Tässä luvussa keskitytään ilman lämpötilaan eli ilman lämpötilaan, joka havaitaan 1,2 metrin korkeudella maanpinnasta. Ilman lämpötila vaikuttaa moniin ihmiselämän osa-alueisiin, vaatetuksesta käyttämiimme vaatteisiin ja polttoainekustannuksiin. Ilman lämpötila ja sen syklit vaikuttavat myös alueen biologisen maiseman muodostavien kasvien ja eläinten valintaan. Ja ilman lämpötila on yhdessä sademäärän kanssa keskeinen ilmaston määrittäjä, johon perehdymme tarkemmin luvussa 7.

Viisi tärkeää tekijää vaikuttaa ilman lämpötilaan:

1. Leveysaste. Aurinkosäteilyn vuorokausi- ja vuosisyklit vaihtelevat systemaattisesti leveysasteen mukaan, jolloin myös ilman lämpötilat ja ilman lämpötilajaksot vaihtelevat. Vuosittainen auringonpaiste vähenee napoja kohti, joten ilman lämmittämiseen on käytettävissä vähemmän energiaa. Mutta koska auringonpaisteen kausittainen vaihtelu voimistuu leveyspiirin myötä, korkeilla leveyspiireillä ilman lämpötilat vaihtelevat paljon enemmän vuoden aikana.
2. Pintatyyppi. Kaupunkien ilman lämpötilat ovat yleensä korkeampia kuin maaseudun lämpötilat. Kaupunkien pintamateriaalit – asfaltti, kattotiilet, kivi, tiili – sitovat vain vähän vettä verrattuna maaseutualueiden ja metsien kosteisiin maaperäpintoihin, joten haihtumalla tapahtuva jäähdytys on vähäistä. Kaupunkimateriaalit ovat myös tummempia ja imevät suuremman osan auringon energiasta kuin kasvillisuuden peittämät pinnat. Sama pätee alueisiin, joilla on karu tai kivinen maaperäpinta, kuten aavikoilla.
3. Rannikko- tai sisämaan sijainti. Meren läheisyydessä sijaitsevissa paikoissa ilman lämpötilojen vaihteluväli on kapeampi kuin mantereiden sisäosissa sijaitsevissa paikoissa. Koska vesi lämpenee ja jäähtyy hitaammin kuin maa, ilman lämpötilat veden yläpuolella eivät ole yhtä äärimmäisiä kuin maan yläpuolella. Kun ilma virtaa vedestä maalle, rannikkopaikka tuntee viereisen veden vaikutuksen.
4. Korkeus merenpinnasta. Lämpötila laskee korkeuden myötä. Korkealla ilmakehän yläpuolella on vähemmän ilmakehää, ja kasvihuonekaasut muodostavat vähemmän tehokkaan eristävän peitteen. Pintalämpöä häviää enemmän avaruuteen. Korkeille huipuille kertyy lunta ja se pysyy siellä pidempään. Kasvihuoneilmiön väheneminen johtaa myös suurempiin päivittäisiin lämpötilavaihteluihin.
5. Ilmakehän ja valtamerten virtaukset. Paikalliset lämpötilat voivat nousta tai laskea nopeasti, kun yhdeltä alueelta tuodaan ilmaa toiselle alueelle. Lämpimät tai kylmät rannikkovirtaukset voivat vaikuttaa rannikkoalueiden lämpötiloihin. (Tutkimme tätä tekijää tarkemmin luvussa 5.)

LÄMPÖTILA

Lämpötila on tuttu käsite. Se on aineen atomien liike-energiatason mitta, olipa kyseessä kaasu, neste tai kiinteä aine. Kun aineeseen virtaa säteilyenergiaa, kuten auringonvaloa, sen lämpötila nousee. Vastaavasti jos aine menettää energiaa, sen lämpötila laskee. Tämä energiavirta liikkuu kiinteän tai nestemäisen aineen pinnalla – esimerkiksi maaperän hyvin ohuessa pintakerroksessa, joka itse asiassa absorboi auringon lyhytaaltosäteilyä ja säteilee pitkäaaltosäteilyä avaruuteen – kiinteään tai nestemäiseen aineeseen ja sieltä pois.

