Atmosfærisk cirkulation - Atmospheric circulation
Atmosfærisk cirkulation er luftens store bevægelse og sammen med havcirkulation er det middel til at omfordele termisk energi på jordens overflade . Jordens atmosfæriske cirkulation varierer fra år til år, men den store struktur i dens cirkulation forbliver temmelig konstant. De vejrsystemer i mindre skala - depressioner på midten af breddegraden eller tropiske konvektive celler-forekommer "tilfældigt", og vejrforudsigelser over lange afstande kan ikke laves længere end ti dage i praksis eller en måned i teorien (se Kaosteori og sommerfuglen effekt ).
Jordens vejr er en konsekvens af dens belysning af solen og termodynamikkens love . Den atmosfæriske cirkulation kan ses som en varmemotor drevet af Solens energi, og hvis energi synker i sidste ende er rummets sorthed. Det arbejde, der produceres af den motor, forårsager luftmassernes bevægelse, og i den proces omfordeler den energien, der absorberes af jordens overflade nær troperne, til breddegrader tættere på polerne og derfra til rummet.
De storstilede atmosfærisk cirkulation "celler" skift polewards i varmere perioder (f.eks mellemistider forhold til glacials ), men stort set konstant som de er, fundamentalt, en egenskab af jordens størrelse, rotationshastighed, opvarmning og atmosfærisk dybde, alle der ændrer sig lidt. Over meget lange tidsperioder (hundredvis af millioner af år) kan en tektonisk hævning væsentligt ændre deres hovedelementer, såsom jetstrømmen , og pladetektonik kan ændre havstrømme . Under det ekstremt varme klima i mesozoikum kan et tredje ørkenbælte have eksisteret ved ækvator .
Latitudinale cirkulationsfunktioner
Vindbælterne, der omgiver planeten, er organiseret i tre celler på hver halvkugle - Hadley -cellen , Ferrel -cellen og polarcellen. Disse celler findes på både den nordlige og den sydlige halvkugle. Størstedelen af den atmosfæriske bevægelse sker i Hadley -cellen. Højtrykssystemerne, der virker på Jordens overflade, er afbalanceret af lavtrykssystemerne andre steder. Som et resultat er der en balance mellem kræfter, der virker på jordens overflade.
De horse breddegrader er et område med højt tryk ved ca. 30 ° til 35 ° bredde (nord eller syd) hvor vind afviger i de tilstødende zoner af Hadley eller Ferrel celler og som typisk har let vind, solrige himmel, og lidt nedbør.
Hadley celle
Det atmosfæriske cirkulationsmønster, som George Hadley beskrev, var et forsøg på at forklare passatvindene . Hadley -cellen er en lukket cirkulationssløjfe, der begynder ved ækvator. Der opvarmes fugtig luft af jordens overflade, falder i tæthed og stiger. En lignende luftmasse, der stiger på den anden side af ækvator, tvinger de stigende luftmasser til at bevæge sig poleward. Den stigende luft skaber en lavtrykszone nær ækvator. Når luften bevæger sig mod polen, afkøles den, bliver tættere og falder ned omkring den 30. parallel og skaber et højtryksområde . Den nedstigende luft bevæger sig derefter mod ækvator langs overfladen og erstatter luften, der steg fra ækvatorialzonen, og lukkede Hadley -cellens sløjfe. Luftens poleward -bevægelse i den øvre del af troposfæren afviger mod øst, forårsaget af coriolisacceleration (en manifestation af bevarelse af vinkelmoment). På jordoverfladen afviger luftens bevægelse mod ækvator i den nedre troposfære mod vest og producerer en vind fra øst. Vindene, der strømmer mod vest (fra øst, østlig vind) ved jordoverfladen i Hadley -cellen kaldes handelsvindene.
