Winden circuleren over de aarde als gevolg van de draaiing van de aarde en de energie van de zon.
Wat kan mij dat schelen? De algemene richting van de winden varieert over de hele wereld, afhankelijk van factoren als de breedtegraad en de nabijheid van oceanen. De richting van de wind op verschillende niveaus in de atmosfeer bepaalt het lokale klimaat en stuurt weersystemen en zwaar weer.
Ik zou al bekend moeten zijn met: Temperatuurgradiënt, What Drives Weather, Stabiliteit, Luchtmassa’s, Convergentie en Divergentie, Kanteling en Breedtegraad, Coriolis Effect, Latente en voelbare warmte
De circulatie van wind in de atmosfeer wordt aangedreven door de rotatie van de aarde en de binnenkomende energie van de zon. De wind circuleert op elk halfrond in drie verschillende cellen die helpen energie en warmte te transporteren van de evenaar naar de polen. De winden worden aangedreven door de energie van de zon aan het oppervlak, wanneer warme lucht opstijgt en koudere lucht daalt.
Figuur A. Circulatie van de Hadley-cel.
De circulatiecel die het dichtst bij de evenaar ligt, wordt de Hadley-cel genoemd. Bij de evenaar zijn de winden licht vanwege de zwakke horizontale drukgradiënten die zich daar bevinden. De warme omstandigheden aan het oppervlak resulteren in plaatselijk lage druk. De warme lucht stijgt op bij de evenaar, produceert wolken en veroorzaakt instabiliteit in de atmosfeer. Door deze instabiliteit ontstaan onweersbuien waarbij grote hoeveelheden latente warmte vrijkomen. Latente warmte is gewoon energie die vrijkomt bij de onweersbuien als gevolg van de verandering van waterdamp in vloeibare waterdruppels wanneer de damp condenseert in de wolken, waardoor de omringende lucht warmer en vochtiger wordt, wat in wezen de energie levert om de Hadley-cel aan te drijven.
De Hadley-cel omvat breedtegraden van de evenaar tot ongeveer 30°. Op deze breedtegraad zorgt hogedruk aan de oppervlakte ervoor dat de lucht dichtbij de grond divergeert. Dit dwingt lucht van bovenaf naar beneden te komen om de lucht “op te vullen” die van de hogedruk aan de oppervlakte weglekt. De lucht die vanaf de evenaar hoog in de atmosfeer naar het noorden stroomt, is warm en vochtig in vergelijking met de lucht nabij de polen. Dit veroorzaakt een sterke temperatuurgradiënt tussen de twee verschillende luchtmassa’s en er ontstaat een straalstroom. Op 30° breedtegraad staat deze straalstroom bekend als de subtropische straalstroom, die zowel op het noordelijk als op het zuidelijk halfrond van west naar oost stroomt. Over het algemeen heerst er een heldere hemel aan de oppervlakte van het hogedrukgebied, waar zich veel woestijnen op de wereld bevinden.
Figuur B. Algemene windrichtingen. (Afbeelding van NASA).
Vanaf 30° breedtegraad, keert een deel van de lucht die naar het oppervlak zakt, terug naar de evenaar om de Hadley Cell te completeren. Dit veroorzaakt de noordoostelijke passaatwinden op het noordelijk halfrond en de zuidoostelijke passaatwinden op het zuidelijk halfrond. De Corioliskracht beïnvloedt de richting van de windstroming. Op het noordelijk halfrond draait de Corioliskracht de winden naar rechts. Op het zuidelijk halfrond draait de Corioliskracht de winden naar links.
Van 30° noorderbreedte tot 60° noorderbreedte neemt een nieuwe cel het over die bekend staat als de Ferrelcel. Deze cel produceert binnen deze breedtegraden overheersende westenwinden aan het oppervlak. Dit komt omdat een deel van de lucht die op 30° noorderbreedte zakt, verder noordwaarts naar de polen reist en de Corioliskracht deze naar rechts (op het noordelijk halfrond) buigt. Deze lucht is nog steeds warm en nadert op ongeveer 60° breedtegraad de koude lucht die vanaf de polen naar beneden stroomt. Met de convergerende luchtmassa’s aan het oppervlak, zorgt de lage oppervlaktedruk op 60° breedtegraad ervoor dat lucht opstijgt en wolken vormt. Een deel van de stijgende warme lucht keert terug naar 30° noorderbreedte om de Ferrel Cell te completeren.
De twee luchtmassa’s op 60° noorderbreedte vermengen zich niet goed en vormen het polaire front dat de warme lucht scheidt van de koude lucht. Het polaire front is dus de grens tussen de warme tropische luchtmassa’s en de koudere polaire lucht die uit het noorden komt. (Het gebruik van het woord “front” komt uit de militaire terminologie; het is de plaats waar tegenover elkaar staande legers in de strijd met elkaar in botsing komen). De polaire straalstroom bevindt zich boven het polaire front en stroomt over het algemeen van west naar oost. De polaire straal is het sterkst in de winter vanwege de grotere temperatuurcontrasten dan in de zomer. Golven langs dit front kunnen de grens naar het noorden of zuiden trekken, wat resulteert in lokale warme en koude fronten die het weer op bepaalde plaatsen beïnvloeden.
