Глобальная циркуляция атмосферы

Общая циркуляция атмосферы (атмосферная циркуляция) — планетарная система воздушных течений над земной поверхностью (в тропосфере сюда относятся пассаты, муссоны и воздушные течения, связанные с циклонами и антициклонами).

Схема глобальной циркуляции атмосферы

Рис.1. Схема глобальной циркуляции атмосферы

Создает в основном режим ветра. С переносом воздушных масс общей циркуляцией связан глобальный перенос тепла и влаги. Теплопередача(передача тепла) — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики. Виды теплообмена. Всего существует три простых (элементарных) вида передачи тепла:

        ·  Теплопроводность

        ·  Конвекция

        ·  Тепловое излучение

Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов. Основные из них:

        ·  теплоотдача (конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела);

        ·  теплопередача (теплообмен от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку);

        ·  конвективно-лучистый перенос тепла (совместный перенос тепла излучением и конвекцией);

        ·  термомагнитная конвекция.

Существование циркуляции атмосферы обусловлено неоднородным распределением атмосферного давления, вызванным влиянием неодинакового нагревания земной поверхности на разных широтах, а также над материками и океанами. Атмосферное давление — давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и Земную поверхность. Атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. Атмосферное давление измеряется барометром. Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °C, называется нормальным атмосферным давлением. Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, а от распределения давления зависит движение воздуха, или воздушные течения. Воздушные течения, воздушные потоки, атмосферные потоки — системы ветров над значительной площадью и в значительной толще атмосферы, обладающие определенной устойчивостью во времени и пространстве. Наиболее обширны и устойчивы В. т. общей циркуляции атмосферы в тропических широтах и муссонных областях умеренных широт.

Менее устойчивы течения умеренных широт с полярных сторон зон западных ветров в связи с подвижностью и разнообразием траекторий циклонов и антициклонов, представляющих собой подвижные системы ветров. На характер движения воздуха относительно земной поверхности важное влияние оказывает тот факт, что движение это происходит на вращающейся Земле. В нижних слоях атмосферы на движение воздуха также влияет трение. Движение воздуха относительно земной поверхности называют ветром, всю систему воздушных течений на Земле — общей циркуляцией атмосферы. Циркуляция атмосферы — система замкнутых течений воздушных масс, проявляющихся в масштабах полушарий или всего земного шара. Подобные течения приводят к переносу вещества и энергии в атмосфере как в широтном, так и в меридиональном направлениях, из-за чего являются важнейшим климатообразующим процессом, влияя на погоду в любом месте планеты.

Основная причина циркуляции атмосферы — солнечная энергия и неравномерность её распределения на поверхности планеты, в результате чего различные участки почвы и воздуха имеют различную температуру и, соответственно, различное атмосферное давление (барический градиент). Кроме Солнца на движение воздуха влияет вращение Земли вокруг своей оси и неоднородность её поверхности, что вызывает трение воздуха о почву и его увлечение. Воздушные течения по своим масштабам изменяются от десятков и сотен метров (такие движения создают локальные ветра) до сотен и тысяч километров, приводя к формированию в тропосфере циклонов, антициклонов, муссонов и пассатов. В стратосфере происходят преимущественно зональные переносы (что обуславливает существование широтной зональности). Глобальными элементами атмосферной циркуляции являются так называемые циркуляционные ячейки —ячейка Хадли, ячейка Феррела, полярная ячейка.

