6.7: Циркуляція світового масштабу

Циркуляція повітря над землею багато в чому обумовлена нерівномірним нагріванням поверхні. Глобальна циркуляція тиску і вітру відіграє невід'ємну роль в тепловому балансі землі, а також створення глобальних океанічних течій. Глобальна циркуляція атмосфери переносить тепле повітря з низьких широт в бік високих широт, а холодне повітря з високих широт в низькі широти. Цей обмін зберігає регіони з низькими широтами, де існує чистий приріст енергії протягом року від постійного нагрівання та високих широт від постійного охолодження через чисту втрату енергії (див. Широтні зміни радіаційного балансу).

Географи часто використовують триклітинну модель для опису основних особливостей глобальних моделей вітру та тиску Землі. Основними припущеннями моделі є:

• Земля однорідного поверхневого складу; і

• нерівномірне отримання інсоляції дає градієнт температури між екватором і полюсами

З цими умовами на обертовій Землі передбачається три циркуляційні клітини між екватором і полюсами, клітина Хедлі між екватором і широтою 30 ^о, середньоширотна або Ferrel Cell між широтами 30 ^o і 60 ^o , а полярна клітина між широтою 60 ^o і 90 ^o.

Ідеалізований поверхневий тиск і вітер

Екваторіальна область Землі відчуває чистий приріст енергії протягом року. Інтенсивне нагрівання, виявлене в низьких широтах, обумовлено високими кутами сонця та майже однаковою довжиною дня протягом року. Тепло, отримане земною поверхнею, передається в повітря за допомогою випромінювання та відчутної передачі тепла. Конденсація водяної пари також додає тепла навколишньому повітрю. Нагріте повітря набирає плавучість і легко піднімається у вологу тропічну атмосферу. Конвективний підйом повітря сприяє широкій області низького тиску, яка охоплює екватор, який називається екваторіальним жолобом. Екваторіальний жолоб також відомий як зона міжтропічної конвергенції.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Глобальна картина вітру та тиску ((Надано NASA JPL) (Джерело))

Коли повітря піднімається над поверхнею, він розходиться біля вершини тропосфери і рухається на полюс. Просуваючись до полюса, повітря починає сходитися приблизно від 25 до 35 градусів північної та південної широти. Ви можете легко продемонструвати, чому це відбувається, розмістивши пальці на лініях довготи, надрукованих на глобусі. Рухайте рукою на полюс, тримаючи пальці на лініях довготи. Зверніть увагу, як ваші пальці сходяться, коли ваша рука рухається на полюсі. Подібне відбувається і з повітрям. Верхня конвергенція повітря та радіаційне охолодження змушують повітря стихати в субтропіках. Коли повітря досягає поверхні, атмосферний тиск збільшується, утворюючи субтропічні максимуми. Субтропічні максимуми мають значний вплив на клімат землі, а також є силою за основними океанічними течіями. Просідання до поверхні запобігає підняттю повітря, необхідного для утворення великої масштабної конденсації, утворення хмар та опадів. Крім того, компресійний нагрів повітря в міру його спуску викликає падіння відносної вологості повітря. Розташування великих пустель, як пустеля Сахара, збігається з наявністю субтропічних максимумів.

Коли повітря стихає до поверхні, воно розходиться назовні від центру субтропічних максимумів. Екватор від субтропічних максимумів вітри, як правило, легкі та змінні. «Кінські широти», як називали іспанські моряки, були регіоном, де кораблі, де часто заспокоювалися цілими днями поспіль. Щоб зберегти воду, іспанські конкістадори кидали коней в море. У Північній півкулі повітря повертається праворуч від свого шляху, коли рухається назовні. Екватор від субтропічного максимуму, градієнт тиску між максимумом при 30 ^o N і низьким над екватором створює північно-східні пасати. У південній півкулі повітря повернуто ліворуч від свого шляху, оскільки воно розходиться від субтропічної висоти, створюючи південно-східні торги.

На екваторі конвергенція відбувається між північно-східними пасатними вітрами північної півкулі і південно-східними пасатами південної півкулі, що створюють зону міжтропічної конвергенції. Сходяться торгові вітри утворюють зону заспокоєння і слабких вітрів без переважаючого напрямку вітру, який називається «депресією» між приблизно 5 ^o північної та південної широти. Старі вітрильні кораблі часто залишалися заспокоєними протягом декількох днів, чекаючи вітрів, щоб забрати.

На полюсній стороні субтропічних максимумів повітря голови з полюсом, але повернутий, щоб створити західний вітровий візерунок між 30 ^o N і 60 ^o N в Північній півкулі. Цей вітровий пояс відомий як вестерлі. Подібний західний пояс вітрів можна знайти між 30 ^o і 60 ^o S в південній півкулі.

Втрата енергії на полюсах створює дуже холодне повітря, яке стихає до поверхні. Це створює купол високого тиску, який називається полярним високим. Повітря, що рухається до екватора, повернутий у східному напрямку, створюючи полярні східні райони. Полярні східні райони стикаються з західним поясом вітру приблизно на 60 N і S, створюючи широкий пояс низького тиску, який називається субполярним низьким. Це зона штормів і мігруючих систем високого і низького тиску, тема модуля «Погодні системи».

Глобальні вітрові та напірні пояси є надзвичайно важливими елементами кліматичної системи Землі. Значною мірою вони визначають географічну картину опадів. Системи низького тиску сприяють вологим умовам, тоді як високий тиск має тенденцію до придушення опадів. Глобальні повітряні маси їздять в межах глобальних вітрових поясів, щоб принести вологу, необхідну для опадів або палючої гарячої температури. Взаємозв'язки між глобальними поясами вітру та тиску та географічним розподілом опадів розглядаються в розділах «Атмосферна вологість» та «Кліматичні системи».

