Циркуляция атмосферы — это крупномасштабное движение воздуха , которое вместе с циркуляцией океана является средством перераспределения тепловой энергии на поверхности Земли . Циркуляция атмосферы Земли меняется из года в год, но крупномасштабная структура ее циркуляции остается довольно постоянной. Менее масштабные погодные системы — депрессии средних широт или тропические конвективные ячейки — происходят хаотично, и долгосрочные прогнозы погоды для них не могут быть сделаны за пределами десяти дней на практике или месяца в теории (см. теорию хаоса и эффект бабочки ).
Погода Земли является следствием ее освещения Солнцем и законов термодинамики . Атмосферную циркуляцию можно рассматривать как тепловой двигатель, приводимый в движение энергией Солнца, и стоком энергии которого , в конечном счете, является чернота космоса. Работа, производимая этим двигателем, вызывает движение масс воздуха, и в этом процессе он перераспределяет энергию, поглощаемую поверхностью Земли вблизи тропиков, в широты ближе к полюсам, а оттуда в космос.
Крупномасштабные атмосферные циркуляционные «ячейки» смещаются к полюсам в более теплые периоды (например, межледниковья по сравнению с ледниковыми ), но остаются в значительной степени постоянными, поскольку они, по сути, являются свойством размера Земли, скорости вращения, нагрева и атмосферной глубины, которые все изменяются мало. В течение очень длительных периодов времени (сотни миллионов лет) тектоническое поднятие может значительно изменить их основные элементы, такие как струйное течение , а тектоника плит может сместить океанические течения . Во время чрезвычайно жаркого климата мезозоя на экваторе мог существовать третий пустынный пояс .
Ветровые пояса, опоясывающие планету, организованы в три ячейки в каждом полушарии — ячейку Хэдли , ячейку Ферреля и полярную ячейку. Эти ячейки существуют как в северном, так и в южном полушариях. Основная часть атмосферного движения происходит в ячейке Хэдли. Системы высокого давления, действующие на поверхность Земли, уравновешиваются системами низкого давления в других местах. В результате существует баланс сил, действующих на поверхность Земли.
Конские широты представляют собой область высокого давления примерно на 30°–35° широты (северной или южной), где ветры расходятся в смежные зоны ячеек Хэдли или Феррела, и где обычно наблюдаются слабые ветры, солнечное небо и мало осадков. [1] [2]
Модель атмосферной циркуляции, описанная Джорджем Хэдли, была попыткой объяснить пассаты . Ячейка Хэдли представляет собой замкнутый контур циркуляции, который начинается на экваторе. Там влажный воздух нагревается поверхностью Земли, уменьшается в плотности и поднимается. Подобная воздушная масса, поднимающаяся по другую сторону экватора, заставляет эти поднимающиеся воздушные массы двигаться к полюсу. Поднимающийся воздух создает зону низкого давления вблизи экватора. По мере того, как воздух движется к полюсу, он охлаждается, становится плотнее и опускается примерно на 30-й параллели , создавая область высокого давления . Затем опустившийся воздух движется к экватору вдоль поверхности, заменяя воздух, поднявшийся из экваториальной зоны, замыкая петлю ячейки Хэдли. [3] Движение воздуха к полюсу в верхней части тропосферы отклоняется к востоку, что вызвано ускорением Кориолиса . Однако на уровне земли движение воздуха к экватору в нижней тропосфере отклоняется к западу, создавая ветер с востока. Ветры, которые дуют на запад (с востока, восточный ветер) на уровне земли в ячейке Хэдли, называются пассатами.
Хотя ячейка Хэдли описывается как расположенная на экваторе, она смещается на север (в более высокие широты) в июне и июле и на юг (в сторону более низких широт) в декабре и январе в результате нагрева поверхности Солнцем. Зона, где происходит наибольший нагрев, называется « термическим экватором ». Поскольку лето в южном полушарии приходится на период с декабря по март, перемещение термического экватора в более высокие южные широты происходит именно тогда.
Система Хэдли представляет собой пример термически прямой циркуляции. Мощность системы Хэдли, рассматриваемой как тепловой двигатель, оценивается в 200 тераватт . [ 4]
Часть воздуха, поднимающегося на широте 60°, расходится на большой высоте к полюсам и создает полярную ячейку. Остальная часть движется к экватору, где сталкивается на широте 30° с воздухом высокого уровня ячейки Хэдли. Там он оседает и укрепляет хребты высокого давления внизу. Большая часть энергии, которая приводит в движение ячейку Ферреля, обеспечивается полярными ячейками и ячейками Хэдли, циркулирующими с обеих сторон, которые увлекают за собой воздух ячейки Ферреля. [5] Ячейка Ферреля, теоретически разработанная Уильямом Феррелем (1817–1891), является, таким образом, вторичной циркуляционной особенностью, существование которой зависит от ячеек Хэдли и полярных ячеек по обе стороны от нее. Ее можно рассматривать как вихрь, созданный ячейками Хэдли и полярными ячейками.
