Атмосферная циркуляция: ее организация

Энциклопедия окружающей среды - циркуляция атмосферы - кувертюр

Единственным двигателем атмосферной циркуляции является солнечный свет. В условиях гравитации, тяги Архимеда и силы Кориолиса из-за вращения Земли разница температур между экватором и полюсами заставляет воздух циркулировать вокруг Земли. Эта глобальная циркуляция, движимая пассатами в тропических регионах, имеет четко определенную организацию в каждом полушарии: три конвективные ячейки в плоскостях меридианов.связаны с пятью ветрами по параллелям, слабым восточным экваториальным течением в районе экватора и на малой высоте, а также в каждом полушарии двумя западными ветрами, полярным струйным течением на широте около ±60° и на большой высоте, а также как субтропическое струйное течение, более медленное, чем первое, расположенное на широтах около ±30°, а также на большой высоте. В своем движении эти воздушные массы переносят и перераспределяют как тепло, переносимое материками, так и влагу, образующуюся при испарении над океанами.

1. Первый цикл: ячейка Хэдли

В перегретой экваториальной области, где Солнце находится в зените, воздух легче. Подобно дыму из трубы, он поднимается вверх из тропосферы (см . Атмосфера и газовая оболочка Земли ) и втягивает воздух вокруг себя, создавая ветры, сходящиеся к экватору. Поскольку Земля вращается, на них действует сила Кориолиса . Воздух с севера отводится вправо, воздух с юга отводится влево . Схождение этих пассатов у земли или моря порождает экваториальное восточное течение., устойчивый ветер, относительно медленный, так как его скорость составляет около 20 км/ч, но которого было достаточно, чтобы толкнуть шхуны Христофора Колумба из Испании в Вест-Индию и Венесуэлу. Подробнее об этой внутритропической зоне конвергенции можно прочитать в статье Ключевая роль пассатов .

 

Encyclopedie environnement - атмосферная циркуляция - mecanisme vents alizes - пассаты - атмосферная циркуляция
Рисунок 1. Иллюстрация двигательного механизма пассатов, их схождения к экватору во время равноденствий и восходящего движения в результате осветления перегретого воздуха, из L'air et l'eau, 2013. [Источник: © EDP sciences ]

Восходящие потоки пассатов заряжаются влагой, проходя над океанами. Пересекая тропосферу, он охлаждается и высыхает за счет конденсации на больших высотах и ​​постепенно теряет свой импульс в борьбе с гравитацией. Ему не удается превысить высоту тропопаузы, очень устойчивой, которая накрывает тропосферу как своего рода покров. Однако на этой высоте около 15 км необходимо поддерживать его массовый расход. Это возможно только в том случае, если его траектория изгибается в виде горизонтальных ветров либо на север, либо на юг, в зависимости от полушария, образуя две конвективные ячейки. Джордж Хэдли [1] (1685-1768), английский юрист и метеоролог-любитель в 1730-х годах, задолго до работы Гюстава-Гаспара Кориолиса [2] (1792-1843), считал, что эти высотные течения направлены вдоль меридианов и достигают полярных областей где, остывшие и тяжелые, они могли нырнуть к земле. Это не так, поскольку задолго до того, как они достигают полюсов, сила Кориолиса приводит к систематическому искривлению их траекторий на восток как в северном, так и в южном полушариях. Таким образом , эта псевдосила (см . Ключевая роль пассатов ) не позволяет им оставаться в плоскостях меридианов и создает спиральную атмосферную циркуляцию внутри этой ячейки Хэдли, показанную на рисунке 2. Влияние вращения Земли таким образом ограничивает протяженность этой ячейки Хэдли широтами, близкими к ± 30° .

 

2. Далее на север: полярные клетки и клетки Феррела.

 

Энциклопедия окружающей среды - атмосферная циркуляция - циркуляция по спирали - атмосферная циркуляция - скорость спирали
Рисунок 2. Скорость спирали токов клетки Хэдли в ее положении во время равноденствий. Экваториальное течение, медленное и стабильное, представлено прямыми стрелками. Более быстрое и нестабильное западное течение или струйное течение представлено волнистыми стрелками. На основе L'air et l'eau, 2013 г. [Источник: © EDP sciences]

Над полярными районами конвективная циркуляция, подобная ячейке Хэдли, обусловлена ​​падением холодного, сухого и тяжелого воздуха, поступающего с верхней части тропосферы, более тонкой на этой широте (около 7–8 км), чем в тропической. широты (примерно 15 км). Однако сила Кориолиса наибольшая вблизи полюсов, где ось вращения Земли направлена ​​вертикально; следовательно, его влияние гораздо больше, чем на ячейку Хэдли, расположенную вблизи экватора, где ось вращения, наоборот, почти горизонтальна. Вот почему конвективная циркуляция вблизи полюсов остается заключенной между ними и параллелями на ± 60°. Таким образом, между крайними широтами ячейки Хэдли (±30°) и полярной ячейкой(±60°), приводимые в движение их соответствующими движениями, появляется клетка (рис. 2), открытая американским метеорологом Уильямом Феррелом [3] (1817-1891), которая теперь носит его имя.

