Атмосферадағы ауа ағынының теориялық моделі: Уокер айналымы

Кіріспе

Атмосферадағы ауа ағынының теориялық моделі. Уокер циркуляциясы, сондай-ақ Уокер жасушасы деп те аталады, тропиктердегі төменгі атмосферадағы (тропосферадағы) ауа ағынының тұжырымдамалық моделі. Бұл модельге сәйкес, ауа массалары аймақтық және тік бағытта жабық айналымды орындайды. Бұл айналым, байқаулармен үлкен дәрежеде сәйкес келеді және мұхит пен құрлық арасындағы жылу таралу айырмашылығынан туындайды. Аймақтық және тік бағыттағы қозғалыстардан өзге, тропикалық атмосферада, мысалы, Хэдли циркуляциясының бір бөлігі ретінде, меридиандық бағытта да маңызды қозғалыс болады. Уокер циркуляциясы Тынық мұхитының шығысындағы жоғары қысым жүйесінен және Индонезиядағы төмен қысым жүйесінен туындайтын қысым градиенті күшімен байланысты. Тропикалық Үнді, Тынық мұхиты және Атлантика бассейндерінің Уокер циркуляциясы, бірінші бассейнде солтүстік жазда батыс желдерге, ал екінші және үшінші бассейндерде шығыс желдеріне алып келеді. Осының нәтижесінде үш мұхиттың температуралық құрылымы айқын асимметрияны көрсетеді. Экваторлық Тынық мұхиты мен Атлантикада солтүстік жазда шығыста салқын беттік температура байқалады, ал салқын беттік температура тек батыс Үнді мұхитында ғана басым болады. Бұл беттік температурадағы өзгерістер термоклиннің тереңдігіндегі өзгерістерді көрсетеді. Уокер циркуляциясының уақыт бойынша өзгеруі, беттік температураның өзгеруімен бірге жүреді. Кейбір өзгерістер сыртқы факторларға байланысты, мысалы, жаз айларында Күннің Солтүстік жарты шарға жылжуы. Басқа өзгерістер, мысалы, шығыс желдерінің салдарынан теңіз бетінің температурасы шығыста төмендеп, аймақтық жылу контрастын күшейтеді, соның нәтижесінде бассейн бойында шығыс желдері күшейеді. Бұл аномальды шығыс желдері экваторлық үдеуді күшейтеді және шығыста термоклиннің көтерілуіне ықпал етеді, оңтүстік желдерімен басталатын салқындатуды күшейтеді. Океанографиялық тұрғыдан алғанда, экваторлық суық тіл шығыс желдерінің әсерінен пайда болады. Егер Жер климаты экваторға қатысты симметриялы болса, экваторлық желдер жоғалып, суық тіл әлдеқайда әлсіз болып, қазіргіге қарағанда мүлдем басқа аймақтық құрылымға ие болар еді. Уокер циркуляциясын Гилберт Уокер ашқан. "Уокер циркуляциясы" термині 1969 жылы норвегиялық-американдық метеоролог Джейкоб Бьеркнеспен қолданылған.