Selvom Hadley -cellen beskrives som placeret ved ækvator, skifter den på den nordlige halvkugle til højere breddegrader i juni og juli og mod lavere breddegrader i december og januar, hvilket er resultatet af Solens opvarmning af overfladen. Zonen, hvor den største opvarmning finder sted, kaldes " termisk ækvator ". Da den sydlige halvkugle sommer er december til marts, finder flytningen af den termiske ækvator til højere sydlige breddegrader sted derefter.
Hadley -systemet giver et eksempel på en termisk direkte cirkulation. Effekten af Hadley -systemet, der betragtes som en varmemotor, anslås til 200 tera watt .
Ferrel celle
En del af luften, der stiger ved 60 ° breddegrad, afviger i stor højde mod polerne og skaber polarcellen. Resten bevæger sig mod ækvator, hvor den kolliderer ved 30 ° breddegrad med Hadley-cellens luft på højt niveau. Der aftager det og styrker højtryksrygge nedenunder. En stor del af energien, der driver Ferrel -cellen, leveres af polar- og Hadley -cellerne, der cirkulerer på hver side, og som trækker Ferrel -cellen med sig. Ferrel -cellen, teoretiseret af William Ferrel (1817–1891), er derfor en sekundær cirkulationsfunktion, hvis eksistens afhænger af Hadley og polarceller på hver side af den. Det kan tænkes som en virvel skabt af Hadley og polarceller.
Ferrel -cellen, der sænker sig ved 30 ° breddegrad, vender tilbage til jorden ved jordoverfladen, og afviger mod øst. I ferrelcellens øvre atmosfære afviger luften, der bevæger sig mod ækvator, mod vest. Begge disse afvigelser, som i tilfældet med Hadley og polarceller, er drevet af bevarelse af vinkelmoment. Som et resultat, ligesom de østlige handelsvind findes under Hadley -cellen, findes vestligerne under ferrelcellen.
Ferrel -cellen er svag, fordi den hverken har en stærk varmekilde eller en stærk synke, så luftstrømmen og temperaturerne i den er variable. Af denne grund er midten af breddegraderne undertiden kendt som "blandingszonen". Hadley og polarceller er virkelig lukkede sløjfer, Ferrel -cellen ikke, og talepunktet er i Westerlies, der mere formelt er kendt som "de herskende vestlige". De østlige handelsvind og de polære østlande har ikke noget at sejre over, da deres overordnede cirkulationsceller er stærke nok og står over for få forhindringer, enten i form af massive terrænegenskaber eller højtrykszoner. Ferrel -cellens svagere vestlige del kan dog forstyrres. Den lokale passage af en koldfront kan ændre det på få minutter og gør det ofte. Som følge heraf kan vindene på overfladen pludselig variere i retning. Men vindene over overfladen, hvor de er mindre forstyrret af terræn, er i det væsentlige vestlig. En lavtrykszone ved 60 ° breddegrad, der bevæger sig mod ækvator, eller en højtrykszone ved 30 ° breddegrad, der bevæger sig mod polen, vil fremskynde ferrelcellens vestligninger. En stærk høj, bevægelig polewards kan bringe vestlig vind i dagevis.
Ferrel -systemet fungerer som en varmepumpe med en ydelseskoefficient på 12,1, der forbruger kinetisk energi fra Hadley og polarsystemer med en omtrentlig hastighed på 275 terawatts.
Polar celle
Den polære celle er et enkelt system med stærke konvektion drivere. Selvom det er køligt og tørt i forhold til ækvatorial luft, er luftmasserne ved den 60. parallel stadig tilstrækkeligt varme og fugtige til at gennemgå konvektion og drive en termisk sløjfe . Ved den 60. parallel stiger luften til tropopausen (ca. 8 km på denne breddegrad) og bevæger sig poleward. Når den gør det, afviger luftmassen på øverste niveau mod øst. Når luften når polarområderne, er den afkølet af stråling til rummet og er betydeligt tættere end den underliggende luft. Det falder ned og skaber et koldt, tørt højtryksområde. På det polære overfladeniveau drives luftmassen væk fra polen mod den 60. parallel, og erstatter den luft, der steg der, og den polære cirkulationscelle er færdig. Når luften ved overfladen bevæger sig mod ækvator, afviger den mod vest. Igen er luftmassernes afvigelser resultatet af Coriolis -effekten . Luftstrømmene ved overfladen kaldes de polære østlige, der flyder fra nordøst til sydvest nær nordpolen og fra sydøst til nordvest nær sydpolen.
