Tuuli

Tuuli on ilmakehässä liikkuva maanpinnan suuntainen ilmavirtaus. Tuulen energianlähde on Aurinko, joka lämmittää maapalloa epätasaisesti. Syntyvät lämpötilaerot saavat aikaan ilmanpaineen eroja, ilmanpaine-erot puolestaan paine-erovoiman, joka laittaa ilman liikkeelle. Tuulen nopeuteen vaikuttaa myös kitka. Maapallon pyörimisen aikaansaama Coriolis-ilmiö vaikuttaa tuulen suuntaan, ei nopeuteen.
Ihminen on osannut jo vuosisatoja käyttää tuulen voimaa hyväkseen purjehtimisessa ja tuulimyllyissä. Tuulivoimalla tuotetaan nykyisin myös sähköenergiaa.
Väärän suuntainen, liian voimakas tai nopeasti muuttuva tuuli voi aiheuttaa vaaratilanteita ilmailussa ja vesiliikenteessä. Suuri tuulennopeus – myrskyt, hirmumyrskyt, tornadot – aiheuttaa katastrofeja koko ihmiskunnalle.
Maailman arvostetuimpien tutkimuslaitosten asiantuntijat arvioivat huhtikuussa 1996 Australian Barrow Island -saarella Olivia-pyörremyrskyssä tuulennopeuden nousseen jopa 113,3 metriin sekunnissa (408 km/h). Tämä tuulennopeus on suurin mitä tiedetään maapallolla olleen tunnetun historian aikana. Aikaisempi ennätys oli 372 kilometriä tunnissa puhaltanut tuuli Yhdysvalloissa vuonna 1932.

Tuulten synty

Tuulet muodostuvat, kun eri seuduilla vallitseva erilainen lämpötila saa aikaan eroja myös ilmanpaineessa, jolloin ilma alkaa virrata korkeamman paineen alueelta matalamman alueelle päin. Jos paine on alueella vakio, siellä on myös tyyntä. Tuuli myös ylläpitää olemassa olevia paine-eroja. Mitä suuremmat paine-erot, sitä suurempi paine-erovoima ja kovempi tuuli. Ilman liikettä korkeapaineesta matalapaineeseen voidaan verrata siihen, että puhkaistusta ilmapallosta purkautuu ulos – eli pienemmän paineen suuntaan – sinne aiemmin pumpattu ilma.
Kun ilma lämpiää jossakin kohden, niin se laajenee ja pullistuu ylöspäin. Tiheys pienenee ja syntyy paine-eroja, joita paine-erovoima pyrkii tasoittamaan.  Näin epätasaisen lämpiämisen yhteydessä muodostuu ilmavirtauksia. Lämpeneminen on aina epätasaista. Suurimmassa mittakaavassa eroja aiheutuu jo siitä, että aurinko lämmittää päiväntasaajan seutua enemmän kuin napoja, ja itä-länsisuuntaiset erot seuraavat vuorokaudenaikojen vaihtelua. Pienempiin eroihin vaikuttavat maastonmuodot ja maanpinnan laatu: asfaltti lämpenee enemmän kuin ruohikko.
Täten syntynyt tuuli ei kuitenkaan puhalla suoraan ilmanpaineen korkeasta matalaan päin paineen laskun eli gradientin suuntaan, vaan poikkeaa siitä kitkan eli maanpinnan hankauksen ja maan pyörimisliikkeen vaikutuksesta (Coriolis-ilmiö). Tällainen virtausliike määritellään Buys-Ballot'n keksimällä baarisella tuulisäännöllä: jos seisomme selkä tuulta vasten, on matalan alue vasemmalla puolella hiukan eteenpäin ja korkean alue oikealla taaksepäin. Mitä suurempi on gradientti, sitä voimakkaampana tuuli puhaltaa. Kovimpia tuulia ei saa aikaan syvän matalapaineen keskuksen pieni painelukema, vaan sen ympärillä tapahtuva jyrkkä paineen muutos.
Ylempänä maan pinnasta, muutaman kilometrin korkeudesta alkaen, kitkan vaikutus ei tunnu, ja tuuli jo puhaltaa kohtisuoraan gradienttia vastaan eli isobaariviivojen suuntaan.  Tuulta, johon kitka ei lainkaan vaikuta, kutsutaan geostrofiseksi tuuleksi.

Maapallon tuulet

Tietyn paikan tuuliin vaikuttavat toisaalta planetaariset tuulet ja toisaalta alueelliset tuulet. Planetaariset tuulet ja niiden muodostama planetaarinen tuulijärjestelmä vaikuttaa koko maapallon laajuudella jokaisen maapallon paikan keskimääräisiin tuuliin. Esimerkiksi länsituulten vyöhykkeellä länsituulet ovat muita yleisempiä, mutta paikallisten ilmiöiden takia siellä havaitaan muitakin tuulensuuntia, ja välillä on aivan tyyntäkin. Alueelliset pinnanmuodot (vuoret ja laaksot), meren läheisyys ja muut tekijät aiheuttavat paikallisia tuulia, jotka vaikuttavat siten, että tietyn paikan tuuliolosuhteet eivät välttämättä ole  edes keskimäärin juuri sellaiset, kuin niiden planetaarisen tuulijärjestelmän mukaan "pitäisi" olla.

