Pilvi

Pilvi on ilmakehän alimmissa kerroksissa ilmavirtausten kannattamana leijuvaa aerosolia, joka koostuu jääkiteistä tai vesipisaroista. Kun pisarat ja kiteet kasvavat riittävän painaviksi, ne putoavat alas sateena. Tämä artikkeli, pois lukien kappale Pilvet muilla planeetoilla, käsittelee lähinnä Maan pilviä. Muiden tunnettujen planeettojen pilvet koostuvat yleensä muusta aineesta kuin vedestä.
Pilvien kaksi perustyyppiä ovat kumpupilvet ja kerrospilvet. Pilvet jaetaan myös niiden alareunan korkeuden mukaan yläpilviin, keskipilviin ja alapilviin. Pilviä esiintyy troposfäärissä maan pinnalta aina 18 kilometriin asti, ja joitain pilvityyppejä sitä ylempänäkin. Sumu on pilvi, joka ulottuu maan pinnalle asti.
Pilvet syntyvät kun kosteaa ilmaa nousee ylöspäin ja tiivistyy viilentyessään hyvin pieniksi pisaroiksi tai jääkiteiksi tiivistymisydinten ympärille.
Pilvet jäähdyttävät maapalloa heijastamalla Auringon säteilyä takaisin avaruuteen. Toisaalta niillä on talvisin myös lämmittävä vaikutus niiden estäessä lämmön karkaamista maapallon pinnalta.

Koostumus

Pilvi koostuu pilvipisaroiksi tai jääkiteiksi tiivistyneestä vesihöyrystä. Pilvipisarat ovat yleensä kooltaan muutamasta mikrometristä kymmeniin mikrometreihin. Niitä muodostuu ja haihtuu koko ajan. Pilvipisarat voivat olla pilvessä alijäähtyneinä nestemäisessä muodossa vielä ainakin –20 asteen lämpötilassa, jos ne eivät ole olleet kosketuksissa sopivaan jäätymisytimeen.
Pilven pitämä vesimäärä riippuu sen lämpötilasta. Esimerkiksi 20-asteisessa pilvessä vettä on 1,7 prosenttia, jolloin kuutiokilometrin kokoisessa pilvessä vettä on noin 17 000 tonnia.

Väri ja muoto

Pilvet ovat usein valkoisia, mutta paksut pilvet ovat tummia. Kumpupilven kumpuileva muoto syntyy nousevista ilmavirtauksista. Repaleinen muoto aiheutuu voimakkaasta tuulesta, joka hajottaa pilven. Laajat kerrospilvet muodostuvat laaja-alaisesta nousevasta liikkeestä esimerkiksi säärintamien yhteydessä. Yläpilvien kuitumainen rakenne syntyy siitä, että ne koostuvat jääkiteistä eivätkä alempien pilvien tapaan vesipisaroista.

Olosuhteet

Pilvien syntyprosessi voi alkaa ainakin kolmen eri olosuhteen seurauksena. Kosteaa ilmaa nousee korkeammalle, lämpimien ja kylmien säärintamien myötä, jolloin syntyy kerrospilviä. Konvektiopilviä syntyy konvektion seurauksena, kun ilmaa lämmitetään alhaalta päin. Tätä tapahtuu, kun Aurinko lämmittää maanpintaa tai kylmä ilma ajautuu lämpimän veden päälle. Orografiset pilvet ovat puolestaan seurausta siitä, kun ilma jäähtyy sen joutuessa kohoamaan ylöspäin jonkun esteen, esimerkiksi vuoriston vuoksi.

Vesipisaroiden muodostuminen

Pilvien muodostuminen alkaa, kun vettä haihtuu meristä, järvistä, joista ja muista vesialtaista. Vesihöyryn noustessa ylöspäin se viilenee, koska ilma muuttuu kylmemmäksi mitä korkeammalle noustaan troposfäärissä. Samalla ilmanpaine pienenee ja ilma sekä vesihöyry laajenevat, mikä myös viilentää ilmaa ja vesihöyryä. Lopulta ilma ja vesihöyry saavuttavat nostotiivistyskorkeuden, jossa ne ovat viilenneet kastepisteeseen. Tämän jälkeen kondensaatio on nopeata, ja ilmassa muodostuu huomattava määrä pieniä 10–20 mikrometrin suuruisia vesipisaroita.
Pilvien muodostumiseen tarvitaan kosteutta ja sopivan matala lämpötila. Muodostumiseen ei riitä kuitenkaan pelkkä sopiva kosteus, vaan siihen tarvitaan myös pieniä tiivistymisytiminä tunnettuja hiukkasia. Ne antavat vesihöyrylle pinnan, johon sitä voi kiinnittyä. Suhteellinen kosteus voi nousta helposti yli sadan prosentin, jos tiivistymisytimiä ei ole saatavilla. Tällaiset olosuhteet ovat harvinaisia, sillä tiivistymisytimiksi kelpaavat monet erilaiset hiukkaset, kuten metsäpaloista, tulivuorten purkauksista tai ihimisen toiminnasta syntyneet pienet hiilihiukkaset, sulfaatti- ja nitraattiyhdisteet ja ilmakehään päätynyt merisuola.

