Skąd wynika i jak przebiega globalna cyrkulacja atmosfery?

19 stycznia 2018

Ziemia Zjawiska przyrodnicze

Pytanie

Pyta Grzegorz

Mój problem jest związany z globalną cyrkulacją atmosfery, z którą w szkole średniej można mieć styczność jedynie na lekcjach geografii. Próby wytłumaczenia tego mechanizmu przez różnych nauczycieli nigdy mnie nie satysfakcjonowały (podobnie uzasadnienia w podręcznikach do geografii). Intensywne nagrzewanie powierzchni Ziemi przez Słońce (w strefie międzyzwrotnikowej) powoduje rozrzedzenie powietrza i jego wznoszenie (silny prąd konwekcyjny w strefie konwergencji wewnątrztropikalnej, niż). Powietrze na odpowiedniej wysokości „rozchodzi się” w kierunku zwrotników i na nich opada (więcej powietrza, większe ciśnienie, tworzy się wyż). W dolnej części atmosfery przemieszcza się w kierunku niżu i tam się ponownie unosi (komórka Hadleya). Powietrze przemieszcza się w górnej części atmosfery ku biegunom (tam jest zimne, ciężkie, więc opada), tworzy się wyż i wypycha je w kierunku niższych szerokości geograficznych. Wyże zwrotnikowe powodują wypychanie powietrza ku niższym szerokościom geograficznym. W obszarach w okolicy 60 stopni szerokości geograficznej występuje strefa konwergencji (strefa wędrujących niżów). Tam powietrze unosi się i „rozchodzi” w kierunku biegunów oraz zwrotników, gdzie ponownie opada.

Powyższe rozumowanie jest pętlą logiczną. Na pytanie „Dlaczego powietrze opada akurat na zwrotnikach/unosi się w strefie niżów umiarkowanych szerokości geograficznych”, otrzymywałem odpowiedź „Bo jest wyż/niż”, a na pyt. „Dlaczego jest wyż”, odpowiadano „Bo powietrze opada/unosi się”.

Poproszę o podanie, w miarę możliwości, kompleksowego uzasadnienia ogólnej cyrkulacji atmosfery.

O ile strefa konwergencji wewnątrztropikalnej wynika z ogrzania przez Słońce danego obszaru i rozrzedzenia powietrza, nie rozumiem opadania powietrza na zwrotnikach, tworzenia się wyżów dopiero na biegunach oraz niżów w strefie umiarkowanej (komórka Ferrela).

Ponadto przedstawione rozumowanie nie zakłada, że wszystko dzieje się jednocześnie. Wychodzimy ze strefy międzyzwrotnikowej i tworzymy ciąg przyczynowo-skutkowy zakładający, że w pozostałych miejscach panuje pustka (nota bene nie do końca logiczny ciąg przyczynowo-skutkowy).

Jak zmieniała się cyrkulacja atmosfery na przestrzeni dziejów?

Dlaczego powietrze na pewnej wysokości (i akurat na tej) rozchodzi się w różnych kierunkach (mechanizm antypasatów)?

Dlaczego w umiarkowanych szerokościach geograficznych występuje „strefa wędrujących niżów”?

Odpowiedź

Odpowiada Prof. Szymon Malinowski

Ojej, strasznie wiele pytań, nie dam rady odpowiedzieć dokładnie, na wszystko odpowiedzi można znaleźć w podręcznikach meteorologii dynamicznej czy geofizycznej dynamiki płynów takich jak ten czy ten.

Jednak i w kilku słowach da się nieco, w sposób uproszczony, wytłumaczyć. Otóż w przepływach atmosferycznych ogromną rolę odgrywa siła związana z ruchem obrotowym Ziemi, siła Coriolisa. W wyniku jej działania wiatry odchylają się od kierunku ruchu na półkuli północnej w prawo, a na półkuli południowej w lewo. Można to zrozumieć stosując II zasadę dynamiki Newtona i odpowiednie wektorowe równanie ruchu, jednak nawet nie znając fizyki czy meteorologii dynamicznej warto pamiętać, że działa ona w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu planety. Na biegunie płaszczyzna ta wyznacza poziom, na równiku jest pionowa! Atmosfera w skali planety jest cienka i prawie płaska, a w skali planety przepływy poziome są znacznie szybsze od tych w pionie. W efekcie oddziaływanie siły Coriolisa na wiatr – poziome przepływy powietrza w atmosferze – najsilniejsze jest blisko biegunów, a na równiku zupełnie zanika.

Jeśli idzie o komórkę Hadleya, to powietrze wyniesione w procesie konwekcji do góry rozpływa się pod tropopauzą (jej wysokość jest związana z głębokością warstwy konwekcyjnej, największą na równiku, małą przy biegunach) w kierunku zwrotników – są to tzw. antypasaty. Siła Coriolisa odchyla to powietrze na wschód, i tak, w okolicy zwrotnika, płynie ono w kierunku wschodnim, nie docierając do stref polarnych i biegunów. Od równika docierają zaś wciąż nowe masy suchego powietrza, co wymusza ruchy opadające i powstanie pasa wyżów zwrotnikowych.

Opadające w pasie wyżów zwrotnikowych powietrze, docierając do powierzchni planety, rozpływa się na północ i południe. Gałąź powietrza płynąca przy ziemi do równika to pasaty. Znowu siła Coriolisa „zakręca” je tak, że przy równiku wieja prawie ze wschodu na zachód. Z kolei gałąź powietrza płynąca na północ wymusza ruch w „komórce” Ferrela. Zapomnijmy jednak o niej na chwilę i popatrzmy na okolice biegunów.

Ujemny bilans energii powoduje, że powietrze staje się coraz chłodniejsze i gęstsze. Wymusza to ruchy osiadające w strefie wokół biegunów, gdzie powstają obszary wysokiego ciśnienia. Powoduje to, że przy powierzchni masy zimnego powietrza są spychane w kierunku zwrotników. Siła Coriolisa wywołuje skręt ruchu na wschód i na obszarach polarnych przy powierzchni planety dominują wiatry ze składową wschodnią.

Teraz wracamy do „komórki” Ferrela. W swojej wędrówce w kierunku zwrotników masy chłodnego polarnego powietrza przy powierzchni Ziemi napotykają masy ciepłego powietrza, które z obszaru wyżów okołozwrotnikowych wypłynęły w kierunku biegunów. To miejsce nazywamy frontem polarnym i jest on osią „komórki” Ferrela. Wiatry wiejące na wschód i zachód powodują zawirowania na froncie polarnym – wyże i niże atmosferyczne. To tak w skrócie. Warto jeszcze zauważyć, że w komórce Hadleya i komórkach polarnych mamy transport ciepła wprost: górą ciepłe powietrze wędruje od równika w kierunku biegunów, dołem zimne wychłodzone od biegunów do równika. W „komórce” Ferrela transport ciepła jest w postaci „języków” ciepłego powietrza obejmujących grube warstwy powietrza wędrujących na północ, a chłodnego – na południe. Stąd cudzysłów przy nazwie, jako że nie jest to prosta komórka wymuszona termicznie. Tyle w skrócie. Trochę więcej, w miarę przystępnie, zostanie przedstawione w podręczniku, który przygotowuje zespół naukaoklimacie.pl.