Ogólna cyrkulacja atmosfery

Encyklopedia Klimatologiczna ESPERE. Skrót od angielskich słów:
ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH
ENCYKLOPEDIA ESPERE - menu główne (rozwiń)
Dział: Pogoda. Poziom podstawowy.
dział POGODA: PODSTAWOWE - menu (rozwiń)

Promienie słoneczne docierają do całej Ziemi, ale nierównomiernie: obszary równikowe i zwrotnikowe otrzymują o wiele więcej energii słonecznej, niż obszary w średnich szerokościach geograficznych i obszary polarne.

Do obszarów międzyzwrotnikowych dociera dużo więcej promieniowania niż są one w stanie wypromieniować (jako ciepło), podczas gdy obszary polarne wypromieniowują więcej niż same otrzymują. Gdyby nie istniał proces przenoszenia ciepła pomiędzy obszarem międzyzwrotnikowym i obszarami polarnymi, to te pierwsze stawały by się coraz cieplejsze, a te drugie coraz chłodniejsze. Ta dysproporcja w nagrzaniu powierzchni Ziemi jest podstawą funkcjonowania mechanizmów cyrkulacji atmosfery i krążenia wody w oceanach: energia cieplna jest przenoszona z obszarów cieplejszych do chłodniejszych dzięki krążeniu powietrza w atmosferze (w 60%) i prądom morskim (w 40%).

1. Ziemia z kosmosu

Cyrkulacja atmosfery

Jednym ze sposobów przenoszenia ciepła od równika do biegunów mogłaby być pojedyncza komórka cyrkulacyjna, w której gorące powietrze wznosi się w okolicach równika i przemieszcza w kierunku biegunów. Tam zostaje schłodzone i opada, a następnie powraca ku równikowi. Model takiej pojedynczej komórki cyrkulacyjnej po raz pierwszy zaproponował w XVIII wieku Hadley.

2. Ogólna cyrkulacja atmosfery nie byłaby tak skomplikowana (chociaż pogoda mogłaby się nam szybko znudzić), jeśli Ziemia nie obracała by się, a oś jej obrotu nie byłaby pochylona w stosunku do płaszczyzny orbity po której obiega Słońce.
Objaśnienia: cold - zimno, convection cell - komórka konwekcyjna, surface flow - przepływ powietrza przy powierzchni ziemi, hot - gorąco
źródło: strona internetowa National Weather Service, Southern Regional Headquarters - US

3. Hipotetyczny obraz cyrkulacji atmosfery, przy założeniu, że Ziemia nie obraca się wokół swojej osi
Objaśnienia: H - wyż atmosferyczny, L - niż atmosferyczny
źródło: strona internetowa National Weather Service, Southern Regional Headquarters - US

Ziemia obraca się wokół swojej osi. Oś ta jest nachylona do płaszczyzny orbity po której Ziemia obiega Słońce. Poza tym istnieje zróżnicowanie w rozkładzie lądów i mórz na kuli ziemskiej – na półkuli północnej jest więcej obszarów lądowych, niż na półkuli południowej. Dlatego rzeczywisty model ogólnej cyrkulacji atmosfery jest dużo bardziej skomplikowany. Zamiast pojedynczej komórki cyrkulacyjnej – model ten składa się z trzech komórek, zarówno dla półkuli północnej i południowej. Te komórki to: okołorównikowa - Hadleya, średnich szerokości geograficznych Ferrela i komórka polarna.

4. Obracająca się Ziemia
źródło: http://www.math.montana.edu/~nmp/
materials/ess/atmosphere/expert/activities/circulation/

5. Uproszczony model ogólnej cyrkulacji atmosfery
źródło: strona internetowa National Weather Service, Southern Regional Headquarters - US

1. Komórka Hadleya - W niskich szerokościach geograficznych powietrze przemieszcza się w kierunku równika. Ogrzewając się, podnosi się do góry i odpływa w kierunku biegunów w górnych partiach troposfery - opada w okolicy zwrotników. Taka komórka cyrkulacyjna decyduje o cechach klimatów - od równikowego po podzwrotnikowy.
2. Komórka Ferrela - Komórka ta, nazwana tak przez Farrela w XIX wieku, ma duże znaczenie w kształtowaniu się różnych procesów pogodowych w umiarkowanych szerokościach geograficznych. W komórce tej powietrze przemieszcza się w kierunku bieguna blisko powierzchni Ziemi, skręcając nieco na wschód, a odpływa w stronę równika w wyższych partiach troposfery, skręcając na zachód.
3. Komórka polarna - Powietrze unosi się, rozdziela i kieruje w stronę biegunów. Nad obszarami okołobiegunowymi powietrze opada - tworzą się wyże polarne. Przy powierzchni Ziemi powietrze przemieszcza się na zewnątrz układów wysokiego ciśnienia. Dlatego wiatry wiejące przy powierzchni ziemi w tej komórce cyrkulacyjnej to głównie wiatry wschodnie (okołobiegunowa strefa wiatrów wschodnich).

Taki trzykomórkowy model jest dobry dla wstępnego opisu ogólnej cyrkulacji atmosfery. Mimo, że jest to model uproszczony, to stanowi dobry punktu wyjścia do dalszych rozważań - opisu głównych elementów tej cyrkulacji.

