2006/7



   Eesti Looduse
   fotovoistlus 2010




   AIANDUS.EE

Eesti Loodus
artikkel EL 2006/7
Tuul ei suuda võistelda kiirlaevadega

Eesti Looduse juuninumbrist lugesime, et laevaliikluse paljude hüvedega võib kaasneda omajagu hädasid: näiteks müra, mis võib levida märksa kiiremini, kui laev sõidab, või kasvuhoonegaasiheide, mis on üks globaalprobleemide allikas. Palju arutlusainet on pakkunud ka kiirlaevade lained.

Viimase kümne aasta jooksul on kiirlaevalainete eriomadustega seotud keskkonnakaitse-, laevasõidu ohutuse ning muid riske tihti käsitletud peaaegu kõigis arenenud mereriikides. Need probleemid on olnud tulipunktis näiteks Ameerika Ühendriikides, Hispaanias, Hollandis, Iirimaal, Kanadas, Prantsusmaal, Rootsis, Soomes, Suurbritannias, Taanis, Uus-Meremaal ja Eestis. Isegi Ðveitsis on kiirlaevadega seotud nähtused ületanud uudisekünnise.

Kiirus on suhteline mõiste. Selle ajaga, mil maailma kiireim jooksja läbib 100 meetrit, liigub võidusõiduauto peaaegu kilomeetri ja tavaline reisilennuk ligi kolm kilomeetrit. Selliste erinevuste taustal tundub esmapilgul pisut eriskummaline nimetada kiireteks laevu, mis tavalise kolme tunni asemel sõidavad Tallinnast Helsingisse poolteise tunniga. Huvitaval kombel on keskkonnas kiirused mingil moel piiratud: väga kiiret liikumist takistavad teatavad barjäärid, mis olevalt keskkonnast võivad olla erisugused. Osa barjääre on võimalik ületada, kuid mõned neist on absoluutsed, vähemalt praeguste teadmiste puhul. Makroskoopilised objektid – planeedid, asteroidid, kosmiline tolm jne. – liiguvad maailmaruumis kümneid ja sadu kilomeetreid sekundis. Kuigi tavaelus on selline kiirus meile hoomamatu, on see tühine võrreldes maksimaalse võimaliku kiiruse, valguse kiirusega. See on praeguste arusaamade järgi masinate jaoks ületamatu barjäär, kuna keha mass kasvab valguse kiirusele lähenemisel lõpmata suureks.

Sama laadi takistus atmosfääris liikuvatele objektidele on heli kiirus. Tehniliselt on seda võimalik ületada, kuid helibarjäärile lähenedes tekib lennuki ette lööklaine. Et sellest läbi murda, on vaja erilise tarindiga lennukeid või rakette ning väga võimsaid mootoreid. Palju lihtsam ja odavam on lennata pisut aeglasemalt.

Samalaadne takistus on mere pinnal: pinnalainete leviku maksimaalne kiirus. Laevanduses nimetatakse seda kriitiliseks kiiruseks, ja mitte ilma põhjuseta. Kui laeva kiirus ületab 60–70% sellest kiirusest, suureneb järsult laeva tekitatud lainete kõrgus ning muutuvad lainesüsteemi omadused. Laeva ette tekivad lööklainet meenutavad üksiklained ehk solitonid. Loomulikult suureneb hüppeliselt ka kütusekulu.

Nendel barjääridel on üksjagu sarnaseid jooni, mis on seotud konkreetses keskkonnas levivate lainete omadustega. Samuti on ühine seegi, et teatavale piirkiirusele lähenedes ilmnevad ebatavalised nähtused. Enamasti liiguvad esemed, elusolendid või ka Maa niisugustest piirkiirustest märksa aeglasemalt. Kui inimese valmistatud masina liikumiskiirus on piirkiirusele lähedane või ületab selle, avalduvad looduses harva ette tulevad (potentsiaalselt ohtlikud) efektid. Atmosfääri sisenemisel plahvatanud kosmosesüstik on kujukas näide liiga kiiresti liikuvate kehade saatuse kohta.


