Загальна циркуляція атмосфери

Основним чинником, який спричиняє загальну циркуляцію атмосфери, є нерівномірне нагрівання земної поверхні на різних широтах, зумовлене, в свою чергу, сферичністю Землі (про що вже йшлося). Замкнутість рухів спричинена сферичністю географічного простору та дією сили Коріоліса.

Циркуляція на нерухомій однорідній Землі. Розгляд загальної системи циркуляції доцільно розпочати з найпростішої моделі – циркуляції на нерухомій однорідній сфері. Очевидно, що в такому наближенні ця схема принципово не відрізняється від описаної вище елементарної комірки циркуляції. Градієнт температури біля земної поверхні спрямований від полюсів до екватора, а градієнт тиску – в протилежних напрямках. На висоті (у верхніх шарах тропосфери) градієнт тиску має протилежний напрямок, отже, залишаються ті самі характерні риси, що їх було розглянуто вище. Відмінність в тому, що маємо вигнуту комірку відповідно до сферичної форми Землі. Звернімо увагу на те, що ізобари, які утворювали форму віяла, тепер дещо вигнуті відповідно до сферичності планети, але принципово нічого не змінилося.

Отже, встановлюється термічна циркуляція, згідно з якою повітря здіймається в жаркому поясі й опускається в холодному. Вздовж земної поверхні віє постійний вітер – північний у Північній та південний у Південній півкулях (загальнопланетарний пасат), а на висоті – вітер протилежного напрямку – антипасат.

Циркуляція на рухомій однорідній Землі. Обертання Землі ускладнює модель, що була розглянута вище, через дію сили Коріоліса. Рух повітря що виникає, змінює свій напрямок під впливом сили Коріоліса, зумовленої обертанням Землі, таким чином, що поступово значення відхилення від напрямку баричного градієнта стає близьким до 90°. Принаймні у верхньому шарі тропосфери встановлюється геострофічний перенос повітря із заходу на схід.

З цієї причини антипасат, що віє від екватора в напрямку полюса, врешті-решт набуває руху вздовж паралелі. Водночас сила баричного градієнта, що спрямована вздовж меридіана, врівноважується коріолісовою силою, яка спрямована перпендикулярно до напрямку руху – тобто також уздовж меридіана, але в протилежний бік. Це трапляється на широті 30-35° в обох півкулях.

Над цими широтами встановлюється динамічний максимум тиску. Як вже знаємо, у максимумі тиску повітря рухається низхідно. Отже, тут у субтропічних широтах відбувається повільне осідання повітря. Воно адіабатично нагрівається, тому віддаляється від точки конденсації та стає під час цього відносно сухим і жарким. Тут має місце процес подібний до фену: повітря, опускаючись донизу, набуває температури вищої, ніж на початку шляху – в екваторіальному поясі, через різницю волого- та сухоадіабатичних градієнтів. Саме тому на цих широтах найпоширенішими є пустельні ландшафти.

Рис. ххх. Комірка Гадлея в системі загальної циркуляції атмосфери

Від зони динамічного максимуму вздовж земної поверхні прямують постійні рухи повітря. Один з них нам добре відомий – пасат. Ним замикається комірка циркуляції між екватором та 30-35° широти. Вона має назву комірки Гадлея, за ім’ям англійського вченого.

Перша часткова модель кругообігу тепла була запропонована Галлеєм у 1686 р. (як при циркуляції на нерухомій однорідній Землі). У 1735 р. фізик Гадлей вдосконалив цю модель, включивши до неї вплив на повітряні потоки з боку відцентрової сили обертання Землі. Цей елемент системи циркуляції атмосфери отримав назву комірки Гадлея. У 1856 р. теорія циркуляції атмосфери була вдосконалена Феррелом, який зробив її трикомірковою, давши значно повнішу картину вітрів. Подальшого розвитку система отримала у 1941 р. завдяки працям Россбі. Хоча трикоміркова модель й складає основу нашого сьогоднігього уявлення про атмосферу, вона не враховує впливу на колообіг теплової енергії таких чинників, як зони депресій / антициклонів та висотних струменевих течій. Більш сучасний погляд на проблему, виражений у розроблених моделях теорії хвиль, описує поведінку висотних західних вітрів (хвилі Россбі), а також струменевих течій.

На рис. ххх показано комірку Гадлея в сучасному уявленні про неї. За структурою вона мало чим відрізняється від елементарної комірки циркуляції. Втім, вона має виразну генетичну відмінність: на екваторі й субтропічних широтах немає такої різниці температур (принаймні на користь екваторіальних широт), що зумовила б виникнення такої структури. Це трапляється динамічно – за рахунок сили Коріоліса.

До того ж, залежно від швидкості обертання Землі розмір комірки Гадлея змінюється, зростаючи в міру вповільнення осьового обертання планети через зменшення сили Коріоліса. Зрозуміло, що цей фактор проявляється лише протягом тривалих відрізків часу. Отже, розташування субтропічних максимумів змінюється протягом геологічної історії.

На рис. ххх подана одна з моделей загальної циркуляції атмосфери за Г. Фолтоном. Показана система пасатів, які рухаються від зон високого тиску на широті 20-40° і під дією сили Коріоліса набувають східної складової руху.

Рис. ххх. Модель загальної циркуляції атмосфери: 1 – теплий і 2 – холодний атмосферні фронти; 3 – антициклон, 4 – циклон; 5, 6 – напрямки переносу теплого й холодного повітря відповідно.

У районі екватора тиск нижчий, оскільки температура достатньо висока, і повітря утримує велику кількість водяної пари. Тут виникає нестійкість повітряного стовпа.

У помірних широтах переважає західний перенос, що має вигляд вихрових потоків – циклонів і антициклонів. Середній тиск у помірних широтах нижчий, ніж у тропічних. У полярних широтах тиск підвищується порівняно з помірним.

Отже, в районах переважно високого тиску формується низхідні рухи повітря – антициклони, а там, де тиск біля земної поверхні нижчий –висхідні рухи.

У загальному вигляді циркуляція атмосфери складається з вертикальних і горизонтальних рухів повітря, що закручується під дією сили Коріоліса, утворюючі замкнуті системи. Горизонтальні рухи поділяють на зональні (вздовж паралелей) та меридіональні, причому перші на порядок переважають другі. Проте меридіональні рухи важливі тому, що вони здійснюють міжзональний обмін повітря, а разом з тим і вирівнюють термічні контрасти між низькими і високими широтами. Разом із зональним перенесенням в океані, міжширотний обмін повітря згладжує термічні неоднорідності, спричинені солярним фактором. Тому середня температура на Північному полюсі, що дорівнює -19°С, перевищує солярну на 25°С, а на Південному – -36,5°С – перевищує солярну на 7,5°С.