 

 

Энциклопедия окружающей среды - атмосферная циркуляция - глобальная атмосферная циркуляция - атмосферная циркуляция
Рисунок 3. Синтетическое представление глобальной атмосферной циркуляции. BP: область относительной депрессии, HP: область высокого давления, где устанавливается субтропическое струйное течение. Изогнутые розовые стрелки показывают отклонение ветром под действием силы Кориолиса вправо в северном полушарии, влево в южном полушарии. Тропосфера не представлена ​​в глобальном масштабе, чтобы показать ее толщину, почти в два раза большую к экватору (12—15 км), чем у полюсов (7—8 км) под действием конвекции. По данным L'air et l'eau, 2013 г. [Источник: © EDP sciences]

В каждом полушарии можно отметить две области , где воздух ныряет к земле после охлаждения и высыхания на высоте. Вблизи полюсов этот сухой воздух приводит к образованию арктических и антарктических пустынь . Между ячейками Хэдли и Феррела он создает пояс пустынь между тропиками и умеренными регионами: пустыни на юге США, пустыни Сахара и Гоби в северном полушарии, австралийская пустыня и Андское нагорье в южном полушарии. Напротив, восходящие зоны, расположенные вблизи экватора для одного и между полярной ячейкой и ячейкой Ферреля для другого, подверженысильный ливень . Действительно, во влажном воздухе на уровне моря, который охлаждается и расслабляется по мере подъема к большим высотам, где температура и давление резко падают, образуются капли конденсата, достаточно тяжелые, чтобы вызвать дождь. Они часты и обильны, что объясняет как буйную растительность вокруг экватора, так и плодородие почв в умеренных широтах.

 

3. Струйные течения

В каждом полушарии ниже тропопаузы (на высоте примерно 8—10 км над средним уровнем моря), по обе стороны от ячеек Ферреля и на больших высотах появляются западные ветры, которые циркулируют по всей планете, колеблясь вокруг средней широты. Эти ветры, составляющие основную часть атмосферной циркуляции, часто называют струйными течениями (рис. 4). Они были открыты японским метеорологом Оиси Васабуро в 1920 г. и описаны в отчете [4] , написанном на эсперанто для того, чтобы он был доступен большому числу читателей.

 

Энциклопедия окружающей среды - атмосферная циркуляция - струйные течения - атмосферная циркуляция
Рисунок 4. Типичная картина струйного течения вокруг земного шара, движущегося с запада на восток по обе стороны от ячейки Феррела (желтый цвет). Полярный поток (синий цвет) самый быстрый (его скорость может достигать 300 км/ч) и самый неустойчивый из двух. Его избегают трансатлантические рейсы на запад, но ищут рейсы на восток. Скорость субтропического струйного течения никогда не превышает 100 км/ч. [Источник: © NOAA]

Эти ветры с запада на восток генерируются силой Кориолиса в узких районах, отмеченных как большой разницей температур между теплым воздухом на юге и холодным воздухом на севере, так и большой разницей в давлении. Механизм их создания описан в более подробной статье  Реактивные потоки . В отличие от медленного экваториального течения, полярное струйное течение очень быстрое (скорость от 100 до 300 км/ч) и очень турбулентное., в то время как тропическое струйное течение все еще медленное (от 50 до 100 км/ч) и более стабильное. Эта разница в скорости между ними и по отношению к медленному экваториальному восточному ветру происходит из-за тонкого механизма, связанного с силой Кориолиса, которая была понята только в конце 19-го века Уильямом Феррелом. Высокая скорость полярного струйного течения и более умеренная скорость тропического струйного течения являются результатом сохранения механической величины, очень характерной для вращающихся сред, углового момента ( законы динамики).). Эта механическая величина является произведением абсолютной скорости ветра, суммы скорости Земли и относительной скорости ветра по отношению к Земле на расстояние до оси Земли. Короче говоря, на этой высоте, где трение о землю незначительно, в самых высоких широтах требуется высокая скорость ветра, чтобы компенсировать кратчайшее расстояние до оси вращения Земли.

 

В данной статье представлено лишь среднее состояние атмосферной циркуляции, подчеркнуто ее замечательная организация. Благодаря сезонным движениям зенита, чередованию океанов, являющихся источниками интенсивного испарения, и более сухим континентам, а также собственной нестабильности эта атмосферная циркуляция также подвержена сильным колебаниям , описание которых приводится в Тема дополнительных статей: Ключевая роль пассатов и струйных течений .

4. Сообщения, которые нужно запомнить

  • Воздух в тропических районах, нагретый солнечным излучением и, таким образом, облегченный, поднимается на вершину тропосферы. При этом он всасывает пассаты, которые сходятся с севера и юга по направлению к экватору, создавая экваториальный восточный поток и восходящий поток, который приводит к образованию ячейки Хэдли в плоскостях меридиана.
  • Вращение Земли, моделируемое силой Кориолиса, ограничивает протяженность ячейки Хэдли широтами около 30° к северу и югу. В самой высокой части тропосферы воздух отклоняется на восток, что порождает относительно медленное субтропическое струйное течение (менее 100 км/ч) в каждом полушарии.
  • Между полюсами и параллелями ± 60 ° температурные различия вызывают циркуляцию, подобную циркуляции в ячейке Хэдли, что приводит к образованию полярных ячеек, в которых ветры у земли ориентированы от полюса к умеренным регионам.
  • Между каждой ячейкой Хэдли и полярной ячейкой того же полушария ячейка Ферреля появляется непрерывностью, когда доминирующий ветер на уровне земли направлен к ближайшему полюсу.
  • В верхней части тропосферы переход между ячейкой Ферреля и полярной ячейкой гораздо больше зависит от силы Кориолиса, чем переход между ячейкой Хэдли и ячейкой Ферреля. Это приводит к возникновению полярных струйных течений , которые также ориентированы на восток. Эти струйные течения быстрые (от 100 до 300 км/ч) и их траектории весьма нестабильны.