Кіріспе

Атмосфералық айналым – ауаның кең ауқымды қозғалысы, және мұхит айналымымен бірге Жер бетінде жылу энергиясын қайта бөлу құралы болып табылады. Жердің атмосфералық айналымы жылдан жылға өзгереді, бірақ оның айналымының ірі масштабты құрылымы салыстырмалы түрде тұрақты болып қалады. Кіші масштабты ауа райы жүйелері – орта ендіктегі депрессиялар немесе тропикалық конвективті жасушалар – ығыстықпен пайда болады, және олардың ұзақ мерзімді болжамын тәжірибеде он күннен, ал теорияда бір айдан асырып жасау мүмкін емес (хаос теориясы және көбелек эффектісін қараңыз). Жердің ауа райы Күннің шағылытылуы мен термодинамика заңдарының нәтижесі болып табылады. Атмосфералық айналымды Күн энергиясымен жұмыс істейтін жылу машинасы ретінде қарастыруға болады, ал оның энергияны қабылдайтын жері – кеңістіктің қараңғылығы. Бұл машинаның атқаратын жұмысы ауа массаларының қозғалысына себеп болады, және осы процесте ол Жердің тропикалық аймандарына сіңген энергияны полюске жақын ендіктерге, содан кейін ғарышқа қайта бөледі. Ірі масштабты атмосфералық айналым "жасушалары" жылы кезеңдерде (мысалы, мұз аралықтар мұздықтармен салыстырғанда) полюске қарай жылжиды, бірақ олар негізінен тұрақты болып қалады, себебі олар Жердің мөлшері, айналу жылдамдығы, қызу және атмосфера тереңдігі сияқты негізгі қасиеттерімен байланысты, ал олардың барлығы аз өзгеріске ұшырайды. Өте ұзақ уақыт аралығында (жүздеген миллион жылдар) тектоникалық көтерілу олардың маңызды элементтерін, мысалы, қақпақ ағынын айтарлықтай өзгерте алады, ал плиталық тектоника мұхит ағымдарын өзгерте алады. Мезозойдың өте ыстық климаты кезінде Экваторда үшінші шөлді аймақ болған болуы мүмкін.

Шектілік бойынша айналым ерекшеліктері

Жерді айналаған жел белдеулері әрбір жарты шардың үш жасушасынан тұрады: Хэдли жасушасы, Феррел жасушасы және полярлық жасуша. Бұл жасушалар солтүстік және оңтүстік жарты шарлардың екеуінде де кездеседі. Атмосфералық қозғалыстың көп бөлігі Хэдли жасушасында жүзеге асады. Жер бетіндегі жоғары қысым жүйелері, басқа жерлердегі төмен қысым жүйелерімен теңгеріледі. Осының нәтижесінде, жер бетінде әрекет ететін күштердің тепе-теңдігі орнатылады. Жылқы ендіктері – шамамен 30° - 35° ендікте (солтүстік немесе оңтүстік) орналасқан, онда желдер Хэдли немесе Феррел жасушаларының жанындағы аймақтарға таралады, және көбінесе тыныш жел, ашық аспан және аз жауын-шашын байқалады.

