13.2: Походження пустель

Last updated
Save as PDF

Page ID: 36162

Chris Johnson, Matthew D. Affolter, Paul Inkenbrandt, & Cam Mosher
Salt Lake Community College via OpenGeology

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Атмосферна циркуляція

Двигун, який керує циркуляцією в атмосфері та океанах, - це сонячна енергія, яка визначається середнім положенням сонця над земною поверхнею. Пряме світло забезпечує нерівномірне нагрівання в залежності від широти і кута падіння, з високою сонячною енергією в тропіках, і мало або зовсім немає енергії на полюсах. Атмосферна циркуляція і географічне положення є основними причинними агентами пустель.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Узагальнена циркуляція атмосфери

На малюнку показана узагальнена циркуляція атмосфери. Існують три узагальнені циркулюючі клітини висхідного та потопаючого повітря, які називаються клітиною Хедлі, Клітиною Ферреля або середньої широти та Полярною клітиною. Сонячна енергія, що потрапляє на екваторіальний пояс, нагріває повітря і змушує його підніматися. Повітря, що піднімається, охолоджується, і його міститься волога падає назад на тропіки як дощ. Потім більш сухе повітря продовжує поширюватися на північ і південь, де він стикається з Ferrel Cell, і вони опускаються назад приблизно на 30 градусів північної та південної широт. Це потопаюче більш сухе повітря створює пояси переважаючого високого тиску, уздовж яких умови пустелі переважають у так званих «кінських широтах». Ці пояси переважно високого тиску мають повітря, яке спускається уздовж цих поясів і тече або на північ, щоб стати вестерліями, або на південь, щоб стати пасатами. Ці циркуляційні клітини в атмосфері, що піднімаються в тропіках і полярних регіонах і потопають у кінських широтах, виробляють пустельні пояси вздовж кінських широт приблизно на 30 градусів на північ і південь від екватора [2]. Зверніть увагу на стрілки, що вказують загальні напрямки вітрів в широтних зонах. У тропіках переважають пасати, а західні - в середніх широтах.

Район охоплює більшу частину Невади, найсхіднішу Каліфорнію, південну Айдахо та західну Юту. — Ілюстрація\(\PageIndex{1}\): Карта USGS Великої пустелі басейну.

Інші пустелі мають інші атмосферні явища зобов'язані (принаймні частково) своїм походженням, як пустеля Юта, Невада та прилеглі райони, які називаються пустелею Великого басейну [3]. Ця пустеля, маючи деякі ефекти потопаючого повітря через глобальну циркуляцію, також є дощовою тіньовою пустелею, що утворюється, оскільки вологе повітря з Тихого океану піднімається орфографічним підйомом над горами Сьєрра-Невада (та інші) і втрачає вологу від попередньої конденсації та опадів на дощовій стороні діапазон (и).

Він знаходиться в західно-центральній Південній Америці — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Карта пустелі Атакама (жовта) та навколишніх суміжних кліматичних районів (помаранчева).

Одне з найсухіших місць на землі - пустеля Атакама на півночі Чилі [4]. Це смуга уздовж західного узбережжя Південної Америки, на захід від Анд, що лежить на північ від 30 градусів південної широти, біля південного краю пассатного поясу. Тепле вологе повітря рухається на захід через басейн Амазонки і піднімається над Андами, де втрачає вологу, її опади падають на сторону дощового лісу гір. Опинившись над горами, він спускається на Атакаму, де зустрічає повітря, охолоджене холодним Перу (Гумбольдт) океанічним течією, що протікає на північ вздовж узбережжя. Це вважається найсухішим (неполярним) місцем на землі, де місця в Атакамі не отримували опадів протягом декількох років [5].

Потопаюче повітря зосереджено на північ від Гренландії, близько до північного полюса. — Ілюстрація\(\PageIndex{1}\): Полярний вихор середини листопада 2013 року. Цей холодний, спускається повітря (показаний фіолетовим кольором) характерний для полярної циркуляції.

Посилаючись знову на малюнок вище, зверніть увагу, що полярні регіони також є переважно областями високого тиску спадного холодного і сухого повітря. Ще одна циркуляційна клітина зустрічається там, відома як Полярна клітина [6]. Тут повітря не тільки конвективно спускається через те, що холодне, але холодне повітря може утримувати набагато менше вологи, ніж тепле повітря, і, таким чином, найсухішими і найхолоднішими місцями на Землі є полярні пустелі. Антарктида є не тільки в даний час найсухішою землею на Землі сьогодні, але будь-яка земля, яка займає полюси в історії Землі, завжди повинна бути сухою.

Ефект Коріоліса

Анімація, що ілюструє м'яч, кинутий на обертовий диск від центру до краю. Розглядаючи з точки зору стаціонарного глядача на диску, він, здається, слідує вигнутому шляху. GFDL або CC-BY-SA-3.0], через Вікісховище" width="200" src="https://geo.libretexts.org/@api/deki...tanimation.gif">

У необертовій Землі повітря піднімався б на екваторі, опускався на полюсах, створюючи одну циркуляційну клітинку. Однак, як зазначалося вище, Земля має три осередки. Чому? Коли об'єкти рухаються по обертовій сфері, виникає ефект, який називається ефектом Коріоліса, який викликає відхилення в русі. У північній півкулі цей прогин - вправо; в південній - вліво. Це має два наслідки для мас повітря (і води), що рухаються по землі. Нижнє повітря в клітині Хедлі рухається до екватора над земною поверхнею. Це повітря відхиляється вправо в північній півкулі та ліворуч у південній півкулі, створюючи пасати, які перенесли європейських дослідників до Південної Америки та Карибського басейну. Клітини середньої широти рухаються поверхневим повітрям на північ до полюса в північній півкулі (і південь у південній півкулі) від кінських широт, який відхиляється знову вправо (або ліворуч у південній), утворюючи зону вестерлій. Високо над Землею повітря, що піднімається з екватора, прикріпився б до потопаючого повітря на полюсах, але знову ж таки, він відхиляється, викликаючи замість цього потопаюче повітря на 30° і піднімається на 60°. Це розбиває циркуляцію на три клітини замість однієї.

