Войти
Идеализированное изображение (при равноденствие ) крупномасштабной атмосферной циркуляции на Земле 
Долгосрочное среднее количество осадков по месяцам Атмосферная циркуляция - это крупномасштабное движение воздуха и вместе с циркуляцией океана является средством, с помощью которого тепловая энергия перераспределяется на поверхности Земли.
Циркуляция атмосферы Земли меняется из года в год, но крупномасштабная структура его обращения остается довольно постоянной. Метеорологические системы меньшего масштаба - среднеширотные депрессии или тропические конвективные ячейки - возникают «случайным образом», и их долгосрочные прогнозы погоды на практике не могут быть сделаны дольше десяти дней. или месяц теоретически (см. Теория хаоса и эффект бабочки ).
Погода на Земле является следствием ее освещения Солнцем и законами термодинамики. Атмосферную циркуляцию можно рассматривать как тепловую машину, приводимую в действие энергией Солнца, и стоком энергии которого, в конечном счете, является тьма космоса. Работа, производимая этим двигателем, вызывает движение масс воздуха, и в этом процессе он перераспределяет энергию, поглощаемую поверхностью Земли вблизи тропиков, на широты, расположенные ближе к полюсам, а оттуда в космос.
"ячейки" крупномасштабной атмосферной циркуляции смещаются в сторону полюсов в более теплые периоды (например, межледниковья по сравнению с ледниковыми ), но остаются в основном постоянными, как есть, По сути, это свойство размера Земли, скорость вращения, нагрев и глубина атмосферы, которые мало меняются. За очень длительные периоды времени (сотни миллионов лет) тектоническое поднятие может значительно изменить их основные элементы, такие как струйный поток и тектоника плит может сместить океанские течения. Во время чрезвычайно жаркого климата мезозоя третий пояс пустыни мог существовать на экваторе.
Идеализированный вид трех больших циркуляционных ячеек, показывающих приземный ветер 
Вертикальная скорость на уровне 500 гПа, среднее за июль. Восхождение (отрицательные значения) сосредоточено вблизи солнечного экватора; спуск (положительные значения) более диффузный, но также происходит в основном в ячейке Хэдли. Ветровые пояса, опоясывающие планету, организованы в три ячейки в каждом полушарии - ячейка Хэдли, ячейка Ферреля и полярная ячейка. Эти клетки существуют как в северном, так и в южном полушариях. Подавляющая часть атмосферного движения происходит в ячейке Хэдли. Системы высокого давления, действующие на поверхности Земли, уравновешиваются системами низкого давления в других местах. В результате возникает баланс сил, действующих на поверхности Земли.
лошадиные широты - это область высокого давления на широте от 30 ° до 35 ° (север или юг), где ветры расходятся в соседние зоны ячеек Хэдли или Ферреля, и которые обычно слабый ветер, солнечное небо и небольшое количество осадков.
Полоса облаков ITCZ над восточной частью Тихого океана и Америка как видно из космоса Модель атмосферной циркуляции, описанная Джорджем Хэдли, была попыткой объяснить пассат. Ячейка Хэдли представляет собой замкнутый контур циркуляции, который начинается на экваторе. Там влажный воздух согревается поверхностью Земли, плотность уменьшается и поднимается вверх. Подобная воздушная масса, поднимающаяся по другую сторону экватора, заставляет эти поднимающиеся воздушные массы двигаться к полюсу. Поднимающийся воздух создает зону низкого давления около экватора. Когда воздух движется к полюсу, он охлаждается, становится более плотным и опускается примерно на 30-й параллели, создавая область высокого давления. Спускаемый воздух затем движется к экватору вдоль поверхности, замещая воздух, поднявшийся из экваториальной зоны, замыкая петлю ячейки Хэдли. Движение воздуха к полюсу в верхней части тропосферы отклоняется на восток, вызванное ускорением Кориолиса (проявление сохранения углового момента). Однако на уровне земли движение воздуха к экватору в нижней тропосфере отклоняется к западу, вызывая ветер с востока. Ветры, которые текут на запад (с востока, восточный ветер) на уровне земли в ячейке Хэдли, называются пассатами.
