Циркуляция атмосферы мирового океана

Общая циркуляция атмосферы и вод океана

Систему океан-атмосфера можно рассматривать как тепло­вую машину с нагревателем — океаном, холодильником — ат­мосферой и рабочим веществом — водяным паром [156, 157]. Коэффициент полезного действия этой машины невелик При разности температур AT между температурой поверхности оке­ана T_s и атмосферы Т_а на высоте образования облаков, рав­ной 6 К, КПД паровой машины океан-атмосфера будет не бо­лее 2%. Вот эта часть тепла и преобразуется в механическую работу и расходуется на поддержание всех динамических процес­сов в атмосфере и океане — глобальной циркуляции воздушных и водных масс, течений, вихрей и т. д. Остальные 98% тепла идут на обеспечение стационарного термического состояния нашей планеты, т.е. на обеспечение стационарного климата

Общей циркуляцией атмосферы называют систему устойчи­вых воздушных течений большого масштаба, размеров, сравни­мых с размерами материков и океанов, и охватывающих зна­чительные слои атмосферы. Формируется общая циркуляция в результате глобального (в масштабе всей Земли) взаимодействия океана и континентов с атмосферой. Такие явления, как волны в атмосфере, циклоны, муссоны и ряд других, следует рассматри­вать как возмущения общей циркуляции атмосферы, и относятся они к движениям среднего масштаба. Схема общей циркуляции атмосферы приведена на рис. 9.1. Подробное объяснение меха­низмов формирования потоков воздушных масс дано в гл. 12.

Под влиянием пассатов в области широт

Океанским течениям свойственно образовывать узкие, ши­риной всего в 100-300 км струи, текущие со скоростью и 2 м/с, причем образование таких течений происходит не только в при­брежной зоне, но и вдали от берегов. Примером такой струи является Гольфстрим. Берегов у океанской струи нет, поэтому положение струи может меняться. Часто струя течения образует изгиб, перемещающийся по направлению течения. Такие изги­бы называются меандрами (от названия реки Меандр в Малой Азии, которая течет по рыхлому грунту и очень часто меняет русло, размывая его). Меандрируя, течение может раздваивать­ся, отщеплять отдельные струи, создавать в океане круговороты диаметром несколько сот километров. Хорошо известным приме­ром таких рингов являются ринги Гольфстрима, Куросио [138]. Такие вихри медленно перемещаются по океану и не исчезают длительное время (рис. 9.3).

Вихревые движения присущи океану в значительно большей степени, чем это предполагалось на заре его исследований, когда считалось, что основная энергия океанических вод заключена в мощных стационарных крупномасштабных его течениях. Расчет течений очень труден, выполняется, в основном, численными методами [138]. До сих пор не удается воспроизвести все осо­бенности действительной карты течений в океане.

Важной чертой циркуляции океанских вод является апвел-линг (upwelling) — подъем водных масс и даунвеллинг (down-welling) — опускание водных масс. Апвеллинг или даунвеллинг возникают у берегов при действии на значительной водной аква­тории касательного по направлению к берегу ветра. При таком направлении скорости ветра экмановский перенос водной массы может быть направлен к берегу (в этом случае возникает даун­веллинг) или от берега — в этом случае возникает апвеллинг. Рис. 9.4 поясняет механизм возникновения этого интересного явления. В зонах апвеллинга наблюдается подъем глубинных водных масс, богатых биогенными элементами.

Дата добавления: 2015-06-27 ; просмотров: 1081 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

ЦИРКУЛЯ́ЦИЯ ВОД МИРОВО́ГО ОКЕА́НА

В книжной версии

Том 34. Москва, 2017, стр. 350-351

Скопировать библиографическую ссылку:

