Атмосферско кружење

Идеализиран приказ (на рамноденица) на голема атмосферска циркулација на Земјата

Долгорочни средни врнежи по месеци

Атмосферско кружење — движење на воздухот во големи размери и заедно со океанското е средство со кое топлинската енергија се прераспределува на површината на Земјата. Атмосферското кружење на Земјата варира од година на година, но структурата на нејзината циркулација во големи размери останува прилично константна. Временските системи од помал размер - вдлабнатини на средна географска ширина или тропски конвективни ќелии - се случуваат „случајно“, а долгорочните временски предвидувања не можат да се направат повеќе од десет дена во пракса или еден месец во теорија (теорија на хаос и ефект на пеперутка).

Земјиното време е последица на просветувањето со Сонцето, и законите на термодинамиката. Атмосферското кружење може да се гледа како топлински мотор управуван од енергијата на Сонцето, и чиешто енергетско потопување, во крајна линија, е црнилото на вселената. Работата што ја произведува тој мотор предизвикува движење на масите на воздух и во тој процес ја редистрибуира енергијата апсорбирана од површината на Земјата во близина на тропските предели до географските широчини поблиску до половите, а оттаму и во вселената.

Големите атмосферски циркулациони „ќелии“ се поместуваат на половите во потоплите периоди (на пример, меѓуглацијалите во споредба со глацијалите), но остануваат во голема мера константни бидејќи, во основа, се својство на големината на Земјата, стапката на ротација, загревањето и атмосферската длабочина од кои малку се менуваат. Во текот на многу долги временски периоди (стотици милиони години), тектонското издигнување може значително да ги промени нивните главни елементи, како што е млазниот тек, а тектониката на плочи може да ги помести океанските струи. За време на екстремно топла клима на мезозоикот, трет пустински појас можеби постоел на Екваторот.

Одлики на ширината на кружењето

Идеализиран поглед на три големи циркулациони ќелии кои покажуваат површински ветрови

Вертикална брзина на 500 hPa, јулски просек. Искачувањето (негативни вредности) е концентрирано блиску до сончевиот екватор; спуштањето (позитивни вредности) е повеќе дифузно, но исто така се јавува главно во Хедлиевата ќелија.

Ветерните појаси на планетата се организирани во три келии во секоја полутопка-на Хедлиевата ќелија, во Фереловата ќелија и поларната ќелија. Тие ќелии постојат и на северната и на јужната полутопка. Огромниот дел од атмосферското движење се случува во Хедлиевата ќелија. Системите со висок притисок што дејствуваат на површината на Земјата се избалансирани со системите со низок притисок на други места. Како резултат на тоа, постои рамнотежа на силите кои дејствуваат на површината на Земјата.

Коњските широчини се област со висок притисок на околу 30° до 35° географска широчина (север или југ) каде ветровите се разминуваат во соседните зони на Хедлиевата или Фереловата ќелија, и кои обично имаат слаби ветрови, сончево небо и малку врнежи.

Хедлиева ќелија

Појасот облаци на ITCZ над Источниот Тихи Океан и Америка, гледано од вселената

Моделот на атмосферската циркулација што го опишал Џорџ Хедли претставува обид да се објаснат трговските ветрови (пасати). Хедлиевата ќелија е затворена циркулациона јамка која започнува од екваторот. Таму влажниот воздух се загрева од површината на Земјата, се намалува густината и се крева. Слична воздушна маса што се издига од другата страна на екваторот ги принудува тие воздушни маси што се зголемуваат да се движат кон половите. Зголемениот воздух создава зона со низок притисок во близина на екваторот. Како што воздухот се движи кон половите, тој се лади, станува погуст и се спушта на околу 30-тата паралела, создавајќи област под висок притисок. Спуштениот воздух потоа патува кон екваторот долж површината, заменувајќи го воздухот што се издигнал од екваторската зона, затворајќи ја јамката на Хедлиевата ќелија. Движењето на воздухот кон половите во горниот дел на тропосферата отстапува кон исток, предизвикано од забрзувањето на кориолисот (манифестација на зачувување на аголниот моментум). Меѓутоа, на нивото на земјата, движењето на воздухот кон екваторот во долната тропосфера отстапува кон запад, предизвикувајќи ветер од исток. Ветровите што течат на запад (од исток, источен ветер) на нивото на земјата во Хедлиевата ќелија се нарекуваат трговски ветрови односно пасати.

