Helmiäispilvet Oulun taivaalla kylmän ilman airueena

Typpihapon ja veden muodostamia pieniä jääkiteitä voi syntyä vain hyvin matalissa, alle -75C asteen lämpötiloissa. Näin kylmää on stratosfäärissa yleensä vain napa-alueella, minne Aurinko ei keskitalvella paista. Helmiäispilven tieteellinen nimi onkin polaarisen stratosfäärin pilvi (polar stratospheric cloud, PSC).

Helmiäispilvien kauniit värit syntyvät valon diffraktiossa eli taipumisessa pienten kiteiden muodostamassa esteessä. Valo läpäisee esteen siten, että eri aallonpituudet interferoivat eli yhdistyvät hieman eri suunnissa, mikä johtaa värien kauniiseen vaihteluun läheisillä pilvialueilla. Samantapaisen värien interferenssi-ilottelun voi nähdä saippuakuplan pinnalla.

Helmiäisvalon interferenssi tapahtuu, toisin kuin esimerkiksi sateenkaaren syntyessä, vain etusuuntaan, joten helmiäiset näkyvät aina Auringon puolella taivasta ennen auringonnousua tai auringonlaskun jälkeen. Koska pitkät punaiset aallot taipuvat eniten, näkyvät helmiäiset pääosin punertavina sekä ensimmäiseksi aamulla että viimeiseksi illalla ennen sammumistaan Auringon vaipuessa yhä alemmas horisontin taakse.

Helmiäiset ovat siis kylmän napa-alueen ilmiö, joten ne ovat Suomessa varsin harvinainen näky. Miksi helmiäiset näkyivät nyt?

Kylmä arktinen ilma pysyy napa-alueella voimakkaiden länsituulten muodostaman tuulijärjestelmän, ns. napapyörteen ja sen alaosassa kulkevan polaarisen suihkuvirtauksen ansiosta. Napapyörre voi kuitenkin siirtyä keskimääräiseltä paikaltaan. Tänä syksynä napapyörre on ollut kallistuneena pois navalta kohti Eurooppaa niin, että Suomenkin yläpuolessa stratosfäärissä on tällä hetkellä arktisen kylmää ilmaa.

Helmiäispilven syntyyn vaadittava kylmä ilma ja sen sisältämä typpihappo voivat toimia alustana tehokkaalle otsonituholle. Niinpä helmiäiset ja otsoniaukko esiintyvät usein samanaikaisesti. Näin on tälläkin kertaa: Otsoniaukko on seurannut napapyörrettä pois pohjoisnavalta ja siirtynyt kohti Eurooppaa, sijaiten nyt osittain myös Suomen yläpuolella.

Helmiäisten syntymistä edellyttävä kylmä ilma vaatii sen, että napapyörre on kohtalaisen voimakas. Toisaalta helmiäisten näkyminen Suomessa edellyttää napapyörteen siirtymisen kauas navalta sopivaan suuntaan. Nämä olosuhteet syntyvät varsin harvoin. Niinpä helmiäisiä ei näy Suomessa kovin usein.

Helmiäisten näkymisellä on yhteys myös normaaliin säähän napapyörteen sijainnin ja rakenteen kautta. Napapyörre vaikuttaa säähän siten, että voimakas pyörre lisää kostean ja lämpimän talven todennäköisyyttä, kun taas heikko pyörre altistaa napapyörteen rikkoutumiselle ja arktisen ilmamassan vyörymiselle kauas etelään.

Vaikka napapyörre on siirtynyt keskimääräiseltä paikaltaan, ei se välttämättä tule rikkoutumaan tänä talvena. Rikkoutumista suosivia globaaleja ilmastovaikutuksia on kuitenkin olemassa, tärkeimpinä niistä QBO ja El Nino. Päiväntasaaja-alueen stratosfäärin tuulet, jotka vaihtavat suuntaansa noin 2,4 vuoden välein (kvasibienniaali-oskillaatio, QBO), puhaltavat nyt idästä, mikä suosii heikkoa napapyörrettä ja sen rikkoa talven aikana. Samoin Tyynen valtameren ENSO-vaihtelun El Nino-vaihe, joka alkoi tänä vuonna, suosii heikkoa napapyörrettä.

Napapyörteen siirtymistä seuraten suihkuvirtaus on virrannut tänä syksynä pitkään Suomen eteläpuolella, jolloin Suomen säätä on hallinnut pohjoisesta tuleva kylmä ilma. Euroopan keskipitkien sääennusteiden keskus (ECMWF) on kuitenkin ennustanut keskimääräistä lämpimämpää alkuvuotta (tammi-helmikuu). Kiinan sääpalvelu puolestaan on ennustanut Suomeen normaalia hieman kylmempää talvea. Tärkein ero näiden välillä on suihkuvirtauksen ennustettu kehitys talven aikana.

Oulun yliopiston Avaruusfysiikan ja tähtitieteen tutkimusyksikössä tehdään uraauurtavaa tutkimusta napapyörteeseen vaikuttavista tekijöistä. Myös omat ennusteemme painottuvat siihen suuntaan, että napapyörre tulee rikkoutumaan talven aikana, jolloin sen jälkeisestä talvesta tulisi normaalia kylmempi. Valitettavasti napapyörteen rikon aikataulua ei vielä osata tarkasti ennustaa kuin runsas viikko etukäteen.

Napapyörteen rikkoa ei ole vielä näkyvissä, mutta sen ennustetaan kääntyvän lähiviikkoina kohti Siperiaa. Arktinen ilma pysynee kuitenkin Suomen yllä vielä jonkin aikaa. Mahdollisuudet helmiäisten bongaamiseen säilynevät hyvinä ainakin vuoden loppuun asti, kunhan alemmat pilvet antavat siihen mahdollisuuden.

Kirjoittajat:

Kalevi Mursula, emeritusprofessori
Timo Asikainen, apulaisprofessori
Antti Salminen, tutkijatohtori

Avaruusilmaston tutkimusryhmä
Avaruusfysiikan ja tähtitieteen tutkimusyksikkö
Oulun yliopisto