Merel on kiirus seotud sügavusega. Erinevalt helikiirusest, mis on maapinna eri kohtades üsna ühesugune, oleneb kriitiline kiirus – ja ka see, kas laeva kiirus on selles mõttes suur või väike – vee sügavusest. Sõltuvus on lihtne: kui vee sügavus on H meetrit, siis lainete leviku maksimaalne kiirus on m/s (gravitatsioonikiirendus g = 9,81 m/s2). Merel on niisiis oluline kiiruse ja vee sügavuse vahekord. Mitme kilomeetri sügavuses avaookeanis on kriitiline kiirus paarsada meetrit sekundis ehk lähedane heli kiirusele õhus. Ükski laev ei suuda sellele ligilähedastki kiirust arendada ning kiirlaevade probleemi pole seal lihtsalt olemas.

Soome lahes ulatub meresügavus sadakonna meetrini ning kriitiline kiirus ligikaudu 30 m/s: pisut üle 100 km/t ehk 60 sõlme. Sellist kiirust Tallinna ja Helsingi vahel sõitvad reisilaevad veel ei arenda. Vaid mõned aastad tagasi käigus olnud Lindaliini tiiburlaev võis kihutada ka üle 50 sõlme. Madalamates kohtades on kriitiline kiirus väiksem: 5 meetri sügavuses väinas ligikaudu 7 m/s ehk 4 sõlme. Sellises veekogus on juba 3–4 sõlmega liikuv paat kiirlaeva omadustega.

John Scott Russelli kirjeldatud soliton, mille tekitas hobuste veetav paat üsna aeglasel liikumisel, on tegelikult esimene teaduskirjanduses käsitletud kiirlaevalaine. Paadi kiirus oli umbes kaks sõlme, kuid selles kohas oli see juba suur. Keskkonna iseärasustest olenevalt on seega tähtis konkreetses kohas ja ajal sobiv kiirus.

Jätame siinkohal kõrvale rahvusvahelise mereorganisatsiooni (IMO) ametliku kiirlaeva definitsiooni ja käsitleme kiirust konkreetse veekogu keskkonda silmas pidades. Selles kontekstis tuleb suureks pidada kiirust, mis on ligikaudu 60% või enam kriitilisest kiirusest. Allpool nimetatakse kiirlaevadeks neid laevu, mis Tallinna lahel suudavad arendada kriitilisele lähedast kiirust, nagu AutoExpress, Nordic&Baltic Jet ja SuperSeaCat. Need laevad suudavad sõita 35–42 sõlmega. Seega üksikutes kohtades võivad nad liikuda ligikaudu kriitilise kiirusega või isegi kiiremini (vt. # 1). Niisama kiiresti võivad sõita ka tiiburid, kuid nende tekitatud lained on madalad ja seetõttu peaaegu eristamatud looduslikest lainetest. Klassikalisteks laevadeks (ka tavalaevadeks) nimetatakse seevastu neid, mis sõidavad kriitilisest märksa väiksema kiirusega. Tavaliste kauba- ja reisilaevade kiirus on 10–20 sõlme. Tallinna lahe laevateel on nad klassikalised laevad, kuigi näiteks Stockholmi skäärides võivad kuuluda juba kiirlaevade hulka.


Laevadel ja nende lainetel on vahe. Laevalainete (vahel hüütud ka käigulaineteks) omadused olenevad eeskätt vee sügavusest ja suhteliselt madalas vees ka laeva liikumiskiirusest. Klassikaliste laevade tekitatud lainete (nn. Kelvini lainesüsteemi) omadusi on põhjalikult uuritud juba eelmise sajandi algupoolel. Nii imelik, kui see ka ei tundu, on laeva suurusel enamasti palju väiksem mõju laevalainete omadustele kui laeva kiirusel: suure kaubalaeva ja vees ujuva pardi tekitatud lained on väga sarnased.

