Napapyörre

Napapyörre eli polaaripyörre on maapallon pohjois- tai etelänavan lähistölle muodostuva tuulijärjestelmä, joka koostuu kahdesta osasta: pyörteen ulkoreunojen suuntaisesti puhaltavista voimakkaista tuulista ja niiden sisälleen rajaamasta keskiosasta. Pyörteet voivat viilentää säätä nopeasti, mutta yleensä siihen vaikuttavat enemmän arktinen oskillaatio ja Pohjois-Atlantin oskillaatio.
Napapyörre sijaitsee 10–80 kilometrin korkeudessa. Tämä tarkoittaa alailmakehän (troposfäärin) yläosia, yläilmakehää (stratosfääriä) ja mesosfäärin alaosia. Pohjoisen pallonpuoliskon pyörteen reunat ovat suunnilleen 60. leveyspiirillä ja keskusta käsittää sen pohjoispuoliset osat.
Pyörteen sisällä on matalapaineen alue ja sen ympärillä sijaitsee korkeapaineen vyöhyke. Niiden ilmanpaine-erot aiheuttavat reunoille voimakkaan suihkuvirtauksen, jonka nopeus voi olla jopa 100m/s. Koska virtaukset kiertävät matalapainetta vastapäivään, on napapyörre luonteeltaan sykloni.
Koska pyörteen sisällä oleva ilmamassa ei pääse suurissa määrin sekoittumaan sen ulkopuolella olevan ilman kanssa suihkuvirtauksen vuoksi, ilmamassa voi jäähtyä todella kylmäksi – jopa lähelle –100 °C:n lämpötilaa. Tämän seurauksena voi muodostua helmiäispilviä, joissa otsoni tuhoutuu CFC-yhdisteiden vaikutuksesta erittäin voimakkaasti.
Napapyörre muodostuu syksyllä kun pohjoisen ja päiväntasaajan väliset lämpötilaerot ovat kasvaneet riittävän suuriksi. Vähitellen se voimistuu ja on voimakkaimmillaan keskitalvella. Usein säätiedotusten varoitukset poikkeuksellisen kylmästä kelistä johtuvat napapyörteen hajoamisesta, sillä silloin sen sisältämä kylmä ilma pääsee poistumaan pyörteestä maanpinnalle. Se hajoaa keväällä lämpötilaeron kaventuessa pohjoisen ja päiväntasaajaan välillä.
Ilmaston lämpeneminen aiheuttaa häiriöitä napapyörteessä.

Napapyörteiden määritteleminen

Napapyörteet koostuvat varsinaisesta pyörteestä ja sen reuna-alueista. Jotta pyörteen paikka ja koko voitaisiin määrittää, tulisi reuna-alueille luoda selkeät kriteerit. Yksi tapa tähän on etsiä paikallisia kuperimpia (konveksisimpia) ja koverimpia (konkaaveimpia) kohtia Epv-jakaumasta reuna-alueiden lähistöltä.

Reunavyöhykkeet

Napapyörteen reuna-alueilla esiintyy rajuja tuulia, joiden nopeus voi kohota jopa 100 m/s suuruusluokkaan. Kuitenkin pyörteen muodostumiseen riittää usein noin 15 m/s tuuli. Tuulenvoimakkuuden lisäksi reunan tunnistamiseen käytettätään Epv-jakauman vertailua. Napapyörteen sisällä Epv on yleensä suuri, kun taas sen ulkopuolella mitatut Epv-arvot ovat yleensä pienempiä.

Pyörteiden muodostumis- ja hajoamisajankohdat

Määriteltäessä napapyörteen muodostumisaikoja huomioidaan yleensä muutokset Epv:ssä, tuulijakaumassa (Epv-karttaviivojen lähistöllä), tuulen maksiminopeuksissa (pyörteiden reunoilla) ja pyörteen alassa. Sekä muodostuessa että hajotessa pyörteen reunan maksimituulennopeuksien keskiarvo 450K:n isentropisella pinnalla on 15,2 m/s.
Keväällä aurinko lämmittää maan pinnan lähellä olevaa ilmaa, joka nousee pyörteeseen. Tämän seurauksena se hidastuu ja lopulta hajoaa. Hajoaminen tapahtuu yleensä aikaisintaan maaliskuun puolessavälissä ja viimeistään toukokuun keskivaiheilla.