Planetaarinen tuulijärjestelmä

Planetaarinen tuulijärjestelmä perustuu pohjimmiltaan siihen, että auringon energiaa tulee päiväntasaajalle huomattavasti napa-alueita enemmän, jolloin päiväntasaajalla ilma on napojen ilmaa lämpimämpää. Koska lämmin ilma nousee, tämä epätasainen lämmönjakaantuminen saa aikaan maapallolla matalapaineisia alueita ja tuulia syntyy, koska paine-erot pyrkivät tasaantumaan.
Navalta päiväntasaajalle voidaan erottaa kolme tuulivyöhykettä: lähinnä napaa itätuulet, keskileveysasteilla länsituulet ja tropiikissa pasaatituuli. Vyöhykkeiden rajat liikkuvat vuodenaikojen, mukaan; etenkin pasaatien kohtaamisvyöhyke vaeltaa auringon zeniittiaseman mukaan aina sille pallonpuoliskolle, jolla on kesä.
Pasaati-ja länsituulet syntyvät, kun auringon säteily saapuu päiväntasaajalle. Sitten se synnyttää nousevan ilmavirtauksen, jossa ilma kohoaa tropopaussin korkeudelle ja osa siitä alkaa virrata etelään ja osa pohjoiseen. 30-35. leveysasteiden tienoilla se laskee takaisin maanpinnalle, jonne syntyy subtrooppinen korkeapainevyöhyke. Silloin tuuli taas jakautuu ja osa siitä alkaa virrata kohti päiväntasaajaa ja osa kohti pohjoista. Päiväntasaajaa kohti menevä ilmavirtaus aiheuttaa pasaatituulet ja pohjoiseen menevä ilmavirtaus länsituulet. Länsituulia kutsutaan länsituuliksi, sillä maapallon coriolisvoima kääntää niiden suunnan niin, että ne tulevat keskimäärin lännestä. Näin ei kuitenkaan aina ole, sillä matkan varrella olevat matalapaineet muuttavat ja mutkistavat niiden suuntia.
Napojen lähellä olevat itävirtaukset syntyvät, kun kylmä korkeapaine aiheuttaa laskevan ilmavirtauksen. Maanpinnalle laskeuduttuaan ilma alkaa virrata kohti päiväntasaajaa, ja maapallon coriolisvoima kääntää virtaukset niin, että ne näyttäisivät tulevan idästä.

Paikalliset tuulet

Paikalliset tuulet syntyvät paikallisen ympäristön vaikutuksesta. Esimerkiksi meren lähellä tuulee usein, sillä meressä olevan veden lämpötila vaihtelee maata hitaammin. Tämä aiheuttaa maan ja meren välille lämpötilaeroja, jolloin lämmintä ilmaa nousee toisen alueella enemmän, ja koska paine-erot jälleen pyrkivät tasoittumaan, tuulee kylmemmältä alueelta matalapaineiselle alueelle ja tämä tuuli on voimakkaampi rannikolla. Suurin maan ja meren eron aiheuttama tuulijärjestelmä on monsuuni.
Vuoristot ohjaavat tuulia sekä mekaanisina esteinä että lämmityserojen kautta. Oman nimensä paikallisista tuulista ovat saaneet ainakin Alppien föhn-tuuli, Kalliovuorten chinook, Siperian arojen myrskytuuli buraani, Etelä-Amerikan williwaw ja pampero.

Matalapainetoiminta

Tietyllä hetkellä vallitseva tuuli ei määräydy pelkästään tuulivyöhykkeen ja paikallisen maaston mukaan.  Suurimmat paine-erot liittyvät liikkuviin matalapaineisiin, jotka ovat osa planetaarista tuulijärjestelmää. Länsituulten vyöhykkeessä kulkee keskileveysasteiden liikkuvia matalapaineita, joiden  rakenteeseen kuuluvat kylmä rintama ja lämmin rintama. Tropiikissa syntyy trooppisia hirmumyrskyjä, joilla on syntyalueensa mukaan erilaisia nimiä (hurrikaani, taifuuni). Pienikokoisia, lyhytikäisiä liikkuvia järjestelmiä ovat tornado, pilvenpyörre eli trombi ja tuulispää.

Tuulen mittaaminen

Yksinkertaisin tuulen suunnan ja nopeuden karkea osoitin on tuulipussi. Tarkemmin tuulen suuntaa mitataan tuuliviirillä ja nopeutta anemometrillä.