Pinnan lämpötila määräytyy sen pinnalla liikkuvien eri energiavirtojen tasapainon perusteella. Nettosäteily – saapuvan lyhytaaltosäteilyn ja lähtevän pitkäaaltosäteilyn välinen tasapaino – tuottaa säteilyenergiavirran, joka voi lämmittää tai jäähdyttää pintaa. Päivän aikana saapuva auringonsäteily ylittää yleensä lähtevän pitkäaaltosäteilyn, joten nettosäteilytase on positiivinen ja pinta lämpenee. Energia virtaa pinnan läpi alla olevaan viileämpään maaperään. Yöllä nettosäteily on negatiivinen, ja maaperä menettää energiaa, kun pintalämpötila laskee ja pinta säteilee pitkäaaltoenergiaa avaruuteen.

Energia voi siirtyä pinnalle tai pinnalta myös muilla tavoin. Johtuminen kuvaa tuntuvan lämmön virtausta lämpimämmästä aineesta kylmempään aineeseen suoran kosketuksen kautta. Kun lämpö virtaa maaperään sen lämpimältä pinnalta päivän aikana, se virtaa johtumalla. Yöllä lämpö johdetaan takaisin kylmempään maaperän pintaan. Myös latentin lämmön siirtyminen on tärkeää. Kun vesi haihtuu pinnalta, se poistaa lämpöä, joka on varastoitunut olomuodon muuttuessa nesteestä höyryksi, ja jäähdyttää siten pintaa. Kun vesi tiivistyy pinnalle, latentti lämpö vapautuu, mikä lämmittää pintaa.

Toinen energiansiirron muoto on konvektio, jossa lämpö leviää nesteessä sekoittumalla. Jos pinta on kosketuksissa nesteen kanssa, kuten maanpinta, jonka yläpuolella on ilmaa, ylös- ja alaspäin suuntautuvat virtaukset voivat vaikuttaa pinnan lämmittämiseen tai viilentämiseen.

ILMAN LÄMPÖTILA

Pintalämpötilan vastakohtana on ilman lämpötila, joka mitataan vakiokorkeudelta 1,2 metrin korkeudelta maanpinnasta. Ilman lämpötila voi olla hyvinkin erilainen kuin pintalämpötila. Kun kävelet parkkipaikan poikki kirkkaana kesäpäivänä, huomaat, että jalkakäytävä on paljon kuumempi kuin ilma ylävartaloasi vasten. Yleensä ilman lämpötilat pinnan yläpuolella heijastavat samoja suuntauksia kuin maanpinnan lämpötilat, mutta maanpinnan lämpötilat ovat todennäköisesti äärimmäisempiä.

Yhdysvalloissa lämpötilaa mitataan ja ilmoitetaan edelleen laajalti käyttäen Fahrenheit-asteikkoa. Tässä kirjassa käytetään Celsius-asteikkoa, joka on kansainvälinen standardi. Celsius-asteikolla veden jäätymispiste on 0 °C ja kiehumispiste 100 °C. Muuntokaavat näiden kahden asteikon välillä on esitetty kuvassa 3.4.

Sääasemilla tehdään rutiininomaisesti ilman lämpötilamittauksia. Vaikka jotkin sääasemat ilmoittavat lämpötilat tunneittain, useimmat ilmoittavat vain vuorokauden aikana mitatut korkeimmat ja matalimmat lämpötilat. Nämä ovat tärkeimpiä arvoja lämpötilan pitkän aikavälin kehityssuuntausten havainnoinnissa.

