Sääoppi        Helsingin Teknillisen Ammattikorkeakoulun Tuulivoimatekniikan tuntiopettajan Tommi Raution luentomateriaalin otteita vuosilta 1997-98

Ilmamassat

Ilmamassalla tarkoitetaan ilmakehän osaa, jonka lämpötila ja kosteus ovat suurinpiirtein samat vaakasuorassa tasossa eri korkeuksilla. Ilmamassat muodostuvat ilman pysyessä paikallaan suurten vesi- tai maa-alueiden yläpuolella. (Lentäjän käsikirja OJ5 A)

Matalapaine / korkeapaine

Matalapaine alue syntyy alueelle, jossa maanpinta / vedenpinta (massat) ovat luovuttaneet lämpöenergiaansa viileämpään (matalampi energiasisältö) ilmamassaan.

Korkeapaine alue syntyy alueelle, jossa ilmaa kylmemmät maa- tai vesimassat ovat imeneet ilmamassan energiasisällöstä lämmön ja siten kaasun tilavuuden pienentyessä kaasun tiheys on ts. ilmanpaine on kasvanut.

Tuuli

Tuuli on ilman liikettä. Ilman liikkeelle paneva voima on auringon lämpö ja sen seurauksena syntyvät ilmanpaine-erot ilmakehän eri osissa. Ilmanpaine-erojen tasoittuminen suoraviivaisella ilman liikkeellä on mahdotonta, sillä se aiheuttaisi ilmamassojen vaaka- sekä pystysuuntaista värähtelyä. Maan pinnalla ilma virtaa korkeapaineesta matalapaineeseen kaarevia reittejä pitkin. Pohjoisella pallonpuoliskolla ilmankiertosuunta matalapaine alueen ympäri on vastapäivään ja eteläisellä pallonpuoliskolla myötäpäivään. Korkeapaine alueet ovat usein laajoja ja ne eivät ole säännönmukaisesti ympyrän muotoisia tai sulkeutuvia painekäyriä. Tuuli on sitä voimakkaampi, mitä suurempi paine-ero on.

Korkealla - esim. 10 km maanpinnasta matalapaineen yläpuolella on korkeampi paine verrattuna maanpinnalla korkeapaine alueen yläpuolella olevaan paineeseen. Luonnollisesti matalapaine alueelta ylös noussut ilmamassa siirtyy sinne missä on matalampi paine eli korkeapaine alueen ylle. Siellä ilma on jo jäähtynyt ja ilma tiivistyy laskeutuen hitaasti alaspäin. Siten ilma on jatkuvassa kiertoliikkeessä pyrkien siirtämään maan pinnalta lämpöä avaruuteen.

Turbulenssi tuuliteknologiassa

Maan pinnalla tuuli on turbulenttista eli pyörteilevää. Maa-alueilla on erilaisia esteitä, jotka aiheuttavat erilaisia pyörreilmiöitä. Estetyyppejä on lukuisia, riippuen koosta ja muista ominaisuuksista, kuten pinnan laadusta. Tasainen yhtenäinen ilmavirtaus voi muuttaa suuntaa kohdatessaan vuoriston tai meren aallot nostavat pienen pieniä pyörteitä meren pinnasta. Turbulenssinen ilma virtaa tavallisesti spiraalimaisia ratoja pitkin. Sen yksityiskohtaisia ominaisuuksia on mahdoton kuvata, mutta aerodynamiikan tutkiminen antaa pohjan sen ymmärtämiselle.

Tuulen esiintyminen

Maapallolla tuulee aina. Sen ennustettavuus on tänäpäivänä melko hyvä, jopa riittävän hyvä ajatellen voimayhtiön kannalta sähköntuotannon suunnittelua esim. viikon ennustejaksoissa. Parhaat tuuliolosuhteet ovat avonaisilla alueilla, eli Suomessa merellä, rannikkokaistoilla ja Lapin tuntureilla. Laajat peltoaukeat ovat myös hyviä sijoituspaikkoja, mikäli lähistöllä on lisäksi vesialueita. Tuulen voimakkuus kasvaa mitä korkeammalle noustaan. Nopeuden kasvu on logaritmista ylöspäin noustessa. Ts. tuulen nopeus vakiintuu tietyllä korkeudella, tavallisesti pilvien alarajan yläpuolella. Tuulen nopeus alkaa uudestaan nousta n. 8- 13 km korkeudessa. Korkealla ilma on kuitenkin ohutta, eli ilman massavirta on sama kuin alhaalla maan pinnalla. Tästä syystä on turhaa tavoitella järjettömiä korkeuksia.

Ilmaston muutos

Nykyisin paljon puhuttu ilmaston muutos vaikuttaa tuulivoimatekniikkaan muutamin tavoin, yleensä positiivisesti. Myös negatiivisesti vaikuttavia tekijöitä saattaa esiintyä.

