Tu wszystko się zaczyna, czyli dopływ promieniowania słonecznego i nagrzanie powierzchni Ziemi

Gdyby powierzchnia Ziemi była jednakowo nagrzana, powietrze, które nad nią zalega, charakteryzowałoby się poziomym gradientem temperaturygradient temperaturygradientem temperatury równym zeru, a odległości między kolejnymi powierzchniami izobarycznymi (powierzchniami jednakowego ciśnienia) byłyby jednakowe, zatem ich gradient także byłby równy zeru.

RMfYtVpvuyA1I

Na ilustracji znajdują się trzy proste linie, ułożone równolegle. Nad pierwszą od góry linią zapisano p indeks dolny 3 mniejsze od p indeks dolny 2. Nad środkową linią widnieje oznaczenie p indeks dolny 2 mniejsze do p indeks dolny 1. Nad dolną linią zamieszczono napis p indeks dolny 1 mniejsze od p indeks dolny 0.

Nierównomierny dopływ promieniowania słonecznego powoduje nagrzanie podłoża w jednym miejscu, podczas gdy w innym pozostaje ono chłodniejsze. Ciepłe powietrze o mniejszej gęstości unosi się ku górze, co powoduje, że odległości między powierzchniami izobarycznymi są w nim większe. Powstaje poziomy gradient ciśnienia atmosferycznego, nad nagrzanym podłożem przy powierzchni ziemi tworzy się niż, nad chłodniejszym, gdzie powietrze opada – wyż atmosferyczny. Ten układ wymusza poziomy ruch powietrza, czyli wiatr.

R173OkOnvYW2N

Ilustracja składa się z dwóch schematów. Na pierwszym od góry schemacie lewą stronę podpisano jako chłodno, a prawą jako ciepło. Z lewej strony zapisano literę N, a z prawej strony W. W tle przebiegają linie - od lewej strony są one poziome i równoległe, ale im dalej na prawo tym bardziej odginają się one w górę. Linie te oznaczają strumień ciepła. Od litery W do litery N biegnie gruba czerwona strzałka symbolizująca wiatr. Na dolnym schemacie linie strumienia ciepła są w takim samym układzie. Lewą stronę obrazka podpisano jako chłodno, a prawą jako ciepło. Po lewej stronie schematu widnieje litera N. Biegnie od niej czerwona strzałka w dół, do znajdującej się tam litery W. Następnie od tej litery W biegną czerwone strzałki w prawo, ku kolejnej literze N. Od tego oznaczenia poprowadzono czerwoną strzałkę w górę, do znajdującej się tam litery W. Układ zamykają czerwone strzałki poprowadzone od tej litery W do litery N znajdującej się po lewej stronie schematu.

Powstaje cyrkulacja termiczna, a mechanizm ten stanowi podstawę ogólnej cyrkulacji atmosferycznej. Ciepłe powietrze wznosi się w miejscu powstania przypowierzchniowego niżu (tworzy się nad nim górny ośrodek wysokiego ciśnienia). Powietrze zaczyna przemieszczać się z górnego wyżu do niżu, w którym opadając ku powierzchni ziemi, tworzy przypowierzchniowy wyż. W ten sposób uzupełniany jest niedobór masy powietrza, które napływa w kierunku przeciwnym niż przepływ górny. Model ten w rzeczywistości zaburzony jest przez lokalne warunki – orografię terenu, jego pokrycie, działanie siły Coriolisa, a przede wszystkim warunkuje go bilans promieniowania na różnych szerokościach geograficznych.