Иако Хедлиевата ќелија е опишана со местоположба на екваторот, на северната полутопка таа се префрла на повисоки географски широчини во јуни и јули и кон пониски географски широчини во декември и јануари, што е резултат на загревањето на површината од Сонцето. Зоната каде што се случува најголемото загревање се нарекува „топлински екватор“. Бидејќи летото на јужната полутопка е од декември до март, тогаш се случува движењето на топлинскиот екватор кон повисоките јужни географски широчини.

Системот на Хедли дава пример за топлински директна циркулација. Моќта на системот, кој се смета за топлински мотор, се проценува на 200 тера вати.

Ферелова ќелија

Дел од воздухот што се издига на 60° географска ширина се разминува на голема надморска височина кон половите и ја создава поларната ќелија. Остатокот се движи кон екваторот каде што се судрира на 30° географска широчина со воздухот на високо ниво на Хедлиевата ќелија. Таму се смирува и ги зајакнува гребените под висок притисок. Голем дел од енергијата што ја придвижува Фереловата ќелија е обезбедена од поларните и Хедлиевите ќелии кои циркулираат од двете страни и кои ја влечат Фереловата ќелија со себе. Според тоа, Фереловата ќелија, теоретизирана од Вилијам Ферел (1817-1891), е секундарна циркулациона одлика, чие постоење зависи од Хедлиевите и поларните ќелии на двете страни од неа. Може да се замисли како вител создаден од Хедлиевите и поларните ќелии.

Воздухот на Фереловата ќелија што се спушта на 30° географска широчина се враќа кон полот на нивото на земјата и додека го прави тоа отстапува кон исток. Во горната атмосфера на Фереловата ќелија, воздухот што се движи кон екваторот отстапува кон запад. И двете отстапувања, како и во случајот со Хедлиевите и поларните ќелии, се предизвикани од зачувување на аголниот моментум. Како резултат на тоа, исто како што источните пасатни ветрови се наоѓаат под Хедлиевите ќелии, антипасатите се наоѓаат под Фереловата ќелија.

Фереловата ќелија е слаба, бидејќи нема силен извор на топлина, ниту силен мијалник, па протокот на воздух и температурите во неа се променливи. Поради оваа причина, средните ширини понекогаш се познати како „зона на мешање“. Хедлиевите и поларните ќелиисе навистина затворени јамки, додека Фереловата ќелија не е, а значајната поента е во антипасатите, кои се поформално познати како „Преовладувачки антипасати“. Источните пасатни ветрови и поларните источни немаат над што да преовладуваат, бидејќи нивните матични циркулациони ќелии се доволно силни и се соочуваат со неколку пречки или во форма на масивни одлики на теренот или зони со висок притисок. Сепак, послабите западни антипасати од Фереловите ќелии може да бидат нарушени. Локалниот премин на студениот фронт може да го промени тоа за неколку минути, а тоа често го прави. Како резултат на тоа, на површината, ветровите може нагло да се разликуваат во насока. Но, ветровите над површината, каде што се помалку нарушени од теренот, во суштина се западни. Зона со низок притисок на 60° географска широчина која се движи кон екваторот или зона со висок притисок на 30° географска широчина која се движи кон полот, ќе ги забрза антипасатите на Фереловата ќелија. Силен висок, поместен столб може да носи западни ветрови со денови.

Системот Ферел делува како топлинска пумпа со коефициент на перформанси од 12,1, троши кинетичка енергија од Хедли и поларните системи со приближна брзина од 275 теравати.