Kuni vesi on piisavalt sügav selles mõttes, et laeva kiirus on vähem kui 60–70% kriitilisest, suurenevad nii lainete kõrgus kui ka pikkus enam-vähem võrdeliselt laeva kiirusega. Laeva ees nimetamisväärset lainetust ei teki. Laeva taga kujuneb lainete lehvik, nn. Kelvini kiil (# 2). Lehviku laius sügavas vees sõitva laeva puhul ei olene ei laeva kiirusest, suurusest ega kujust. Lehviku sees kahaneb lainete kõrgus võrdeliselt ruutjuurega kaugusest laevast, seega niisama kiiresti nagu vette visatud kivi tekitatud lained. Kõrgeimad lained on lehviku välisserval, kus lainete kõrgus kahaneb pisut aeglasemalt: võrdeliselt kuupjuurega kaugusest laevast. Ka selline kahanemine on üpris nobe, mistõttu on laevateest üle kilomeetri kaugusel paiknevatel merealadel (sh. Tallinna lahe rannavööndis) tavalaevade käigulainete mõju üldiselt ebaoluline.

Kelvini kiilu omadused sügavas vees, ennekõike selle kuju sõltumatus laeva kiirusest, peegeldavad lihtsalt tõsiasja, et kriitilisest kiirusest märksa aeglasemalt liikuvate laevade puhul jõuavad lained veepinna häirituste energia lahedasti laevast eemale kanda. Kui laeva kiirus läheneb kriitilisele, ei suuda lained laevast enam piisavalt ruttu eemalduda. Laeva lähistel kipub lainete energia justkui koonduma ehk teisisõnu lainekõrgus kasvab. Veel kiiremini sõitvate laevade lained meenutavad pigem ülehelikiirusega lendavate lennukite tekitatud lööklaineid.

Iseäralikud nähtused sünnivad siis, kui laev sõidab kriitilise kiirusega. Laevalainete lehviku asemel tekib vaid mõnest kõrgest ja pikast lainest koosnev rühm. Selliste lainete harjad on ülipikad ja pigem meenutavad need avaookeani ummiklaineid või väiksemaid tsunameid. Laeva ees lähevad liikvele üksikud veemäed – üksiklained ehk (vööri)solitonid. Kitsastes väinades võib solitonide murdumisel ilmneda isegi booritaoline nähtus. Kuna solitonid kannavad hulga vett laeva ümbert minema, kujuneb laeva juures piirkond, kus veetase on märksa madalam kui ümbritsevas meres – justkui auk veepinnas. Laev paikneb selle augu sees ning näib olevat madalamal, võrreldes ümbritseva merealaga. Seda nähtust nimetatakse inglise keeles squat. Avamerel ei ole need efektid tavaliselt kuigi tugevad. Küll aga võib veepinna alanemine tekitada paksu pahandust laevatee kõrval paiknevates madalates lahtedes ja väikesadamates [2], tõsine probleem on see ka laevatatavates kanalites [1].


Laevalained Tallinna lahel. Klassikaliste laevade tekitatud lainete kõrgus Tallinna lahe rannavööndis võib ulatuda mõnekümne sentimeetrini. Kuna nende perioodid langevad kokku siin kandis tavaliste looduslike lainete omadega, jääb tavalaevade lainete mõju looduslike varju. Ka tiiburite käigulaineid on peaaegu võimatu eristada looduslikust foonist [8].

Kiirlaevalained on aga Viimsi ja Paljassaare poolsaare rannavööndis iga päev kuni meetri kõrgused, mis on igati arvestatav kõrgus looduslike lainetega võrreldes. Selliseid tuulelaineid tuleb ette olenevalt konkreetsest piirkonnast tõenäosusega 1–5% ehk vaid mõnel päeval aastas. Eriti kõrged lained tekivad sageli siis, kui üksteise järel liigub mitu laeva. Katariina kai ja Aegna muuli lähistel on väidetavalt olnud 1,5–2 meetri kõrgusi laineid. Seni pole neid korrektselt mõõta õnnestunud. Rõhusignaalist arvutatud kõrgeim laine on 2,3 meetrit, kuid sellest umbes pool meetrit kuulub tõenäoliselt looduslikele lainetele [8]. Laevalained on võrdlemisi tagasihoidlikud Tallinna lahe siseosas, kus laevad ei arenda veel täit kiirust, näiteks Pringi kandis.

