Temperatuuri mõõtmine ja arvutamine

Temperatuuri mõõtmine sai võimalikuks tänu suletud vedeliktermomeetri leiutamisele 1660. aastal. Mineviku temperatuuri kindlakstegemisel saab kasutada ka kaudseid meetodeid nagu puude astarõngaid, jääpuursüdamikke ja ookeani põhjasetteid Ilmavaatluste ajaloos on aasta 1659 erilise tähtsusega, sest just sellest aastast pärineb Inglismaalt katkematu temperatuurivaatluste register. Üks koht terve planeedi kohta ei ole palju ning sellele toetudes ei saa ka kaugeleulatuvaid järeldusi teha, kuid see annab teadlastele võimaluse kontrollida kaudsete meetodite abil saadud tulemuste paikapidavust.

Elurikkus ja looduskaitse
KRISTJAN VELBRI, Uurimuse "Globaalne soojenemine ja kliimamuutused" VI peatükk
14. veebruar 2009

Tänapäeval on temperatuuri mõõtmine suuresti muutunud, kuigi alles on jäänud ka ”vana kooli” termomeetrid, mis on siiamaani kõige usaldusväärsemad otseste mõõtmiste tarvis.

Uute leiutiste hulka kuuluvadsondpallid, mis saadetakse üles läbi atmosfääri niitemperatuuri kui ka õhurõhku, tuulekiirust ja suunda mõõtma. Tulemused saadetakse maa peal asuvasse uurimiskeskusesse raadiosignaali abil. Alates 1978. aastast kasutatakse temperatuuri arvutamiseks ka sattelliidivaatlusi (sattelliidid ei mõõda mitte otseselt temperatuuri vaid kiirgust ning seetõttu tuleb temperatuur saadud andmetest tuletada).[1]

20. sajandi alguseks tegeldi pea igas maailma riigis ilma vaatlemise ja ennustamisega. Sondpallide kasutusele võtmisega 1930. aastatel sai esmakordselt võimalikuks temperatuuri ja tuule tugevuse mõõtmine atmosfääri kõrgemates kihtides ning ookeanide kohal seal viibimata.

Kuni 20. sajandi teise pooleni olid vaid üksikud teadlased üritanud välja arvutada Maa keskmist temperatuuri. Tihti oli see ka füüsiliselt võimatu, sest puudusid vajalikud andmed paljude Maa piirkondade kohta. Kuid keskmise temperatuuri välja arvutamine ei ole ka tänapäeval palju kergemaks läinud.

Teadlastel tuleb välja valida vaid kõige kvaliteetsemate andmetega ilmajaamad tuhandete teiste seast, et lõpptulemus ei oleks mingil moel moonutatud. Selleks tuleb esmalt välja praakida sobimatud ilmajaamad, mis ei vasta WMO (Maailma meteoroloogiaorganisatsiooni) eeskirjadele. Eeskirjadele mittevastavust võib põhjustada ilmavaatluspunkti liiga suur kõrgus maapinnast või selle halb tuulutus.

WMO nõudmiste kohaselt peab temperatuurivaatluspunkt asuma maapinnast 1,25 - 2 meetri kõrgusel, iga sentimeeter üle või alla selle vahemiku võib tulemusi tugevalt moonutada. Termomeeter peab olema asetatud kinnisesse kuid hästi õhutatud varjendisse, mis on valge või heledat värvi. Halvasti tuulutatud või tume varjend võib samuti tulemusi moonutada, sest staatiline ning isoleeritud õhk soojeneb kiiremini ning tume värv neelab enam soojust.[2]

Väga suurt tähtsust omab ka järjepidavus - ideaalis püsib ilmavaatluspunkt samas kohas terve oma eluaja jooksul. Kuid siingi on valiku tegemine kriitilise tähtsusega, sest linnastumine ning muutused kohalikus maastikus võivad samuti tulemusi mõjutada. Kõige suurem oht ilmajaamadele on linnastumine.

Teadlased näevad kõvasti vaeva, et linnastutes soojussaare efektist mõjutatud ilmajaamade andmed lõpptulemust ei moonutaks. Linnastutes võib temperatuuri olla lausa 6° C kõrgem kui linnastut ümbritsevatel aladel ning vahel kasutavad skeptikud seda relvana kliimateadlaste vastu väites, et just see tekitabki mulje nagu globaalne arvestuslik keskmine temperatuur tõuseks. Sellel väitel ei ole aga mingit alust, sest temperatuuritõusu on täheldatud peale maapiirkondade ka ookeanide kohal, mis ei ole just eriti tuntud oma linnastute poolest.