Tuulen vaikutus lämpötilaan

Jos lämpötila on laajoilla alueilla tasaista, tuuli ei vaikuta ilman lämpötilaan. Se vaikuttaa kuitenkin tietyn paikan lämpötilaan, jos alueellisia eroja on. Keväällä rannikolla voi olla lämmintä tyynellä säällä tai tuulen puhaltaessa mantereelta, mutta jos tuuli kääntyy, se tuo kylmää ilmaa mereltä, ja rannikon lämpötila laskee nopeasti. Tuuli myös tasoittaa paikallisia lämpötilaeroja sekoittamalla ilmaa. Aurinkoisella säällä tuulisen paikan lämpötila on alhaisempi kuin tyynessä paikassa, koska tuuli sekoittaa ilmaa ja  maanpinnasta leviävä lämpöenergia jakautuu paksumpaan ilmakerrokseen kuin tyynellä säällä. Tyynessä paikassa auringon lämmittämä ilma ei sekoitu ja pääsee lämpiämään enemmän. Vastaavasti tuulinen sää estää paikallisia kovia pakkasia tai hallaa. Tyynellä säällä alavien alueiden paikallisesti mitattu pakkanen voi olla huomattavasti ankarampi kuin ympäröivällä korkeammalla alueella.
Tuuli  vaikuttaa myös pakkasen purevuuteen eli  koettuun lämpötilaan. Tuuli aiheuttaa ilman lämpötilaa kylmemmän aistimuksen, mikäli lämpötila on ihon lämpötilaa alhaisempi. Tuuli vaikuttaa ilman vaihtumiseen ihon ympärillä ja iholla olevan nesteen haihtuvuuteen.

Aiempia käsityksiä tuulesta

Tuuli on purjeen keksimisestä lähtien ollut tärkeä ihmiskunnalle. Tuuli on kuljettanut kauppiaita, tutkijoita ja valloittajia kaukaisiin maihin, mutta myös yltyessään rajuilmaksi ollut kauhistus. Tuulta on ilmeisesti yritetty lepyttää ja ohjailla rukouksin ja uhrein kaikkialla, ja jotkut ovat pyrkineet nostamaan rajuilmoja vihollisen tuhoksi.
Euroopassa on ainakin keskiajalla uskottu, että litteän maan reunoilla olevat henkiolennot, tuulettaret tai muut, saavat puhaltamalla tuulet aikaan. Tällaisia olentoja on piirretty karttoihin myös renessanssin aikaan, vaikka niihin ei luultavasti enää silloin uskottu.
Suomessa tuulta on yritetty muuttaa rukoilemalla muun muassa Ukkoa ja viheltämällä tuulta on pyritty kasvattamaan. Ulkomailla kerrottiin suomalaisten noitien taidoista vaikuttaa tuuleen. Heidän kerrottiin halutessaan aikaansaavan hirmumyrskyn. Suomalaiset noidat myös myivät merenkulkijoille jonkinlaisia solmuja, joita avaamalla saattoi aikaansaada tuulen. Jos solmua avasi vähän, tuli kevyt tuulenvire, jos sitä avasi hieman enemmän, tuli vankka tuuli, mutta jos sen erehtyi avaamaan kokonaan, nousi hirmumyrsky. Tunnetaan myös lainaus nisqualli-kansan keskuudesta joka käsittelee ilmaa:
"Ilma on kallisarvoista meille, sillä jokaisella eläimellä ja kasvilla on osansa jokaisessa hengen vedossa. Eläimet, puut ja ihmiset hengittävät kaikki samaa ilmaa... Jos me myymme teille maamme, täytyy teidän muistaa, että ilma on meille kallisarvoista, sillä se jakaa henkensä kaiken sen elämän kanssa mitä se ylläpitää. Tuuli, joka antoi isoisällemme hänen ensimmäisen hengenvetonsa, ottaa vastaan myös hänen viimeisen huokauksensa. Jos me myymme maamme, täytyy sinun pitää se erillään ja pyhänä paikkana, jonne ihminen voi tulla haistelemaan tuulta, jolle niityn kukat ovat antaneet tuoksunsa..." (nisqualli-päällikkö Seattle)

Tuuli ja luonto

Kasvit käyttävät tuulta levittämään siitepölyään ja siemeniään. Kaikki paljassiemeniset kasvit lisääntyvät tuulipölytyksen avulla.
Tuuli muokkaa maaperää, kuluttaen sitä eroosiossa ja luoden uusia hedelmällisiä lössimaita.

Tuuli ja ihminen

Ihminen on käyttänyt tuulen energiaa hyödykseen jo pitkään. Purjeet ja tuulimyllyt ovat olleet tuulta hyödyntävistä keksinnöistä ensimmäisiä. Tuulivoiman käyttö sähköntuotannossa on lisääntymässä.