Поларна ќелија

Поларната ќелија е едноставен систем со силни конвекциски двигатели. Иако студени и суви во однос на екваторскиот воздух, воздушните маси на 60-тата паралела се сè уште доволно топли и влажни за да подлежат на конвекција и да предизвикаат топлинска јамка. На 60-та паралела, воздухот се крева до тропопаузата (околу 8 km на оваа географска широчина) и се движи кон полот. Додека го прави тоа, воздушната маса на горното ниво отстапува кон исток. Кога воздухот ќе стигне до поларните области, тој се оладил со зрачење во вселената и е значително погуст од воздухот што лежи во основата. Се спушта, создавајќи ладна, сува област под висок притисок. На нивото на поларната површина, масата на воздухот се оддалечува од полот кон 60-тата паралела, заменувајќи го воздухот што се издигнал таму, а поларната циркулациона ќелија е завршена. Како што воздухот на површината се движи кон екваторот, тој отстапува на запад. Повторно, отстапувањата на воздушните маси се резултат на Кориолисовиот ефект. Воздушните текови на површината се нарекуваат поларни источни делови, кои течат од североисток кон југозапад во близина на северниот пол и од југоисток кон северозапад во близина на јужниот пол.

Одливот на воздушна маса од ќелијата создава хармонични бранови во атмосферата познати како бранови на Росби. Овие ултра долги бранови ја одредуваат патеката на поларниот млазен поток, кој патува во преодната зона помеѓу тропопаузата и Фереловата ќелија. Постапувајќи како ладилник, поларната ќелија ја придвижува изобилната топлина од екваторот кон поларните региони.

Хедлиевата ќелија и поларната ќелија се слични по тоа што се топлински директни; со други зборови, тие постојат како директна последица на површинските температури. Нивните топлински одлики го поттикнуваат времето во нивниот домен. Огромниот волумен на енергија што ја пренесува Хедлиевата ќелија и длабочината на ладилникот содржана во поларната ќелија, гарантираат дека минливите временски феномени не само што имаат занемарлив ефект врз системите како целина, туку - освен во невообичаени околности - тие немаат форма. Бескрајниот синџир на минливи височини и падови што е дел од секојдневниот живот за жителите на средна географска широчина, под Фереловата ќелија на географски широчини помеѓу 30 и 60 °, е непознат над 60-тата и под 30-тата паралела. Постојат некои забележителни исклучоци од ова правило; над Европа, нестабилното време се протега на најмалку 70-та паралела на север.

Поларната ќелија, теренот и катабатичките ветрови на Антарктикот можат да создадат многу студени услови на површината, на пример, најниската температура забележана на Земјата : -89,2 °C на станицата Восток на Антарктикот, измерена во 1983 година.

Одлики на надолжното кружење

Дневната промена на ветерот во локалното крајбрежно подрачје се применува и на континентална скала.

Додека Хедливите, Фереловите и поларните ќелии (чии оски се ориентирани по паралели или географски широчини) се главните одлики на глобалниот пренос на топлина, тие не дејствуваат сами. Температурните разлики, исто така, предизвикуваат збир на циркулациони ќелии, чии оски на кружење се надолжно ориентирани. Ова атмосферско движење е познато како зонско превртено кружење.

Широчината на кружењето е резултат на највисокото сончево зрачење по единица површина (сончев интензитет) што паѓа на тропските предели. Сончевиот интензитет се намалува како што се зголемува географската широчина, достигнувајќи суштински нула на половите. Меѓутоа, надолжната циркулација е резултат на топлинскиот капацитет на водата, нејзината апсорпција и нејзиното мешање. Водата апсорбира повеќе топлина отколку земјата, но нејзината температура не се зголемува толку многу како земјата. Како резултат на тоа, температурните варијации на копно се поголеми отколку на водата.

Хедливите, Фереловите и поларните ќелии работат на најголемиот размер од илјадници километри (синоптичка скала). Широчината на кружењето може да дејствува и на оваа скала на океани и континенти, а овој ефект е сезонски или дури и декаден. Топол воздух се издига над екваторските, континенталните и западните региони на Тихиот Океан. Кога ќе стигне до тропопаузата, се лади и се спушта во регион со релативно поладна водена маса.

Ќелијата на Тихиот Океан игра особено важна улога во временските услови на Земјата. Оваа целосно океанска клетка доаѓа како резултат на изразената разлика во температурите на површината на западниот и источниот дел на Тихиот Океан. Во вообичаени околности, водите во западниот дел на Тихиот Океан се топли, а источните води се ладни. Процесот започнува кога силната конвективна активност над екваторската Источна Азија и смирувањето на студениот воздух од западниот брег на Јужна Америка создаваат шема на ветер што ја турка тихоокеанската вода на запад и ја натрупува во западниот Тихи Океан. (Нивото на водата во западниот Тихи Океан е околу 60 cm повисоко отколку во источниот Тихи Океан).