Charakterystyka systemu ogólnej cyrkulacji atmosfery

6. Ogólna cyrkulacja atmosfery
źródło: http://www.geocities.com/
CapeCanaveral/Hall/6104/atmosphe.html

Główne strefy wiatrów:
Siła Coriolisa wywołuje odchylenie kierunku ruch powietrza w prawo (na półkuli północnej), dlatego krążenie powietrza w trzech omówionych wyżej komórkach cyrkulacyjnych także podlega odchyleniu. Jest to powodem występowania trzech głównych stref wiatru dolnego na każdej z półkul:
· strefa występowania wschodnich pasatów w obszarze międzyzwrotnikowym
· strefa przeważających wiatrów zachodnich w umiarkowanych szerokościach geograficznych
· strefa występowania wiatrów wschodnich w obszarach polarnych

Równikowy pas ciszy, MSZ:
Równikowy pas ciszy to obszar położony w sąsiedztwie równika, gdzie spotykają się pasaty z obu półkul. Jest to tzw. międzyzwrotnikowa strefa zbieżności (MSZ). Obszar ten charakteryzuje się gorącą, wilgotną pogodą i słabymi wiatrami. W strefie tej rosną główne tropikalne lasy deszczowe. Położenie MSZ zmienia się w ciągu roku. W styczniu występuje ona nieco na południe od równika, natomiast w lipcu nieco na północ od równika.

Końskie szerokości:
Końskie szerokości to obszar występujący pomiędzy rejonem oddziaływania pasatów i rejonem o przeważających wiatrach zachodnich. W tym obszarze wiatry są zwykle słabe lub występuje cisza. Jego nazwa pochodzi z okresu częstego transportowania koni żaglowcami z Europy do Indii Zachodnich i do Ameryki. Brak wiatru powodował wydłużenie podróży i wiele koni musiano wyrzucić za burtę, gdyż brakowało dla nich pożywienia i wody.

Front polarny:
Front polarny oddziela strefę o przeważających wiatrach zachodnich od polarnej strefy wiatrów wschodnich.

Strefy ciśnienia:
Trójkomórkowy model cyrkulacji atmosfery wiąże się z następującymi strefami ciśnienia:
· międzyzwrotnikowa (równikowa) strefa obniżonego ciśnienia - wiąże się występowaniem wstępujących ruchów powietrza w obszarze MSZ. Wznoszenie się ciepłego powietrza w obszarze okołorównikowym wywołuje tworzenie się w atmosferze obszaru niskiego ciśnienia. Powietrze wznosząc się, jednocześnie ochładza się i tworzą się chmury dające opady deszczu.
· podzwrotnikowa strefa podwyższonego ciśnienia - jest związana z występowaniem zstępujących ruchów powietrza w obszarze tzw. końskich szerokości. W okolicach zwrotników powietrze ochładza się i opada, co wywołuje formowanie się w atmosferze układów wysokiego ciśnienia. Występuje tu bezchmurna pogoda i niewielkie opady. Opadające powietrze jest ciepłe i suche, co ułatwia tworzenie się w tych regionach pustyń.
· strefa obniżonego ciśnienia szerokości umiarkowanych - niskie ciśnienie wiąże się z występowaniem frontu polarnego.
· strefa podwyższonego ciśnienia położona w okolicach okołobiegunowych - wysokie ciśnienie związane jest występowaniem zimnego, gęstego powietrza w obszarach polarnych.



Jak wspomnieliśmy trzykomórkowy model cyrkulacji atmosfery jest pewnego rodzaju uproszczeniem. Wiatry w rzeczywistości nie są stałe, nie wieją wciąż z tego samego kierunku i z taką samą siłą. Podobnie obszary wysokiego lub niskiego ciśnienia nie tworzą ciągłych stref.

7. Po lewej: Wyidealizowany obraz strefowego rozkładu ciśnienia
Hipotetyczna, jednolita powierzchnia Ziemi z wyidealizowanym strefowym rozkładem ciśnienia.

8. Po prawej: Rzeczywisty obraz strefowego rozkładu ciśnienia
Prawdziwy obraz Ziemi, uwzględniający położenie kontynentów. Obecność lądów i oceanów powoduje podział stref ciśnienia na prawie stałe pasy niskiego i wysokiego ciśnienia.

Oto trzy główne powody takiego stanu rzeczy:
· Powierzchnia Ziemi nie jest jednolita, ani gładka. Występuje też nierównomierne ogrzewanie powierzchni Ziemi spowodowane kontrastami termicznymi ląd/woda.
· Prądy powietrza mogą stać się niestabilne i wywoływać zawirowania.
· Słońce nie pozostaje przez cały rok nieruchome nad równikiem, ale przemieszcza się od 23° 30´szer. geogr. N, do 23° 30´ szer. geogr. S, tam i z powrotem, w ciągu roku.

Poza tym, w atmosferze rozbudowują się quasi-stacjonarne wyże oraz niże. Nazywamy je quasi-stacjonarne ponieważ zmieniają natężenie i położenie w ciągu roku.

Zima:
· wyże polarne nad Syberią i Kanadą,
· Wyż Hawajski na Pacyfiku i Wyż Azorski (będące częściami podzwrotnikowej strefy wysokiego ciśnienia), Niż Aleucki i Niż Islandzki.

Lato:
· Wyż Azorski przesuwa się na zachód i rozbudowuje się, by stać się Wyżem Bermudzkim,
· Wyż Hawajski również przesuwa się na zachód, rozbudowując się,
· polarne układy wysokiego ciśnienia zastępują niże,
· nad południową Azją formuje się niż termiczny.

Dodatkowe informacje:

http://snowball.millersville.edu/
http://www.tesag.jcu.edu.au/
http://bss.sfsu.edu:224/
http://www.auf.asn.au/meteorology/

O tej stronie:

Autor: Vera Schlanger - Hungarian Meteorological Service, Budapeszt, Węgry
Recenzenci: Dr Ildikó Dobi Wantuch / Dr Elena Kalmár - Hungarian Meteorological Service, Budapeszt, Węgry
ostatnia aktualizacja: 2004-02-12
Tłumaczenie na język polski: Mgr Paweł Jezioro, Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków

Ostatnia modyfikacja: środa, 20 czerwiec 2018, 12:03