Атмосферная циркуляция — это крупномасштабное движение воздуха и 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. Погодные системы меньшего масштаба — депрессии средних широт или тропические конвективные ячейки — возникают 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 освещенности Солнцем и законов термодинамики . Циркуляцию атмосферы можно рассматривать как тепловую машину, приводимую в движение энергией Солнца, чьим стоком энергии , в конечном счете, является чернота космоса. Работа, производимая этим двигателем, вызывает движение масс воздуха и при этом перераспределяет энергию, поглощенную поверхностью Земли вблизи тропиков, в широты, более близкие к полюсам, а оттуда в космос.
Крупномасштабные «ячейки» атмосферной циркуляции смещаются к полюсам в более теплые периоды (например, в межледниковье по сравнению с ледниковыми периодами ), но остаются в основном постоянными, поскольку, по сути, они являются свойством размера Земли, скорости вращения, нагрева и глубины атмосферы. из которых мало что меняется. В течение очень длительных периодов времени (сотни миллионов лет) тектоническое поднятие может существенно изменить их основные элементы, такие как реактивные течения , а тектоника плит может сместить океанские течения . Во время чрезвычайно жаркого климата мезозоя на экваторе мог существовать третий пояс пустынь .
Ветровые пояса, опоясывающие планету, организованы в три ячейки в каждом полушарии — ячейку Хэдли , ячейку Феррела и полярную ячейку. Эти клетки существуют как в северном, так и в южном полушариях. Подавляющая часть атмосферного движения происходит в ячейке Хэдли. Системы высокого давления, действующие на поверхности Земли, уравновешиваются системами низкого давления в других местах. В результате возникает баланс сил, действующих на поверхности Земли.
Конские широты представляют собой область высокого давления примерно от 30 ° до 35 ° широты (север или юг), где ветры расходятся в прилегающие зоны ячеек Хэдли или Феррела и где обычно наблюдаются слабые ветры, солнечное небо и небольшое количество осадков. [1] [2]
Модель атмосферной циркуляции, которую описал Джордж Хэдли, была попыткой объяснить пассаты . Ячейка Хэдли представляет собой замкнутый контур циркуляции, начинающийся на экваторе. Там влажный воздух нагревается от поверхности Земли, уменьшается в плотности и поднимается вверх. Аналогичная 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 продвижения к полюсу воздух охлаждается, становится плотнее и опускается примерно на 30-й параллели , создавая область высокого давления . Опустившийся воздух затем движется к экватору по поверхности, заменяя воздух, поднявшийся из экваториальной зоны, замыкая петлю ячейки Хэдли. Движение воздуха к полюсам в верхней части тропосферы отклоняется к востоку, вызванное ускорением Кориолиса . Однако на уровне земли движение воздуха к экватору в нижней тропосфере отклоняется к западу, вызывая ветер с востока. Ветры, дующие на запад (с востока, восточный ветер) на уровне земли в ячейке Хэдли, называются пассатами.
Хотя ячейка Хэдли описывается как расположенная на экваторе, она смещается к северу (в сторону более высоких широт) в июне и июле и к югу (в сторону более низких широт) в декабре и январе в результате нагрева поверхности Солнцем. Зона, где происходит наибольший нагрев, называется « тепловым экватором ». Поскольку лето в южном полушарии приходится на период с декабря по март, тогда происходит перемещение термического экватора в более высокие южные широты.
Система Хэдли представляет собой пример термически прямой циркуляции. Мощность системы Хэдли, рассматриваемой как тепловая машина, оценивается в 200 тераватт . [3]
Часть воздуха, поднимающаяся на 60° широты, на большой высоте расходится к полюсам и образует полярную ячейку. Остальное движется к экватору, где на 30° широты сталкивается с верхним слоем воздуха ячейки Хэдли. Там он утихает и усиливает хребты высокого давления внизу. Большая часть энергии, которая приводит в движение ячейку Феррела, обеспечивается полярными ячейками и клетками Хэдли, циркулирующими с обеих сторон, которые увлекают за собой воздух ячейки Феррела. [4] Ячейка Феррела, предложенная Уильямом Феррелом (1817–1891), является, таким образом, вторичным элементом циркуляции, существование которого зависит от ячейки Хэдли и полярных ячеек по обе стороны от нее. Его можно рассматривать как вихрь , созданный клетками Хэдли и полярными клетками.
