Sää

Sää riippuu ennen kaikkea Auringon energiasta, Auringon kierrosta sekä ilmakehän virtauksista. Aurinko lämmittää Maan kallistuskulmasta johtuen Maan alueita eri tavoin, eniten päiväntasaajan seutua. Päiväntasaajalta virtaakin lämmintä ilmaa navoille päin ja navoilta kylmää ilmaa kohti päiväntasaajaa. Virtausten suuntaan vaikuttaa myös Maan pyöriminen, ja niitä hidastaa kitka. Tämän seurauksena ilmakehä on täynnä mutkikkaita ja jatkuvasti muuttuvia virtauskuvioita, joiden synnyttämät matalapaineet ja korkeapaineet aiheuttavat sään vaihtelut.[12]

Kun ilma lämpenee, se laajenee ja sen tiheys pienenee. Samalla se kevenee ja nousee ylemmäksi, mitä kutsutaan konvektioksi. Ilman noustessa vesihöyryä tiivistyy usein pilviksi. Paine on matala siellä, missä ilma nousee ylöspäin, ja korkea siellä, missä ilma laskeutuu alaspäin. Tuulet syntyvät, kun ilmaa siirtyy korkeapaineen alueilta matalapaineen alueille.[13]

Kylmässä rintamassa kylmän ilman kiila (vasemmalla) työntää lämpimän ilman jyrkkään nousuun ja nostaa monesti korkeita kuuro- ja ukkospilviä.

Ilmamassojen rajavyöhykkeet ovat säärintamia, joiden kohdalla sää muuttuu nopeasti. Kylmässä rintamassa kylmä ilma työntää tieltään lämpimän ilman, ja lämpimässä rintamassa lämmin ilma työntyy kylmän päälle.[14] Kumpikin rintama aiheuttaa sateita: lämmin rintama yleensä tasaisia ja pitkään kestäviä sateita, ja kylmä rintama lyhyempikestoisia tai kuuroittaisia sateita, kesällä myös ukkoskuuroja.[15]

Auringon lämpösäteily aiheuttaa vuodenajat ja vaikuttaa päivittäisiin lämpötilanvaihteluihin. Sää vaihtelee eniten keski- ja korkeilla leveysasteilla, koska siellä Auringon lämmityksen ja auringonvalon vaihtelut ovat suurimmat. Konvektiovirtaukset ja sadekuurot ovat voimakkaimmillaan silloin kun Aurinko paistaa kohtisuoraan ylhäältä.[16] Samalla kuivinta on noin 30. leveysasteiden kohdalla, missä ilma laskeutuu takaisin maanpinnalle ja siirtyy takaisin etelään tai edelleen pohjoiseen.[17]

Maapallon säihin merkittävästi vaikuttavia isoja tuulijärjestelmiä ovat pasaatituulet, länsituulet ja polaariset itätuulet. Niiden lisäksi paikallissäähän vaikuttavat pienet tuulijärjestelmät. Esimerkiksi rannikkoseuduilla voi syntyä paikallisia tuulia, koska maa lämpenee nopeammin kuin vesi, ilma sen yllä nousee ja mereltä virtaa kylmää ilmaa. Vuoristoalueilla säähän vaikuttaa vuorten yli puhaltavan tuulen kuivuminen ja lämpeneminen. Pitkissä ja loivasti viettävissä laaksoissa voi esiintyä voimakkaita tuulia. Sisämaan kuten Saharan voimakkaasti lämpenevä ilma voi aiheuttaa matalapaineen ja paikallisia tuulia.[18]

Orografisia pilviä syntyy ja sataa vuoren yhdellä puolella.

Suuret maamassat lämpenevät päivällä nopeasti ja viilenevät yöllä. Tämä aiheuttaa sisämaassa suurempia lämpötilan vaihteluita vuorokauden aikana kuin rannikolla. Intian monsuunisateet aiheutuvat osittain Tiibetin ylätasangon lämpenemisestä. Vuoren kohdatessaan matalapaine yleensä sataa rinteelle tai huipulle (orografinen sade), ja suojanpuolella on kuiva sää, joskus pysyvää aavikkoa. Vuoristolaaksoissa ja rinteillä esiintyy myös melko paljon sumuja, kun ilma jää loukkuun.[19]

