10. OGÓLNA CYRKULACJA ATMOSFERY

Rozpatrywany w skali planetarnej układ prądów powietrznych nosi nazwę ogólnej cyrkulacji atmosfery. Jej przyczynami są różne ilości ciepła dostarczane przez Słońce na różnych szerokościach geograficznych oraz ruch obrotowy Ziemi. Przyczyną komplikującą prawidłowości cyrkulacji jest niejednorodność powierzchni Ziemi (zwłaszcza rozkład lądów i mórz). Chcąc wyjaśnić mechanizm ogólnej cyrkulacji, należy zacząć od wprowadzenia pewnych uproszczeń, potem stopniowo przejść do warunków rzeczywistych.

10.1. GENEZA CYRKULACJI OGÓLNEJ

Krok 1. Załóżmy, że kula ziemska ma jednorodną powierzchnię i pozostaje w bezruchu. Wówczas krążenie atmosfery byłoby proste: nad równikiem silnie nagrzane powietrze rozprężałoby się i unosiło do góry (prądy wstępujące), powodując spadek ciśnienia przy powierzchni Ziemi, a wzrost w wyższych warstwach atmosfery („Ciepły niż przechodzi górą w wyż”, dołem typowy dla niżu obszar zbieżności, górą - typowy dla wyżu obszar rozbieżności prądów). Odpływałoby potem w stronę biegunów, ulegając stopniowemu ochładzaniu i obniżając poziom swego spływu. Osiągnąwszy okolice podbiegunowe zaczęłoby osiadać (prądy zstępujące), tworząc czaszę podwyższonego ciśnienia, skąd dołem spływałoby z powrotem w stronę równikowego pasa niskich ciśnień. Gradient baryczny byłby skierowany od biegunów ku równikowi.

Rys. 17 - Prądy powietrzne w atmosferze Ziemi jednorodnej i pozostającej w bezruchu

Krok 2. Załóżmy z kolei, że Ziemia ma nadal jednorodną powierzchnię, ale się obraca dookoła swojej osi, zatem obok siły gradientu działa także siła Coriolisa. W pobliżu równika bardzo ciepłe powietrze rozpręża się i unosi do góry (prądy wstępujące), skutkiem czego przy powierzchni wytwarza się międzyzwrotnikowa strefa niskiego ciśnienia, zmieniająca swe położenie w ślad za letnim stanowiskiem Słońca. Górą powietrze odpływa ku wyższym szerokościom („Ciepły niż...”, zbieżność - rozbieżność prądów). Ruch obrotowy sprawia, że prądy powietrzne odchylają się od kierunku gradientu w prawo na półkuli północnej i w lewo na półkuli południowej i to coraz bardziej w miarę wzrostu szerokości geograficznej i wzniesienia nad powierzchnię Ziemi. Wiatry górne na naszej półkuli stopniowo przechodzą z kierunku S na SW i około φ = 30-35˚N tracą składową południkową i stają się wiatrami strefowymi (równoleżnikowymi), wiejącymi z W do E.

W tych szerokościach następuje stłoczenie mas powietrza, które osiada (prądy zstępujące) i w ten sposób przy powierzchni Ziemi powstają dwie podzwrotnikowe strefy wysokiego ciśnienia, uwarunkowane przyczynami dynamicznymi. Z tej strefy powietrze dołem odpływa częściowo ku wyższym szerokościom i częściowo ku równikowemu pasowi niskiego ciśnienia, tworząc strefę zbieżności gdzie łagodnie spotykają się pasaty obu półkul.

Na szerokościach geograficznych 60-65˚ zaznaczają się strefy niskich ciśnień, o genezie nie do końca jeszcze wyjaśnionej, z wyraźnie zarysowującymi się liniami zbieżności. Ku tym liniom dołem, zgodnie z gradientem, podążają prądy powietrzne ze strefy podzwrotnikowej, które pod wpływem siły Coriolisa są coraz bardziej odchylane od swego pierwotnego kierunku (od S do SW), tworząc strefę przeważających wiatrów SW-W na naszej półkuli. Pas szerokości 40-70˚zwłaszacza półkuli północnej jest najsilniej zaburzony; tu rozwija się intensywna działalność cyklonalna, która wywołuje ogromną zmienność kierunków wiatru, z dominującą jednak składową zachodnią.

W szerokościach wysokich jest coraz chłodniej, powietrze jest coraz cięższe, a więc ciśnienie wyższe. Zatem wokół biegunów mamy czasze podwyższonego ciśnienia, skąd powietrze spływa do wspomnianych wcześniej obszarów zbieżności na φ=60-65˚. Siła Coriolisa sprawia, że przeważające wiatry stopniowo zmieniają kierunek N na NE-ENE na półkuli północnej. Spotkanie powietrza spływającego od czasz biegunowych i podzwrotnikowych stref wysokiego ciśnienia, wywołuje prądy wstępujące. Wyniesione powietrze odpływa częściowo w stronę biegunów i częściowo w stronę niższych szerokości.