Periaatteessa vaikutus on peräisin vain yhden ilmakehän parametrin muutoksesta. Muutos aiheuttaa ketjureaktion jossa useita ilmakehän ilmiöitä muuttuu.

Perusmuutostekijä on CO² pitoisuuden kasvu, joka on peräisin mm. ihmiskunnan toiminnasta. Esimerkiksi polttaminen, minkä tahansa kiinteän, nestemäisen tai kaasumaisen aineen polttaminen on pieni mutta ratkaiseva tapahtuma CO² pitoisuuden kasvattamisessa. Kiinteän ym. aineen polttaminen aiheuttaa useita erilaisia vaikutuksia mm. ilmakehän massan kasvua. Massan kasvu peräisin hiilen vapauttamisen ja sen sitomisen epätasapainosta, sillä samaan aikaan kun kaikki poltettavaksi kelpaava poltetaan - hakataan metsiä, eritoten Etelä-Amerikan sademetsiä. 

Ihmiset ovat levittäytyneet lähes kaikkialle maapallolla. Kaikkialla missä ihmiset asuvat on tuotettava lämpöenergiaa tai liike-energiaa. Teollisuusmaissa tuotetaan lisäksi sähköenergiaa useisiin eri tarkoituksiin. Tästä johtuen hiilidioksidia tuottavaa toimintaa on maapallolla ympärivuorokautisesti 24 tuntia päivässä.

Toisaalta maan pinnalla niin merissä kuin kuivalla maalla hiilidioksidin yhteyttäminen tapahtuu vain yli +5ºC lämpötilassa ja vain maapallon aurinkoisella puolella. Aurinkohan paistaa kerrallaan vain puolella koko maapallon pinnasta, mutta tehokasta auringonsäteilyä saadaan arviolta n. 3/4 päivästä. Aamun ja illan aikana valon intensiteetti on vähäisempi. Lisäksi tehokasta auringon säteilyä saadaan n. 100º leveyspiirin laajuisella kaistalla. (Suomessa esim. kesällä tehokas kasvu ulottuu n. 67º leveyspiirille ja talvella Euroopassa n. 35º leveyspiirin tasolle. Samat leveyspiirit ulottuvat eteläisen pallonpuoliskon alueelle, mutta kasvua ja yhteyttämistä ei ole mikäli kasvillisuus on hakattu tai eroosion vuoksi kadonnut.)

Ilmakehän massa siis kasvaa, koska polttoainetta poltetaan kaasuiksi, tuhkaksi ja pölyksi nopeampaan tahtiin, kuin kaasut ehtivät sitoutua kasvillisuuteen tai meren planktoniin. Massan lisääntyminen tarkoittaa ilman tiheyden kasvua ja siten myös ilmanpaineen kasvua.

Suurempi ilman tiheys merkitsee nostovoiman kasvua turbiinin lavoissa ja siten parempaa vääntöä. Voimalan antama sähköteho on täten parempi, kuin ilman ilmastonmuutoksen vaikutusta.

Ilmanpaineen kasvun vaikutukset ovat monimutkaisemmat. On havaittu, että matalapainealueiden alimmat esiintyvät ilmanpaineet ovat kohonneet 970 mbar tasolta 975 mbar tasolle. Korkeapainealueiden korkeimmat ilmanpaineet ovat kohonneet hieman enemmän, 1025 tasolta 1035 mbar tasolle. Tämä tarkoittaa, että keskimäärin voi esiintyä suurempia ilmanpaine-eroja. Tästä seuraa voimakkaammat tuulet, mikä yhdistettynä kasvaneeseen ilman tiheyteen lisää voimaloiden tehoa.

Ilmaston muutoksen edetessä ja kasvihuone kaasujen määrän lisäännyttyä, muutoksia matala- ja korkeapainealueiden laajuudessa on havaittu, mutta niihin liittyy myös merivirtojen mukana kulkeutuvan lämmön tai kylmyyden vaikutuksen osuus, joten pelkkä hiilidioksidin lisääntyminen ei selitä kaikkia sääilmiöitä. Korkeapainealueiden pysyvyys vahvistuu ja matalapainealueiden koko vaihtelee. Muutokset ovat vuosijaksoissa yleensä kausittaisia muutaman kuukauden mittaisia. Ilmasto voi olla joskus hyvin vaihtelevaa ja taas joskus hyvin yksipuolista, eli kuivaa, kuumaa tai tyyntä ja nihkeää tai vaihtoehtoisesti tuulista, sateista mutta välillä aurinkoa. Ilmastonmuutoksen seuraaminen siis tulee olemaan mielenkiintoista.

Jatko-osia työstetään parhaillaan tai edelleen.

Tuntiopettaja Tommi Rautio, ins.