Atmosfersko kroženje: vloga sonca, Coriolisove sile in tri celice
Razumevanje atmosferskega kroženja: kako Sonce, Coriolisova sila in tri celice (Hadley, Ferrel, Polarna) oblikujejo vreme in podnebje Zemlje.
Atmosfersko kroženje je obsežno gibanje zračnih mas, ki prenaša toploto, vlago in gibalno količino po Zemljinem obsegu. Izvor teh procesov je sončno sevanje. Sončni žarki so predvsem kratkovalovni; Zemlja del tega sevanja absorbira in segreje površje. Del vhodne energije se odbije ali razprši nazaj v prostor, medtem ko Zemlja oddaja energijo kot dolgovalovno (infrardeče) sevanje. Del tega povratnega sevanja ostane v ozračje zaradi toplogrednih plinov, kar vodi v večjo srednjo temperaturo površja kot bi bila brez tega učinka. Toplotna energija se nato porazdeli po planetu z dvigovanjem toplih zračnih tokov, spuščanjem hladnih mas, horizontalnim gibanjem vetrov in z izmenjavo s oceanom.
Viri pogona in mehanizmi prenosa
Osnovni pogon atmosferskega kroženja je neenakomerno segrevanje Zemljinega površja: ekvator prejme več sončne energije na enoto površine kot polarne širine. Ta temperaturna in s tem tlakova razlika ustvarja sile, ki prisilijo zrak, naj se premika. Toplotni transport poteka s konvekcijo (dviganje toplih zračnih stebrov), z lateralnim prelivanjem zračnih mas in s prenosom latentne toplote (izhlapevanje in kondenzacija vode).
Tri osnovne celice
Pri globalnem merilu klimatske strukture se pogosto uporablja model treh osnovnih celic na vsaki polobli:
- Hadleyjeva celica (približno od ekvatorja do ~30° zemljepisne širine): na ekvatorju se močno segret zrak dviguje v coni ITCZ (ekvatorialna konvergenčna cona), povzroča obilne padavine in konvekcijske nevihte; pri približno 30° zrak ohladi in se spušča, kar ustvarja subtropske višinske tlake in suhe razmere (pustinje).
- Ferrelova celica (približno med ~30° in ~60°): deluje kot vmesnik med Hadleyjevo in polarno celico; v njej površinski zrak nagiba proti polu, nad njim se dviguje in teče nazaj proti nižjim širinam. Ferrelova celica ni tako dinamično pogojena kot Hadleyjeva; veliko njenih značilnosti izhaja iz interakcij med različnimi zračnimi masami in vremenskimi motnjami.
- Polarna celica (približno od ~60° do pola): hladnejši zrak na polih spušča in pritiska proti nižjim širinam, pri ~60° pa se dviguje ob srečanju s toplejšimi zračnimi masami, kar pogosto povzroča frontalno aktivnost in padavine ob polarni fronte.
Meje med celicami se ne nahajajo vedno natanko na navedenih širina; sezonske spremembe, lega kopnega in morja ter večje tropske motnje lahko položaje celic premikajo.
Coriolisova sila in vpliv na smer vetrov
Klimatološka struktura, ki vključuje omenjene celice, je dolgoročno razmeroma stabilna, a se spreminja v krajših časovnih razponih. Na gibanje zračnih mas močno vpliva Coriolisova sila, ki je posledica zemeljskega vrtenja. Coriolisova sila ne ustvarja vetrov, temveč jih usmerja: na severni polobli zavija gibanje v desno, na južni polobli v levo. Posledica tega so značilne smeri glavnih vetrov:
- Trenutki v Hadleyjevi celici: površinski vetrovi, ki tečejo proti ekvatorju, so zaradi Coriolisove sile odklonjeni in postanejo pasovi trgovskih vetrov (trade winds) — iz severovzhoda na severni polobli in iz jugovzhoda na južni polobli.
- V srednjih širinah (Ferrelova celica) prevladujejo zahodnjaki (westerlies) — vetrovi, ki prinašajo z zahoda proti vzhodu in pomembno vplivajo na vreme v zmernih pasovih.
- V polarnih območjih se oblikujejo polarni vzhodnjaki (polar easterlies), saj se hladne polarne zračne mase premikajo proti nižjim širinam in so zaradi Coriolisove sile odklonjene v vzhodno smer.