Хэдли жасушасы

Джордж Хэдли сипаттаған атмосфералық айналым үлгісі – пасат желдерін түсіндіруге жасалған тыраш. Хэдли жасушасы – экватордан басталатын жабық айналым циклы. Онда ылғалды ауа Жер бетінен жылынып, тығыздығы азайып, көтеріледі. Экватордың екінші жағындағы ұқсас ауа массасының көтерілуі, осы көтеріліп жатқан ауа массаларын полюске қарай жылжуға мәжбүр етеді. Ауаның көтерілуі экватор маңында төмен қысым аймағын құрайды. Ауа полюске қарай жылғанда суынып, тығыздалып, шамамен 30-шы параллельде төмен түседі, осымен жоғары қысым аймағы пайда болады. Төмен түскен ауа, экваторға қарай Жер бетімен қозғалып, экваторлық аймақтан көтерілген ауаны алмастырады, соның нәтижесінде Хэдли жасушасының циклы жабылады. Тропосфераның жоғарғы бөлігіндегі ауаның полюске қарай қозғалысы, Кориолис күшінің әсерінен шығысқа қарай бұрылады. Дегенмен, Жер бетіндегі ауаның экваторға қарай қозғалысы төменгі тропосферада батысқа қарай бұрылып, шығыстан соққан жел тудырады. Хэдли жасушасындағы Жер бетінде батысқа қарай (шығыстан, шығыс желі) соққан желдер – пасат желдері деп аталады. Хэдли жасушасы экваторда орналасқан деп есептелсе де, ол маусым мен шілде айларында солтүстікке (жоғары ендіктерге), ал желтоқсан мен қаңтар айларында оңтүстікке (төменгі ендіктерге) қарай жылды, бұл Күннің Жер бетін қыздыруының нәтижесі. Ең көп жылынатын аймақ – «термиялық экватор» деп аталады. Оңтүстік жартышарда жаз желтоқсаннан наурызға дейін созылғандықтан, жылулық экватордың жоғары оңтүстік ендіктерге қарай жылжуы осы кезеңде болады. Хэдли жүйесі – жылумен тікелей айналымның мысалы. Хэдли жүйесінің қуаты, жылу машинасы ретінде қарастырылғанда, 200 тераваттқа бағаланады.

Феррелл жасушасы

60° ендікте көтерілетін ауаның бір бөлігі жоғары биіктікте полюстерге қарай ығысып, полярлық жасушаны құрайды. Қалғаны экваторға қарай жылжиды, онда ол 30° ендікте Хэдли жасушасының жоғары деңгейдегі ауасымен соқтығысады. Сол жерде ол төмен түсіп, төмендегі жоғары қысымды белдемдерді күшейтеді. Феррел жасушасын қозғаушы энергияның көп бөлігі екі жағында айналым жасап тұрған полярлық және Хэдли жасушалары арқылы қамтамасыз етіледі, олар Феррел жасушасының ауасын өздерімен бірге сүйреп әкеледі. Вильям Феррелдің (1817–1891) теориясы бойынша, Феррел жасушасы – екіншілік циркуляциялық ерекшелік, оның болуы оның екі жағындағы Хэдли және полярлық жасушаларға байланысты. Оны Хэдли және полярлық жасушаларының құратын айналмалы құбылыс деп қарастыруға болады. Феррел жасушасының 30° ендікте төмен түсетін ауасы жер бетінде полюске қарай қайта оралады, және ол осылай бола отырып, шығысқа қарай ауытқиды. Феррел жасушасының жоғарғы атмосферасында экваторға қарай қозғалатын ауа батысқа қарай ауытқиды. Бұл екі ауытқудың да, Хэдли және полярлық жасушаларындағыдай, бұрыштық импульстің сақталуымен байланысы бар. Осының салдарынан, Хэдли жасушасының астында шығысқа қарай соғатын сауда желдері болғандай, Феррел жасушасының астында батыс желдері кездеседі. Феррел жасушасы әлсіз, себебі оның күшті жылу көзі де, сіңіру орталығы да жоқ, сондықтан оның ішіндегі ауа ағыны мен температурасы өзгермелі. Осы себепті ортаңғы ендіктер кейде «араласу аймағы» деп аталады. Хэдли және полярлық жасушалары толыққанды жабық циклдар болса, Феррел жасушасы солай емес, және маңыздысы – батыс желдерінде, олар ресми түрде «басқарушы батыс желдері» деп танылады. Шығыс сауда желдері мен полярлық шығыс желдерінің үстемдік етуі үшін ешқандай жағдай жоқ, өйткені олардың бастапқы айналым жасушалары жеткілікті күшті және үлкен жер бедері немесе жоғары қысымды аймақтар сияқты көптеген кедергілерге тап болмайды. Дегенмен, Феррел жасушасының әлсіз батыс желдері бұзылуы мүмкін. Суық фронттың жергіліктік өтуі бірнеше минуттың ішінде жағдайды өзгерте алады және көбінесе өзгертеді. Осының нәтижесінде, жер бетінде желдің бағыты күрт өзгеруі мүмкін. Бірақ жер бетінен жоғарыдағы желдер, жер бедерінің әсеріне аз болатындықтан, негізінен батыстан соғады. 60° ендіктегі төмен қысым аймағы экваторға қарай жылса, немесе 30° ендіктегі жоғары қысым аймағы полюске қарай жылса, Феррел жасушасының батыс желдері күшейеді. Полюске қарай жылжыған күшті жоғары қысымды белдем бірнеше күн бойы батыс желдерін әкелуі мүмкін. Феррел жүйесі 12.1 коэффициентімен жылу сорғысы ретінде әрекет етеді, Хэдли және полярлық жүйелерден шамамен 275 тераватт кинетикалық энергияны тұтынады.