Воздух ячейки Ферреля, опускающийся на широте 30°, возвращается к полюсу на уровне земли и при этом отклоняется к востоку. В верхней атмосфере ячейки Ферреля воздух, движущийся к экватору, отклоняется к западу. Оба эти отклонения, как и в случае ячеек Хэдли и полярных ячеек, обусловлены сохранением углового момента. В результате, так же как восточные пассаты находятся под ячейкой Хэдли, западные ветры находятся под ячейкой Ферреля.
Ячейка Ферреля слаба, потому что у нее нет ни сильного источника тепла, ни сильного стока, поэтому поток воздуха и температура внутри нее изменчивы. По этой причине средние широты иногда называют «зоной смешивания». Ячейки Хэдли и полярные ячейки являются действительно замкнутыми контурами, ячейка Ферреля — нет, и показательным моментом являются западные ветры, которые более формально известны как «преобладающие западные ветры». Восточным пассатам и полярным восточным ветрам не над чем преобладать, поскольку их родительские ячейки циркуляции достаточно сильны и сталкиваются с небольшими препятствиями либо в виде массивных рельефных особенностей, либо в виде зон высокого давления. Однако более слабые западные ветры ячейки Ферреля могут быть нарушены. Локальное прохождение холодного фронта может изменить это за считанные минуты, и часто это происходит. В результате на поверхности ветры могут резко менять направление. Но ветры над поверхностью, где они меньше нарушаются рельефом, по сути, западные. Зона низкого давления на широте 60°, которая движется к экватору, или зона высокого давления на широте 30°, которая движется к полюсу, ускорит западные ветры ячейки Ферреля. Сильный максимум, движущийся к полюсам, может принести западные ветры в течение нескольких дней.
Система Ферреля действует как тепловой насос с коэффициентом полезного действия 12,1, потребляя кинетическую энергию от систем Хэдли и полярных систем с приблизительной скоростью 275 тераватт. [4]
Полярная ячейка представляет собой простую систему с сильными конвективными драйверами. Хотя воздушные массы на 60-й параллели прохладные и сухие относительно экваториального воздуха, они все еще достаточно теплые и влажные, чтобы подвергаться конвекции и управлять тепловой петлей . На 60-й параллели воздух поднимается к тропопаузе (около 8 км на этой широте) и движется к полюсу. При этом воздушная масса верхнего уровня отклоняется к востоку. Когда воздух достигает полярных областей, он охлаждается излучением в космос и становится значительно плотнее нижележащего воздуха. Он опускается, создавая холодную, сухую область высокого давления. На уровне полярной поверхности масса воздуха уносится от полюса к 60-й параллели, заменяя воздух, который там поднялся, и полярная циркуляционная ячейка завершается. Когда воздух на поверхности движется к экватору, он отклоняется к западу, снова в результате эффекта Кориолиса . Воздушные потоки у поверхности называются полярными восточными ветрами, они текут с северо-востока на юго-запад вблизи Северного полюса и с юго-востока на северо-запад вблизи Южного полюса.
Отток воздушной массы из ячейки создает гармонические волны в атмосфере, известные как волны Россби . Эти сверхдлинные волны определяют путь полярного струйного течения , которое движется в переходной зоне между тропопаузой и ячейкой Ферреля . Действуя как поглотитель тепла, полярная ячейка перемещает обильное тепло от экватора к полярным регионам.
Полярная ячейка, рельеф и катабатические ветры в Антарктиде могут создавать очень холодные условия на поверхности, например, самую низкую температуру, зарегистрированную на Земле : −89,2 °C на станции Восток в Антарктиде, измеренную в 1983 году. [6] [7] [8]
Ячейка Хэдли и полярная ячейка похожи тем, что они являются термически прямыми; другими словами, они существуют как прямое следствие температур поверхности. Их тепловые характеристики управляют погодой в их области. Огромный объем энергии, который переносит ячейка Хэдли, и глубина теплоотвода, содержащегося в полярной ячейке, гарантируют, что переходные погодные явления не только оказывают незначительное влияние на системы в целом, но и — за исключением необычных обстоятельств — не образуются. Бесконечная цепь проходящих максимумов и минимумов, которая является частью повседневной жизни для жителей средних широт, под ячейкой Ферреля на широтах между 30 и 60° широты, неизвестна выше 60-й и ниже 30-й параллели. Из этого правила есть несколько заметных исключений; над Европой нестабильная погода простирается как минимум до 70-й параллели северной широты .
Хотя ячейки Хэдли, Ферреля и полярные ячейки (оси которых ориентированы вдоль параллелей или широт) являются основными характеристиками глобального переноса тепла, они не действуют в одиночку. Разница температур также приводит в движение набор ячеек циркуляции, оси циркуляции которых ориентированы в продольном направлении. Это атмосферное движение известно как зональная опрокидывающая циркуляция .