Boven 60° noorderbreedte circuleert de polaire cel koude, polaire lucht evenaarwaarts. De lucht van de polen stijgt op 60° noorderbreedte waar de polaire cel en de Ferrel-cel elkaar ontmoeten, en een deel van deze lucht keert terug naar de polen om de polaire cel te voltooien. Omdat de wind van hoge naar lage druk stroomt en rekening houdend met de effecten van de Corioliskracht, zijn de winden boven 60° noorderbreedte overheersende oostenwinden.
Walker Circulatie
Figuur C. Walker Circulatie.
In tegenstelling tot de Hadley, Ferrel en polaire circulaties, die langs noord-zuid lijnen lopen, is de Walker circulatie een oost-west circulatie. Boven de oostelijke Stille Oceaan versterkt hogedruk aan het oppervlak voor de westkust van Zuid-Amerika de sterkte van de oostelijke passaatwinden die in de buurt van de evenaar voorkomen. De winden blazen weg van de hoge druk naar lagere druk nabij Indonesië. Upwelling, het opstijgen van kouder water uit de diepe oceaan naar de oppervlakte, vindt plaats in de oostelijke Stille Oceaan langs Zuid-Amerika bij Ecuador en Peru. Dit koude water is bijzonder rijk aan voedingsstoffen en herbergt een overvloed aan grote vispopulaties. Daarentegen is het water in het westelijk deel van de Stille Oceaan, bij Indonesië, relatief warm. De lucht boven Indonesië stijgt op als gevolg van de daar heersende lage oppervlaktedruk en vormt wolken. Hierdoor valt er het hele jaar door zware neerslag boven het westelijke deel van de tropische Stille Oceaan. De lucht circuleert dan terug naar boven naar het gebied boven de oppervlaktedruk bij Ecuador en dit wordt de Walker-circulatie. De lucht zakt bij dit hogedrukoppervlak en wordt door de sterke passaatwinden opgepikt om de cyclus voort te zetten.
Figuur D. El Nino.
Op sommige momenten verzwakken de Walker circulatie en de passaatwinden, waardoor warmer water “terugsijpelt” naar het oostelijke deel van de tropische Stille Oceaan bij Zuid-Amerika. Je kunt dit vergelijken met het blazen van een ventilator over een badkuip vol water. Als de ventilator gestaag blaast, zal het water aan de kant die het verst van de ventilator is, zich benedenwinds opstapelen. Als u de ventilator plotseling langzamer laat draaien, zal een deel van het water dat zich heeft opgehoopt, terugstromen naar de ventilator. Het warmere water zal de gebieden met upwelling bedekken, waardoor de stroom voedingsstoffen naar de vissen en dieren die in de oostelijke Stille Oceaan leven, wordt afgesneden. Deze opwarming van de oostelijke Stille Oceaan staat bekend als El Niño. Het warmere water zal ook dienen als bron voor warme, vochtige lucht die kan helpen bij de ontwikkeling van zware onweersbuien boven de massa warm water.
Hoe heeft dit betrekking op de landbouw?
Verschuivingen in de Hadley-cel en de Walker-circulatie kunnen leiden tot dramatische klimaatvariaties voor veel regio’s. In een El Niño-winter bijvoorbeeld verschuift door de aanwezigheid van het warme water in het oostelijk deel van de Stille Oceaan de positie van de subtropische straal, wat leidt tot zware regenval in Florida en het zuiden van Georgia. U kunt meer te weten komen over hoe El Niño en zijn tegenhanger, La Niña, het weer in het zuidoosten beïnvloeden op www.agroclimate.org, waar u de verschillen in klimaat in verschillende jaren kunt bekijken, afhankelijk van de El Niño-fase.
In een opwarmend klimaat zou de Hadley-cel in lengte kunnen toenemen en het klimaat van regio’s rond 30° kunnen veranderen. Veel woestijnen op het noordelijk halfrond liggen bijvoorbeeld rond 30° noorderbreedte, en als de Hadley-cel langer wordt, zou dat ertoe kunnen leiden dat droge omstandigheden zich ten noorden van 30° verplaatsen. Uiteindelijk zou dit de neerslagpatronen van veel regio’s, waaronder het zuidoosten, veranderen.
Wilt u meer weten?
Jet Streams, El Niño, La Niña, Severe Weather Hazards
Activiteiten die bij de bovenstaande informatie horen:
Activiteit: Atmosferische processen-Convectie (Link naar originele activiteit).
Instructies voor de docent
Studentenactiviteit: pdf-document word-document
Beschrijving: Deze activiteit laat zien hoe stromingen door water bewegen met behulp van voedselkleurstof en warm en koud water. Dit simuleert hoe lucht kan werken als een vloeistof. De leerlingen zullen het proces van convectie volledig begrijpen en hoe warmte door dit proces wordt overgedragen.
Relaties met onderwerpen: Convectie, Algemene circulatie van de atmosfeer, Circulatie van de oceanen
Activiteit: Hernieuwbare energie: Wind (pdf-versie van oorspronkelijke activiteit.)
Omschrijving: Deze activiteit richt zich op de relatie tussen barometrische druk, windsnelheid en windrichting. Leerlingen zullen deze parameters gebruiken om oppervlaktekaarten van de Verenigde Staten te analyseren en een relatie te leggen met de patronen die op de kaart te zien zullen zijn.
Relaties met onderwerpen: Druk, Wat bepaalt het weer, Coriolis-effect, Algemene circulatie van de atmosfeer