koostise poolest väga palju. Mõned koosnevad sageli jääkristallidest (kiudkihtpilved), teised sageli veetilkadest (kihtpilved), kuid nende üheksa liigi puhul on võimalikud igasugused variandid.

Rünksajupilved annavad küll ohtralt sademeid, kuid talvel on nende osatähtsus sademetes suhteliselt olematu. Niisiis peeti suure tõenäosusega algküsimuses silmas pilvi, mis annavad laussademeid. Need on kihtsajupilved, mille veesisaldus on tavaliselt mõni g/m³. Edaspidises arutelus lähtumegi sellest.

Kihtsajupilved (Nimbostratus) on ühtlane, paks, kogu taevalaotust kattev läbipaistmatu pilvekiht, milles tuleb laussademeid, sageli on pilvekihi all näha kiiresti liikuvaid pilvetükke – hatakpilvi (Nimbostratus pannus). Kihtsajupilvi esineb Eestis aastaringselt, sagedamini frontidel, tsüklonites ja nende lohkudes. Kihtsajupilved tekivad õhu ulatusliku ja ühtlase, kuid intensiivse tõusu tagajärjel frontaalpindadel või teistest pilvedest (kõrgkihtpilvede paksenemisel, rünksajupilvede laialivalgumisel).

Kihtsajupilved koosnevad veetilkadest ja jääkristallidest (segapilved). Tavaliselt moodustavad kihtsajupilvedest jääkristallid kolmandiku või veelgi väiksem osa. Ülejäänud on enamasti allajahtunud veetilgad. Selle ning väga suure paksuse ja veesisalduse tõttu annavad alati sademeid (lausvihm, lauslörts, lauslumi, harva jäävihm, jäälörts või jäätuv vihm), mis on nõrgad ja mõõdukad, vahel isegi tugevad. Harva on sademed sajujoontena, st ei jõua aluspinnani (virga). Seega on tegu sajuse ilma pilvedega, järgnevuse¹ kulminatsiooniga – ilmamuutus ehk vihma- või lumesadu on juba kohale jõudnud.

Ja kui palju võiks siis olla kihtsajupilvedes lund tonnides, kui kogu vee muudaksime lumeks? Kihtsajupilvede veesisaldus on kuni mõni g/m³, konkreetsuse huvides ütleme, et on 3 g/m³. Nüüd peaks veel teadma kihtsajupilvede ruumala ja saabki välja arvutada, kui palju nad potentsiaalselt lund sisaldavad.

Kihtsajupilved on ülipaks, tavaliselt 3–5 km paksune pilvekiht, mis laiub tuhandetel ruutkilomeetritel. Kui võtame näiteks tagasihoidlikuma juhu – paksus kolm kilomeetrit ja pindala 10 000 km², saame selliste mõõtmetega kihtsajupilve ruumalaks 30 000 km³. (Kihtsajupilved on frontaalsed pilved – täiesti realistlik on nende paksuseks võtta kolm kilomeetrit, laiuseks 200 kilomeetrit ja pikkuseks 1000 kilomeetrit, mis annaks ruumalaks juba 60 000 km3). Sellise ruumala iga kuupmeeter sisaldab meie näites 3 g vett, seega on vee mass 30 000 000 000 000x3 = 90 000 000 000 000 g = 90 000 000 tonni.

Kui tuua mingi võrdlus, siis moodustaks see 90 000 000 tonni 2 045 454 545–281 250 000 metssiga, sest metssea kehakaal jääb 44–320 kg vahele või 24 752 000 –16 500 000 (viimane arv on ümardatud) aafrika elevanti, sest aafrika elevandi kehakaal jääb 3,6–5,5 tonni vahele. Kas seda on palju või vähe, otsustagu lugeja. Suuremate lumesadudega (näiteks lumetormi korral) võib sadade ruutkilomeetrite suurune ala saada ööpäevas koguni 30 cm ja enamgi lund.

Lõpetuseks tasub veel mainida, milline on lume tihedus: kuigi rusikareegli järgi annab 0 °C temperatuuri juures 10 sentimeetrit lund sulades 1 cm vett, on see suhe 10:1 kaugel täpsusest, sest varieeruvus on väga suur, sest kõige kohevam on lumi, mis sajab mägedes -10 °C lähedal – siis annab meetripaksune lumekiht sulades kõigest 1 cm jagu vett. Kord maha sadanud, hakkab lumi kiiresti tihenema: lõpuks võib märja vana lume puhul selle tihedus ulatuda koguni kuni 400–500 kg/m³ (see on 0,4–0,5 g/cm³), mis on peaaegu pool sellest, kui palju kaalub sama kogus vett.

Kel huvi, võib välja arvutada, kui palju lund annab meie näites toodud suhteliselt tagasihoidlik kihtsajupilvelahmakas eeldusel, et kadusid ei ole (suurem osa vett jääb ju ikkagi pilvedesse, mitte ei saja lumena maha, lisaks on kaod auramisel, sulamisel jne).

Miks pilved taevast alla ei kuku?

Esmalt tuleb tutvustada pilvede definitsiooni. Neid on vähemalt kaks. (1) Pilv on kolloidne süsteem, mille moodustavad õhus hõljuvad veepiisakesed, jääkristallid või nende segu. (2) Pilv on ükskõik milline aerosooliosakeste kogum õhus, mis on piisavalt tihe, et oleks silmaga nähtav või mõne instrumendiga kindlaks määratav. Nii võib rääkida suitsu-, tolmu- ja tuhapilvedest ning nende hübriididest veeauru kondenseerumise produktidega (Pyrocumulus, Pyrocumulonimbus – viimaseid nimetatakse, tõsi küll, nüüd WMO soovitusel ametlikult Flammagenitus).

Niisiis on pilved ikkagi aerosool. Miks siis need aerosooliosakesed püsivad keskkonnas hõljuvana? Kuna pilvi moodustavate veepiisakeste läbimõõt on mõni kuni mõnikümmend mikromeetrit – keskmiselt 10 μm, maksimaalselt 200 μm –, siis suudavad neid ülal hoida õhuvoolud. Asi on selles, et nii väikese osakese (10 μm) lõppkiirus on vaid 1 cm/s (sel kiirusel on hõõrdumis- ja üleslükkejõud võrdsed), seega piisab juba õige nõrgast õhu liikumisest, et vältida pilvi moodustavate veetilgakeste allavajumist.

Võrdluseks: kahe millimeetrise läbimõõduga vihmatilga terminaalkiirus on juba 9 m/s. Sellise tugevusega tõusvad õhuvoolud ei ole enam kuigi tavalised. Niisiis sajavad mõne millimeetri suurused veetilgad vihmana alla.

Lisaks õhu liikumisele ja pilvi moodustavate veetilkade väiksusele (kergusele) on veel üks põhjus, miks pilved hõljuvad: need on elektrostaatilised jõud, mis hoiavad tekkinud aerosooli – kokkuleppeliselt, n-ö vaikimisi pilvi aerosoolideks küll ei nimetata – stabiilse.

¹- Pilvede järgnevus kujutab endast pilveliikide vaheldumist, mis eelneb (harvemini järgneb) tsüklonile või soojale frondile, kusjuures vaheldumise järjekord allub teatud reeglitele.