Lämpötilamittaukset ilmoitetaan sääennusteista vastaaville valtion virastoille, kuten Yhdysvaltain sääpalvelulle tai Kanadan ilmatieteen laitokselle. Nämä virastot toimittavat yleensä päivittäiset, kuukausittaiset ja vuosittaiset lämpötilatilastot jokaiselta asemalta käyttäen päivittäistä maksimi-, minimi- ja keskilämpötilaa. Päivittäinen keskilämpötila määritellään päivittäisten enimmäis- ja vähimmäisarvojen keskiarvona. Kuukauden keskilämpötila on kuukauden keskimääräisten päivälämpötilojen keskiarvo. Näitä tilastoja sekä muita tilastoja, kuten päivittäistä sademäärää, käytetään kuvaamaan aseman ja sitä ympäröivän alueen ilmastoa.

LÄHELLÄ MAATA OLEVAT LÄMPÖTILAT

Maaperän, maanpinnan ja ilman lämpötilat muutaman metrin etäisyydellä maanpinnasta muuttuvat vuorokauden aikana (kuva 3.6). Päivittäinen lämpötilan vaihtelu on suurinta juuri maanpinnan yläpuolella. Ilman lämpötila vakiokorkeudella vaihtelee huomattavasti vähemmän. Maaperässä vuorokausivaihtelu vähenee vähitellen syvyyden kasvaessa, kunnes päästään pisteeseen, jossa vuorokausilämpötilan vaihtelu pinnalla ei aiheuta lainkaan muutoksia.

YMPÄRISTÖN KONTRASTEET: URBAN AND RURAL TEMPERATURES

Helteisenä päivänä maaseutuympäristö tuntuu viileämmältä kuin kaupunkiympäristö. Maaseudulla vesi imeytyy kasvien juuriin ja siirtyy lehtiin transpiraatioksi kutsutussa prosessissa. Tämä vesi haihtuu viilentäen lehtipintoja, jotka puolestaan viilentävät läheistä ilmaa. Maaperän pinnat ovat kosteita, koska sadekuurojen aikana maaperään tihkuu vettä. Se imeytyy ylöspäin ja haihtuu, kun auringonvalo lämmittää pintaa, mikä taas aiheuttaa jäähdytystä. Transpiraation ja haihtumisen yhteisvaikutuksesta käytetään nimitystä evapotranspiraatio.

On muitakin syitä, miksi kaupunkien pinnat ovat kuumempia kuin maaseudun pinnat. Monet kaupunkipinnat ovat tummia ja pikemminkin absorboivat kuin heijastavat aurinkoenergiaa. Itse asiassa asfalttipäällysteet imevät yli kaksi kertaa enemmän aurinkoenergiaa kuin kasvillisuus. Sade valuu katoilta, jalkakäytäviltä ja kaduilta sadevesiviemäriin. Koska kaupungin pinnat ovat kuivia, haihtuminen on vähäistä, mikä auttaa alentamaan lämpötiloja. Toinen tärkeä tekijä on hukkalämpö. Kesällä kaupungin ilman lämpötilaa nostaa ilmastointi, joka pumppaa lämpöä rakennuksista ja luovuttaa sitä ilmaan.

Talvella rakennusten ja rakenteiden lämpö johdetaan suoraan kaupunkiympäristöön.

YMPÄRISTÖN LÄMPÖSIIRTYMÄSSÄARI

Näiden vaikutusten seurauksena kaupungin keskusta-alueen ilman lämpötilat ovat tyypillisesti useita asteita lämpimämpiä kuin ympäröivien esikaupunkialueiden ja maaseudun lämpötilat, kuten kuviossa 3.8 on esitetty. Luonnos kaupunkialueen lämpötilaprofiilista myöhään iltapäivällä osoittaa tämän vaikutuksen. Kutsumme keskusta-aluetta kaupunkien lämpösaarekkeeksi, koska sen lämpötila on huomattavasti koholla. Maaperään varastoituu niin paljon lämpöä päiväsaikaan, että lämpösaareke pysyy ympäristöään lämpimämpänä myös yöllä. Lämpöinfrapunakuva Atlantan keskustan liikealueesta yöllä havainnollistaa lämpösaarekeilmiötä.