R6wG6bH1XRTdM

Ilustracja przedstawia bilans promieniowania na rożnych szerokościach geograficznych. Pionowa oś oznacza promieniowanie roczne, na osi poziomej zaznaczono szerokości geograficzne od 90 stopni szerokości północnej, przez 0 stopni szerokości geograficznej aż do 90 stopni szerokości południowej. Nad podziałką szerokości geograficznej centralnie, nad szerokością 0 stopni, umieszczono napis "transfer ciepła", od którego odchodzą dwie strzałki - jedna w prawo, druga w lewo. Na schemacie zielona linia oznaczająca energię wypromieniowaną przez powierzchnię ziemi przechodzi przez całą zaznaczoną na podziałce szerokość geograficzną, stanowiąc łuk o niewielkim wygięciu w okolicach 0 stopni szerokości geograficznej. Druga linia na schemacie, fioletowa, oznacza energię słoneczną pochłoniętą przez powierzchnię Ziemi. Linia ta ma kształt bardziej wygiętego łuku, jej początek znajduje się poniżej linii zielonej, następnie na szerokości geograficznej północnej ok. 60 stopni przecina linię zieloną, wznosząc się dalej aż do szerokości 0 stopni, gdzie zaczyna opadać. W okolicach szerokości geograficznej północnej 45 stopni przecina zieloną linię, podążając w dół. Przecinające się linie tworzą trzy zaznaczone obszary. Dwa z nich, wyznaczone od góry linią zieloną, a od doły fioletową, zostały opisane jako niedobór energii. Obszar pomiędzy grzbietem linii fioletowej a znajdującym się pod nim grzbietem linii zielonej oznaczono jako nadwyżkę energii.

Zanim doszliśmy do współczesnego, trójkomórkowego modelu ogólnej cyrkulacji atmosfery…

Historia opisu ogólnej cyrkulacji atmosfery rozpoczyna się w 1735 r., kiedy to angielski meteorolog George Hadley zaproponował model jednokomórkowej cyrkulacji atmosfery. Model ten był dosyć prosty – składał się z jednej komórki na półkuli północnej i jednej na półkuli południowej, w których mechanizm przemieszczania się powietrza odpowiadał mechanizmowi cyrkulacji termicznej. W myśl zaproponowanego modelu nagrzane w strefie równikowej powietrze wznosi się ku górze, oziębia, powstają chmury konwekcyjne. Kondensacja pary wodnej powoduje ujawnianie tzw. ciepła utajonegociepło utajoneciepła utajonego, które towarzyszy zmianie stanu skupienia z gazowego na ciekły (podobnie jest podczas gotowania wody w czajniku – włożenie ręki do wydobywającej się z czajnika skroplonej pary wodnej może spowodować poparzenie). Powietrze nie może osiągnąć stabilnej tropopauzy, dlatego zaczyna rozpływać się „na boki”, kierując się ku biegunom. Tam opada, tworząc układ wysokiego ciśnienia i wraca przy powierzchni ziemi od biegunów do równika.

R1OEMA0uuQ1do

Schemat przedstawia kulę ziemską z zaznaczonym równikiem, południkiem 0 i linią prostą łączącą bieguny. Przy krawędzi kuli widoczne są cztery zamknięte cykle, zbudowane ze strzałek połączonych ze sobą. Jeden cykl - czyli tak zwana komórka - mieści się pomiędzy biegunem północnym a równikiem po lewej stronie kuli, drugi - po prawej stronie. Analogicznie umieszczone są dwa pozostałe cykle - pomiędzy biegunem południowym a równikiem.

Współcześnie opis ten jest przyjmowany jako charakterystyka jednej z trzech komórek cyrkulacyjnych, która swoją nazwę zawdzięcza nikomu innemu, jak właśnie G. Hadleyowi. Ponad 100 lat później amerykański klimatolog William Ferrel przedstawił koncepcję trójkomórkowego modelu ogólnej cyrkulacji (a jego nazwisko stało się znane jako nazwa drugiej z kolei komórki cyrkulacyjnej na obydwu półkulach). W komórce Ferrela powietrze wznosi się w pobliżu 60° szerokości geograficznej północnej i południowej i opada w okolicach zwrotników.