, хотя ячейка Хэдли описывается как расположенная на экваторе в северном полушарии. она смещается в более высокие широты в июне и июле и в более низкие широты в декабре и январе, что является результатом нагрева поверхности Солнцем. Зона, в которой происходит наибольший нагрев, называется «тепловым экватором ». Поскольку лето в южном полушарии длится с декабря по март, происходит перемещение теплового экватора в более высокие южные широты.
Система Хэдли представляет собой пример термически прямой циркуляции. Мощность системы Хэдли, рассматриваемой как тепловая машина, оценивается в 200 тера ватт.
Часть воздуха, поднимающаяся на 60 ° широты, расходится на большой высоте в сторону полюсов и создает полярную ячейку. Остальная часть движется к экватору, где на 30 ° широты сталкивается с атмосферой высокого уровня ячейки Хэдли. Там он оседает и укрепляет гребни высокого давления внизу. Большая часть энергии, которая приводит в движение ячейку Феррела, обеспечивается полярными ячейками и ячейками Хэдли, которые циркулируют с обеих сторон и увлекают ячейку Ферреля за собой. Ячейка Ферреля, теоретически описанная Уильямом Феррелом (1817–1891), поэтому является вторичной особенностью циркуляции, существование которой зависит от ячейки Хэдли и полярных ячеек по обе стороны от нее. Его можно представить как вихрь, созданный Хэдли и полярными ячейками.
Воздух в ячейке Феррела, которая опускается на 30 ° широты, возвращается к полюсу на уровне земли и при этом отклоняется на восток. В верхних слоях атмосферы ячейки Ферреля воздух, движущийся к экватору, отклоняется на запад. Оба эти отклонения, как в случае ячейки Хэдли и полярной ячейки, вызваны сохранением углового момента. В результате, точно так же, как восточные пассаты находятся под ячейкой Хэдли, западные находятся под ячейкой Ферреля.
Ячейка Ферреля является слабой, потому что у нее нет ни сильного источника тепла, ни сильного стока, поэтому воздушный поток и температура внутри нее изменчивы. По этой причине средние широты иногда называют «зоной смешения». Ячейки Хэдли и полярные ячейки являются действительно замкнутыми контурами, ячейка Ферреля - нет, а решающий момент находится в Вестерлиях, которые более формально известны как «преобладающие западные ветры». Восточным пассатам и полярным восточным ветрам не над чем преобладать, поскольку их родительские циркуляционные ячейки достаточно сильны и сталкиваются с небольшими препятствиями в виде массивных рельефов местности или зон высокого давления. Однако более слабые западные ветви клетки Ферреля могут быть нарушены. Местное прохождение холодного фронта может изменить это за считанные минуты, что часто бывает. В результате на поверхности ветер может резко меняться по направлению. Но ветры над поверхностью, где они менее подвержены влиянию ландшафта, в основном западные. Зона низкого давления на 60 ° широты, которая движется к экватору, или зона высокого давления на 30 ° широты, которая движется к полюсу, будет ускорять западные линии ячейки Ферреля. Сильный высокий движущийся к полюсу ветер может приносить западный ветер в течение нескольких дней.
Система Ferrel действует как тепловой насос с коэффициентом полезного действия 12,1, потребляя кинетическую энергию из систем Хэдли и полярных систем с приблизительной скоростью 275 тераватт.