Глобальні моделі тиску, опади та клімат

Глобальні системи тиску відіграють безпосередню роль у географічному розподілі опадів. Цей вплив особливо очевидний у взаємозв'язку між моделями тиску та розподілом опадів та кліматом в Африці. Здебільшого існує горизонтальна картина клімату, що тягнеться від екватора до полюса 30 ^o N, пов'язана з розташуванням зони міжтропічної конвергенції (ITCZ), напівпостійного субтропічного високого (STH) та циклонів середніх широт.

Починаючи з екватора найдощовіший клімат на землі, тропічний тропічний ліс (Af) і тропічний мусон (Am). Тропічний тропічний ліс відзначається своїм високим, цілорічним падінням дощу, який часто перевищує 100 дюймів на рік. Рясні опади є продуктом теплих вологих повітряних мас, які сходяться в пояс низького тиску, який перетинає екватор і піднімається конвекцією. Мусонний клімат в Африці, як і азіатський мусон, має помітний сухий період під час сезону низького сонця. Сухий період обумовлений наявністю просідає повітря субтропічної височини, в той час як вологий сезон обумовлений наявністю ІТЦ і вологоносних пасатів вздовж узбережжя.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Зв'язок клімату з глобальними моделями тиску в Африці
(модифіковано від Trewartha, Robinson, Hammond та Horn, 1977, стор. 100)

Полюс мусонного та тропічного лісового клімату - це тропічний вологий/сухий клімат (Aw), який часто називають кліматом «Савана». Як і мусонний клімат, опади є сезонними, хоча тропічний вологий/сухий клімат отримує набагато менше щорічно. Під час сезону низького сонця переважає STH, що створює надзвичайно сухі умови. Клімат савани вважається перехідним кліматом між дощовим тропічним і сухим тропічним кліматом.

Клімат тропічного степу (BS) переважає STH протягом більшої частини року, хоча він отримує короткі дощі під високим сонцем, оскільки ITCZ мігрує в цей регіон. Клімат тропічного степу вважається напівпосушливим кліматом з достатньою кількістю опадів для підтримки посухостійких трав, але не для дерев. Полюсом степу є тропічний пустельний клімат (BW). Клімат тропічних пустель є найсухішим на Землі, який в деяких місцях практично не має вимірюваних опадів щорічно. Надзвичайна посушливість частково обумовлена цілорічним пануванням субтропічної височини.

Приблизно на 30 ^о північній широті ми стикаємося з іншою зоною тропічного степового клімату. Хоча кліматичні умови однакові, сезонне домінування систем тиску змінилося. Під час високого сезону сонця STH переїжджає в цей регіон, щоб створити сухі умови. Взимку циклони, породжені в середніх широтах, ковзають у степовий клімат, щоб принести спорадичні та короткі зливи.

Нарешті, ми досягаємо Середземного моря, де ми знаходимо Сухий літній субтропічний клімат (Cs), або іноді його називають «середземноморським кліматом». Як і степовий клімат на її екваторному кордоні, він має сухий літо/вологий зимовий режим опадів. Однак регіон щорічно отримує більше опадів, ніж сусідній степовий клімат.

Щоб дізнатися більше про вплив циркуляції атмосфери на наше середовище, перейдіть: «Копання глибше: системи якості повітря та тиску» або перейдіть до наступної теми.

Глибше копання: система якості повітря та тиску

Регіони, схильні до проблем забруднення повітря, є наслідком взаємодії кліматичних і топографічних умов при наявності джерел забруднення. Забруднення повітря особливо помітне там, де домінує високий тиск. Стихаючі рухи всередині антициклону пригнічують повітря, намагаючись піднятися з поверхні. Адіабатичне потепління просідаючого повітря створює просідання інверсії, яка діє як ковпачок для повітря, що рухається вгору. Проблеми забруднення розсіюються, коли система низького тиску замінює відступаючий антициклон.

Лос-Анджелес, Каліфорнія є ідеальним тематичним дослідженням впливу клімату та рельєфу на забруднення повітря. Топографічно Лос-Анджелес сидить у басейні з горами Сан-Габріель на схід від міста. Влітку субтропічна клітина високого тиску над східною частиною Тихого океану мігрувала до своєї північної межі і розширилася в розмірах. Просідаюче повітря субтропічного високого стискається, коли він спускається через атмосферу, створюючи теплий шар повітря на висоті. Крім того, адіабатичний нагрів знижує відносну вологість, запобігаючи розвитку хмар. Безхмарне небо дозволяє багато інсоляції досягти поверхні.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Фактори, що сприяють забрудненню повітря в Лос-Анджелесі, штат Каліфорнія
(Перераховано після Gabler et. al., 1999)

На поверхню повітря, охолоджене холодною каліфорнійською течією, виходить на берег на прохолодному морському бризі. Щільне прохолодне повітря занурюється в тазик, коли він потрапляє на землю. Гори на схід перешкоджають виходу повітря з околиць басейну. З прохолодним повітрям на поверхні і теплим шаром висоті умови інверсії приживаються. Інверсія обмежує висоту, на яку переміщуються забруднюючі речовини, що утворюються промисловою діяльністю та автотранспортними засобами. Під безхмарним небом інсоляція ініціює фотохімічні реакції в міській атмосфері, щоб створити сумнозвісну проблему смогу, яку має Лос-Анджелес.