Атмосферная циркуляция и перераспределение тепла на Земле

Введение

Процесс, который распределяет тепловую энергию по поверхности Земли.

Атмосферная циркуляция – это крупномасштабное движение воздуха, и вместе с океанической циркуляцией является механизмом перераспределения тепловой энергии на поверхности Земли. Атмосферная циркуляция Земли меняется год от года, но её крупномасштабная структура остаётся в целом постоянной. Погодные системы меньшего масштаба – среднеширотные циклоны или тропические конвективные ячейки – возникают хаотично, и долгосрочные прогнозы погоды для них практически невозможны на срок более десяти дней, или, теоретически, месяца (см. теорию хаоса и эффект бабочки). Погода на Земле является следствием её освещения Солнцем и законов термодинамики. Атмосферную циркуляцию можно рассматривать как тепловой двигатель, приводимый в действие энергией Солнца, а в качестве поглотителя энергии выступает, в конечном счёте, космическое пространство. Работа, производимая этим двигателем, вызывает движение воздушных масс, и в этом процессе энергия, поглощённая поверхностью Земли вблизи тропиков, перераспределяется в более высокие широты, в направлении полюсов, и затем рассеивается в космос. Крупномасштабные "ячейки" атмосферной циркуляции смещаются к полюсам в более тёплые периоды (например, межледниковья по сравнению с ледниковыми периодами), но в значительной степени остаются постоянными, поскольку они, по сути, являются свойством размера Земли, скорости её вращения, нагрева и глубины атмосферы, которые мало изменяются. На протяжении очень длительных периодов времени (сотни миллионов лет) тектонические поднятия могут значительно изменять их основные элементы, такие как струйные течения, а тектоника плит может изменять океанические течения. В период экстремально жаркого климата мезозоя, возможно, существовал третий пустынный пояс на экваторе.

Широточные характеристики циркуляции

Пояса ветров, опоясывающие планету, организованы в три ячейки в каждом полушарии — ячейка Хэдли, ячейка Ферреля и полярная ячейка. Эти ячейки существуют как в Северном, так и в Южном полушариях. Основная часть атмосферной циркуляции происходит в ячейке Хэдли. Системы высокого давления, действующие на поверхности Земли, уравновешиваются областями низкого давления в других местах. В результате на поверхности Земли поддерживается баланс сил. Конские широты — это зона высокого давления, расположенная примерно на 30–35° широты (северной или южной), где ветры расходятся в смежные зоны ячеек Хэдли или Ферреля, и для которой характерны слабые ветры, ясное небо и небольшое количество осадков.

Клетка Хэдли

Модель циркуляции атмосферы, описанная Джорджем Хэдли, была попыткой объяснить пассаты. Клетка Хэдли – это замкнутый цикл циркуляции, начинающийся на экваторе. Там влажный воздух нагревается земной поверхностью, уменьшается в плотности и поднимается вверх. Аналогичная воздушная масса, поднимающаяся с другой стороны экватора, заставляет эти восходящие потоки воздуха двигаться к полюсам. Восходящий воздух создает зону низкого давления вблизи экватора. По мере движения к полюсам воздух охлаждается, становится плотнее и опускается примерно на 30-й параллели, формируя область высокого давления. Затем опускающийся воздух перемещается к экватору по поверхности, замещая воздух, поднявшийся из экваториальной зоны, и замыкает цикл клетки Хэдли. Движение воздуха в верхней части тропосферы к полюсам отклоняется вправо (на восток) под действием силы Кориолиса. Однако на уровне земли движение воздуха в нижней тропосфере к экватору отклоняется влево (на запад), создавая восточный ветер. Ветры, дующие с востока (восточные ветры) на уровне земли в клетке Хэдли, называются пассатами. Хотя клетка Хэдли описывается как расположенная на экваторе, она смещается к северу (к более высоким широтам) в июне и июле и к югу (к более низким широтам) в декабре и январе из-за нагрева поверхности Солнцем. Зона, где происходит максимальный нагрев, называется «тепловым экватором». Поскольку лето в южном полушарии приходится на декабрь-март, перемещение теплового экватора к более высоким южным широтам происходит именно в этот период. Система Хэдли является примером тепловой прямой циркуляции. Мощность системы Хэдли, рассматриваемой как тепловой двигатель, оценивается в 200 тераватт.