Loodusliku lainetuse kõrgust iseloomustatakse harilikult olulise lainekõrguse kaudu: see on umbes võrdne ühe kolmandiku kõrgeimate lainete keskmise kõrgusega. Kõrgeimad üksiklained võivad olulist lainekõrgust ületada kuni kaks korda. Läänemeres mõõdetud olulise lainekõrguse rekord on 7,8 meetrit (jaanuaris 1984), 2004. aasta detsembris täheldati aga 14 meetri kõrgust üksiklainet. Eelmise aasta jaanuaritormis ulatus oluline lainekõrgus Saaremaa ranniku lähistel tõenäoliselt 10 meetrini. Tallinna lahel olid lähiajaloo kõrgeimad lained 2001. aasta 15. novembri tormi ajal, mil oluline lainekõrgus võis olla ligikaudu neli meetrit [7] ja kõrgeimad üksiklained kuni seitse meetrit. Selles valguses tundub laevalainete tavaline kõrgus, mis üldiselt on alla meetri, täiesti süütu loksumisena.

Laevaliiklus Tallinna lahel on aga nii tihe, et laevalainete summaarne energia rannas on aasta keskmisena vähemalt 5–8% looduslike lainete energiast. Hinnangud on leitud 2002. aasta suvel viies kohas mõõdetud laevalainete omaduste ja nendes kohtades matemaatiliselt modelleeritud tuulelainete parameetrite võrdluse teel. Laevalainete võimsus (ehk lainete energia ja selle levikukiiruse korrutis) hõlmab kordi suurema osa (15–30%; kevadsuvel märksa rohkem) looduslike lainete võimsusest. Iga rannajoone meetri kohta toovad laevalained randa aastas keskmiselt ligikaudu sada vatti [8].


Suurus pole ainutähtis ehk lainetel on peale kõrguse veel ka pikkus. Ägeda maruga võivad lained kasvada küll üsna kõrgeks, kuid pikad lained pole igapäevane nähtus: selleks peab tugev tuul puhuma ulatuslikul merealal. Seetõttu on pindala poolest väikestes meredes ja järvedes tuulelained alati suhteliselt lühikesed.

Enamasti iseloomustatakse laineid nende perioodi kaudu: seda on märksa lihtsam mõõta kui laine pikkust. Mida pikemad lained, seda suurem periood. Soome lahe väikeste mõõtmete tõttu on Tallinna lahel mõõdukate tuultega tekkivate lainete periood 2–3 sekundit, tugevates tormides 5–6 sekundit ning vaid ekstreemsetel puhkudel (näiteks 15. novembril 2001) on see ulatunud ka 7–8 sekundini. Ummiklainete periood on vahel 7–8 sekundit, aga samas on nende kõrgus alla meetri [5, 7]. Suuresti kujundavad sellist lainekliimat Naissaar ning selle ja mandri vahelised madalad: need varjavad üsna hästi lahte Läänemere põhjaosast tulevate pikkade ja kõrgete lainete eest.

Erakordne oli 2005. aasta jaanuaritorm, kui Soome lahel oli mitmemeetriste lainete periood mitme tunni vältel 11–12 sekundit. Paljud lainetuseuurijad ei suuda praeguseni uskuda, et säärased lained siin kandis võimalikud olid. Samamoodi oli enne tormi uskumatu seegi, et enamikus Eesti randades mõõdeti peaaegu ühel ajal uued veetõusu rekordid [9]: tavaliselt uputab meri väikest osa Eesti rannikust. Maale tulvav vesi, erinevalt lainetest avamerel, oli aga kõigile silmaga näha ja käega katsuda, kuid lainete jõust selles tormis on vaid kaudseid märke, näiteks lõhutud Aegna muul või Ristna sadam Harjumaal. Tallinna lahele väga kõrgeid lained seekord siiski ei jõudnud: Naissaar varjas suuremat osa lahte läänest tulevate lainete eest.

Suurem osa kiirlaevalainete energiast on koondunud väga pikkadesse lainetesse, mille perioodid on 8–15 sekundit. Paljudes Tallinna lahe rannavööndi lõikudes ületab üle 8 sekundi perioodiga laevalainete kõrgus iga päev meetri, keskmiselt ulatub see kaks kuni kolm korda päevas üle 80 cm. Aegna lähistel on päeva kõrgeimate laevalainete periood 10–15 sekundit [8]. Sellised looduslikud lained on Tallinna lahel äärmiselt haruldased. Kui mullune jaanuaritorm välja jätta, võib seni kirjeldatud lainetuse omaduste põhjal öelda, et vähemalt viimase paarisaja aasta jooksul pole Tallinna lahe siseosas niisuguseid laineid olnud.