Udstrømningen af luftmasse fra cellen skaber harmoniske bølger i atmosfæren kendt som Rossby -bølger . Disse ultralange bølger bestemmer vejen for den polære jetstrøm , der bevæger sig inden for overgangszonen mellem tropopausen og ferrelcellen . Ved at fungere som en køleplade flytter polarcellen den rigelige varme fra ækvator mod polarområderne.
Hadley -cellen og den polare celle ligner hinanden ved, at de er termisk direkte; med andre ord, de eksisterer som en direkte konsekvens af overfladetemperaturer. Deres termiske egenskaber driver vejret i deres domæne. Den enorme mængde energi, Hadley -cellen transporterer, og dybden af kølelegemet indeholdt i polarcellen, sikrer, at forbigående vejrfænomener ikke kun har ubetydelig effekt på systemerne som helhed, men - undtagen under usædvanlige omstændigheder - de gør det ikke form. Den endeløse kæde af forbipasserende højder og nedture, som er en del af hverdagen for beboere på midten af breddegraden, under ferrelcellen på breddegrader mellem 30 og 60 ° breddegrader, er ukendt over den 60. og under de 30. paralleller. Der er nogle bemærkelsesværdige undtagelser fra denne regel; over Europa strækker ustabilt vejr sig til mindst den 70. parallel nord .
Polarcellen, terrænet og katabatiske vinde i Antarktis kan skabe meget kolde forhold på overfladen, for eksempel den laveste temperatur, der er registreret på Jorden : −89,2 ° C ved Vostok Station i Antarktis, målt i 1983.
Funktioner i langsgående cirkulation
Mens Hadley, Ferrel og polarceller (hvis akser er orienteret langs paralleller eller breddegrader) er hovedtrækkene ved global varmetransport, virker de ikke alene. Temperaturforskelle driver også et sæt cirkulationsceller, hvis cirkulationsakser er orienteret i længderetningen. Denne atmosfæriske bevægelse er kendt som zonal -væltende cirkulation .
Latitudinal cirkulation er et resultat af, at den højeste solstråling pr. Arealenhed (solintensitet) falder på troperne. Solintensiteten falder, når breddegraden stiger og når i det væsentlige nul ved polerne. Langsgående cirkulation er imidlertid et resultat af vandets varmekapacitet, dets absorptionsevne og dets blanding. Vand absorberer mere varme end jorden, men dets temperatur stiger ikke så meget som jorden. Som følge heraf er temperaturvariationer på land større end på vand.
Hadley, Ferrel og polarceller opererer i den største skala på tusinder af kilometer ( synoptisk skala ). Breddebredden kan også virke på denne skala af oceaner og kontinenter, og denne effekt er sæsonbestemt eller endda dekadal . Varm luft stiger over ækvatoriale, kontinentale og vestlige Stillehavsområder. Når den når tropopausen, afkøles den og aftager i et område med en relativt køligere vandmasse.
Stillehavscellen spiller en særlig vigtig rolle i Jordens vejr. Denne helt havbaserede celle opstår som et resultat af en markant forskel i overfladetemperaturerne i det vestlige og østlige Stillehav. Under almindelige omstændigheder er de vestlige Stillehavsvande varme, og de østlige farvande er kølige. Processen starter, når stærk konvektiv aktivitet over ækvatorialt Østasien og aftagende kølig luft ud for Sydamerikas vestkyst skaber et vindmønster, der skubber stillehavsvand mod vest og hober det op i det vestlige Stillehav. (Vandstanden i det vestlige Stillehav er omkring 60 cm højere end i det østlige Stillehav.).