Urbaanin lämpösaarekkeen vaikutuksella on merkittäviä taloudellisia seurauksia. Korkeammat lämpötilat vaativat kesällä enemmän ilmastointia ja enemmän sähköä. Tämän sähkön tuottamiseksi poltettu fossiilinen polttoaine lisää ilmaan hiilidioksidia ja ilmansaasteita. Kohonneet lämpötilat voivat johtaa savusumun muodostumiseen, joka on epäterveellistä ja vahingoittaa materiaaleja. Näiden vaikutusten vähentämiseksi monet kaupungit istuttavat enemmän kasvillisuutta ja käyttävät enemmän heijastavia pintoja, kuten betonia tai kirkkaita katemateriaaleja, jotka heijastavat aurinkoenergiaa takaisin avaruuteen.

Lämpösaarekeilmiö ei välttämättä koske aavikkoilmastossa sijaitsevia kaupunkeja. Aavikolla kaupungin kastellun kasvillisuuden haihdutus voi itse asiassa pitää kaupungin viileämpänä kuin ympäröivän karun alueen.

KORKEAT YMPÄRISTÖT

Olemme nähneet, että maanpinta vaikuttaa suoraan sen yläpuolella olevan ilman lämpötilaan. Mutta mitä tapahtuu, kun siirrytään korkeammalle? Kun esimerkiksi kiipeät korkeammalle vuorelle, saatat hengästyä ja saatat huomata, että palat helpommin auringossa. Tunnet myös lämpötilan laskevan, kun nouset ylöspäin. Jos leiriydyt, huomaat, että yölämpötila laskee odotettua alhaisemmaksi, vaikka otetaan huomioon, että lämpötilat ovat yleensä sitä viileämpiä, mitä korkeammalle noustaan.

Mikä aiheuttaa nämä vaikutukset? Korkeilla paikoilla yläpuolella on huomattavasti vähemmän ilmaa, joten ilmanpaine on alhainen. Hengästyminen vaikeutuu yksinkertaisesti siksi, että keuhkojen happiosapaine laskee. Ja kun on vähemmän molekyylejä hajottamassa ja imemässä auringon valoa, auringon säteet tuntuvat voimakkaammilta. Hiilidioksidia ja vesihöyryä on vähemmän, joten kasvihuoneilmiö vähenee. Kun lämpeneminen on vähäisempää, lämpötilat laskevat yleensä vielä alemmas öisin. Myöhemmin tässä luvussa näemme, miten tämä ilman lämpötilan alenemisen malli ulottuu korkealle ilmakehään.

Kuvassa 3.10 on esitetty lämpötilakuvaajat viideltä eri korkeuksilla sijaitsevalta asemalta Perussa sijaitsevalla Andien vuoristoketjulla. Keskilämpötilat laskevat selvästi korkeuden kasvaessa 16 °C:sta (61 °F) merenpinnan tasolla 1 °C:seen (30 °F) 4380 metrin korkeudessa (14 370 ft). Myös enimmäis- ja vähimmäislämpötilojen välinen vaihteluväli kasvaa korkeuden kasvaessa Qosqoa lukuun ottamatta. Tämän suurkaupungin lämpötilat eivät laske niin alas kuin voisi olettaa, koska siellä on kaupunkien lämpösaareke.

LÄMPÖTILAN KÄÄNTYMINEN

Nykyisin ilman lämpötilat näyttävät laskevan korkeuden myötä. Mutta onko tämä aina totta? Mieti, mitä tapahtuu kirkkaana, tyynenä yönä. Maanpinta säteilee pitkäaaltoenergiaa taivaalle, ja nettosäteily muuttuu negatiiviseksi. Pinta viilenee. Tämä tarkoittaa, että myös pinnan lähellä oleva ilma jäähtyy, kuten kuvassa 3.6 nähtiin. Jos pinta pysyy kylmänä, maanpinnan yläpuolelle kerrostuu lämpimämmän ilmakerroksen alle viileämpi ilmakerros, kuten kuvassa 3.11 on esitetty. Tämä on lämpötilainversio.