Vaikutukset

Napapyörteet voivat aiheuttaa muutoksia ilmastoon monella eri osa-alueella. Merkittävin niistä lienee otsonikadon voimistuminen, mutta niiden seurauksena myös lämpötila voi pudota reippaasti ja ilman sisältämien kemikaalien koostumus saattaa erota merkittävästi pyörteiden sisä- ja ulko-osien välillä. Niiden epäsuora vaikutus voivat olla esimerkiksi talvella alkunsa saavat tulvat.

Lämpötila

Kun pyörre on voimakas, se ei vaikuta merkittävästi lämpötilaan. Tällöin hallitsevat ilmiöt ovat Pohjois-Atlantin oskillaatio ja arktinen oskillaatio. Kun pyörre on heikompi, se voi hajota useammaksi pienemmäksi pyörteeksi, mutta tällöinkin oskillaatiot määräävät sään pääpiirteissään.
Mutta jos pyörre on todella heikko – näin voi olla esimerkiksi silloin kun ekstratrooppinen sykloni kulkeutuu pohjoiseen sekoittuen jo valmiiksi heikkoon napapyörteeseen – se voi hajota. Tällöin sen sisältämä kylmä ilmamassa voi työntyä sitä kiertävän suihkuvirtauksen yli ja siten valua maan pinnalle. Tämän vuoksi talvella pyörteen kylmän ilman alle joutuneella eteläisemmällä alueella on kylmempää kuin ekstratrooppisen syklonin vaikutuksen lämmittämässä pohjoisessa.

Otsonikato

Napapyörteellä on merkittävä otsonikatoa voimistava vaikutus. Tämä johtuu siitä, että yläilmakehään päässyt kloori ja bromi – jotka toimivat katalyytteinä otsonia tuhoavissa reaktioissa – vapautuvat niitä sisältävistä yhdisteistä.
Napapyörrettä kiertävä suihkuvirtaus toimii eristeenä pyörteen sisä- ja ulkopuolisten ilmamassojen välillä. Tämän seurauksena sisäosan ilma viilenee voimakkaasti ja mahdollistaa helmiäispilvien syntymisen. Niiden pinnoilla tapahtuvat kemialliset reaktiot tekevät mahdolliseksi kloorin irtoamisen reserviyhdisteistä Cl2- ja HOCl-yhdisteiksi.
Pyörteen sisälle vapautuneet Cl2- ja HOCl-yhdisteet voivat pilkkoutua kevään UV-säteilyn johdosta otsonin hajoamista nopeuttaviksi katalyyteiksi. Tämän johdosta voi muodostua otsoniaukkoja hyvin nopeassa tahdissa – jopa muutamassa viikossa. Reaktioita vauhdittaa entisestään se, että otsoni toimii kasvihuonekaasuna eli sen poistuminen vähentää auringon UV-säteilyn imeytymistä, mikä viilentää ilmaa.
Pohjoisnavan ympärillä esiintyvä otsonikato on yleensä pienimuotoisempi kuin etelänavan, koska pohjoinen napapyörre hajoaa usein niin aikaisin, että auringon UV-säteily ei ehdi vapauttaa huomattavasti klooripohjaisia otsonia tuhoavia katalyytteja.

Muut ilmiöt

Pyörteen sisä- ja ulko-osien kemikaaleissa on eroja sekä määrällisesti että laadullisesti. Tämä on todettu niin lentokone- kuin satelliittihavainnoin. Esimerkiksi kloorimonoksidin (ClO) pitoisuudet ovat olleet jopa sata kertaa suuremmat pyörteen sisäpuolella verrattuna ilmaan sen ulkopuolella.
Kun pyörteestä päässyt ilma viilentää toista aluetta, saattaa toisen alueen ilmasto muuttua. Esimerkiksi Pohjois-Amerikkaan pyörteestä ajautunutta kylmää ilmaa on pidetty syyllisenä Isossa-Britanniassa ilmaantuneista tulvista talvella 2013–2014.