Posledice za vreme in podnebje
Atmosfersko kroženje vpliva na porazdelitev padavin, temperatur in vetrov ter ima ključni pomen za podnebne pasove. Na primer, območja vztrajnega spuščanja zraka (subtropski maksimumi) so suha in tvorijo svetovne puščave, medtem ko cona vztrajnega dviganja pri ekvatorju povzroča tropsko vlažno podnebje. Meje med celicami so tudi regije močnejše vremenske dinamike, kjer nastajajo cikloni, fronte in hitri tokovi v višinah (jet streams), ki pospešujejo premikanje vremenskih sistemov.
Spremenljivost in vplivi človeka
Čeprav je osnovna trojnost celic trajna značilnost atmosferskega sistema, so podrobnosti in položaji celic spremenljivi. Spremembe v razporeditvi toplote (npr. segrevanje Arktike, El Niño/La Niña) lahko premaknejo celice in jet stream ter spremenijo pogostost ekstremnih dogodkov. Antropogeno segrevanje spreminja energijsko ravnovesje atmosfere in s tem vpliva na moč, raztezanje in dinamiko kroženja, kar ima posledice za regionalne vzorce padavin, sušo in intenzivnost neviht.
Na kratko: atmosfersko kroženje je rezultat neenakomernega segrevanja Zemlje, prenaša toplotno energijo in vlago ter oblikuje globalne vetrove in podnebne pasove; Coriolisova sila daje vetrovom značilne smeri, tri celice (Hadley, Ferrel, Polar) pa predstavljajo osnovno organizacijo tega sistema.
Hadleyjeva celica
Zemlja in oceani se na ekvatorialnih območjih intenzivno sevajo. Vroč in običajno vlažen zrak se dviguje. To se imenuje konvekcija. Ta proces ustvarja območje nizkega tlaka vzdolž ekvatorja. To območje se imenuje tudi medtropsko konvergenčno območje. Vroč zrak se giblje proti jugu in severu ter se ohlaja. Ko je zrak dovolj hladen, se ponovno spusti na površje. Tako nastajajo puščave in polpuščave v subtropih. Ko dosežejo 30 stopinj zemljepisne širine, se zračne mase vrnejo na deževni ekvator.
Polarna celica
Zrak na 60 stopinjah zemljepisne širine je hladnejši in bolj suh od zraka na ekvatorju. Po drugi strani pa so še vedno možna gibanja v smeri vzpona. Značaj procesov je podoben Hadleyjevi celici. Toplejši zrak se dviguje, na polih pa pada navzdol. Ta zrak se vrača na ekvator.
Celica Ferrell
Gibi med 30 in 60 stopinjami so bolj zapleteni. Temperatura ni glavni razlog za to kroženje. Zrak v tej celici zmernega pasu se giblje glede na razlike med gibajočimi se masami v Hadleyjevi in polarni celici. Prevladujejo zahodni vetrovi.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je atmosfersko kroženje?
O: Atmosferska cirkulacija je obsežno gibanje zračnih mas.
V: Kakšen je izvor procesov atmosferske cirkulacije?
O: Izvor procesov kroženja ozračja je sončno sevanje.
V: Kaj se zgodi s kratkovalnim sončnim sevanjem?
O: Zemlja absorbira kratkovalovno sončno sevanje, vendar se absorbira le del te energije.
V: Kaj se zgodi z energijo, ki je Zemlja ne absorbira?
O: Energija, ki je Zemlja ne absorbira, se oddaja nazaj v ozračje in v vesolje kot dolgovalovno sevanje.
V: Kako je toplotna energija razporejena na površini Zemlje?
O: Toplotna energija se na površini Zemlje porazdeli zaradi kroženja zraka.
V: Koliko celic prepoznamo v kroženju zraka?
O: V atmosferski cirkulaciji poznamo tri celice: Hadleyjevo celico, Ferrelovo celico in Polarno celico.
V: Kaj je Coriolisova sila in kako vpliva na gibanje zračnih mas?
O: Coriolisova sila je sila, ki povzroča preusmerjanje zraka proti zahodu. Vpliva na gibanje zračnih mas.
Iskati