Клетка для ферреля

Часть воздуха, поднимающаяся на 60° широты, расходится на большой высоте к полюсам и создает полярную ячейку. Остальная часть движется к экватору, где сталкивается на 30° широты с нисходящими потоками воздуха ячейки Хэдли. Там она опускается и усиливает области высокого давления под собой. Большая часть энергии, приводящей в движение ячейку Ферреля, обеспечивается циркулирующими по обе стороны полярной и ячейками Хэдли, которые увлекают за собой воздух ячейки Ферреля. Ячейка Ферреля, разработанная Уильямом Феррелем (1817–1891), является, таким образом, вторичной циркуляционной особенностью, существование которой зависит от ячеек Хэдли и полярных ячеек, расположенных по обе стороны от нее. Ее можно представить как вихрь, созданный ячейками Хэдли и полярными ячейками. Воздух ячейки Ферреля, опускающийся на 30° широты, возвращается к полюсам у поверхности земли, и при этом отклоняется к востоку. В верхних слоях атмосферы ячейки Ферреля воздух, движущийся к экватору, отклоняется к западу. Оба этих отклонения, как и в случае ячеек Хэдли и полярных ячеек, обусловлены сохранением углового момента. В результате, подобно тому, как восточные пассаты располагаются под ячейкой Хэдли, западные ветры располагаются под ячейкой Ферреля. Ячейка Ферреля слаба, поскольку не имеет ни сильного источника тепла, ни сильного стока, поэтому воздушные потоки и температуры внутри нее изменчивы. По этой причине средние широты иногда называют "зоной смешения". Ячейки Хэдли и полярные ячейки являются полностью замкнутыми контурами, а ячейка Ферреля – нет, и это подтверждается западными ветрами, которые более формально известны как "преобладающие западные ветры". Восточные пассаты и полярные восточные ветры не имеют ничего, над чем можно было бы доминировать, поскольку их родительские циркуляционные ячейки достаточно сильны и не встречают существенных препятствий в виде крупных форм рельефа или зон высокого давления. Однако более слабые западные ветры ячейки Ферреля могут быть нарушены. Прохождение холодного фронта может изменить это за считанные минуты, и это часто происходит. В результате на поверхности направление ветра может резко меняться. Но ветры над поверхностью, где они меньше подвержены влиянию рельефа, по существу западные. Зона низкого давления на 60° широты, движущаяся к экватору, или зона высокого давления на 30° широты, движущаяся к полюсам, ускорит западные ветры ячейки Ферреля. Сильный антициклон, движущийся к полюсам, может принести западные ветры на несколько дней. Система Ферреля действует как тепловой насос с коэффициентом производительности 12,1, потребляя кинетическую энергию от ячеек Хэдли и полярных ячеек со скоростью около 275 тераватт.

Part of the air rising at 60° latitude diverges at high altitude toward the poles and creates the polar cell. The rest moves toward the equator where it collides at 30° latitude with the high level air of the Hadley cell. There it subsides and strengthens the high pressure ridges beneath. A large part of the energy that drives the Ferrel cell is provided by the polar and Hadley cells circulating on either side, which drag the air of the Ferrel cell with it. The Ferrel cell, theorized by William Ferrel (1817–1891), is, therefore, a secondary circulation feature, whose existence depends upon the Hadley and polar cells on either side of it. It might be thought of as an eddy created by the Hadley and polar cells. The air of the Ferrel cell that descends at 30° latitude returns poleward at the ground level, and as it does so it deviates toward the east. In the upper atmosphere of the Ferrel cell, the air moving toward the equator deviates toward the west. Both of those deviations, as in the case of the Hadley and polar cells, are driven by conservation of angular momentum. As a result, just as the easterly Trade Winds are found below the Hadley cell, the Westerlies are found beneath the Ferrel cell. The Ferrel cell is weak, because it has neither a strong source of heat nor a strong sink, so the airflow and temperatures within it are variable. For this reason, the mid latitudes are sometimes known as the "zone of mixing." The Hadley and polar cells are truly closed loops, the Ferrel cell is not, and the telling point is in the Westerlies, which are more formally known as "the Prevailing Westerlies." The easterly Trade Winds and the polar easterlies have nothing over which to prevail, as their parent circulation cells are strong enough and face few obstacles either in the form of massive terrain features or high pressure zones. The weaker Westerlies of the Ferrel cell, however, can be disrupted. The local passage of a cold front may change that in a matter of minutes, and frequently does. As a result, at the surface, winds can vary abruptly in direction. But the winds above the surface, where they are less disrupted by terrain, are essentially westerly. A low pressure zone at 60° latitude that moves toward the equator, or a high pressure zone at 30° latitude that moves poleward, will accelerate the Westerlies of the Ferrel cell. A strong high, moving polewards may bring westerly winds for days. The Ferrel system acts as a heat pump with a coefficient of performance of 12.1, consuming kinetic energy from the Hadley and polar systems at an approximate rate of 275 terawatts.