Ilmakehän kosteudesta 90 prosenttia on peräisin meristä. Merestä haihtuva kosteus tiivistyy pilviksi, jotka aiheuttavat sateita. Myös merivirrat vaikuttavat rannikkoalueiden säähän ja ilmastoon. Esimerkiksi lämmin Golfvirta aiheuttaa Länsi-Eurooppaan leutoja säitä. Merivirrat vaikuttavat myös sateiden ja myrskyjen syntymiseen. Meren lämmönsäilytyskyvyn vuoksi rannikoilla on keväisin suhteellisen viileää ja syksyisin lämmintä. Rannikkotuulet voivat kesäisin viilentää rannikon ilmaa. Kylmän meri-ilman ja lämpimän maan yllä olevan ilman sekoittuminen aiheuttaa sankkoja sumuja.[20]

Sää vaikuttaa kaikkiin eläimiin tavalla tai toisella. Sään vaikutus voi tuntua suoraan eläimen omassa elämässä tai niiden ravinnon tai saalistajan kautta. Linnut ovat sopeutuneet elämään erityisen hyvin tuulessa.[22] Sään vaikutus näkyy erityisesti muuttolinnuilla. Linnut hyödyntävät myötätuulta aina, kun se on mahdollista, mutta muuttoaktiivisuus vähenee kovassa tuulessa, sumussa ja sateessa.[23]

Tuulen suunta on tärkein muuttoon vaikuttava säätekijä, sillä linnut osaavat hyödyntää myötätuulta tehokkaasti. Linnut muuttavat muuttoreittiään, jos tuuli käy vinosti haluttuun suuntaan nähden. Kova ja puuskainen myötätuuli kuitenkin haittaa lentoonlähtöä. Jos tuuli on liian kovaa, käy suoraan sivulta tai edestä, monet linnut odottavat tuulen kääntymistä.[23] Joskus linnut lähtevät muuttamaan jopa kohtalaisessa vastatuulessa, jos sää on estänyt muuttoa muutamia päiviä.[24] Tällaisissa tapauksissa suuria määriä muuttolintuja lähtee matkaan yhtä aikaa.[23] Jotkut lintulajit, kuten kurjet ja haukat, osaavat käyttää hyväkseen konvektiovirtauksia. Termiikissä kaarteleva lintu nousee pienellä kulutuksella esimerkiksi 500–1500 metrin korkeuteen ja liitä sen jälkeen loivasti laskeutuen, kunnes alkaa kohota taas nostossa.[25]

Sääilmiöiden vaikutus kaloihin on kiinnostanut tutkijoiden lisäksi kalastajia. Sää vaikuttaa niihin joko muuttamalla ympäristön tilaa tai suoraan käyttäytymistä. Uimarakkoiset kalat aistivat herkästi ilmanpaineen muutokset. Jo vähäinen muutos saattaa vaikuttaa käyttäytymiseen. Aurinkoisen ja pilvisen sään ero vaikuttaa erityisesti pintavesissä eläviin kaloihin. Monet pintapetokalat saalistavat vain harvoin aurinkoisina päivinä.[26]

Pääartikkeli: Sään terveysvaikutukset

Alhaisin kuolleisuus on kaikkialla niinä aikoina kun lämpötila on hieman korkeampi kuin alueella yleensä on. Kahdeksan prosenttia kuolemista maailmanlaajuisesti liittyy joko korkeaan tai alhaiseen lämpötilaan. Tavallista kylmempi sää selittää kuolleisuudesta yli seitsemän prosenttiyksikköä ja tavallista lämpimämpi sää puoli prosenttiyksikköä.[27]

Lämpötilasta johtuvien kuolemien kokonaismäärä on laskussa maailmanlaajuisesti. Vuosien 2000–2003 ja vuosien 2016–2019 välillä kylmyyteen kuolleiden osuus kaikista kuolleista maailmassa laski 0,51 prosenttiyksikköä samalla kun kuumuuteen kuolleiden osuus nousi 0,21 prosenttiyksikköä. Tutkijoiden mukaan ilmaston lämpeneminen saattaa olla kuolemien kokonaismäärän vähenemisen takana lyhyellä aikavälillä.[28]