Theorerical model of air flow in the atmosphere

The Walker circulation, also known as the Walker cell, is a conceptual model of the air flow in the tropics in the lower atmosphere (troposphere). According to this model, parcels of air follow a closed circulation in the zonal and vertical directions. This circulation, which is roughly consistent with observations, is caused by differences in heat distribution between ocean and land. In addition to motions in the zonal and vertical direction the tropical atmosphere also has considerable motion in the meridional direction as part of, for example, the Hadley Circulation. The Walker circulation is associated with the pressure gradient force that results from a high pressure system over the eastern Pacific Ocean, and a low pressure system over Indonesia. The Walker circulations of the tropical Indian, Pacific, and Atlantic basins result in westerly surface winds in northern summer in the first basin and easterly winds in the second and third basins. As a result, the temperature structure of the three oceans display dramatic asymmetries. The equatorial Pacific and Atlantic both have cool surface temperatures in northern summer in the east, while cooler surface temperatures prevail only in the western Indian Ocean. These changes in surface temperature reflect changes in the depth of the thermocline. Changes in the Walker circulation with time occur in conjunction with changes in surface temperature. Some of these changes are forced externally, such as the seasonal shift of the sun into the Northern Hemisphere in summer. Other changes appear to be the result of coupled ocean atmosphere feedback in which, for example, easterly winds cause the sea surface temperature to fall in the east, enhancing the zonal heat contrast and hence intensifying easterly winds across the basin. These anomalous easterlies induce more equatorial upwelling and raise the thermocline in the east, amplifying the initial cooling by the southerlies. From an oceanographic point of view, the equatorial cold tongue is caused by easterly winds. Were the Earth climate symmetric about the equator, cross equatorial wind would vanish, and the cold tongue would be much weaker and have a very different zonal structure than is observed today. The Walker circulation was discovered by Gilbert Walker. The term "Walker circulation" was coined in 1969 by the Norwegian American meteorologist Jacob Bjerknes.

Уокердің әдістемесі

Гилберт Уокер 1904 жылы Кембридж университетінде беделді математик болған кезде Үндістандағы обсерваториялардың бас директоры болып тағайындалды. Сол жерде ол Үнді мұхитының муссонының ерекшеліктерін зерттеді, 1899 жылы жаңбырдың тоқтауы елге ауыр ашаршылық әкелді. Үндістан мен әлемнің басқа да аймақтарынан алынған ауа-райы деректерінің мол көлемін талдап, келесі он бес жыл ішінде ол Үнді және Тынық мұхиттары арасындағы атмосфералық қысымның үлкен маятниқ тербелісін және оның Үндістанды қоса алғанда, Жердің тропикалық аймақтарының көп бөлігіндегі температура мен жауын-шашын үлгілерімен байланысын сипаттаған алғашқы еңбектерін жариялады. Ол сонымен қатар Үндістанның метеорологиялық қызметімен тығыз жұмыс істеді, әсіресе муссонды Оңтүстік тербеліс құбылысымен байланыстыруға үлкен үлес қосты. 1911 жылы ол «Үндістан жұлдызы» орденінің серігі атағын алды. Жер бетіндегі температураның осы өзгерістері термоклиннің тереңдігіндегі өзгерістерді көрсетеді. Уокер айналымының уақыт бойынша өзгеруі жер беті температурасының өзгеруімен бірге жүреді. Бұл өзгерістердің кейбіреулері сыртқы факторларға байланысты, мысалы, жаз айларында Күннің Солтүстік жарты шарға жылжуы. Ал қалған өзгерістер, мысалы, шығыс желдері теңіз беті температурасының шығыс бөлігінде төмендеуіне, аймақтық жылу контрастының күшеюіне және демек, бассейндегі шығыс желдерінің күшеюіне әкеледі. Бұл күшейтілген шығыс желдері экваторлық судың көтерілуін күшейтеді және шығыстағы термоклинді жоғарылатады, оңтүстік желдерінің салқындату әсерін күшейтеді. Бұл мұхит пен атмосфера арасындағы байланыс Бьеркнес тарапынан алғаш рет ұсынылған. Океанографиялық тұрғыдан алғанда, экваторлық суық тіл шығыс желдерінің салдарынан пайда болады. Егер Жер климаты экваторға қатысты симметриялы болса, экваторға қарсы желдер жоғалып, суық тіл әлдеқайда әлсіз болып, қазіргіге қарағанда мүлдем басқа аймақтық құрылымға ие болар еді. Уокер жасушасы Перу мен Эквадордың жағалауларындағы судың көтерілуімен байланысты. Бұл құбылыс судың бетіне қоректік заттарға толы суық суды жеткізіп, балықтың қорына оң әсер етеді.