Rys. 18 - Schemat prądów ogólnej cyrkulacji atmosfery

Nazwijmy teraz poszczególne obszary określeniami często spotykanymi w literaturze:

Ciśnienie podwyższone: czasze okołobiegunowe, pasy albo strefy okołozwrotnikowe

Ciśnienie obniżone: bruzda okołorównikowa, pasy, strefy szerokości umiarkowanych

Zachodzi zatem na każdej z półkul rozbicie prostej początkowo cyrkulacji: „biegun - równik - biegun” na cykle mniejsze zgodnie z kierunkiem gradientu barycznego. Dlatego mówi się o komórkach cyrkulacyjnych, z których dwie mają swoje nazwy: Hadleya, Ferrela, trzecią jest komórka biegunowa.

Rys. 19 - Komórki cyrkulacyjne: Hadleya, Ferrela i okołobiegunowa

Krok 3. W warunkach rzeczywistych, tj. z uwzględnieniem ruchów Ziemi oraz jej niejednorodnej powierzchni, na mapach izobar stycznia i lipca, a także roku możemy odnaleźć ślady wyżej omówionej strefowości, jednak mocno zaburzonej przez odmienne oddziaływanie podłoża lądowego i wodnego, szczególnie w szerokościach 40-70˚N, o czym wcześniej wspomniano. Strefy rozpadają się na poszczególne komórki podwyższonego lub obniżonego ciśnienia, czyli centra (ośrodki) działania atmosfery stałe - występujące w ciągu całego roku i sezonowe, zaznaczające się jedynie w styczniu albo lipcu.

10.2. ZAKŁÓCENIA WYWOŁANE SĄSIEDZTWEM LĄDÓW I MÓRZ

Ląd i woda ogrzewają się i ochładzają nierównomiernie. Kondukcyjna pojemność cieplna oceanów jest wyraźnie większa niż lądów, a roczne amplitudy temperatury wody są mniejsze niż powietrza. Zmiany temperatury rosną ponadto od równika ku szerokościom wyższym (większa zmienność ilości docierającego promieniowania słonecznego). Latem istnieje tendencja do spadku ciśnienia nad kontynentami, bo ciepłe powietrze unosi się do góry. Jesienią gdy ląd stygnie powstaje nad nim obszar wyżowy, zimny, więc jego intensywność szybko maleje z wysokością. Różnica temperatury w stosunku do wody jest znacznie wyższa niż latem.

Rys. 20 - Migracja powietrza między lądem a oceanem latem i zimą

Wynikiem takiego rozkładu kierunków przeważających wiatrów jest cyrkulacja monsunowa, występująca w wielu miejscach na kuli ziemskiej, lecz szczególnie silna w południowej i południowo-wschodniej Azji, gdzie jest zaliczana do cyrkulacji ogólnej. Najbardziej stabilne są podzwrotnikowe wyże, zwłaszcza na półkuli południowej - w lipcu (zimą) jest tam jeden wyraźny pas wyżów, jedynie w południowej części Ameryki Południowej ośrodki są mało widoczne.

Charakterystyka klimatu lądowego i morskiego - na ćwiczeniach

Te obszary wysokiego i niskiego ciśnienia na kuli ziemskiej, które odznaczają się mniej więcej stałym położeniem, utrzymują się przez dłuższe okresy (rok, pół roku) oraz decydują o rozkładzie przeważających kierunków wiatru w systemie ogólnej cyrkulacji atmosfery określamy jako centra działania atmosfery. Do głównych centrów aktywności atmosfery należą: równikowa strefa niskiego ciśnienia, wyże podzwrotnikowe, niże umiarkowanych szerokości geograficznych nad oceanami.

Tab. 7. Centra działania atmosfery.

PÓŁKULA PÓŁNOCNA	PÓŁKULA POŁUDNIOWA
STYCZEŃ
Wyż wschodnioazjatycki	Niż południowoafrykański
Wyż kanadyjski	Niż australijski
Wyż azorski (słaby)	Wyż południowopacyficzny
Wyż hawajski (słaby)	Wyż południowoatlantycki
Niż islandzki	Wyż południowoindyjski (słaby)
Niż aleucki
LIPIEC
Niż południowoazjatycki	Wyż południowoafrykański
Niż południowokanadyjski	Wyż australijski
Wyż arktyczny (słaby)	Wyż południowopacyficzny
Wyż azorski (silny)	Wyż południowoatlantycki
Wyż hawajski (silny)	wyż południowoindyjski (silny)

W tabeli kolorem czerwonym oznaczono ośrodki stałe, czarnym - zmienne.

Inne określenia to: globalna cyrkulacja atmosfery, planetarna cyrkulacja atmosfery.

Dawniej górne prądy od równika do szerokości podzwrotnikowych nazywano antypasatami, obecnie zarzucono tę nazwę, gdyż obserwacje radiosondażowe wykazały, że w górnej troposferze są to wiatry strefowe, geostroficzne, równoległe do izobar, które na tych wysokościach (nawet w warunkach rzeczywistych) mają przebieg równoleżnikowy.

W zachodniej literaturze tę strefę określa się jako ITCZ (Intertropical Convergence Zone).

---