Voimakkuus

Napapyörteet ovat riippuvaisia napa-alueen ja päiväntasaajan välisistä lämpötilaeroista. Siksi ne voimistuvat talvella, kun pohjoisen ilma viilenee ja vastaavasti heikentyvät kesällä ilman lämmetessä. Mitä voimakkaampi pyörre on, sitä yhtenäisempänä se pysyy. Toisin sanoen heikko pyörre jakaantuu yleensä moneen osaan. Jos pyörre heikentyy todella paljon, sen sisältämä kylmä ilma voi karata päiväntasaajaa kohden, mikä voi aiheuttaa ilman viilenemisen nopeasti maanpinnan tasolla.
Monet päiväntasaajan lähistöllä tapahtuvat ilmaan tai meriveteen vaikuttavat ilmiöt vahvistavat napapyörteitä. Esimerkiksi tulivuorenpurkaus voi tehdä napapyörteestä voimakkaamman jopa kahden vuoden ajaksi ja la Niña -ilmiöön liittyvät ilmaston poikkeavuudet vahvistavat selkeästi pyörrettä.
Pohjoisen jääalueen laajuus vaikuttaa napapyörteen voimakkuuteen. Kun jäätikön koko on pieni, merivedestä pääsee lämpöä ilmakehään, minkä seurauksena napapyörteen erittäin kylmä ilmamassa lämpenee. Tästä seuraa pyörteen epävakaus, jolloin se voi hajota päästäen kylmän ilman etelämmäksi. Ilmiö esiintyy vastakkaisena jääalueen ollessa laaja.
Myös planetaarisilla aalloilla on merkitystä napapyörteisiin. Aaltojen määrä napa-alueilla vaihtelee vuodesta toiseen, millä on havaittu olevan yhteys pyörteen voimakkuuteen. Tämän lisäksi suuri aaltojen määrä pienentää pyörteen kokoa.

Ilmastonmuutoksen vaikutus napapyörteen voimakkuuteen

Parhaillaan käynnissä oleva ilmastoa lämmittävä ilmastonmuutos vaikuttaa Pohjoisen jäämeren pysyvään jääpeitteeseen siten, että sen ala pienenee. Lisäksi arktisilla alueilla lämpötilan odotetaan nousevan nopeammin kuin maailman muilla osilla keskimäärin. Pienentyvän jääpeitteen odotetaan vähentävän auringonvalon heijastumista ja lisäävän veden höyrystymistä, mikä vaikuttaa sitä ympäröivän ilman lämpötilaan ja paineeseen. Näiden seurauksena napapyörteeseen voi nousta lämmintä ilmaa tai sen sisäalueiden ilmanpaine voi muuttua. Muutokset häiritsevät pyörrettä ja tekevät siitä heikomman, jonka seurauksena se voi hajota päästäen kylmän ilman leviämään etelään. Myös oletettavasti kaventuvat lämpötilaerot pohjoisen ja päiväntasaajan välillä heikentävät pyörrettä, koska se on riippuvainen niistä.

Kesto

Napapyörre kestää koko talven ajan, mutta pohjoisen pyörteestä voi irrota pienempiä pyörteitä, jotka voivat hajota nopeasti. Pyörre muodostuu yleensä vähitellen loka–marraskuun aikana. Tavallisesti pohjoisessa se esiintyy heikkona, jolloin se on poimuttunut tai hajonnut osiin. Napapyörteestä eronnut pienempi pyörre voi pysyä kasassa jopa kuukauden. Se voi edesauttaa arktisten pyörremyrskyjen tai Kármánin pyörreratojen syntymistä. Varsinainen pyörre hajoaa vähitellen maalis–toukokuun aikana, koska lämpötilaero pyörteen sisäosien ja päiväntasaajan välillä ei enää riitä pyörteen ylläpitämiseen.

Coriolis-ilmiö

Napapyörteet pyörivät pohjoisessa vastapäivään Coriolis-ilmiön seurauksesta. Keväällä kuitenkin pyörre saattaa vaihtaa suuntaansa, kun yläilmakehän ilma lämpenee. Joka tapauksessa yläilmakehän nopeat lämpenemiset heikentävät napapyörrettä.

Pyörteen jakautuminen

Pohjoinen napapyörre on usein heikompi kuin eteläinen. Siksi se on usein jakautunut kahteen osaan. Tavallisimmin toinen pyörteen keskuksista sijaitsee Baffininsaarella Pohjois-Kanadassa ja toinen Kaakkois-Siperiassa.

Säteilyn vaikutus pyörteen synnyssä

Epv-arvojen tarkastelu on antanut viitteitä siitä, että säteily voi olla jopa tärkein tekijä napapyörteiden syntymisessä. Joka tapauksessa sillä on vähintäänkin suuri vaikutus yläilmakehän napapyörteiden muodostumisessa.

Napapyörteet muualla

Napapyörteitä on löydetty muiltakin taivaankappaleilta kuten Venukselta, Marsilta, Jupiterilta, Saturnukselta ja sen kuulta Titanilta. Näistä Saturnuksen pyörteet ovat lämpimiä polaaripyörteitä.