Kiirlaevalained kui minitsunamid. Kiirlaevalained ei pruugi laevatee lähistel olla sugugi kõrgemad kui tavalaevade lained, kuid nad käituvad laevateest eemal teisiti kui muud lained. Nende puhul ei pea ka paika Kelvini lainesüsteemi iseloomulikud jooned. Erinevuse põhjus peitub pinnalainete leviku kahe eriomase aspekti kombinatsioonis.

Sügavas vees liiguvad pikemad lained kiiremini kui lühemad. Tavalaevad tekitavad paljudest lainetest koosneva süsteemi, mille energia hajub seetõttu üha laiemale merealale: seega väheneb laevateest kaugemal üksikute lainete kõrgus. Madalas vees levivad suhteliselt pikad lained aga peaaegu võrdse kiirusega. Pikkus on siin niisama suhteline mõiste nagu kiiruski: pikad on need lained, mille pikkus on märksa suurem vee sügavusest. Põhiosa kiirlaevalainetest on Tallinna lahe jaoks väga pikad, mistõttu need liiguvad peaaegu võrdse kiirusega ka siis, kui nende pikkus mõnevõrra erineb. Seetõttu kiirlaevalainete rühm püsib liikumissuunas kaua aega terviklikuna ning üksikute lainete kõrgus väheneb laevateest eemal üsna aeglaselt.

Oluline erinevus tava- ja kiirlaevalainete vahel ilmneb ka siis, kui võrrelda laevalaineid vette visatud kivi tekitatud lainetega: ringikujuliste lainete harjad pikenevad võrdeliselt kaugusega tekkekohast. Laineharjade pikenemisel jaotub lainete energia järjest suuremale merealale: kivi tekitatud lainete kõrgus väheneb võrdeliselt ruutjuurega kaugusest tekkekohani. Tavalaevalainete harjad on teatavas mõttes sarnased kivi tekitatud lainetele: need on üsna lühikesed laeva lähistel ning laevast eemal pikenevad võrdlemisi kiiresti. Kõrgeimad kiirlaevalained on ülipikkade peaaegu sirgete harjadega juba tekkides. Seetõttu mõjutab harjade pikenemine nende kõrgust märksa vähem. Just sellist tüüpi oli Kagu-Aasia tsunami kõrgeim, sirge laineharjaga osa, mis tegi palju pahandust veel Aafrika rannikul (Horisont 2005, nr. 2). Nagu tsunamigi, võivad kiirlaevalainete rühmad püsida kõrgetena pika aja vältel ning jõuda ohtlikult kõrgetena märkimisväärselt kaugel paiknevatele aladele. Näiteks Muuga lahe keskel paikneval Karbimadalal saab rahuliku mere korral sageli selgelt jälgida ligikaudu 20 km kaugusel Tallinna–Helsingi laevateel sõitvate kiirlaevalainete signaali.


Veepind juhib laineid paremini kui kuldjuhe elektrivoolu. Parima pildi ja heli kiirlaevalainetest saab Aegna muulilt kevadisel varahommikul, kui juhtub olema tuulevaikne öö kogu Läänemerel ja vesi peegelsile. Pärast seda, kui esimene laev on Helsingi poole läinud, ei juhtu mitme minuti vältel midagi. Muulilt näeb kõigepealt laevalaine murdumist vana helgiheitja juurest algaval madalikul viis-kuus minutit pärast laeva möödumist. Paari sekundi jooksul jõuab kohale heli, mis meenutab kauget põrgutrummide mürinat: seda teevad kaugel meres murduvad lained. Tormiga seda ei kuule, sest rannal murduvate lainete kohin käib üle. Trummid müristavad seal oma pool minutit, kusjuures igal pool mujal paistab meri endiselt peegelsile.