Jyrkät lämpötilanvaihtelut lisäävät kuolleisuutta talvisin. Kylmyys altistaa hengitys- ja verenkiertoelinten sairauksille sekä heikentää vastustuskykyä tartuntataudeille. Tautien leviämistä edistää myös talvisäältä suojautuminen sisätiloihin. Kylmä sää vaikeuttaa verenkiertovaivoista kärsivien elämää, sillä se jäähdyttää ruumiin uloimpia osia, kohottaa verenpainetta ja rasittaa sydäntä. Talvikuukausien alhainen ilmankosteus aiheuttaa iho-ongelmia, ja kylmä sää voi vaurioittaa kudoksia.[29]

Kesän lämmössä viihtyvät bakteerit voivat aiheuttaa vaaraa. Malariahyttyset elävät ja lisääntyvät lämpimissä ja kosteissa oloissa. Lämpimällä säällä nousevat ilmavirtaukset kuljettavat kauas siitepölyä ja muita allergeeneja, jotka aiheuttavat joillekin hengitysoireita.[29]

Äkilliset lämpötilan ja kosteuden muutokset voivat laukaista hengitysteiden tulehduksia ja lihaskipuja. Ilmanpaineen lasku tai kosteuden lisääntyminen aiheuttavat joillekin nivelkipuja tai amputoitujen jäsenten aavekipuja.[29]

Sää voi vaikuttaa mielialaan eri tavoin eri ihmisillä. Valon vähäisyys voi aiheuttaa masennusta. Lämpöaallot voivat aiheuttaa rikollisuuden lisääntymistä, joskin yhteys saattaa olla vain välillinen.[29]

Esimerkiksi Yhdysvaltojen kansallisen sääpalvelun mukaan Yhdysvalloissa sääilmiöistä eniten kuolemantapauksia vuotta kohti välillä 2004–2013 aiheuttivat helle (keskimäärin 123 kuolemaa vuodessa), tornadot (109), hurrikaanit (108), tulvat (75), tuuli (51), salamat (33), kylmyys (27) sekä talvi yleisesti (25).[30]

Sää vaikuttaa ilman laatuun ja terveydelle haitallisten ilmansaasteiden määrään. Kovat tuulet kuljettavat saastehiukkasia kauas, ja heikolla tuulella ilmansaaste kerääntyy lähelle saastuttajaa. Sade voi yhtäältä hajottaa ilmansaasteita tehokkaasti ja toisaalta saastuttaa maata.[31] Inversio synnyttää kerroksen, joka pitää ilmansaasteet tiheänä pilvenä alapuolellaan. Auringonpaiste aiheuttaa saasteissa kemiallisia reaktioita, joista syntyy savusumua, ja lämmin ilma nopeuttaa reaktioita.[32]

Rankat sateet ja myrskyt voivat aiheuttaa tulvia.[33] Tuhoisin yksittäinen tulva (tilastossa joka alkaa vuodesta 1900) surmasi 3,7 miljoonaa ihmistä Kiinassa vuonna 1931.[34] Tulva aiheutui kuivuutta seuranneista rankkasateista ja sykloneista, jotka täyttivät suuret joet yli äyräidensä.[35]

Ihminen suojautuu kuumaa säätä vastaan hikoilemalla, mikä alentaa kehon lämpötilaa. Samalla ihminen menettää nestettä, mikä voi aiheuttaa kuivumisen, ellei hän juo riittävästi. Korkea suhteellinen ilmankosteus hidastaa lämmön haihtumista, jolloin hikoileminen ei auta kovin paljon. Kuumuuteen sopeutuminen vie parisen viikkoa. Auringon paahteelta ja säteilyltä voi suojautua oikeanlaisella vaatetuksella. Rakennuksia voidaan viilentää erilaisilla ilmanvaihtoratkaisuilla.[36]

Kylmää säätä vastaan suojaudutaan vaatetuksen ja lämpimän asumuksen avulla. Myös paksu ihonalainen rasvakerros suojaa kylmältä. Ihminen voi sopeutua kylmään säähän jonkin verran esimerkiksi raajojen verisuonten laajenemisella, mutta ei yhtä hyvin kuin kuumaan.[37]