Gilbert Walker was an established applied mathematician at the University of Cambridge when he became director general of observatories in India in 1904. While there, he studied the characteristics of the Indian Ocean monsoon, the failure of whose rains had brought severe famine to the country in 1899. Analyzing vast amounts of weather data from India and the rest of the world, over the next fifteen years he published the first descriptions of the great seesaw oscillation of atmospheric pressure between the Indian and Pacific Ocean, and its correlation to temperature and rainfall patterns across much of the Earth's tropical regions, including India. He also worked with the Indian Meteorological Department especially in linking the monsoon with Southern Oscillation phenomenon. He was made a Companion of the Order of the Star of India in 1911. These changes in surface temperature reflect changes in the depth of the thermocline. Changes in the Walker Circulation with time occur in conjunction with changes in surface temperature. Some of these changes are forced externally, such as the seasonal shift of the Sun into the Northern Hemisphere in summer. Other changes appear to be the result of coupled ocean atmosphere feedback in which, for example, easterly winds cause the sea surface temperature to fall in the east, enhancing the zonal heat contrast and hence intensifying easterly winds across the basin. These enhanced easterlies induce more equatorial upwelling and raise the thermocline in the east, amplifying the initial cooling by the southerlies. This coupled ocean atmosphere feedback was originally proposed by Bjerknes. From an oceanographic point of view, the equatorial cold tongue is caused by easterly winds. Were the earth climate symmetric about the equator, cross equatorial wind would vanish, and the cold tongue would be much weaker and have a very different zonal structure than is observed today. The Walker cell is indirectly related to upwelling off the coasts of Peru and Ecuador. This brings nutrient rich cold water to the surface, increasing fishing stocks.

Эль-Ниньо Оңтүстік тербеліс

Уокер циркуляциясы Тынық мұхитының шығысындағы жоғары қысым жүйесінен және Индонезиядағы төмен қысым жүйесінен туындайтын қысым градиенті күшінің нәтижесінде пайда болады. Бұл циркуляция терең теңіз суының көтерілуіне себеп болып, теңіз бетін салқындатады. Эль-Ниньо осы циркуляцияның азайуы немесе тоқтауы салдарынан пайда болады, себебі бұзылған немесе тежелген циркуляция мұхит бетін орташа температурадан жоғарырақ деңгейге дейін жылытады. Уокер циркуляциясының айтарлықтай күшеюі теңіздің терең қабаттарынан суық судың көтерілуін күшейту арқылы Ла-Ниньяны тудырады, бұл теңіз бетін орташа температурадан төмен салқындатады. Эль-Ниньо жағдайлары болмаған кезде, Уокер циркуляциясы жер бетінде шығыстан соққан желдер түрінде көрінеді, бұл желдер күннің жылуымен қызған су мен ауаны батысқа қарай жылжытады. Бұл Перу мен Эквадордың жағалауларында мұхит суының көтерілуіне де себеп болады, нәтижесінде қоректік заттарға толы суық су бетке шығып, балық қорының өсуіне ықпал етеді. Экваторлық Тынық мұхитының батыс жағындағы ауа райы жылы, ылғалды және төмен қысыммен сипатталады, өйткені жиналған ылғал тайфундар мен найзағайлар түрінде жауады. Бұл қозғалыс нәтижесінде Тынық мұхитының батыс бөлігінде су деңгейі көтеріледі. 2006 жылдың мамырында Nature журналында жарияланған ғылыми зерттеу 19-шы ғасырдың ортасынан бері Уокер циркуляциясы баяулап келе жатқанын көрсетті. Зерттеу авторлары жаһандық жылынудың осы жел үлгісінің әлсіреуіне ықтимал себеп екенін айтады. Алайда, 2011 жылғы "The Twentieth Century Reanalysis Project" жобасының зерттеуі Эль-Ниньо–Оңтүстік тербеліс циклдерінен басқа, Уокер циркуляциясының жалпы жылдамдығы мен бағыты 1871 және 2008 жылдар аралығында тұрақты болғанын көрсетті.