Дневните надолжни ефекти се во мезоскала (хоризонтален опсег од 5 до неколку стотици километри). Во текот на денот, воздухот загреан од релативно потоплото копно се крева, а додека го прави тоа извлекува ладен ветер од морето што го заменува надојдениот воздух. Во текот на ноќта, релативно потоплата вода и посвежото копно го менуваат процесот, а ветрето од копното, воздухот што го лади копното, се носи на море преку ноќ.

Вокерово кружење

Тихоокеанската ќелија е од толкава важност што е именувана како Вокерово кружење по Сер Гилберт Вокер, директор на британските опсерватории во Индија од почетокот на 20 век, кој барал начин да предвиди кога ќе пропаднат монсунските ветрови во Индија. Иако никогаш не бил успешен во тоа, неговата работа го навела до откривање на врската помеѓу периодичните варијации на притисокот во Индискиот Океан и оние помеѓу источниот и западниот Тихи Океан, кои тој ги нарекол „Јужна осцилација“.

Движењето на воздухот во Вокеровото кружење влијае на јамките од двете страни. Во нормални услови, времето се однесува како што се очекува. Но, на секои неколку години, зимите стануваат невообичаено топли или невообичаено студени, или зачестеноста на ураганите се зголемува или намалува, а шемата настанува на неодреден период.

Вокеровата ќелија игра клучна улога во овој и во феноменот Ел Нињо. Ако конвективната активност се забави во Западниот Тихи Океан поради некоја причина (оваа причина засега не е позната), климата на областите во непосредна близина на Западниот Тихи Океан е засегната. Прво, не успеваат западните ветрови на горното ниво. Ова го прекинува изворот на повратниот, ладен воздух кој вообичаено би се смирил на околу 30° јужна географска ширина, и затоа воздухот што се враќа како површински источни делови престанува. Има две последици. Топлата вода престанува да се влева во источниот Тихи Океан од запад (била „натрупана“ од минатите источни ветрови) бидејќи веќе нема површински ветар што ќе ја турне во областа на западниот Тихи Океан. Ова и соодветните ефекти на јужната осцилација резултираат со долготрајни непостојани температури и обрасци на врнежи во Северна и Јужна Америка, Австралија и Југоисточна Африка, како и нарушување на океанските струи.

Во меѓувреме, во Атлантикот, се формираат антипасати од Хедлиевата ќелија на горното ниво што брзо дуваат, кои вообичаено би биле блокирани од Вокеровото кружење и не можат да достигнат таков интензитет. Овие ветрови ги нарушуваат врвовите на зародишните урагани и значително го намалуваат бројот што можат да достигнат целосна сила.

Ел Нињо - Јужна осцилација

Ел Нињо и Ла Ниња се спротивни површински температурни аномалии на Јужниот Тихи Океан, кои силно влијаат на времето во голем обем. Во случајот на Ел Нињо, топлата површинска вода се приближува до бреговите на Јужна Америка, што резултира со блокирање на издигнувањето на длабоката вода богата со хранливи материи. Ова има сериозно влијание врз популацијата на рибите.

Во случајот Ла Ниња, конвективната клетка над западниот Тихи Океан претерано зајакнува, што резултира со постудени од вообичаените зими во Северна Америка и посилна сезона на циклони во Југоисточна Азија и Источна Австралија. Исто така, има зголемено издигнување на длабоките студени води на океаните и поинтензивно издигнување на површинскиот воздух во близина на Јужна Америка, што резултира со зголемен број на суши, иако рибарите жнеат придобивки од водите на источниот дел на Тихиот Океан полни со хранливи материи.

Надворешни врски

• Анимација што прикажува глобална циркулација на облак за еден месец врз основа на снимки од временски сателити
• Интеракции воздух-море и обрасци на циркулација на океанот на владиниот временски оддел на Тајланд