Sää vaikuttaa monella eri tavalla kasveihin. Pääsääntöisesti kasvit kasvavat paremmin mitä lämpimämpi on. Liian korkea lämpötila kuitenkin hidastaa kasvua ja kuivattaa kasvia. Optimilämpötila riippuu kasvilajista. Syksyn kylmät lämpötilat saavat kasvit vähentämään kasvua ja varastoimaan energiaa, ja lopulta ilman edelleen kylmetessä kasvi siirtyy talvilepoon. Monet kasvit tarvitsevat keväällä tietyn mittaisen kylmän jakson, ennen kuin talvilepo purkautuu.[38] Vaikka kasvien talvilevon alkamiseen vaikuttaa sääolosuhteet, ruskan alkamiseen ne eivät vaikuta, sillä ruska käynnistyy päivän pituuden perusteella. Ruskan väreihin säällä kuitenkin on vaikutusta: sateisina syksyinä ruska on keltainen ja pikkupakkasten jälkeen punainen.[39]

Eri sääilmiöiden esiintyminen ja voimakkuus vaikuttaa merkittävästi maanviljelyyn. Oikea valon määrä, lämpötila ja sateisuus on tärkeää satojen onnistumiseksi, mutta ääri-ilmiöt ovat usein haitallisia.[40] Lämmin ilma nopeuttaa joidenkin kasvien kasvua, mutta se voi samalla vähentää satoja haittaamalla viljan kypsymistä. Kuumuus voi tappaa taimia. Kuivuus heikentää viljelyskasveja ja altistaa ne tuholaisille sekä haittaa lisääntymistä. Kuivuutta seuraavat rankkasateet voivat aiheuttaa vahingollisia tulvia kun maaperä ei pysty imemään vettä. Rankkasateet aiheuttavat peltojen vettymistä ja eroosiota. Kovat tuulet voivat nostaa veden korkealle, mikä vahingoittaa viljelyksiä. Korkea ilmankosteus lisää sienten, rikkakasvien ja tuholaisten määrää. Korkea kosteus, halla ja rakeet vahingoittavat hedelmiä ja vihanneksia. Kuivuudesta voi seurata maastopaloja, jotka tuhoavat satoja ja maata.[41] Rankkasade ja kova tuuli voivat aiheuttaa viljan lakoontumista, mikä pienentää jyvän kokoa ja alentaa hehtolitrapainoa.[42]

Säähavaintolaitteilla mitataan ilmakehän perussuureita kuten lämpötilaa, ilmanpainetta, tuulen nopeutta ja suuntaa sekä suhteellista kosteutta. Myös pilvisyyttä, näkyvyyttä ja sademääriä mitataan. Säähavaintolaitteet voivat olla perinteisiä mekaanisia, tai sähköisiä. Tavanomaisia ammattilaisten tai harrastelijoiden käyttämiä säähavaintolaitteita ovat esimerkiksi ilmapuntari, lämpömittari, lämpötilapiirturi, sademittari, tuulimittari eli anemometri, tuuliviiri, aurinkoautografi (aurinkoisten tuntien määrän mittari), kosteusmittari ja -piirturi sekä psykrometri.[43]

Sääpallojen kyydissä lähetetään taivaalle mittalaitteita ja radioluotaimia, jotka lähettävät ilmakehästä tietoa maa-asemille. Sääluotaimet nousevat 15–25 kilometriin asti, ja kaasujen pitoisuuksia mittaavat tutkimusluotaimet joskus jopa 40 kilometriin.[44] Säätutkia käytetään sateen ja lumisateen paikantamiseen ja niiden voimakkuuden määrittämiseen.[45] Maata kiertää sääsatelliitteja, joissa on useita mittalaitteita. Satelliitit kuvaavat etenkin näkyvää valoa ja infrapunasäteilyä, ja ne mittaavat eri aallonpituusalueiden säteilyn kautta muun muassa kasvillisuutta, lunta, metsäpaloja, aerosoleja, vesihöyryä ja otsonia.[46]

Analysoitu sääkartta

Sääkartta on kartta, jossa näkyy säätilanne. Sääkarttoja on kolmenlaisia:

• Yksinkertainen ennustekartta, johon on merkitty symboleilla pilvisyys, sade ja lämpötila sekä tuulen suunta.[47]
• Analysoitu sääkartta, jossa näkyy esimerkiksi Euroopan alueelta ilmanpaine isobaareina ja säärintamat.[48] Tämä karttatyyppi antaa asioita tuntevalle perusteellisempaa tietoa säätilasta.
• Synoptinen säähavaintokartta, jossa näkyy yksittäisten asemien mittaustiedot, ja mahdollisesti niistä analysoidut matalapaineet ja korkeapaineet sekä säärintamat.