Seejärel hakkavad muulist sadakonna meetri kaugusel pealtnäha juhuslikes kohtades mõneks sekundiks tõusma selgepiirilised ühe kuni kahe meetri kõrgused veemäed. Need on just üksikud mäed, mitte pikad laineharjad. Ega need kohad tegelikult juhuslikud polegi: seal on kas väikesed madalad või suured kivikuhjad. Veel kümmekonna sekundi pärast tõuseb muulist mõnekümne meetri kaugusel klaassiledast merest ähvardav lainehari. Nõrganärvilised astuvad nobedasti pisut sisemaa poole – ja õigesti teevad, kuna kangemad mehed pritsitakse märjaks. Ja siis on järsku muuli ümber viis minutit tormi. Kevadel on vesi külm ja muuli ümbrus üsna kivine, seetõttu ei soovitaks kellelgi seal ankrus olla või päris vee äärde uudistama minna.

Samas on Aegna muul üle kilomeetri kaugusel laevateest. Selle põhjus, et muulil möllab sageli „kiirlaevatorm“, peitub tõsiasjas, et veepind on peaaegu täiuslik lainejuht. Lainete kõrgus kahaneb ideaaljuhul (kui lõpmata pikkade harjadega lained levivad täpselt võrdse kiirusega) läbitud kilomeetri kohta märksa vähem, kui on elektrikadu kuldjuhtmes. Pole haruldane, et tugevate tormide ummiklainetus ületab ookeane.

Suure kiirusega suhteliselt madalas vees sõitvad laevad tekitavad kõrgeid ja väga pikki laineid. Iseenesest pole selles midagi halba: pikad lained on avamerel vaevu märgatavad nagu tsunamigi ning ei sega seal kedagi. Märksa tõsisemat muret tekitab asjaolu, et pikkadesse ja kõrgetesse kiirlaevalainetesse koondunud energia levib sobivates tingimustes – teatavat tüüpi veekogudes – kompaktsete ja kõrgete rühmadena. Seetõttu võib tunduvalt suureneda üldine hüdrodünaamiline aktiivsus laevateest võrdlemisi kaugel paiknevatel merealadel. Sellised lained seavad sageli ohtu nii inimeste elu kui ka vara, samuti võivad kahjustada rannalähedast ökosüsteemi [3, 4, 6]. Laevateest kaugel paiknevatele mere- ja rannaaladele jõudnud kiirlaevalainet ei oska supleja või paadimees tihtilugu karta, seda enam, kui laev ise oli möödunud omajagu aega tagasi. Rannikumere ja selle elustiku jaoks on niisugused lained aga sageli oluliselt erinevad looduslikest ning mõneti enneolematudki.


Tarmo Soomere (1957) on TTÜ küberneetika instituudi vanemteadur ja rannikutehnika professor.


1. El-Kader, Farouk Abd; El-Soud, M. Samy Abo; El-Serafy, Kamel; Hassan, Ezzat A. 2003. An integrated navigation system for Suez Canal (SCINS). – Journal of Navigation, 56: 241–255.


2. Forsman, Björn 2001. From bow to beach. – SSPA Highlights No 3: 4–5.


3. Guidelines for managing wake wash from high-speed vessels. 2003. Report of the Working Group 41 of the Maritime Navigation Commission, International Navigation Association (PIANC), Brussels.


4. Hamer, Mick 1999. Solitary killers – New Scientist 163, No 2201: 18–19.


5. Орленко, Л. Р. (редaк.) 1984. Исследовния гидрометеорологического режима Таллиннского залива, Ленинград.


6. Parnell, Kevin E.; Kofoed-Hansen, Henrik 2001. Wakes from large high-speed ferries in confined coastal waters: Management approaches with examples from New Zealand and Denmark. – Coastal Manage. 29: 217–237.


7. Soomere, Tarmo 2005. Wind wave statistics in Tallinn Bay. – Boreal Environment Research: 10: 103–118.


8. Soomere, Tarmo; Rannat, Kalev 2003. An experimental study of wind waves and ship wakes in Tallinn Bay. – Eesti TA Toimetised. Tehnikateadused 9: 157–184.


9. Suursaar, Ülo; Kullas, Tiit; Otsmann, Mikk; Saaremäe, Ivo; Kuik, Juta; Merilain, Merike. 2006. Hurricane Gudrun and modelling its hydrodynamic consequences in the Estonian coastal waters. – Boreal Env. Res. 11: 43–159.



Tarmo Soomere
28/11/2012
26/11/2012
05/10/2012
09/07/2012
26/06/2012
26/06/2012
22/05/2012