Tiivistymisjuovan synty

Tiivistymisjuova on pilvi, joka syntyy lähinnä lentokoneen pakokaasuun sisältyvästä vesihöyrystä, joka tiivistyy ja jäätyy sopivissa kosteus- ja lämpötilaoloissa. Pakokaasussa olevat muut hiukkaset toimivat tiivistymisytiminä. Tiivistymisjuovia syntyy tyypillisimmin 8–12 kilometrin korkeudessa.

Vaikutus lämpötilaan

Pilvet yhtäältä jäähdyttävät ja toisaalta lämmittävät maapalloa. Jäähdytysvaikutus on voimakkaampi: se syntyy siitä kun osa Auringon lämpösäteilystä ei pääse pilvien läpi maanpinnalle vaan absorboituu pilviin tai heijastuu niistä takaisin avaruuteen. Keväällä ja kesällä sää onkin viileämpi kun taivas on pilvien peitossa verrattuna selkeään säähän. Talvella pilvet kuitenkin myös estävät lämmön karkaamista maasta avaruuteen. Kun taivas talvella selkenee, pakkanen kiristyykin nopeasti.

Pilvien esitys synoptisilla sääkartoilla

Silloin kun useimmat säähavainnot olivat ihmisten tekemiä, eikä kaukokartoitusvälineitä kuten satelliittikuvia ollut yleisesti käytettävissä, kehitettiin synoptinen pilviluokittelu, ja säähavainnontekijöiden havainnot piirrettiin sääkartoille paineen, lämpötilan ja tuulen ohella. Nykyisin kokonaispilvisyys - kuinka suuri osa taivaankannesta on pilvien peitossa - on useimmilla sääasemilla ainoa havaittava pilvisyyssuure. Synoptisessa pilviluokittelussa pilviä ei jaoteltu lajin tai suvun mukaan, vaan haettiin tyypillisiä tiettyyn säätyyppiin liittyviä pilvisyysnäkymiä. Esimerkiksi yläpilvikoodit 4-6 kertova lämpimän rintaman lähestymisestä, ja tällaiset havainnot Norjan rannikolta auttoivat hahmottamaan, kuinka kaukana Atlantilla lähestyvän rintaman pilvinauha oli. Nykyisin vastaava tieto saadaan satelliittikuvasta. Alla olevassa galleriassa on ensin yhdeksän alapilviryhmää, sitten yhdeksän keskipilviluokkaa ja viimeksi yhdeksän yläpilviryhmää.

Sään ennustaminen pilvistä

Näyttävä aamurusko voi Suomen leveysasteilla kertoa siitä, että Auringon edessä on yläpilveä, mikä saattaa olla merkkinä puolen vuorokauden kuluessa saapuvasta sadealueesta.
Korkealle taivaalle ilmaantuneet untuvapilvet voivat kertoa lämpimän rintaman lähestymisestä. Niiden tiheneminen harsopilviksi ja edelleen laskeutuminen verhopilviksi on merkkinä rintaman lähestymisestä edelleen. Aamuisten pienten kumpupilvien kasvu korkeammaksi kertoo ilmakehän kosteudesta ja saattaa ennakoida sadetta. Myös aamuiset kokkarepilvet ja vallinharjapilvet enteilevät sadekuuroja ja ukkosia myöhemmin päivällä.

Pilvet muilla planeetoilla

Tähtitieteilijät ovat löytäneet pilvien tapaisia muodostumia myös muilta planeetoilta, mutta vain Marsissa on samanlaisia pilviä kuin Maassa. Marsin pilvet muodostuvat vedestä ja hiilidioksidista. Venusta peittää sankka pilvikerros, mutta ne ovat muodostuneet rikkihaposta. Venukset pilvikerros on noin 45–70 kilometrin korkeudella planeetan pinnasta. Nopeasti liikkuvissa pilvissä ei ole havaittavissa paikallisia sääilmiöitä, mutta pilvityyppi vaihtelee paljon. Lähellä Venuksen päiväntasaajaa pilvet ovat repalaisia ja keskiasteilla pitkittäisraitaisia, ja napa-alueet ovat tasaisen pilvimaton peittämiä. Jupiterilla on myös tiheässä pilviä. Ne saattavat osittain muodostua vedestä, mutta pääosin ne ovat vety, heliumia, ammoniakkia ja metaania. Saturnuksen pilvet ovat samantapaisia, muta Saturnuksen kuun Titanin pilvijärjestelmä muistuttaa Maan järjestelmää.