Pääartikkeli: Sään ennustaminen

Sääennusteet perustuvat säähavaintoihin ja niiden tulkintaan. Ennusteita tuottavat kansalliset sääpalvelut kansalaisten tarpeisiin, ja niitä suunnataan joskus myös erityisryhmille kuten maanviljelijöille ja liikenneviranomaisille. Sääennustuksia tehdään tietokoneiden avulla, ja niitä julkaistaan lehdissä ja verkossa. Sääennustuksiin kuuluu usein varoituksia huonosta säästä.[49]

Lyhytaikaiset ennusteet ulottuvat yhden tai kahden vuorokauden päähän. Niissä ennustetaan yksityiskohtaisesti lämpötilaa, pilvisyyttä, tuulen nopeutta ja suuntaa sekä sademäärää. Keskipitkän aikavälin ennusteissa arvioidaan 2–10 vuorokauden säätä yleensä yleisluontoisesti.[50] Pitkän aikavälin ennusteet kertovat säätyypistä ja sään poikkeavuudesta pitkäaikaisesta keskiarvosta. Päiväkohtaiset ennusteet ovat tarkkoja noin viiden päivän päähän. Yli viiden vuorokauden päähän ulottuvat piste-ennusteet ovat suuntaa antavia.[51]

Yksinkertaisin säänennustusmenetelmä on jatkuvuusmenetelmä, jossa sään oletetaan vain jatkuvan samanlaisena. Klimatologisessa menetelmässä sään ennustetaan vastaavan pitkän aikavälin keskiarvoa. Varsinaisessa sään ennustamisessa pyritään näitä menetelmiä tarkempaan tulokseen laskemalla hyvin moniin erilaisiin havaintoihin perustuen millaiseksi tämänhetkisen säätilanteen voi odottaa muuttuvan.[52]

Entisaikaan säätä ei ymmärretty, ja ihmiset antoivat sääilmiöille mytologisia selityksiä. Jumalten uskottiin säätelevän säitä, ja šamaanit ja papit yrittivät lepytellä säiden jumalia hyvän sään toivossa. Muinaisten babylonialaisten pääjumala Marduk oli alun perin ukkosen jumala, ja muinaisessa Intiassa sateen ja myrskyjen jumala Indra oli tärkeimpiä jumalia. Muinaispohjoismaisen ukkosenjumala Thorin uskottiin synnyttäneen ukkosen ja salamat Mjölner-vasarallaan taistellessaan jättiläisiä vastaan. Amerikkalaisessa mytologiassa esiintyy ukkoslintu, ja asteekit uskoivat aurinkojumala Tonatiuhin säätelevän säätä. Monet antiikin Kreikan jumalat personoivat ja säätelivät säätä, kuten Zeus, Poseidon, Haades, Helios ja Aiolos. Raamatussa ja Gilgameš-eepoksessa kuvattu vedenpaisumus oli neljäkymmentä päivää kestänyt rankkasade.[53]

Babylonialaisten ennustukset perustuivat tähtitieteellisiin havaintoihin, pilvien muotoon ja optisiin ilmiöihin kuten haloilmiöihin. Kiinalaiset kehittivät vuoden 300 eaa. tienoilla kalenterin, jonka avulla he pystyivät ennakoimaan säiden kausittaisen vaihtelun. Ensimmäiset viittaukset sademittarin käyttöön ovat löytyneet Intiasta ajalta noin 300 eaa. Sääntutkimusta tarkoittava sana meteorologia on peräisin kreikkalaisfilosofi Aristoteleeltä, joka kuvaili tutkielmassaan Meteorologia tunnettuja sääilmiöitä, vaikkakin joitain niistä virheellisesti. Aristoteleen oppilas Theofrastos esitti omissa sääteoksissaan sääenteitä ja huomioita.[53]

