Wiatry krążą wokół kuli ziemskiej dzięki ruchowi obrotowemu Ziemi i energii słonecznej.
Dlaczego mnie to obchodzi? Ogólny kierunek wiatrów zmienia się na całym globie w zależności od czynników takich jak szerokość geograficzna i bliskość oceanów. Kierunek wiatru na różnych poziomach w atmosferze określa lokalny klimat i kieruje systemami pogodowymi i ciężką pogodą.
Powinienem już znać: Temperature Gradient, What Drives Weather, Stability, Air Masses, Convergence and Divergence, Tilt and Latitude, Coriolis Effect, Latent and Sensible Heat
Krążenie wiatru w atmosferze jest napędzane przez ruch obrotowy Ziemi i napływającą energię ze Słońca. Wiatr krąży na każdej półkuli w trzech odrębnych komórkach, które pomagają transportować energię i ciepło od równika do biegunów. Wiatry są napędzane przez energię słoneczną na powierzchni, gdy ciepłe powietrze unosi się, a zimne opada.
Rysunek A. Cyrkulacja komórki Hadleya.
Komórka cyrkulacyjna znajdująca się najbliżej równika nazywana jest komórką Hadleya. Wiatry są lekkie na równiku z powodu słabych poziomych gradientów ciśnienia tam występujących. Ciepłe warunki na powierzchni powodują lokalnie niskie ciśnienie. Ciepłe powietrze unosi się na równiku, tworząc chmury i powodując niestabilność atmosfery. Niestabilność ta powoduje powstawanie burz i uwalnianie dużych ilości ciepła utajonego. Ciepło utajone to energia uwalniana przez burze w wyniku zmiany pary wodnej w ciekłe kropelki wody, które kondensują się w chmurach, powodując, że otaczające powietrze staje się bardziej ciepłe i wilgotne, co zasadniczo dostarcza energii do napędzania komórki Hadleya.
Komórka Hadleya obejmuje szerokości geograficzne od równika do około 30°. Na tej szerokości geograficznej wysokie ciśnienie na powierzchni powoduje rozejście się powietrza przy ziemi. To zmusza powietrze do zejścia z góry, aby „uzupełnić” powietrze, które oddala się od powierzchniowego wyżu. Powietrze płynące na północ od równika wysoko w atmosferze jest ciepłe i wilgotne w porównaniu z powietrzem bliżej biegunów. Powoduje to silny gradient temperatury pomiędzy tymi dwoma różnymi masami powietrza i w efekcie powstaje prąd strumieniowy. Na 30° szerokości geograficznej strumień ten znany jest jako podzwrotnikowy prąd strumieniowy, który płynie z zachodu na wschód zarówno na półkuli północnej, jak i południowej. Czyste niebo generalnie panuje w obrębie wyżu powierzchniowego, czyli tam, gdzie znajduje się wiele pustyń na świecie.
Rysunek B. Ogólne kierunki wiatru. (Obraz z NASA).
Od 30° szerokości geograficznej część powietrza, które opada na powierzchnię, wraca na równik, aby uzupełnić Komórkę Hadleya. W ten sposób powstają północno-wschodnie wiatry handlowe na półkuli północnej i południowo-wschodnie na półkuli południowej. Siła Coriolisa wpływa na kierunek przepływu wiatru. Na półkuli północnej siła Coriolisa skręca wiatry w prawo. Na półkuli południowej siła Coriolisa skręca wiatry w lewo.
Od 30° szerokości geograficznej do 60° szerokości geograficznej, nowa komórka przejmuje władzę, znana jako komórka Ferrela. Komórka ta wytwarza na powierzchni w tych szerokościach geograficznych przeważające wiatry zachodnie. Dzieje się tak dlatego, że część powietrza opadającego na 30° szerokości geograficznej kontynuuje podróż na północ w kierunku biegunów, a siła Coriolisa zagina je w prawo (na półkuli północnej). To powietrze jest nadal ciepłe i na szerokości 60° zbliża się do zimnego powietrza, które napływa z biegunów. Przy zbiegających się masach powietrza na powierzchni, niskie ciśnienie powierzchniowe na 60° szerokości geograficznej powoduje, że powietrze unosi się i tworzy chmury. Część ciepłego powietrza powraca na 30° szerokości geograficznej, aby uzupełnić komórkę Ferrela.
Dwie masy powietrza na 60° szerokości geograficznej nie mieszają się dobrze i tworzą front polarny, który oddziela ciepłe powietrze od zimnego. W ten sposób front polarny stanowi granicę między ciepłymi masami powietrza zwrotnikowego a zimniejszym powietrzem polarnym przemieszczającym się z północy. (Użycie słowa „front” pochodzi z terminologii wojskowej; jest to miejsce, gdzie w bitwie ścierają się przeciwne armie). Polarny strumień odrzutowy (jet stream) znajduje się nad frontem polarnym i płynie generalnie z zachodu na wschód. Dżet polarny jest najsilniejszy w zimie z powodu większych kontrastów temperatur niż w lecie. Fale wzdłuż tego frontu mogą ciągnąć granicę na północ lub południe, powodując powstawanie lokalnych frontów ciepłych i zimnych, które wpływają na pogodę w poszczególnych miejscach.
