IMGW - O klimacie
 Klimat-> Czynniki klimatotwórcze-> Czynniki cyrkulacyjne 
 
 
 4.2. Czynniki cyrkulacyjne - ogólna cyrkulacja atmosfery i jej regionalne aspekty
Ogólna cyrkulacja atmosfery to charakterystyczny dla kuli ziemskiej układ krążenia powietrza w troposferze rozpatrywany w skali planetarnej. Posiada ona dwie przyczyny: nierównomierny dopływ energii promieniowania słonecznego na różnych szerokościach geograficznych oraz ruch obrotowy Ziemi wokół własnej osi. W skali całego roku najwięcej energii słonecznej dociera w okolice równika. W efekcie powietrze ogrzewa się tam najbardziej, jest rozrzedone, lekkie i unosi się. Po dotarciu do górnej granicy troposfery odpływa na północ i południe. Jest to tzw. międzyzwrotnikowa strefa (bruzda) niskiego ciśnienia.
Z kolei najmniej energii słonecznej otrzymują okolice biegunów i zachodzi tam sytuacja odwrotna jak na równiku. Powietrze jest chłodne, ciężkie i opada. Gdyby założyć, że nie zachodziłby ruch obrotowy Ziemi, sytuacja byłaby stosunkowo prosta. Wytworzyłaby się cyrkulacja równik-biegun-równik. Górnymi warstwami troposfery powietrze płynęłoby w kierunku biegunów, po dotarciu do których opadałoby i w przy powierzchni Ziemi odpływałoby z powrotem w kierunku równika.
Jednak sytuację komplikuje właśnie ruch obrotowy kuli ziemskiej, którego skutkiem jest oddziaływanie tzw. siły Coriolisa. Sprawia ona, że przemieszczające się od równika ku biegunom górne prądy powietrza odchylają się od kierunku ruchu na półkuli północnej w prawo (w kierunku północno-wschodnim), a na półkuli południowej w lewo (na południowy-wschód). Działanie siły Coriolisa jest w miarę oddalania się od równika (zwiększania szerokości geograficznej) coraz silniejsze. Wreszcie około 30-35°N i S zanika zupełnie składowa południkowa wiatrów w górnej troposferze i przyjmują one kierunek równoleżnikowy stając się wiatrami zachodnimi.
W tej strefie następuje stłoczenie powietrza, co powoduje, że zaczyna ono opadać (prądy zstępujące). W ten sposób na obydwu półkulach powstają zwrotnikowe strefy wysokiego ciśnienia uwarunkowane przyczynami dynamicznymi. Następnie część powietrza odpływa dołem ku równikowi, a część w stronę biegunów. Przemieszczające się dołem ku równikowi prądy powietrzne zmieniają pod wpływem siły Coriolisa kierunek odchylając się bardziej na zachód. Wiatry te, wiejące w strefie międzyzwrotnikowej i szczególnie stałe nad otwartymi oceanami, nazywami pasatami.
Mają one kierunek NE i ENE na półkuli północnej oraz SE i ESE na półkuli południowej (rys. 4.2.1.). Masy powietrza zbliżając się do równika poruszają się coraz wolniej, nabierają wilgoci od podłoża, siła Coriolisa działa słabiej i ruchy pionowe (wznoszące) zaczynają przeważać nad poziomymi. W ten sposób miedzyzwrotnikowy układ cyrkulacyjny zamyka się i nosi nazwę komórki Hadleya.

  Rys. 4.2.1. Schemat ogólnej cyrkulacji atmosfery (Tamulewicz, 1997).
  Strzałki na kuli ziemskiej informują o dominujących kierunkach wiatrów dolnych, czyli przy powierzchni Ziemi.
  W górnych warstwach troposfery sytuacja jest dokładnie odwrotna.