R10ewz36v2ci9

Schemat przedstawia kulę ziemską z zaznaczonymi: równikową strefą ciszy i czterema równoleżnikami – dwoma w stronę północną i dwoma w stronę południową; południkiem zero oznaczonym pionową linią przerywaną i czterema południkami – dwoma w stronę wschodnią i dwoma w stronę zachodnią. Kierunki cyrkulacji oznaczono granatowymi strzałkami. Pomiędzy równoleżnikami oznaczone są: tuż na równoleżnikiem – pasaty południowo-wschodnie z strzałkami w kierunku południowo-wschodnim, wyżej – stałe wiatry zachodnie wiejące w kierunku zachodnim. Nad stałymi wiatrami zachodnimi od góry znajdują się strzałki skierowane w stronę południowo-wschodnią. Pod równoleżnikiem znajdują się: pasaty południowo-wschodnie skierowane w stronę południowo-wschodnią, stałe wiatry zachodnie wiejące w kierunku zachodnim. Pod stałymi wiatrami zachodnimi znajdują się strzałki skierowane w kierunku północno-wschodnim. Na ilustracji delikatnie zarysowane są kontury kontynentów. Przy krawędzi kuli wzdłuż jej całego obwodu widocznych jest dwanaście zamkniętych cykli zbudowanych ze strzałek łączących się ze sobą. Po prawej stronie ilustracji, na wschodniej części kuli oznaczono 6 komórek. W kierunku od północy na południe są to: Komórka polarna, Komórka Ferrela, dwie Komórki Hadleya znajdujące się na nad i pod równikową strefą ciszy, następnie – Komórka Ferrela i Komórka polarna. Po prawej stronie kuli oznaczono Front polarny umieszczony pomiędzy biegunem północnym a równikiem oraz Front polarny umieszczony pomiędzy biegunem południowym a równikiem.

RiL3BWasnxbbm

Schemat przedstawia ogólną cyrkulację atmosfery. Na ilustracji widoczna jest kula ziemską z wodami zaznaczonymi kolorem ciemnoniebieskim i lądami w kolorze zielonym. Na kuli zaznaczone są od góry za pomocą przerywanych kresek: biegun północny, front polarny, zwrotnik Raka, równik oznaczony dodatkowo jako równikowy pas ciszy, zwrotnik Koziorożca, front polarny i biegun południowy. Pomiędzy nimi za pomocą granatowych strzałek oznaczone są różne wiatry. Kierunek strzałek odpowiada nazwom wiatrów, które umieszczono po prawej stronie ilustracji. Są to: wiatry wschodnie znajdujące się między biegunem północnym a frontem polarnym; wiatry zachodnie znajdujące się między frontem polarnym a zwrotnikiem Raka, pasat północno-wschodni znajdujący się między zwrotnikiem Raka a równikiem, pasat południowo-wschodni pomiędzy równikiem a zwrotnikiem Koziorożca, wiatry zachodnie między zwrotnikiem Koziorożca z frontem polarnym i wiatry wschodnie między frontem polarnym a biegunem południowym. Po prawej stronie na ilustracji, umieszczono następujące po sobie naprzemiennie litery W i N oznaczające kierunki świata, w które wieją wiatry. Po prawej stronie, przy krawędzi kuli oznaczonych jest sześć cyrkulacji. Są to niebieskie strzałki zamknięte w cykle. Na wysokości równika dwa z nich podpisano – są to pasaty.

Trzecią komórką cyrkulacyjną jest komórka polarna. Powietrze wznosi się w cieplejszym obszarze, w okolicach 60° szerokości geograficznej północnej i południowej, opada w okolicach biegunów. Wszystkie trzy komórki wykazują w ciągu roku zmienność położenia i nasilenia w zależności od pory roku.

Cyrkulacja atmosferyczna w szerokościach pozazwrotnikowych

W umiarkowanych szerokościach geograficznych (w których położona jest także Polska) przeważają wiatry zachodnie, na co wpływają układ niżów i wyżów, omówione wcześniej siły (m.in. siła Coriolisa i siła tarcia) czy ruch obrotowy Ziemi. Częste przemieszczanie się niestabilnych wyżów i niżów barycznych w tych szerokościach geograficznych powoduje, że stałość kierunków i prędkości wiatru jest stosunkowo niewielka. Na uwagę zasługuje różnica w cyrkulacji na półkuli północnej i południowej. Brak obszarów lądowych na półkuli południowej sprawia, że notuje się tu znacznie większe gradienty ciśnienia, a zatem i prędkości wiatrów, które określa się mianem „ryczących czterdziestek” (pas wód oceanicznych biegnący wokół południowej półkuli, w przybliżeniu pomiędzy 40° i 50° S, wzdłuż którego wieją stałe wiatry zachodnie, o bardzo dużej prędkości, będące powodem częstych sztormów). Na półkuli północnej obszary lądowe modyfikują kierunek przemieszczania się układów barycznych, zwłaszcza niżów. Szerokości umiarkowane półkuli północnej cechują się dużą zmiennością pogody.