Широтная циркуляция является результатом наибольшего солнечного излучения на единицу площади (солнечная интенсивность), приходящегося на тропики. Солнечная интенсивность уменьшается с увеличением широты, достигая практически нуля на полюсах. Продольная циркуляция, однако, является результатом теплоемкости воды, ее поглощающей способности и ее перемешивания. Вода поглощает больше тепла, чем земля, но ее температура не повышается так сильно, как на земле. В результате колебания температуры на суше больше, чем на воде.
Ячейки Хэдли, Ферреля и полярные ячейки действуют в самом большом масштабе в тысячи километров ( синоптический масштаб ). Широтная циркуляция также может действовать в этом масштабе океанов и континентов, и этот эффект является сезонным или даже десятилетним . Теплый воздух поднимается над экваториальными, континентальными и западными областями Тихого океана. Достигнув тропопаузы, он охлаждается и опускается в область относительно более холодной водной массы.
Ячейка Тихого океана играет особенно важную роль в погоде Земли. Эта полностью океаническая ячейка возникает в результате заметной разницы в температурах поверхности западной и восточной частей Тихого океана. При обычных обстоятельствах воды западной части Тихого океана теплые, а восточные — прохладные. Процесс начинается, когда сильная конвективная активность над экваториальной Восточной Азией и опускающийся холодный воздух с западного побережья Южной Америки создают ветровую схему, которая выталкивает тихоокеанские воды на запад и собирает их в западной части Тихого океана. (Уровень воды в западной части Тихого океана примерно на 60 см выше, чем в восточной части Тихого океана.) [9] [10] [11] [12]
Ежедневные (суточные) продольные эффекты находятся в мезомасштабе (горизонтальный диапазон от 5 до нескольких сотен километров). Днем воздух, нагретый относительно более горячей землей, поднимается, и по мере этого он притягивает прохладный бриз с моря, который заменяет поднявшийся воздух. Ночью относительно более теплая вода и более холодная земля меняют процесс, и бриз с земли, или охлажденный землей воздух, ночью уносится в сторону берега.
Ячейка Тихого океана настолько важна, что ее назвали циркуляцией Уокера в честь сэра Гилберта Уокера , директора британских обсерваторий в Индии в начале 20-го века , который искал способ предсказать, когда муссонные ветры Индии прекратятся. Хотя ему это так и не удалось, его работа привела его к открытию связи между периодическими колебаниями давления в Индийском океане и между восточной и западной частями Тихого океана, которые он назвал « Южным колебанием ».
Движение воздуха в циркуляции Уокера влияет на петли с обеих сторон. При нормальных обстоятельствах погода ведет себя так, как и ожидалось. Но каждые несколько лет зимы становятся необычно теплыми или необычно холодными, или частота ураганов увеличивается или уменьшается, и эта закономерность устанавливается на неопределенный период.
Ячейка Уокера играет ключевую роль в этом и в явлении Эль-Ниньо . Если по какой-то причине конвективная активность в западной части Тихого океана замедляется (эта причина в настоящее время неизвестна), это влияет на климат областей, прилегающих к западной части Тихого океана. Во-первых, западные ветры в верхних слоях атмосферы прекращаются. Это отрезает источник возвращающегося прохладного воздуха, который обычно спадает примерно на 30° южной широты, и, следовательно, воздух, возвращающийся в виде поверхностных восточных ветров, прекращается. Есть два последствия. Теплая вода перестает прибывать в восточную часть Тихого океана с запада (она была «навалена» прошлыми восточными ветрами), поскольку больше нет поверхностного ветра, который бы толкал ее в область восточной части Тихого океана. Это и соответствующие эффекты Южного колебания приводят к долгосрочным несезонным температурам и режимам осадков в Северной и Южной Америке, Австралии и Юго-Восточной Африке, а также к нарушению океанских течений.
Между тем, в Атлантике быстро дующие верхние уровни западных ветров ячейки Хэдли, которые обычно блокируются циркуляцией Уокера и не могут достичь такой интенсивности. Эти ветры разрушают вершины зарождающихся ураганов и значительно уменьшают число тех, которые способны достичь полной силы. [13]
Эль-Ниньо и Ла-Нинья — это противоположные аномалии температуры поверхности южной части Тихого океана, которые сильно влияют на погоду в больших масштабах. В случае Эль-Ниньо теплая поверхностная вода приближается к берегам Южной Америки, что приводит к блокировке подъема богатых питательными веществами глубинных вод. Это оказывает серьезное воздействие на популяции рыб.
В случае Ла-Нинья конвективная ячейка над западной частью Тихого океана усиливается необычно, что приводит к более холодным, чем обычно, зимам в Северной Америке и более сильному сезону циклонов в Юго-Восточной Азии и Восточной Австралии . Также наблюдается повышенный подъем глубинных холодных океанских вод и более интенсивный подъем поверхностного воздуха вблизи Южной Америки, что приводит к увеличению числа случаев засухи, хотя рыбаки извлекают выгоду из более богатых питательными веществами вод восточной части Тихого океана.