Istotne znaczenie w krążeniu powietrza w komórce cyrkulacyjnej Hadleya mają przemiany termiczno-wilgotnościowe powietrza w strefie wznoszenia nad równikiem i opadania nad zwrotnikami. Strefę równikową w odniesieniu do ogólnej cyrkulacji atmosfery nazywa się równikowym pasem zbieżności lub równikową strefą ciszy.
Jak wspomniano, dominują w niej silne ruchy konwekcyjne sięgające aż do tropopauzy, natomiast wiatry poziome są słabe. Wznoszące się powietrze ulega ochłodzeniu w procesie adiabatycznym, osiąga temperaturę punktu rosy (poziom kondensacji), a zawarta w nim para wodna skrapla się. Powstają silnie rozbudowane w pionie chmury Cumulonimbus (kłębiaste deszczowe) przynosząc obfite deszcze tropikalne (zenitalne). W kierunku zwrtoników przemieszcza się zatem powietrze suche, zawierające małą ilość pary wodnej.
W okolicy zwrotników następuje jego opadanie i ogrzewanie się zgodnie z gradientem suchoadiabatycznym (1°C/100 m). W tej strefie częstym zjawiskiem są cisze atmosferyczne lub słabe wiatry z różnych kierunków. Wzrost temperatury opadającego powietrza wskutek wspomnianego procesu adiabatycznego powoduje, że już na wysokości 1200-2000 m w swobodnej atmosferze występuje ciepła warstwa inwersyjna, zwana inwersją pasatową. Taki układ temperatury w pionie hamuje dodatkowo rozwój prądów wstępujących od podłoża, ograniczając do maksimum powstawanie chmur i opadów.
Strefa wyżów zwrotnikowych jest więc obszarem o dużym usłonecznieniu i bardzo skąpych opadach. Wysokie położenie Słońca w ciągu roku w połączeniu z bezchmurnym niebem powoduje, że na obszarach lądowych tej strefy występują najwyższe temperatury na Ziemi.

Cyrkulację w komórce Hadleya można określić również jako cyrkulację pasatową. Dzięki niej wytworzył się charakterystyczny układ stref klimatyczno-roślinnych między zwrotnikami. Przemieszczając się od nich w kierunku równika można spotkać obszary coraz wilgotniejsze i tym samym coraz bogatsze w roślinność - od pustyń gorących, przez półpustynie, sawanny aż po równikową dżunglę tropikalną. Najlepiej strefowość ta jest wykształcona w Afryce.

Od zwrotnikowej strefy wysokiego ciśnienia w kierunku biegunów, aż do około 65° szerokości gerograficznej, rozciąga się strefa umiarkowanych szerokości. Część powietrza opadającego w strefie zwrotników przemieszcza się w dolnych warstwach troposfery w stronę wyższych szerokości geograficznych.
Z drugiej strony również masy powietrza opadające wskutek wychłodzenia nad biegunami, przemieszczają się w stronę niższych szerokości geograficznych. Spotkanie się tych dwóch prądów powietrznych na szerokości około 60-65° powoduje wytworzenie się strefy zbieżności i wzoszenie powietrza. Powstaje pas niskiego ciśnienia, który stanowi granicę między cyrkulacją strefy umiarkowanej a cyrkulacją strefy okołobiegunowej.
Ciśnienie w strefie umiarkowanej stopniowo maleje od wyżów zwrotnikowych, aż do niżów subarktycznej i subantarktycznej strefy zbieżności.
Prądy powietrzne przemieszczające się zgodnie z opisanym gradientem ciśnienia (w kierunku biegunów) są poddane oddziaływaniu siły Coriolisa. Odchyla ona kierunek ich ruchu w prawo na półkuli północnej i w lewo na półkuli południowej i powoduje, że w strefie umiarkowanej przeważa składowa zachodnia cyrkulacji mas powietrza w dolnej troposferze. Pionowe wynoszenie powietrza w strefie zbieżności okołobiegunowych jest słabiej zaznaczone niż opadanie w strefie zwrotnikowego pasa wysokiego ciśnienia. Po osiągnięciu pewnej wysokości część powietrza odpływa górnymi warstwami troposfery w kierunku biegunów, a część w kierunku zwrotników.
Pod wpływem działania siły Coriolisa powietrze zmierzające w stronę zwrotników odchyla się w kierunku zachodnim (przewaga wiatrów wschodnich). Układ cyrkulacyjny między strefą zwrotnikowego pasa wysokiego ciśnienia a okołobiegunową strefą niskiego ciśnienia nosi nazwę komórki Ferrela.