Глобальные элементы атмосферной циркуляции

Глобальными элементами атмосферной циркуляции являются так называемые циркуляционные ячейки —ячейка Хадли, ячейка Феррела, полярная ячейка. Ячейка Хадли это элемент циркуляции земной атмосферы, наблюдаемый в тропических широтах. Он характеризуется восходящим движением у экватора, направленным к полюсу потоком на высоте 10-15 км, нисходящим движением в субтропиках и потоком по направлению к экватору у поверхности. Эта циркуляция непосредственно связана с такими явлениями как пассаты, субтропические пустыни и высотные струйные течения. Механизм. Основная движущая сила атмосферной циркуляции - это энергия солнца, которая в среднем нагревает атмосферу больше у экватора и меньше у полюсов. Атмосферная циркуляция переносит энергию по направлению к полюсам, таким образом уменьшая градиент температур между экватором и полюсами. Механизм, при помощи которого это реализуется, различается в тропических и внетропических широтах. Между 30° с.ш. и 30° ю.ш. этот транспорт энергии реализуется за счёт относительно простой циклической циркуляции. Воздух поднимается у экватора, переносится по направлению к полюсам у тропопаузы, опускается в субтропиках и возвращается к экватору у поверхности. В высоких широтах транспорт энергии осуществляется циклонами и антициклонами, которые перемещают относительно тёплый воздух по направлению к полюсам, а холодный по направлению к экватору в одной и той же горизонтальной плоскости. Тропическая циркуляционная ячейка называется ячейкой Хадли.

В районе тропопаузы, когда воздух перемещается по направлению к полюсам, он испытывает действие силы Кориолиса, которая поворачивает ветер направо в Северном полушарии и налево в Южном полушарии, создавая тропическое высотное струйное течение, которое направлено с запада на восток. Можно представить это себе как кольцо воздуха, старающееся сохранить свой угловой момент в абсолютной системе координат (не вращающейся с Землёй). Когда кольцо воздуха перемещается по направлению к полюсу, то оказывается ближе к оси вращения и должно вращаться быстрее, что создаёт струйные течения, вращающиеся быстрее чем сама Земля, которые называются струйными течениями и направлены с запада на восток по отношению к поверхности. Аналогично у поверхности воздух, возвращающийся к экватору, вращается на запад, или замедляется с точки зрения невращающегося наблюдателя, поскольку отдаляется от оси вращения. Эти приповерхностные ветра называются пассаты. Теплый воздух над экватором поднимается и движется к полюсам. На высоте он остывает, у 30-й параллели (в обоих полушариях) опускается в приземный слой и возвращается к экватору.

Так возникает вертикальный цикл движения воздушных масс, названный ячейкой атмосферной циркуляции. Ячейки формируются также между 30-й и 60-й параллелями и между 60-й параллелью и полюсом. Перемещение воздуха в приземном слое ячеек определяет глобальную систему ветров. Вращение Земли существенно влияет на движение воздушных масс. Ветры, дующие в Северном полушарии, отклоняются вправо, а в Южном — влево от направления движения. Это называется эффектом Кориолиса. Он максимален на полюсах, минимален на экваторе.

 Ячейки атмосферной циркуляции.

Вблизи экватора возникают ячейки Гадлея, названные в честь английского ученого Джорджа Гадлея (Хадли), описавшего их в 1753 г. О существовании ячеек в средних широтах сообщил в 1856 г. американский метеоролог Уильям Феррел.

Глобальная система ветров.

Неодинаковое нагревание солнцем земной поверхности ведет к тому, что на одних широтах воздух поднимается, а на других опускается. Возникают стойкие системы ветров, влияющие на глобальный климат.

Полярная ячейка. Воздух, остывая у полюсов, опускается, движется к экватору и, нагреваясь, поднимается. Эффект Кориолиса отклоняет его у земли с востока на запад.

Струйные течения. Это узкие зоны сильных ветров, дующих в широтном направлении на больших высотах.

Ячейка Гадлея.

Нагретый у экватора воздух поднимается, движется к полюсам, остывает, опускается в приземный слой и возвращается к экватору. Эффект Кориолиса отклоняет его с востока на запад.

Ячейка Феррела.

Направление движения воздуха в ячейке противоположно тому, которое имеют воздушные массы соседних ячеек. Часть остывшего воздуха с юга, опустившись у 30-й параллели, продолжает двигаться к полюсам, а часть нагретого с севера, поднявшись у 60-й параллели, к экватору. Эффект Кориолиса отклоняет воздушный поток у земли с запада на восток. [5]