Полярная ячейка - это простая система с сильными драйверами конвекции. Хотя воздушные массы на 60-й параллели прохладны и сухие по сравнению с экваториальным воздухом, они все еще достаточно теплые и влажные, чтобы претерпевать конвекцию и создавать тепловой контур. На 60-й параллели воздух поднимается до тропопаузы (около 8 км на этой широте) и движется к полюсу. При этом верхние воздушные массы отклоняются на восток. Когда воздух достигает полярных областей, он охлаждается радиацией в космос и значительно плотнее, чем нижележащий воздух. Он опускается, образуя холодную и сухую зону с высоким давлением. На уровне полярной поверхности масса воздуха движется на юг к 60-й параллели, заменяя поднявшийся там воздух, и ячейка полярной циркуляции завершена. Когда воздух на поверхности движется к экватору, он отклоняется на запад. Опять же, отклонения воздушных масс являются результатом эффекта Кориолиса. Воздушные потоки на поверхности называются полярными восточными ветрами, они текут с северо-востока на юго-запад около северного полюса и с юго-востока на северо-запад около южного полюса.
Истечение воздушной массы из ячейки создает гармонические волны в атмосфере, известные как волны Россби. Эти сверхдлинные волны определяют путь полярного струйного потока, который проходит в переходной зоне между тропопаузой и ячейкой Ферреля. Действуя как теплоотвод, полярная ячейка перемещает избыточное тепло с экватора в полярные регионы.
Ячейка Хэдли и полярная ячейка похожи в том, что они термически прямые; другими словами, они существуют как прямое следствие температуры поверхности. Их тепловые характеристики определяют погоду в их владениях. Огромный объем энергии, переносимой ячейкой Хэдли, и глубина теплоотвода, содержащегося в полярной ячейке, гарантируют, что временные погодные явления не только незначительно влияют на систему в целом, но, за исключением необычных обстоятельств, они действительно не форма. Бесконечная цепочка прохождения взлетов и падений, которая является частью повседневной жизни обитателей средних широт под ячейкой Ферреля на широтах между 30 и 60 ° широты, неизвестна выше 60-й и ниже 30-й параллелей. Из этого правила есть несколько заметных исключений; В Европе нестабильная погода распространяется, по крайней мере, на 70-ю параллель к северу.
Полярная ячейка, местность и Катабатические ветры в Антарктиде могут создавать очень холодные условия на поверхности, например самая низкая температура, зарегистрированная на Земле : -89,2 ° C на станции Восток в Антарктиде, измерено в 1983 году.
Суточное изменение ветра в местной прибрежной зоне, а также применяется в континентальном масштабе. Хотя ячейки Хэдли, Ферреля и полярные ячейки (оси которых ориентированы по параллелям или по широте) являются основными характеристиками глобального переноса тепла, они действуют не в одиночку. Разница температур также приводит в движение набор циркуляционных ячеек, оси циркуляции которых ориентированы продольно. Это атмосферное движение известно как зональная опрокидывающаяся циркуляция .
Широтная циркуляция является результатом наибольшей солнечной радиации на единицу площади (солнечной интенсивности), приходящейся на тропики. Интенсивность солнечной активности уменьшается с увеличением широты, достигая практически нуля на полюсах. Однако продольная циркуляция является результатом теплоемкости воды, ее поглощающей способности и перемешивания. Вода поглощает больше тепла, чем земля, но ее температура не повышается так сильно, как земля. В результате колебания температуры на суше больше, чем на воде.
Ячейки Хэдли, Феррела и полярные ячейки работают в самом большом масштабе в тысячи километров (синоптический масштаб ). Широтная циркуляция также может действовать в этом масштабе океанов и континентов, и этот эффект является сезонным или даже декадным. Теплый воздух поднимается над экваториальной, континентальной и западной частью Тихого океана. Достигнув тропопаузы, он остывает и опускается в область с относительно более холодной водной массой.