Воздух ячейки Феррела, опускающийся на 30° широты, возвращается к полюсу на уровне земли и при этом отклоняется к востоку. В верхних слоях атмосферы ячейки Феррела воздух, двигаясь к экватору, отклоняется к западу. Оба этих отклонения, как в случае с ячейкой Хэдли, так и с полярной ячейкой, обусловлены сохранением углового момента. В результате, точно так же, как восточные пассаты находятся под ячейкой Хэдли, западные ветры находятся под ячейкой Феррела.
Ячейка Феррела слаба, поскольку не имеет ни сильного источника тепла, ни сильного стока, поэтому поток воздуха и температура внутри нее непостоянны. По этой причине средние широты иногда называют «зоной смешения». Ячейки Хэдли и полярные ячейки представляют собой действительно замкнутые петли, а ячейка Феррела — нет, и показательным моментом являются Западные ветры, которые более формально известны как «Преобладающие Западные ветры». Восточным пассатам и полярным восточным ветрам нечего преобладать, поскольку их родительские ячейки циркуляции достаточно сильны и сталкиваются с небольшим количеством препятствий в виде массивных элементов рельефа или зон высокого давления. Однако более слабые западные силы ячейки Феррела могут быть разрушены. Локальное прохождение холодного фронта может изменить ситуацию за считанные минуты, и это часто так и происходит. В результате на поверхности ветры могут резко менять направление. Но ветры над поверхностью, где они в меньшей степени нарушены рельефом, в основном западные. Зона низкого давления на 60° широты, которая движется к экватору, или зона высокого давления на 30° широты, которая движется к полюсу, ускорят западные направления ячейки Феррела. Сильный максимум, движущийся к полюсу, может вызвать западный ветер в течение нескольких дней.
Система Феррела действует как тепловой насос с коэффициентом полезного действия 12,1, потребляя кинетическую энергию Хэдли и полярных систем с приблизительной скоростью 275 тераватт. [3]
Полярная ячейка представляет собой простую систему с сильными драйверами конвекции. Хотя воздушные массы на 60-й параллели прохладные и сухие по сравнению с экваториальным воздухом, они все еще достаточно теплые и влажные, чтобы подвергаться конвекции и создавать тепловую петлю . На 60-й параллели воздух поднимается до тропопаузы (около 8 км на этой широте) и движется к полюсу. При этом верхняя воздушная масса отклоняется на восток. Когда воздух достигает полярных областей, он охлаждается радиацией в космос и становится значительно плотнее, чем нижележащий воздух. Он опускается, создавая холодную и сухую область высокого давления. На уровне полярной поверхности масса воздуха отгоняется от полюса к 60-й параллели, замещая поднявшийся туда воздух, и ячейка полярной циркуляции завершается. Когда воздух у поверхности движется к экватору, он отклоняется на запад, опять же в результате эффекта Кориолиса . Воздушные потоки на поверхности называются полярными восточными ветрами, текущими с северо-востока на юго-запад возле северного полюса и с юго-востока на северо-запад возле южного полюса.
Истечение воздушной массы из клетки создает в атмосфере гармонические волны , известные как волны Россби . Эти сверхдлинные волны определяют путь полярного реактивного течения , которое движется в пределах переходной зоны между тропопаузой и ячейкой Ферреля . Действуя как радиатор, полярный элемент перемещает обильное тепло от экватора к полярным регионам.
Полярная ячейка, рельеф местности и стоковые ветры в Антарктиде могут создавать очень холодные условия на поверхности, например, самая низкая температура, зарегистрированная на Земле : -89,2 ° C на станции Восток в Антарктиде, измеренная в 1983 году. [5] [6] [ 7]
Ячейка Хэдли и полярная ячейка схожи тем, что они термически прямые; другими словами, они существуют как прямое следствие температуры поверхности. Их тепловые характеристики определяют погоду в своих владениях. Огромный объем энергии, переносимый ячейкой Хэдли, и глубина теплоотвода, содержащегося внутри полярной ячейки, гарантируют, что переходные погодные явления не только оказывают незначительное влияние на системы в целом, но - за исключением необычных обстоятельств - они оказывают не форма. Бесконечная цепь смены взлетов и падений, являющаяся частью повседневной жизни жителей средних широт, под ячейкой Феррела 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, Феррела и полярные ячейки (оси которых ориентированы вдоль параллелей или широт) являются основными элементами глобального переноса тепла, они не действуют в одиночку. Разница температур также приводит в движение ряд циркуляционных ячеек, оси циркуляции которых ориентированы продольно. Это движение атмосферы известно как зональная опрокидывающая циркуляция .