Istotną cechą umiarkowanych szerokości geograficznych są częste zaburzenia cyrkulacji związane z powstawaniem, rozwojem, przemieszczaniem się i zanikiem układów barycznych, zwłaszcza niżowych. W strefie tej, szczególnie na półkuli północnej, rozwija się najintensywniejsza działalność cyklonalna, wywołując ogromną zmienność kierunków wiatru i w konsekwencji dużą zmienność typów pogody.
Układy baryczne mają wyraźną tendencję do przemieszczania się w kierunku wschodnim. Ich trwałość jest stosunkowo niewielka, rzadko przekracza kilkanaście dni. Ośrodki niżowe w porównaniu z wyżowymi są bardziej ruchliwe. Wymiana ciepła i wilgoci, zwłaszcza w półroczu zimowym, odbywa się za pośrednictwem adwekcji (przepływu mas powietrza). Jej kierunek i zasięg są uzależnione od położenia niżów i wyżów.

Cyrkulacja w obszarach okołobiegunowych jest uwarunkowana termicznie. Niewielka ilość docierającej energii słonecznej powoduje znaczne wychłodzenie powierzchni tych regionów, a co za tym idzie, zalegającego nad nimi powietrza. Stwarza to warunki do prądów opadających i utrzymywania się układów wysokiego ciśnienia. Opadające powietrze odpływa dołem w kierunku niższych szerokości geograficznych, a siła Coriolisa decyduje o przewadze wiatrów wschodnich na tych obszarach.
Masy powietrza docierając do okołobiegunowej strefy zbieżności (niskiego ciśnienia) poddane są pionowemu wznoszeniu. Następnie część powietrza wraca górną troposferą w kierunku biegunów. Taki schemat ogólny panuje w obydwu komórkach okołobiegunowych.

Różnice między nimi wynikają z regionalnej odmienności ich powierzchni. Arktyka jest obszarem wodnym pokrytym pakiem lodowym, natomiast Antarktyda jest wysoko wyniesionym kontynentem pokrytym lądolodem. Nad tym pierwszym regionem pojawiają się znacznie częściej układy niżowe, natomiast Antarktyda znajduje się przez cały rok pod wpływem stabilnych ośrodków wyżowych. Kontynent ten jest otoczony bruzdą niskiego ciśnienia, w której panują najniższe na kuli ziemskiej średnie roczne wartości ciśnienia, jednak niże z tego obszaru rzadko przedostają się w głąb kontynentu.
Duża różnica ciśnień między wnętrzem Antarktydy a otaczającymi ją morzami przyczynia się do występowania na jej wybrzeżach bardzo silnych wiatrów wiejących od wnętrza kontynentu, których siła jest dodatkowo wzmacniana przez grawitacyjne spadanie mas powietrza z wysoko położonego płaskowyżu lądolodu (tzw. wiatry katabatyczne).

Wskutek regionalnych i lokalnych zmian rozkładu ciśnienia, temperatury, rzeźby terenu i siły tarcia podłoża pojawiają się całorocze, sezonowe lub występujące w cyklu dobowym cyrkulacje regionalne (np. monsuny, oscylacja południowa Walkera) i lokalne (np. bryza, wiatry fenowe).

Za najważniejszą rolę klimatotwórczą ogólnej cyrkulacji atmosferycznej należy uznać południkową wymianę ciepła i wilgoci od równika do biegunów - od stref i regionów względnej nadwyżki do obszarów deficytów ciepła i wilgoci.


  Copyright ©IMGW