Ұяшықтардың арасындағы контраст

Хэдли жасушасы мен поляр жасушасы жылулық тікелей болуы жағынан ұқсас; яғни, олар жер беті температурасының тікелей салдары ретінде пайда болады. Олардың жылулық сипаттамалары өз аймақтарындағы ауа райын анықтайды. Хэдли жасушасы тасымалдайтын энергияның шамасы және поляр жасушасының ішіндегі жылу шоғырлануының тереңдігі, уақытша ауа райы құбылыстарының жүйеге елеулі әсерін тигізбеуін ғана емес, сонымен қатар, ерекше жағдайларды есептемегенде, олардың пайда болуына да кедерес жасайды. 30° және 60° ендік аралығындағы Феррел жасушасы астындағы орта ендіктердегі адамдардың күнделікті өміріне тән жоғары және төмен қысымның үздірсіз тізбегі, 60-шы және 30-шы параллельдің үстінде белгісіз болып табылады. Бұл ережеден кейбір маңызды ерекшеліктер бар; мысалы, Еуропа үстінде тұрақсыз ауа райы кем дегенде 70-ші солтүстік параллельге дейін созылады.

Ұзындықтық айналым ерекшеліктері

Хэдли, Феррел және полярлық жасушалар (олардың осьтері параллельдер немесе ендіктер бойынша бағытталған) жаһандық жылу тасымалының негізгі ерекшеліктері болғанымен, олар жеке әрекет етпейді. Температура айырмашылығы сонымен қатар циркуляциялық жасушалар жиынтығын қозғайды, олардың циркуляция осьтері бойлық бағытта орналасқан. Бұл атмосфералық қозғалыс аймақтық айналым деп аталады. Ендіктік айналым тропиктерге бірлік ауданына түсетін ең жоғары күн сәулесінің (күн интенсивтілігінің) нәтижесі болып табылады. Күн интенсивтілігі ендік артқан сайын төмендейді және полюстерде дерлік нөлге жетеді. Дегенмен, бойлық айналым судың жылу сыйымдылығымен, сіңіру қабілетімен және араласуымен байланысты. Су жерге қарағанда көбірек жылу сіңіреді, бірақ оның температурасы жерге қарағанда аз өседі. Осының салдарынан, жердегі температураның өзгеруі судағыдан жоғары болады. Хэдли, Феррел және полярлық жасушалар мыңдаған шақырымдық (синоптикалық масштаб) ең үлкен масштабта жұмыс істейді. Ендіктік айналым мұхиттар мен құрлықтардың осы масштабында да әсер ете алады, және бұл әсер маусымдық немесе тіпті онжылдық сипатта болуы мүмкін. Жылы ауа экваторлық, континенттік және Тынық мұхитының батыс аймақтарында көтеріледі. Тропопаузаға жеткенде, ол салқындап, салыстырмалы түрде салқын су массасының аймағына төмен түседі. Тынық мұхиты жасушасы Жердің ауа райында маңызды рөл атқарады. Бұл толығымен мұхитқа негіделген жасуша Батыс және Шығыс Тынық мұхиттарының беттік температурасының айқын айырмашылығының нәтижесінде пайда болады. Әдетте, Батыс Тынық мұхитының суы жылы, ал Шығыс Тынық мұхитының суы салқын. Процесс экваторлық Шығыс Азиядағы күшті конвекциялық белсенділік пен Оңтүстік Американың батыс жағалауындағы салқын ауаның төмендеуінен басталады, бұл Тынық мұхитының суын батысқа қарай итеріп, Батыс Тынық мұхитында жинақтайды. (Батыс Тынық мұхитындағы су деңгейі Шығыс Тынық мұхитына қарағанда шамамен 60 см жоғары.) Күнделікті (күндізгі) бойлық әсерлер мезомасштабта (горизонтальды диапазоны 5-ден бірнеше жүз шақырымға дейін) байқалады. Күндіз жердің салыстырмалы түрде жоғары температурасынан қызған ауа көтеріледі, ал оның орнына теңізден салқын жел соғып, көтерілген ауаны алмастырады. Түнде салыстырмалы түрде жылы су мен салқын жер процесті кері қайтарады, және жермен салқындатылған ауадан құрлықтан соққан жел түнде жағаға қарай тасымалданады.