Контраст между ячейками

Клетки Хэдли и полярные клетки схожи тем, что являются теплодирективными; иными словами, они существуют как прямое следствие температуры поверхности. Их тепловые характеристики определяют погоду в соответствующих областях. Огромный объем энергии, переносимый клеткой Хэдли, и значительная емкость теплового поглощения полярной ячейки обеспечивают, что временные погодные явления не только оказывают пренебрежимо малое влияние на системы в целом, но и – за исключением необычных обстоятельств – не формируются. Бесконечная смена циклонов и антициклонов, являющаяся частью повседневной жизни для жителей средних широт, под ячейкой Ферреля на широтах от 30 до 60°, неизвестна за пределами 60-й и 30-й параллелей. Существуют, однако, заметные исключения из этого правила; над Европой неустойчивая погода простирается как минимум до 70-й параллели северной широты.

Продольные характеристики циркуляции

Хотя ячейки Хэдли, Феррела и полярные ячейки (оси которых ориентированы вдоль параллелей или широт) являются основными элементами глобального переноса тепла, они действуют не изолированно. Различия температур также приводят в движение набор циркуляционных ячеек, оси циркуляции которых ориентированы в меридиональном направлении. Это атмосферное движение известно как зональная циркуляция переворота. Широтная циркуляция является результатом наибольшего количества солнечного излучения на единицу площади (солнечной интенсивности), достигающего тропиков. Солнечная интенсивность уменьшается с увеличением широты, практически достигая нуля на полюсах. Однако меридиональная циркуляция обусловлена теплоемкостью воды, ее способностью к поглощению и перемешиванию. Вода поглощает больше тепла, чем суша, но ее температура повышается не так сильно, как температура суши. В результате температурные колебания на суше больше, чем на воде. Ячейки Хэдли, Феррела и полярные ячейки функционируют в самом крупном масштабе – в тысячи километров (синоптический масштаб). Широтная циркуляция также может действовать в этом масштабе над океанами и континентами, и этот эффект носит сезонный или даже декадный характер. Теплый воздух поднимается над экваториальными, континентальными и западными районами Тихого океана. Достигая тропопаузы, он охлаждается и опускается в области относительно более холодной водной массы. Тихоокеанская ячейка играет особенно важную роль в погоде на Земле. Эта полностью океаническая ячейка возникает из-за значительной разницы в температуре поверхности западной и восточной частей Тихого океана. В обычных условиях воды в западной части Тихого океана теплые, а в восточной – холодные. Процесс начинается, когда сильная конвективная активность над экваториальной Восточной Азией и нисходящие потоки холодного воздуха у западного побережья Южной Америки создают ветровой режим, который толкает воды Тихого океана 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.) Суточные (диурнальные) меридиональные эффекты проявляются в мезомасштабе (горизонтальный диапазон от 5 до нескольких сотен километров). Днем воздух, нагретый относительно более теплой сушей, поднимается вверх, и при этом с моря притягивается прохладный бриз, заменяющий поднявшийся воздух. Ночью относительно теплая вода и прохладная суша меняют процесс местами, и бриз с суши, охлажденный сушей, ночью уносится в море.

While the Hadley, Ferrel, and polar cells (whose axes are oriented along parallels or latitudes) are the major features of global heat transport, they do not act alone. Temperature differences also drive a set of circulation cells, whose axes of circulation are longitudinally oriented. This atmospheric motion is known as zonal overturning circulation. Latitudinal circulation is a result of the highest solar radiation per unit area (solar intensity) falling on the tropics. The solar intensity decreases as the latitude increases, reaching essentially zero at the poles. Longitudinal circulation, however, is a result of the heat capacity of water, its absorptivity, and its mixing. Water absorbs more heat than does the land, but its temperature does not rise as greatly as does the land. As a result, temperature variations on land are greater than on water. The Hadley, Ferrel, and polar cells operate at the largest scale of thousands of kilometers (synoptic scale). The latitudinal circulation can also act on this scale of oceans and continents, and this effect is seasonal or even decadal. Warm air rises over the equatorial, continental, and western Pacific Ocean regions. When it reaches the tropopause, it cools and subsides in a region of relatively cooler water mass. The Pacific Ocean cell plays a particularly important role in Earth's weather. This entirely ocean based cell comes about as the result of a marked difference in the surface temperatures of the western and eastern Pacific. Under ordinary circumstances, the western Pacific waters are warm, and the eastern waters are cool. The process begins when strong convective activity over equatorial East Asia and subsiding cool air off South America's west coast create a wind pattern which pushes Pacific water westward and piles it up in the western Pacific. (Water levels in the western Pacific are about 60 cm higher than in the eastern Pacific.). The daily (diurnal) longitudinal effects are at the mesoscale (a horizontal range of 5 to several hundred kilometres). During the day, air warmed by the relatively hotter land rises, and as it does so it draws a cool breeze from the sea that replaces the risen air. At night, the relatively warmer water and cooler land reverses the process, and a breeze from the land, of air cooled by the land, is carried offshore by night.