Kaudsete meetodite kasutamine

Kaudseid allikaid on mitmeid ning nende võrdlemisel ilmavaatlusandmetega ja omavahel on võimalik välja töötada meetodid, mille alusel on üpris suure täpsusega võimalik välja lugeda nii mineviku õhutemperatuur ja sademete hulk kui ka mõningate territooriumide puhul tuule suund.

Kõige vanem ja vahest lihtsamini hoomatav neist meetodeist on dendrokronoloogia — teadus mis tegeleb puude aastarõngaste uurimisega. Mida vanem puu, seda rohkem on tolle puu läbilõikel näha aastarõngaid - iga ring on ühe aasta kohta. Puu aastarõngaste paksuse ja keemilise koostise analüüsimine lubab teadlastel minevikku vaadata ning kindlaks teha, millistel aastatel olid tingimused puu kasvuks kõige soodsamad.

Kui on teada, millised tegurid soodustavad ning pärsivad vaadeldava puuliigi kasvu, siis on puude aastarõngaid analüüsides võimalik kindlaks määrata minevikus esinenud klimaatilised tingimused. Mõne puuliigi jaoks võib kuiv aasta väga halvasti mõjuda, teistele võib mõjuda halvasti aga liiga külm suvi.

Kogudes piisavalt andmeid ka teiste läheduses leiduvate puuliikide ja võimalusel ka ilmavaatlusandmete kohta saadakse ülevaate sel alal aastaid tagasi esinenud tingimustest.

Dendrokronoloogial on ka üks miinus - selle tagasivaate ulatus on piiratud mõnesaja aastaga. Soodes või muudes kohtades hästi säilinud tuhandeid aastaid vanad puud võivad seda aega pikendada 50 000 aastani, kuid see kahvatub jääpuursüdamike kõrval. Samas annab dendrokronoloogia teavet kliima kohta just selles kohas, kus puu kasvas.

Peale dendrokronoloogia on ka teisi bioloogilisi meetodeid mille abil saab kliimaminevikku uurida - nende hulka kuuluvad õietolmu, fossiilide, korallide ja surnud organismide jäänuste analüüsimine. Veekogude settekihid sisaldavad informatsiooni mineviku metsakatte ja muu taimestiku kohta. Settekihtide proovide analüüs annab teadlastele informatsiooni seda ala enne katnud elustiku ning seega kliima kohta.

Settekihtides olev õietolm viitab selgelt seal kasvanud taimedele. Ka korallide analüüsimine annab ookeanides valitsenud temperatuuride kohta aimu, sest korallid kasvavad väga aeglaselt ning on eriti tundlikud temperatuurikõikumistele.

Korallide analüüsimisel on võimalik kindlaks teha ka sademete hulk, sest soolsuse vähenemine viitab suurematele sademetele. Et nende organismide vanust määrata, kasutavad teadlased isotoope millest oli natuke juttu ka kolmandas peatükis. Peamiselt kasutatakse selleks süsiniku ebastabiilset isotoopi C-14, mis tekib atmosfääris kosmilise kiirguse neutronite toimel lämmasikust.

Taime satub see isotoop süsinikdioksiidi molekulis. Taime elu jooksul on C-14 sisaldus organismis ühtlane, sest seda tekib atmosfääris pidevalt juurde, kuid taime surma järel hakkab selle sisaldus vähenema ning 5715** aasta pärast on C-14 kogus vähenenud poole võrra. Mõõtes C-14 sisaldust uuritavas objektis, on võimalik kindlaks määrata selle ligikaudne vanus - selle protsessi nimi on radiosüsiniku meetod. 50 000 aasta pärast on vaid 0.2% süsinik 14-st alles ning see on ka maksimumvanus, mida tänapäevaste meetoditega määrata on võimalik.[3]

Massspektromeetria abil on võimalik tungida veelgi kaugemale minevikku kasutades uraani istotoope U-235 ja U-238, mille poolestusajad on vastavalt 700 miljonit ja 4,5 miljardit aastat. Nende meetodite kasutamisel peab ettevaatlik olema ning saadud tulemusi võrdlema lähedusest võetud proovide proovide abil. Tulemusi võivad mõjutada erosioon, keemilised reaktsioonid ning maakoores toimunud liikumised, mis võivad katsealust ekspemplari olla saastanud teisest ajastust pärit ainete või fossiilidega.