Ячейка Тихого океана играет особенно важную роль в погоде на Земле. Эта полностью океаническая ячейка возникла в результате заметной разницы в поверхностных температурах западной и восточной частей Тихого океана. В обычных условиях воды западной части Тихого океана теплые, а воды восточной части прохладные. Процесс начинается, когда сильная конвективная активность над экваториальной Восточной Азией и оседание прохладного воздуха у западного побережья Южной Америки создают ветровую структуру, которая толкает тихоокеанские воды на запад и накапливает их на западе. Тихий океан. (Уровень воды в западной части Тихого океана примерно на 60 см выше, чем в восточной части Тихого океана).
Суточные (суточные) продольные эффекты находятся на мезомасштабе (горизонтальный диапазон от 5 до нескольких сотен километров). В течение дня воздух, нагретый относительно более горячей сушей, поднимается вверх, и при этом он притягивает прохладный бриз с моря, который заменяет поднявшийся воздух. Ночью относительно более теплая вода и более прохладная земля меняют этот процесс, и легкий ветерок с сушей, охлажденный сушей, уносится ночью в сторону от берега.
Тихоокеанская ячейка настолько важна, что она была названа Циркуляцией Уокера в честь сэра Гилберта Уокера, начало 20-го века. - столетний директор британских обсерваторий в Индии, который искал средства предсказания, когда муссонные ветры Индии потерпят неудачу. Хотя ему это так и не удалось, его работа привела его к открытию связи между периодическими изменениями давления в Индийском океане и между восточной и западной частью Тихого океана, которую он назвал "Южное колебание ".
Движение воздуха в циркуляции Уокера влияет на петли с обеих сторон. В нормальных условиях погода ведет себя так, как ожидалось. Но каждые несколько лет зимы становятся необычно теплыми или необычно холодными, или частота ураганов увеличивается или уменьшается, и эта закономерность устанавливается на неопределенный период.
Ячейка Уокера играет ключевую роль в этом и в явлении Эль-Ниньо. Если по какой-либо причине конвективная активность замедляется в западной части Тихого океана (эта причина в настоящее время не известна), это влияет на климат районов, прилегающих к западной части Тихого океана. Во-первых, выходят из строя западные ветры верхнего уровня. Это перекрывает источник возвращающегося холодного воздуха, который обычно утихает примерно на 30 ° южной широты, и, следовательно, воздух, возвращающийся с поверхности с востока, прекращается. Есть два следствия. Теплая вода перестает подниматься в восточную часть Тихого океана с запада (она была «нагромождена» прошлыми восточными ветрами), поскольку больше нет приземного ветра, который толкал бы ее в область западной части Тихого океана. Это и соответствующие эффекты Южного колебания приводят к долгосрочным несезонным температурам и режимам осадков в Северной и Южной Америке, Австралии и Юго-Восточной Африке, а также к нарушению океанских течений.
Между тем, в Атлантике быстро распространяются верхние уровни западных ветвей клеточной формы Хэдли, которые обычно блокируются циркуляцией Уокера и не могут достигать такой интенсивности. Эти ветры разрушают вершины возникающих ураганов и значительно сокращают количество, способное достичь полной силы.
Эль-Ниньо и Ла-Нинья являются противоположными аномалиями температуры поверхности по сравнению с Южный Тихий океан, которые сильно влияют на погоду в больших масштабах. В случае Эль-Ниньо теплые поверхностные воды приближаются к берегам Южной Америки, что приводит к блокированию подъема богатых питательными веществами глубинных вод. Это серьезно сказывается на популяциях рыб.
В случае Ла-Нинья конвективная ячейка над западной частью Тихого океана чрезмерно усиливается, что приводит к более холодной, чем обычно, зимам в Северной Америке и более устойчивому сезону циклонов в Юго-Восточной Азии и Восточная Австралия. Также наблюдается усиление подъема глубоких холодных океанических вод и более интенсивное поднятие приземного воздуха вблизи Южной Америки, что приводит к увеличению числа случаев засух, хотя рыбаки извлекают выгоду из более богатых питательными веществами вод восточной части Тихого океана.
 | Викискладе есть материалы, связанные с атмосферной циркуляцией. |