RgQqSLuQ8dt0q

Na schematycznej mapie świata z zaznaczoną siatką równoleżników i południków umieszczono czerwone strzałki symbolizujące szlaki przemieszczania się niżów pozazwrotnikowych. Na półkuli północnej strzałki te mieszczą się pomiędzy 20 a 60 stopni długości geograficznej. Ukierunkowane są z zachodu na wschód. Umieszczono je na nad Japonią i na oceanie na wschód od niej, dalej na zachód od wschodnich wybrzeży Ameryki Północnej, następnie ze środka kontynentu, poprzez Atlantyk, poprzez całą Europę, aż po Ural. Na południowej półkuli czerwone strzałki przebiegają przez całą szerokość mapy w okolicach 40 stopni szerokości geograficznej.

Wybrane lokalne czynniki wpływające na cyrkulację powietrza

Do czynników o zasięgu lokalnym, które modyfikują kierunek przemieszczania się wiatru, należy zaliczyć:

– ukształtowanie i ekspozycję terenu,

– wysokość n.p.m.,

– pokrycie terenu,

– rozkład zbiorników wodnych,

– działalność człowieka (m.in. miejska wyspa ciepła).

Przykładami wiatrów lokalnych o genezie termicznej są: bryza morska (dzienna i nocna – zobacz temat Powstawanie bryzy morskiej) oraz wiatr dolinny i górski. Różnice w nagrzaniu lądu i morza w ciągu dnia i tempa ich wychładzania nocą powodują kontrasty termiczne, które wymuszają ruch powietrza.

R1IhzBmypc996

Dwie ilustracje obok siebie. Na obu po prawej stronie znajduje się narysowany symbolicznie brzeg morski, a po lewej ląd. Lewa ilustracja ukazuje kierunek ruchu powietrza w ciągu dnia. Nad lądem znajduje się litera N, a wysoko nad nią litera W. Od litery N do W biegnie strzałka. Następnie od litery W prowadzi strzałka do litery W znajdującej się wysoko nad morzem po prawej stronie ilustracji. Od tego symbolu opada pionowo strzałka do litery W umieszczonej nad samą wodą. Kolejna, czwarta strzałka, biegnie od tej litery do litery N umieszczonej nisko nad lądem po lewej stronie. Powstaje zamknięty cykl. Druga ilustracja przedstawia ruch powietrza w nocy. Nad lądem znajduje się litera W, a wysoko nad nią litera N. Od litery N do W biegnie w dół strzałka. Następnie od litery W prowadzi strzałka do litery N znajdującej się nisko nad morzem po prawej stronie ilustracji. Od tego symbolu wznosi się strzałka do litery W umieszczonej wysoko nad wodą. Kolejna, czwarta strzałka, biegnie od tej litery do litery N umieszczonej wysoko nad lądem po lewej stronie. Powstaje zamknięty cykl.

Do wiatrów, które zmieniają swój kierunek w cyklu dobowym, należy zaliczyć także niektóre lokalne wiatry górskie. W ciągu dnia zbocza górskie ogrzewają się szybciej i bardziej niż powietrze zalegające w środkowej części doliny, dlatego powietrze przemieszcza się w górę wzniesienia. Powoduje to powstawanie chmur i opadów. W nocy zbocza wychładzają się intensywnie, a powietrze przemieszcza się od szczytów w kierunku dolin. Przykładem tego typu wiatru jest bora, występująca m.in. u wybrzeży Chorwacji na Wybrzeżu Dalmatyńskim (zobacz temat Obszary występowania i cechy wiatrów lokalnych).

Słownik