Kõige põhjalikumalt on uuritud hapniku stabiilset isotoopi O-18, mis on tavalisest hapnikust (O-16) raskem ja seega kondenseerub (veemolekuli koosseisus) kergemini kui tema kergem isotoop O-16. Nende kahe isotoobi vahekord sõltub mitmetest teistest teguritest ning O-18 sisaldus korallides annab meile aimu, millised temperatuurid valitsesid koralli tekkimisel. Kõrgemate temperatuuride puhul ookeanide kohal aurab lihtsamini kergem isotoop O-16 (vee molekulis) ning raskema isotoobiga vee molekulid akumuleeruvad.

Kuna vees elavad organismid kasutavad elutegevuse käigus nii hapnikku, vett kui ka süsihappegaasi, siis on võimalik nende vanust teades välja arvutada tollal valitsenud temperatuurivahemik.

Hapniku isotoope saab kasutada ka jääpuursüdamike analüüsimiseks. Jääpuursüdamikud on puuride abil liustikest, mandrijääst või jäälavadelt saadud silindrikujulised pikad 'jäätorud', millel on selgesti eristatavad iga-aastased sademetekihid.

Iga uue lumekihi sadenemisel kasvab rõhk alumistele kihtidele ning need muutuvad tasapisi lumest firniks* ja seejärel jääks, seal vahel olnud õhk jääb aga lõksu õhumullidena. Õhumullides on säilinud tollase atmosfääri keemiline koostis, sealhulgas ka süsinikdioksiid, hapnik ja metaan. Kusjuures polaarööl ja polaarpäeval tekkinud jääkihid on selgesti üksteistest eristatavad.

Antarkitas, Gröönimaal ja osadel liustikel mujal on jää vanus sadu tuhandeid aastaid ning puurides kõige alumiste jääkihtideni on kliimateadlastel võimalik kindlaks teha tuhandeid aastaid tagasi valitsenud klimaatilised tingimused. Kuni kolme kilomeetri paksune jää, mis on tuhandete aastate jooksul tekkinud, on nagu Maa kliimaarhiiv, mis ainult ootab lugemist. Jääs sisaldub vulkaanilise tolmu analüüs annab aimu vulkaanilisest tegevusest minevikus.

Esimesed jääpuursüdamikud Antarkitas ja Gröönimaal puuriti 1957-58. aastal rahvusvahelise geofüüsika aasta raames. Aja jooksul huvi kasvas ning puurimine jätkus - 1990. aastatel jõuti aluskivimini 3 km sügavusel, s.t üle 100 000 aasta kliimaajalugu jääsilindrites.

Jääpuursüdamike puurimine on keerukas töö ning tänu polaaröö külmale ilmale on see võimalik vaid mõne kuu jooksul aastas. Jääpuursüdamikud tuleb välja kanda mõne meetri kaupa - nii võib kolme kilomeetri sügavuseni jõudmiseks minna aastakümneid. Lisaks sellele võivad jääpuursüdamikud pinnale jõudes rõhumuutuse tõttu ära laguneda.

Liustikud ja jäälavad ei ole kõikjal samasugused - mõni saab rohkem sademeid kui teised. Need paigad, mis saavad vähem sademeid on ka õhemate kihtidega ning seega tähendab üks meeter jääd seal enamaid aastaid kui selle jää silinder, mis on enam sademeid saanud. Seni on Antarktika jää meid ajas tagasi viinud 740 000 aastat**.

* Süsiniku poolestusaeg on 5715 +/- 30 aastat [4]. See tähendab, et selle aja jooksul on pool kogu organismis leidunud süsinik 14 istotoobist lämmastikuks tagasi muutunud.

* * Selle konkreetse saavutuse taga on Euroopa Liidu EPICA projekt. EPICA -European Project for Ice Coring in Antarctica

Kasutatud kirjandus
1. Wikipedia: Satellite temperature measurements, saadud: 11.08.2007
2. lk. 164-165, Henson, R. "The Rough Guide to Climate Change", 2006
3. Karik, H. ja Truus, K., "Elementide keemia", lk.369, 2003
4. ibid

Avaldatud tekst on kuues osa Kristjan Velbri raamatust: "Globaalne soojenemine ja kliimamuutused".

Kristjan Velbri blogi asub aadressil: maakond.blogspot.com