Движение по ходу

Тихоокеанская ячейка настолько важна, что её назвали циркуляцией Уокера в честь сэра Гилберта Уокера, директора британских обсерваторий в Индии в начале XX века, который искал способ предсказать, когда муссонные ветры Индии ослабеют. Хотя ему так и не удалось добиться успеха, его работа привела к открытию связи между периодическими изменениями давления в Индийском океане и между восточной и западной частями Тихого океана, которую он назвал «Южным колебанием». Движение воздуха в циркуляции Уокера влияет на конвективные ячейки с обеих сторон. При нормальных условиях погода ведёт себя предсказуемо. Но каждые несколько лет зимы становятся аномально тёплыми или аномально холодными, или меняется частота ураганов, и эта картина сохраняется на неопределённый срок. Ячейка Уокера играет ключевую роль в этом и в явлении Эль-Ниньо. Если по какой-то причине (эта причина пока неизвестна) конвективная активность замедляется в западной части Тихого океана, то климат прилегающих регионов оказывается под воздействием. Прежде всего, ослабевают верхние западные ветры. Это прерывает поступление холодного воздуха, который обычно опускается примерно на 30° южной широты, и, следовательно, прекращается возвращение воздуха в виде поверхностных восточных ветров. Это влечёт за собой два последствия. Теплая вода перестаёт поступать в восточную часть Тихого океана с запада (она накапливалась прежними восточными ветрами), поскольку больше нет поверхностного ветра, который бы подгонял её в эту область. Это, в сочетании с воздействием Южного колебания, приводит к долгосрочным аномальным температурам и осадкам в Северной и Южной Америке, Австралии и Юго-Восточной Африке, а также к нарушению океанических течений. Тем временем в Атлантике усиливаются мощные верхние западные ветры, формируемые ячейками Хэдли, которые обычно блокируются циркуляцией Уокера и не достигают такой интенсивности. Эти ветры разрушают вершины формирующихся ураганов и значительно уменьшают количество ураганов, способных достичь полной силы.

The Pacific cell is of such importance that it has been named the Walker circulation after Sir Gilbert Walker, an early 20th century director of British observatories in India, who sought a means of predicting when the monsoon winds of India would fail. While he was never successful in doing so, his work led him to the discovery of a link between the periodic pressure variations in the Indian Ocean, and those between the eastern and western Pacific, which he termed the "Southern Oscillation". The movement of air in the Walker circulation affects the loops on either side. Under normal circumstances, the weather behaves as expected. But every few years, the winters become unusually warm or unusually cold, or the frequency of hurricanes increases or decreases, and the pattern sets in for an indeterminate period. The Walker Cell plays a key role in this and in the El Niño phenomenon. If convective activity slows in the Western Pacific for some reason (this reason is not currently known), the climates of areas adjacent to the Western Pacific are affected. First, the upper level westerly winds fail. This cuts off the source of returning, cool air that would normally subside at about 30° south latitude, and therefore the air returning as surface easterlies ceases. There are two consequences. Warm water ceases to surge into the eastern Pacific from the west (it was "piled" by past easterly winds) since there is no longer a surface wind to push it into the area of the east Pacific. This and the corresponding effects of the Southern Oscillation result in long term unseasonable temperatures and precipitation patterns in North and South America, Australia, and Southeast Africa, and the disruption of ocean currents. Meanwhile, in the Atlantic, fast blowing upper level Westerlies of the Hadley cell form, which would ordinarily be blocked by the Walker circulation and unable to reach such intensities. These winds disrupt the tops of nascent hurricanes and greatly diminish the number which are able to reach full strength.

Эль-Ниньо Южная осцилляция

Эль-Ниньо и Ла-Нинья – противоположные аномалии температуры поверхности Южного Тихого океана, оказывающие значительное влияние на погоду в глобальном масштабе. При Эль-Ниньо тёплая поверхностная вода приближается к побережьям Южной Америки, что препятствует подъёту глубинных вод, богатых питательными веществами. Это серьёзно влияет на рыбные популяции. При Ла-Нинье конвективная ячейка над западной частью Тихого океана чрезмерно усиливается, вызывая более холодные, чем обычно, зимы в Северной Америке и более активный сезон циклонов в Юго-Восточной Азии и Восточной Австралии. Также наблюдается усиленный подъём холодных глубинных океанских вод и более интенсивное восходящее движение поверхностного воздуха у берегов Южной Америки, что приводит к увеличению частоты засух, хотя рыбаки выигрывают от более богатых питательными веществами вод восточной части Тихого океана.