Жүгірушілердің айналымы

Тынық мұхитының жасушасы өте маңызды, сондықтан ол сэр Гилберт Уокердің есімімен аталды – ол 20-шы ғасырдың басында Үндістандағы британдық обсерваториялардың директоры болған және Үнді моссондарының қашан күйреуін болжаудың жолын іздеген. Ол бұған ешқашан қол жеткізе алмаса да, оның жұмысы Үнді мұхитындағы және Тынық мұхитының шығысы мен батысы арасындағы мерзімді қысым өзгерістері арасындағы байланысты ашуға әкелді, ол бұл құбылысты «Оңтүстік тербеліс» деп атады. Уокер айналымындағы ауа қозғалысы екі жақтағы айналымдарға әсер етеді. Қалыпты жағдайда ауа райы күтілгендей болады. Бірақ бірнеше жыл сайын қыстар әдеттен тыс жылы немесе суық болып өтеді, немесе дауылдардың жиілігі артады немесе азаяды, және бұл үлгі белгісіз мерзімге орнығып қалады. Уокер жасушасы осы процесте және Эль-Ниньо құбылысында маңызды рөл атқарады. Егер Батыс Тынық мұхитында конвекциялық белсенділік қандай да бір себеппен баяуласа (бұл себеп әзірге белгісіз), Батыс Тынық мұхитына жақын аудандардың климатына әсер етеді. Біріншіден, жоғары қабаттағы батыс желдері әлсірейді. Бұл оңтүстік ендігінде 30 градусқа дейін төмен түсетін салқын ауаның көзін кесіп тастайды, сондықтан беткі шығыс желдері тоқтағанда ауа қайта орала алмайды. Мұның екі салдары бар. Бұрынғы шығыс желдері «жинаған» жылы су енді батыстан Шығыс Тынық мұхитына құйылмайды, себебі оны солтүстікке итеруге ешқандай жел күші болмайды. Бұл және Оңтүстік тербелістің тиісті әсерлері Солтүстік және Оңтүстік Америкада, Австралияда және Оңтүстік-Шығыс Африкада ұзақ мерзімді, маусымдық емес температура мен жауын-шашын үлгілерін және мұхит ағыстарының бұзылуын тудырады. Ал Атлантика мұхитында Хэдли жасушасының жоғары қабаттағы күшті батыс желдері пайда болады, олар әдетте Уокер айналымымен тоқтатылады және осындай қарқынға жете алмайды. Бұл желдер дауылдардың даму кезеңіндегі жоғарғы бөліктерін бұзады және толық күшке жеткізілмейтін дауылдардың санын қысқартады.

Эль-Ниньо Оңтүстік тербеліс

Эль-Ниньо мен Ла-Ниньо – Оңтүстік Тынық мұхитының беткі температурасының қарама-қарсы аномалиялары, олар ауа-райына кең ауқымда зор әсер етеді. Эль-Ниньо кезінде жылы беттік сулар Оңтүстік Америка жағалауларына жақындап келіп, қоректік заттарға бай терең судың көтерілуін бөгеп тастайды. Бұл балық популяциясына елеулі зиян келтіреді. Ла-Ниньо жағдайында Тынық мұхитының батысындағы конвекциялық жасуша тым күшейеді, нәтижесінде Солтүстік Америкада әдеттен суық қыс болады, ал Оңтүстік-Шығыс Азия мен Шығыс Австралияда дауылды маусым күшейеді. Сонымен қатар, Оңтүстік Америкаға жақын жерде терең суық мұхит суларының көтерілуі және жер беті ауасының күшті көтерілуі байқалады, бұл құрғақшылықтың жиілеуіне әкеледі, бірақ балықшылар шығыс Тынық мұхитының қоректік заттарға толы суларынан пайда көреді.