De daglige (daglige) langsgående effekter er på mesoskalaen (et vandret område på 5 til flere hundrede kilometer). I løbet af dagen stiger luft, der opvarmes af det relativt varmere land, og som det gør, trækker det en kølig brise fra havet, der erstatter den hævede luft. Om natten vender det relativt varmere vand og det køligere land processen, og en brise fra landet, af luft afkølet af landet, føres offshore om natten.
Walker cirkulation
The Pacific celle er af en sådan betydning, at det er blevet udnævnt til Walker cirkulation efter Sir Gilbert Walker , en tidlig-20. århundrede direktør for britiske observatorier i Indien , som søgte et middel til at forudsige, når monsunen vinde Indien ville mislykkes. Selvom han aldrig havde succes med det, førte hans arbejde ham til opdagelsen af en sammenhæng mellem de periodiske trykvariationer i Det Indiske Ocean og dem mellem det østlige og vestlige Stillehav, som han kaldte "den sydlige oscillation ".
Luftens bevægelse i Walker -kredsløbet påvirker sløjferne på hver side. Under normale omstændigheder opfører vejret sig som forventet. Men hvert par år bliver vintrene usædvanligt varme eller usædvanligt kolde, eller hyppigheden af orkaner stiger eller falder, og mønsteret sætter ind i en ubestemt periode.
Walker Cell spiller en nøglerolle i dette og i fænomenet El Niño . Hvis konvektiv aktivitet bremser i det vestlige Stillehav af en eller anden grund (denne årsag kendes ikke i øjeblikket), påvirkes klimaet i områder, der støder op til det vestlige Stillehav. For det første mislykkes vestlige vinde på det øverste niveau. Dette afbryder kilden til tilbagevendende, kølig luft, der normalt ville aftage på omkring 30 ° sydlig bredde, og derfor ophører luften, der vender tilbage, når overfladen østpå. Der er to konsekvenser. Varmt vand ophører med at strømme ind i det østlige Stillehav fra vest (det blev "stablet" af tidligere østlige vinde), da der ikke længere er en overfladevind for at skubbe det ind i området i det vestlige Stillehav. Dette og de tilsvarende virkninger af den sydlige oscillation resulterer i langsigtede usædvanlige temperaturer og nedbørsmønstre i Nord- og Sydamerika, Australien og Sydøstafrika og forstyrrelse af havstrømme.
I mellemtiden dannes i Atlanterhavet hurtigtblæsende vestlige vestlige af Hadley-celleformen, som normalt ville blive blokeret af Walker-cirkulationen og ikke kunne nå sådanne intensiteter. Disse vinde forstyrrer toppen af spirende orkaner og reducerer i høj grad antallet, der er i stand til at nå fuld styrke.
El Niño - Sydlig svingning
El Niño og La Niña er modsatte overfladetemperaturanomalier i det sydlige Stillehav, som i høj grad påvirker vejret i stor skala. I tilfælde af El Niño nærmer varmt overfladevand sig til Sydamerikas kyster, hvilket resulterer i blokering af opblødning af næringsrigt dybt vand. Dette har alvorlige konsekvenser for fiskebestandene.
I La Niña-sagen styrkes den konvektive celle over det vestlige Stillehav overdreven, hvilket resulterer i koldere end normale vintre i Nordamerika og en mere robust cyklonsæson i Sydøstasien og Øst Australien . Der er også en øget opvækst af dybt kolde havvand og mere intens opstand af overfladeluften nær Sydamerika, hvilket resulterer i et stigende antal tørkeforekomster, selvom fiskere høster fordele ved de mere næringsfyldte østlige Stillehavsvande.