Vanhoja elohopeailmapuntareita

Keskiajalla säätä ennustettiin Aristoteleen oppien sekä Arabiasta tulleen, tähtien ja planeettojen asemiin perustuneen astrometeorologian pohjalta. Suosituissa almanakoissa oli sääennusteita etenkin maanviljelijöille. Renessanssin aikana 1400-luvulta alkaen meteorologia kehittyi tieteellisten havaintojen myötä. Italialainen keksijä Leonardo da Vinci kuvasi sääilmiöitä päiväkirjoissaan ja keksi meteorologisia kojeita kuten kosteusmittarin. Galileo Galilei kehitti ensimmäisen lämpömittarin ja hänen oppilaansa Evangelista Torricelli 1600-luvun alussa ensimmäisen ilmapuntarin. Ranskalainen Blaise Pascal oli ensimmäisiä, joka keksi ilmanpaineen muutosten olevan säästä johtuvia ja osoitti että ilmanpaine laskee ylemmäs mentäessä. Firenzen Accademia del Cimentossa (1657–1667) keksittiin useita sääkojeita, kuten tiivistyskosteusmittari. Toscanan suurherttua perusti vuonna 1654 sääasemien verkoston eri puolille Eurooppaa.[54]

Meteorologia kehittyi 1600- ja 1700-luvuilla kun keksittiin uusia ja entistä tarkempia mittauslaitteita ja avattiin lisää observatorioita. Saksalainen Gabriel Fahrenheit suunnitteli ja rakensi useita sään mittauslaitteita 1700-luvun alussa sekä kehitti nimeään kantavan Fahrenheit-asteikon. Ruotsalainen tähtitieteilijä Anders Celsius kehitti 1742 oman Celsius-asteikkonsa. Horace Bénédict de Saussure keksi hiuskosteusmittarin ja John Dalton osoitti 1802 miten ilman kyllästämiseen tarvittavan vesihöyryn määrä riippuu lämpötilasta. Yhdysvaltalainen Benjamin Franklin keksi ukkosenjohdattimen ja havainnoi sääjärjestelmien siirtymistä. Ensimmäiset tehokkaat tuulimittarit kehitettiin 1740-luvulla. Eurooppalaiset tiedeakatemiat keräsivät runsaasti säätietoa laajojen kansainvälisten verkostojensa kautta.[55]

1800-luvulla keksittiin synoptinen menetelmä, jossa analysoitavia säähavaintoja kerätään mahdollisimman laajalta alueelta. Menetelmää alettiin hyödyntää 1849 kun lennättimen avulla ryhdyttiin laatimaan päivittäisiä synoptisia karttoja. Ilmakehää tutkittiin 1860-luvulla uhkarohkeilla kuumailmapallolennoilla ja sen jälkeen miehittämättömillä säähavaintopalloilla. Kansainvälinen meteorologinen järjestö IMO perustettiin 1873. Sen korvasi vuonna 1950 Maailman ilmatieteen järjestö WMO.[56]

Useita kansallisia sääpalvelukeskuksia perustettiin 1800-luvun lopulta alkaen. Synoptiset sääennustusmenetelmät kehittyivät, mutta sään ennustamisen tarkkuus parani yhä hyvin hitaasti. Pohjoismainen Bergenin koulukunta havaitsi vuoden 1920 tienoilla säärintamien suuren merkityksen säähän, ja meteorologit alkoivat kehittää rintamien liikkeitä ennustavia menetelmiä. Säätekniikka kehittyi 1900-luvulla etenkin sotatekniikan kehityksen ansiosta. Säähavaintopallojen radioluotainverkosto laajeni huomattavasti toisen maailmansodan aikana, ja tutkan avulla alettiin tutkia säätilaa ja jäljittää sadepilvien kulkua. Radioluotainten ja tutkien avulla pystyttiin tutkimaan myös ilmakehän ylimpiä kerroksia ja sitä kautta ennustamaan säätä entistä tarkemmin.[57]

Englantilainen matemaatikko Lewis Fry Richardson esitteli 1922 numeerisen sääennustuksen, joka perustuu ilmakehän tapahtumien esittämiseen matemaattisten yhtälöiden ryhmällä. Alussa numeeriset ennusteet olivat epätarkkoja, mutta tietokoneiden kehityksen myötä 1950-luvulta alkaen ne tarkentuivat. Ensimmäinen sääsatelliitti TIROS 1 laukaistiin avaruuteen 1960.[58]