Powyżej 60° szerokości geograficznej, komórka polarna cyrkuluje zimne, polarne powietrze w kierunku równika. Powietrze z biegunów wznosi się na 60° szerokości geograficznej, gdzie spotykają się komórka polarna i komórka Ferrela, a część tego powietrza wraca na bieguny uzupełniając komórkę polarną. Ponieważ wiatr przepływa od wysokiego do niskiego ciśnienia i biorąc pod uwagę wpływ siły Coriolisa, wiatry powyżej 60° szerokości geograficznej są przeważającymi wschodnimi.
Krążenie Walkera
Rysunek C. Cyrkulacja Walkera.
W przeciwieństwie do cyrkulacji Hadleya, Ferrela i polarnej, które przebiegają wzdłuż linii północ-południe, cyrkulacja Walkera jest cyrkulacją wschód-zachód. Nad wschodnim Pacyfikiem, powierzchniowe wysokie ciśnienie u zachodnich wybrzeży Ameryki Południowej wzmacnia siłę wschodnich wiatrów handlowych występujących w pobliżu równika. Wiatry te wieją z dala od wysokiego ciśnienia w kierunku niżu w pobliżu Indonezji. Upwelling, czyli podnoszenie się chłodniejszej wody z głębin oceanu na powierzchnię, występuje na wschodnim Pacyfiku wzdłuż Ameryki Południowej w pobliżu Ekwadoru i Peru. Ta zimna woda jest szczególnie bogata w składniki odżywcze i obfituje w duże populacje ryb. Dla kontrastu, woda w zachodnim Pacyfiku, w pobliżu Indonezji, jest stosunkowo ciepła. Powietrze nad Indonezją unosi się z powodu niżu, który tam panuje i tworzy chmury. To powoduje, że nad zachodnim tropikalnym Pacyfikiem przez cały rok spadają obfite opady. Następnie powietrze krąży z powrotem w kierunku regionu nad wyżem powierzchniowym w pobliżu Ekwadoru i staje się to cyrkulacją Walkera. Powietrze tonie w tym wyżu powierzchniowym i jest podnoszone przez silne wiatry handlowe, aby kontynuować cykl.
Rysunek D. El Nino.
Niekiedy cyrkulacja Walkera i wiatry handlowe osłabiają się, pozwalając cieplejszej wodzie „spłynąć” z powrotem w kierunku wschodniego tropikalnego Pacyfiku w pobliżu Ameryki Południowej. Można to sobie wyobrazić jako dmuchanie wentylatora nad wanną pełną wody. Jeśli wentylator dmucha jednostajnie, woda po stronie najbardziej oddalonej od wentylatora będzie miała tendencję do gromadzenia się pod wiatr. Jeśli nagle spowolnimy pracę wentylatora, część wody, która została nagromadzona, będzie się cofać w kierunku wentylatora. Cieplejsza woda przykryje obszary upwellingu, odcinając dopływ składników odżywczych do ryb i zwierząt żyjących we wschodniej części Oceanu Spokojnego. To ocieplenie wschodniego Pacyfiku znane jest jako El Niño. Cieplejsza woda będzie również służyć jako źródło ciepłego, wilgotnego powietrza, które może pomóc w rozwoju silnych burz nad masą ciepłej wody.
Jak to się ma do rolnictwa?
Zmiany w komórce Hadleya i cyrkulacji Walkera mogą spowodować dramatyczne zmiany klimatu dla wielu regionów. W zimie El Niño, na przykład, obecność ciepłej wody we wschodniej części Pacyfiku przesuwa pozycję podzwrotnikowego strumienia, prowadząc do obfitych opadów deszczu na Florydzie i w południowej Georgii. Możesz dowiedzieć się więcej o tym, jak El Niño i jego przeciwieństwo, La Niña, wpływa na pogodę na południowym wschodzie na stronie www.agroclimate.org, która pozwala spojrzeć na różnice w klimacie w różnych latach w zależności od fazy El Niño.
W ocieplającym się klimacie, komórka Hadleya może zwiększyć swoją długość i zmienić klimat regionów wokół 30°. Na przykład, wiele pustyń na półkuli północnej znajduje się w okolicach 30° szerokości geograficznej, a jeśli komórka Hadleya zwiększyłaby swoją długość, mogłoby to spowodować przesunięcie suchych warunków na północ od 30°. Ostatecznie, zmieniłoby to wzorce opadów w wielu regionach, w tym na południowym wschodzie.
Chcesz dowiedzieć się więcej?
Jet Streams, El Niño, La Niña, Severe Weather Hazards
Zajęcia towarzyszące powyższym informacjom:
Zajęcia: Atmospheric Processes-Convection (Link do oryginalnej aktywności).
Teacher Set-up Instructions
Student Activity: pdf document word document
Description: To ćwiczenie pokazuje jak prądy morskie poruszają się w wodzie używając barwników spożywczych oraz ciepłej i zimnej wody. Symuluje to jak powietrze może działać jako płyn. Uczniowie w pełni zrozumieją proces konwekcji i jak ciepło jest przenoszone przez ten proces.
Związki z tematami: Konwekcja, Ogólna cyrkulacja atmosfery, Cyrkulacja oceanów
Aktywność: Energia odnawialna: Wiatr (wersja pdf oryginalnej aktywności.)
Opis: To ćwiczenie skupia się na związku pomiędzy ciśnieniem barometrycznym, prędkością i kierunkiem wiatru. Uczniowie wykorzystają te parametry do analizy map powierzchniowych Stanów Zjednoczonych i stworzą związek z wzorami, które pojawią się na mapie.
Związki z tematami: Ciśnienie, Co napędza pogodę, Efekt Coriolisa, Ogólna cyrkulacja atmosfery
.