Широтная циркуляция является результатом самой высокой солнечной радиации на единицу площади (интенсивности солнца), приходящейся на тропики. Интенсивность Солнца уменьшается по мере увеличения широты, достигая практически нуля на полюсах. Однако продольная циркуляция является результатом теплоемкости воды, ее поглощательной способности и ее перемешивания. Вода поглощает больше тепла, чем земля, но ее температура повышается не так сильно, как земля. В результате колебания температуры на суше больше, чем на воде.
Ячейки Хэдли, Феррела и полярные ячейки работают на самом большом масштабе в тысячи километров ( синоптический масштаб ). Широтная циркуляция может действовать и в этом масштабе океанов и континентов, причем этот эффект носит сезонный или даже десятилетний характер . Теплый воздух поднимается над экваториальной, континентальной и западной частью Тихого океана. Достигнув тропопаузы, он остывает и опускается в области относительно более прохладной водной массы.
Ячейка Тихого океана играет особенно важную роль в погоде на Земле. Эта ячейка, полностью основанная на океане, возникла в результате заметной разницы в температурах поверхности западной и восточной части Тихого океана. В обычных условиях воды западной части Тихого океана теплые, а восточные — прохладные. Этот процесс начинается, когда сильная конвективная активность над экваториальной частью Восточной Азии и опускающийся прохладный воздух у западного побережья Южной Америки создают ветровую структуру, которая толкает тихоокеанские воды на запад и накапливает их в западной части Тихого океана. (Уровень воды в западной части Тихого океана примерно на 60 см выше, чем в восточной части Тихого океана.). [8] [9] [10] [11]
Суточные (суточные) долготные эффекты находятся на мезомасштабе ( горизонтальный диапазон от 5 до нескольких сотен километров). В течение дня воздух, нагретый относительно более горячей землей, поднимается вверх и при этом притягивает прохладный бриз с моря, который заменяет поднявшийся воздух. Ночью относительно более теплая вода и более прохладная земля меняют процесс, и ветер с суши, воздух, охлажденный сушей, ночью уносится в море.
Тихоокеанская ячейка настолько важна, что ее назвали циркуляцией Уокера в честь сэра Гилберта Уокера , директора британских обсерваторий в Индии в начале 20-го века , который искал способы предсказать, когда муссонные ветры в Индии прекратятся. Хотя ему так и не удалось это сделать, его работа привела его к открытию связи между периодическими изменениями давления в Индийском океане и между восточной и западной частью Тихого океана, которую он назвал « Южным колебанием ».
Движение воздуха в циркуляции Уокера влияет на петли с обеих сторон. В обычных условиях погода ведет себя так, как ожидалось. Но каждые несколько лет зимы становятся необычно теплыми или необычно холодными, частота ураганов увеличивается или уменьшается, и такая закономерность сохраняется на неопределенный период.
Ячейка Уокера играет ключевую роль в этом и в явлении Эль-Ниньо . Если по какой-либо причине (эта причина в настоящее время не известна) замедляется конвективная активность в западной части Тихого океана, это влияет на климат районов, прилегающих к западной части Тихого океана. Во-первых, прекращаются верхние западные ветры. Это отсекает источник возвращающегося прохладного воздуха, который обычно утихает примерно на 30 ° южной широты, и, следовательно, воздух, возвращающийся с приземными восточными ветрами, прекращается. Есть два последствия. Теплая вода перестает поступать в восточную часть Тихого океана с запада (ее «навалили» прошлые восточные ветры), поскольку больше нет приземного ветра, который мог бы вытолкнуть ее в район восточной части Тихого океана. Это и соответствующие эффекты Южного колебания приводят к долгосрочным несезонным температурам и характеру осадков в Северной и Южной Америке, Австралии и Юго-Восточной Африке, а также к нарушению океанских течений.
Тем временем в Атлантике формируются быстро дующие западные ветры верхнего уровня 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. [12]
Эль-Ниньо и Ла-Нинья — противоположные аномалии приземной температуры в южной части Тихого океана, которые сильно влияют на погоду в больших масштабах. В случае Эль-Ниньо теплые поверхностные воды приближаются к побережьям Южной Америки, что приводит к блокированию подъема глубинных вод, богатых питательными веществами. Это оказывает серьезное воздействие на популяцию рыб.
В случае Ла-Нинья конвективная ячейка над западной частью Тихого океана чрезмерно усиливается, что приводит к более холодным, чем обычно, зимам в Северной Америке и более устойчивому сезону циклонов в Юго-Восточной Азии и Восточной Австралии . Также наблюдается усиление апвеллинга глубоких холодных океанских вод и более интенсивное поднимание приземного воздуха вблизи Южной Америки, что приводит к увеличению числа засух, хотя рыбаки извлекают выгоду из более богатых питательными веществами вод восточной части Тихого океана.