Щоб зрозуміти ефект Коріоліса, спочатку розглянемо рух уздовж меридіанів (лінії, що з'єднують полюси і йдуть північ-південь). Земля обертається на схід, тобто все на Землі рухається зі швидкістю на схід залежно від її широти. На даній широті об'єкти мають певний імпульс цього руху в залежності від довжини радіуса від його широти до осі обертання Землі. У північній півкулі, якщо об'єкт рухається на північ, він має більший імпульс на схід, ніж інші об'єкти на новій більш північній широті. Якщо він рухається на південь, він має менший імпульс, ніж інші об'єкти на цій новій більш південній широті. Тому він має тенденцію рухатися вправо порівняно з фіксованими місцями на цій новій широті. Протилежне відбувається в південній півкулі.

Вплив сили тяжіння та доцентрової сили для отримання ефекту Коріоліса на рухому масу E-W на обертовій Землі — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Сили, що діють на масу, що рухається Схід-Захід у Північній півкулі на обертовій Землі, що виробляють ефект Коріоліса

Тепер розглянемо рух у напрямку схід-захід знову думаючи про імпульс, наданий радіусом від осі обертання Землі. Доцентровий ефект обертання Землі змушує об'єкти на землі, як правило, вимушені назовні перпендикулярно осі обертання, доцентрового ефекту або «сили». Оскільки гравітація утримує речі на земній поверхні (гравітаційна сила вказує на центр Землі, перпендикулярно поверхні), вони насправді не вилітають назовні, звичайно. Але враховуючи складові сили, що діють на масу на поверхні Землі або над нею, доцентрова складова перпендикулярна осі спіна Землі. Складова гравітації перпендикулярна земній поверхні, спрямованої до центру Землі. Якщо об'єкт рухається на схід, швидкість об'єкта додає до швидкості обертання землі, а доцентровий ефект посилюється, таким чином чистий ефект гравітації та доцентрової складової, паралельної поверхні, викликає відхилення вправо (зліва в південній півкулі). Якщо об'єкт рухається на захід, його швидкість віднімається від швидкості обертання і зменшує доцентровий ефект. Прогин знову вправо (зліва в південній півкулі). При будь-якому напрямку руху меридіональний і доцентровий ефекти поєднуються, при цьому незалежно від того, в якому напрямку рухається об'єкт на обертовій землі, спостерігається тенденція до відхилення вправо в північній півкулі (зліва в південній).

Ілюстрація Землі з колами, що показують відхилення Коріоліса вправо в Північній півкулі і вліво в Південній півкулі.

Об'єктами найбільшого інтересу в геонауці, на які впливає вплив Коріоліса на землю, є повітряні та водні маси. Оскільки вітрові візерунки, особливо переважаючі, викликають океанські течії, то водні маси відчувають це також. Насправді будь-який об'єкт, що рухається по землі, відчуває це. Наприклад, ефект Коріоліса повинен бути врахований артилеристами, які розраховують траєкторію артилерійських снарядів на точність удару по цілям на великі відстані.

Ефект Коріоліса створює великі підкругові обертові течії, які називаються гірами в океанах, повертаючи за годинниковою стрілкою в північній півкулі та проти годинникової стрілки на півдні під ефектом Коріоліса. Ці течії приносять холодну воду вздовж західних узбережжя Північної та Південної Америки, сприяючи більш сухому клімату Атаками та Центральної та Південної Каліфорнії. Ефект Коріоліса, що діє як на атмосферу, так і на океан, є основним фактором клімату та погоди на землі.

Кожен струмінь рухається на захід. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Два струменеві потоки Землі. Більш сильний Polar Jet пов'язаний з низьким тиском. Коли Полярний струмінь рухається зі свого звичайного середнього місця розташування 60°, він приносить низький тиск у пустельні регіони поблизу 30°. Це головна, але не тільки, причина опадів в середніх широтах.

Застосування ефекту Коріоліса можна побачити в телевізійному звіті про погоду. Системи високого тиску, як правило, відображаються великим «H» і вказують на сухі умови, а системи низького тиску - великим «L», що вказує на хмари або опади. Повітря витікає назовні з високого і через ефект Коріоліса він обертається за годинниковою стрілкою (вправо). Вона стікає всередину до низького і знову повертається вправо, обертаючись проти годинникової стрілки. Звичайно, звіти про погоду в Південній півкулі показують протилежне. Ще одна цікава реалізація ефекту Коріоліса та зони Вестерлісу полягає в тому, що погодні системи, як правило, рухаються із заходу на схід як по Північній Америці, так і південній частині Південної Америки. Високий тиск і низький тиск, які існують через нерівномірне нагрівання атмосфери та ефект Коріоліса, створюють високий і низький тиск на погодній карті. Хаотичний характер атмосфери (і швидко рухаються потоки, як струмінь струменя) змушує ці високі та низькі тиску постійно і послідовно рухатися. Це важливо, адже при 30 градусах без цього руху низький тиск ніколи б не існувало! Це означає, що дощ ніколи не прийде. Навіть у найсухіших районах цієї зони, як Атакама, іноді йде дощ. Високий тиск зазвичай існує тут, але тільки не весь час. Таким чином, ці повітряні рухи, як переважаючі, так і спорадичні, є важливими для розуміння клімату та його геологічних наслідків.