Lämpötilainversiossa maanpinnan lähellä olevan ilman lämpötila voi laskea alle jäätymispisteen. Tätä lämpötilaa kutsutaan tappavaksi pakkaseksi – vaikka varsinaista pakkasta ei ehkä muodostuisi – koska se vaikuttaa herkkiin kasveihin kasvukauden aikana.

Hedelmäpuiden tai muiden viljelykasvien viljelijät käyttävät useita menetelmiä inversion purkamiseksi. Suurilla puhaltimilla voidaan sekoittaa pinnan viileää ilmaa yläpuolella olevaan lämpimämpään ilmaan, ja joskus käytetään öljypolttoisia lämmittimiä pinnan ilmakerroksen lämmittämiseen.

LÄMPÖINDEKSEJÄ

Lämpötilaa voidaan käyttää yhdessä muiden sää- ja ilmastotietojen kanssa myös lämpötilaindeksien tuottamiseen, jotka osoittavat lämpötilan vaikutuksen ympäristöön ja ihmisten oloihin. Kaksi tutumpaa indeksiä ovat tuulen kylmyysindeksi ja lämpöindeksi.

Tuulen kylmyysindeksiä käytetään määrittämään, kuinka kylmältä lämpötila tuntuu meistä, ja se perustuu paitsi todelliseen lämpötilaan myös tuulen nopeuteen. Ilma on itse asiassa erittäin hyvä eriste, joten kun ilma on tyyni, ihomme lämpötila voi olla hyvin erilainen kuin ympäröivän ympäristön lämpötila. Kun ilma kuitenkin liikkuu ihollamme, se poistaa tuntuvaa ja piilevää lämpöä ja kuljettaa sitä pois kehostamme. Kesällä tämä prosessi pitää meidät viileinä, kun hiki haihtuu pois ja laskee ihon lämpötilaa. Talvella se poistaa lämpöä, jota tarvitaan pitämään kehomme lämpimänä, jolloin ihomme jäähtyy ja olosuhteet tuntuvat paljon kylmemmiltä kuin todellinen mitattu lämpötila.

Tuulen aiheuttama vilunväristysindeksi, jota käytetään Yhdysvalloissa ja joka mitataan °F:nä, voi poiketa hyvin paljon todellisesta lämpötilasta (kuva 3.12). Esimerkiksi todellinen lämpötila 30°F (?1°C) ja tuulen nopeus 30 mi/h (13,45 m/s) tuottavat tuulen kylmyysindeksiksi 15°F (?26°C).

Lämpöindeksi antaa viitteitä siitä, kuinka kuumaksi tunnemme olomme todellisen lämpötilan ja suhteellisen ilmankosteuden perusteella. Suhteellinen kosteus on useimmissa säätiedotteissa ilmoitettu kosteus, ja se ilmoittaa, kuinka paljon ilmakehässä on vesihöyryä prosentteina suurimmasta mahdollisesta määrästä. Alhainen suhteellinen kosteus viittaa suhteellisen kuiviin ilmakehän olosuhteisiin, kun taas korkea suhteellinen kosteus viittaa suhteellisen kosteisiin ilmakehän olosuhteisiin.

Miksi suhteellinen kosteus vaikuttaa siihen, kuinka kuumalta lämpötila tuntuu? Yksi tapa, jolla kehomme poistaa ylimääräistä lämpöä, on hikoilun haihtuminen iholta. Tämä haihtuminen poistaa piilevää lämpöä, mikä jäähdyttää kehoamme. Kun suhteellinen kosteus on korkea, haihtumista tapahtuu kuitenkin vähemmän, koska ympäröivä ilmakehä on jo suhteellisen kostea, ja jäähdyttävä vaikutus vähenee.

Lämpöindeksi ilmoitetaan °F:nä, ja kuten tuulen kylmyys, se voi poiketa hyvin paljon todellisesta lämpötilasta (kuva 3.13). Esimerkiksi jos todellinen lämpötila on 32 °C (90°F) ja suhteellinen kosteus on 90 prosenttia, lämpöindeksi osoittaa, että lämpötila tuntuu 50 °C:lta (122°F) – ero on 18 °C (32°F)!