Атмосферна циркулация: механизъм, основни клетки и влияние върху климата

Разкрийте атмосферната циркулация: механизъм, Хадли, Ферел и полярни клетки и как Кориолис оформя глобалния климат, вятъра и метеорологичните модели.

Атмосферната циркулация е широкомащабно движение на въздушни маси. Източникът на тези процеси е слънчевата радиация. Слънцето излъчва късовълнова радиация; Земята поглъща част от тази енергия и преобразува топлинната част. Другата част от погълнатата енергия се изпуска обратно като дълговълнова радиация към атмосферата и към Вселената. Част от топлинната енергията остава в атмосферната система благодарение на парниковия ефект и се разпределя по повърхността на Земята чрез циркулацията на въздуха, океанските течения и обмена между повърхност и атмосфера. Този процес на пренос на топлина определя голяма част от климатичните пояси и времето в различните региони.

Механизъм на циркулацията

Двигателят на глобалната циркулация е неравномерното отопление на земната повърхност: екваторът получава повече слънчева енергия на единица площ, отколкото полюсите. Това води до зона на силно нагряване и възходящо движение на въздуха по екватора и до зони на охлаждане и низходящи движения в субтропиците и полярните региони. Основните процеси са:

• Конвекция — нагрятият въздух се издига, разширява се и охлажда, което може да доведе до образуване на облаци и валежи.
• Хоризонтален пренос — въздушни маси се придвижват от области с високо към области с ниско налягане, пренасяйки топлина и влага.
• Влияние на въртенето на Земята — движението на въздуха се изменя от силата на въртенето, което води до характерни отклонения и закриване на потоките.

Основни клетки на атмосферата

В среден мащаб атмосферната циркулация се организира в три основни клетки по ширина:

• Клетката на Хадли (Hadley) — намира се в тропиците: въздухът се нагрява в екваториалната зона и се издига (ITCZ), след което се движи към субтропиците на височина, където се охлажда и спуска, формирайки зоните на субтропични високи налягания. На повърхността този модел генерира пасати (търговски ветрове), насочени към екватора.
• Клетката на Ферел (Ferrel) — намира се в средните ширини и функционира като преходна клетка между тропиците и полюсите. В тази клетка въздухът на повърхността най-често се движи към полюса (западни ветрове — в пишещата на планетата "westerlies") и се повдига в зоните на субполярно сблъскване, където се образуват циклоните и фронтовете, характерни за умерените ширини.
• Полярната клетка — студен въздух над полярните райони с ниски температури спада и се движи към по-ниски ширини у повърхността, където се издига в зоните на субполярни фронтове. На повърхността се формират полярните източни ветрове (polar easterlies).

Границите между тези клетки съвпадат с места на силни хоризонтални ветрове на голяма височина — т.нар. джетови течения, които влияят на движението на циклони и антициклони и са важни за бързото пренасяне на енергия и маси въздух.

Силата на Кориолис и характерни ветрови пояси

Движението на въздушните маси се влияе от силата на Кориолис. Тази сила не е истинска сила във физическия смисъл, а резултат от инерцията на движещата се маса въздух върху въртяща се планета. Причината е, че различните ширини имат различна линейна скорост на въртене. В резултат на това въздухът се отклонява:

• въртящо се надясно в Северното полукълбо,
• въртящо се наляво в Южното полукълбо.

Тези отклонения оформят постоянни ветрови пояси: тропическите пасати, умерените западни ветрове и полярните източни ветрове. Силата на Кориолис влияе и върху въртенето на циклоните и антициклоните (посоката на въртене е различна в двете полукълба).

Въздействие върху климата и времето

Атмосферната циркулация определя преразпределението на топлина и влага по планетата и следователно оформя климатичните пояси и модели на валежи. Някои от важните връзки са:

• Пренасяне на топлина — циркулацията пренася топла тропична въздух към по-високи ширини и студен въздух към екватора, смекчавайки температурните контрасти между екватора и полюсите.
• Зони на валежи и суша — издигащият се въздух при екватора и в средните ширини води до по-чести валежи (тропични гори, циклонална активност), докато низходящите потоци в субтропиците създават сухи, пустинни пояси.
• Бурна активност — границите между атмосферните клетки и джетовете са предпочитани пътища за развитие на бури и средни ширини циклони — тези системи носят значителна част от средногодишните валежи в умерените ширини.
• Взаимодействие с океаните — атмосферните ветрове формират и управляват океанските течения (напр. пасатите карат екваториални течения), което допълнително променя разпределението на топлина и влага.

Сезонни и дългосрочни изменения

Циркулационните схеми се променят с годишните сезони — например зоната на изтекълото въздушно възходящо движение (ITCZ) се измества след слънчевата топлина, което влияе на сезонните мусони и валежи. Освен сезонността има и междугодишни и дългосрочни вариации, причинени от явления като ENSO (Ел Ниньо/Ла Ниня) и дългосрочни климатични промени.

При съвременните климатични промени наблюдаваме някои важни тенденции:

• Разширение на клетката на Хадли — тенденция към разширение на субтропичните сухи пояси и придвижване на климатичните зони към полюсите.
• Промени в джет струй — затоплянето в полярните райони може да намали градиента на температура между тропиците и полюсите, което води до по-закъснели и по-извити джетови течения и по-екстремни застойни ситуации на времето.
• Увеличаване на екстремите — по-интензивни валежи в някои региони и по-дълги периоди на суша в други, свързани с промените в преноса на влага и енергия.

Кратко обобщение: Атмосферната циркулация е комплексна система, задвижвана от слънчевото нагряване, модифицирана от въртенето на Земята и взаимодействието с океаните и земната повърхност. Тя определя големите климатични пояси, местоположението на валежите и бурите, а промените в нея имат директни последици за климата и екстремните метеорологични явления.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява атмосферната циркулация?

В: Какъв е произходът на процесите на атмосферната циркулация?

В: Какво се случва с късовълновата слънчева радиация?

В: Какво се случва с енергията, която не се поглъща от Земята?

В: Как се разпределя топлинната енергия по повърхността на Земята?

В: Колко клетки разпознаваме в атмосферната циркулация?

В: Какво представлява силата на Кориолис и как влияе върху движението на въздушните маси?

Търсене по буква