• 
• 
• 
• 
• 

ЦИРКУЛЯ́ЦИЯ ВОД МИРОВО́ ГО ОКЕ ­ А́НА, еди­ная взаи­мо­свя­зан­ная сис­те­ма не­пре­рыв­ных круп­но­мас­штаб­ных дви­же­ний вод Ми­ро­во­го океа­на. Вклю­ча­ет со­во­куп­ность го­ри­зон­таль­ных и вер­ти­каль­ных пе­ре­ме­ще­ний: океа­ни­че­ские те­че­ния , вер­ти­каль­ные дви­же­ния вод, на ко­то­рые на­кла­ды­ва­ют­ся вол­ны в океа­не , при­ли­вы и от­ли­вы , сгон­но-на­гон­ные яв­ле­ния . Все эти дви­же­ния обу­слов­ле­ны внеш­ни­ми по от­но­ше­нию к Ми­ро­во­му ок. при­чи­на­ми (вет­ра­ми, при­тя­же­ни­ем Лу­ны и Солн­ца и др.), тес­но свя­за­ны с об­щей цир­ку­ля­ци­ей ат­мо­сфе­ры и спо­соб­ст­ву­ют по­сто­ян­но­му об­ме­ну и пе­ре­ме­ши­ва­нию вод океа­нов. Энер­гию для дви­же­ния Ми­ро­вой ок. по­лу­ча­ет в ре­зуль­та­те сво­его взаи­мо­дей­ст­вия с ат­мо­сфе­рой, гл. фак­то­ра­ми, воз­бу­ж­даю­щи­ми его об­щую цир­ку­ля­цию, счи­та­ют кли­ма­тич. фак­то­ры, ко­то­рые под­раз­де­ля­ют на ме­ха­ни­че­ские и тер­мо­ха­лин­ные (см. Тер­мо­ха­лин­ная цир­ку­ля­ция ). К ме­ха­нич. фак­то­рам от­но­сят ка­са­тель­ное на­пря­же­ние вет­ра на по­верх­ность океа­на и воз­дей­ст­вие не­рав­но­мер­но рас­пре­де­лён­но­го над океа­ном ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния; к тер­мо­ха­лин­ным – не­рав­но­мер­ное рас­пре­де­ле­ние по по­верх­но­сти океа­на тем­пе­ра­ту­ры, со­лё­но­сти, осад­ков и ис­па­ре­ния. Ме­ха­нич. фак­то­ры от­но­сят­ся к внеш­ним (они не ме­ня­ют свой­ст­ва во­ды), а тер­мо­ха­лин­ные – к внут­рен­ним: дей­ст­вуя на по­верх­но­сти, они фор­ми­ру­ют ха­рак­те­ри­сти­ки глав­ней­ших вод­ных масс .

Источник

Атмосферная циркуляция — Atmospheric circulation

Атмосферная циркуляция — это крупномасштабное движение воздуха, которое вместе с циркуляцией океана является средством перераспределения тепловой энергии на поверхности Земли . Циркуляция атмосферы Земли меняется из года в год, но крупномасштабная структура ее циркуляции остается довольно постоянной. Метеорологические системы меньшего масштаба — депрессии средних широт или тропические конвективные ячейки — возникают «случайно», и их долгосрочные прогнозы погоды не могут быть сделаны за пределами десяти дней на практике или месяца в теории (см. Теория хаоса и бабочка). эффект ).

Погода на Земле является следствием ее освещения Солнцем и законами термодинамики . Атмосферную циркуляцию можно рассматривать как тепловую машину, приводимую в действие энергией Солнца, поглотитель энергии которой , в конечном счете, является чернотой космоса. Работа, производимая этим двигателем, вызывает движение масс воздуха, и в этом процессе он перераспределяет энергию, поглощаемую поверхностью Земли около тропиков, на широты, расположенные ближе к полюсам, а затем в космос.

«Ячейки» крупномасштабной атмосферной циркуляции смещаются к полюсам в более теплые периоды (например, межледниковья по сравнению с ледниковыми ), но остаются в основном постоянными, поскольку они, по сути, являются свойством размера Земли, скорости вращения, нагрева и глубины атмосферы, все из которых мало что изменится. За очень длительные периоды времени (сотни миллионов лет) тектоническое поднятие может значительно изменить их основные элементы, такие как струйное течение , а тектоника плит может сместить океанские течения . Во время чрезвычайно жаркого климата мезозоя на экваторе мог существовать третий пояс пустынь .

СОДЕРЖАНИЕ

Особенности широтной циркуляции

Ветровые пояса, опоясывающие планету, разделены на три ячейки в каждом полушарии — ячейку Хэдли, ячейку Ферреля и полярную ячейку. Эти клетки существуют как в северном, так и в южном полушариях. Подавляющая часть атмосферного движения происходит в ячейке Хэдли. Системы высокого давления, действующие на поверхности Земли, уравновешиваются системами низкого давления в других местах. В результате возникает баланс сил, действующих на поверхности Земли.

В конских широтах являются областью высокого давления при температуре примерно от 30 ° до 35 ° широты (север или на юге) , где ветра расходятся в соседние зоны Hadley или Феррель клеток, и которые , как правило , имеют светло — ветра, солнечное небо, и небольшое количество осадков.

Ячейка Хэдли

Модель атмосферной циркуляции, которую описал Джордж Хэдли, была попыткой объяснить пассаты . Ячейка Хэдли представляет собой замкнутый контур циркуляции, который начинается на экваторе. Там влажный воздух согревается земной поверхностью, плотность уменьшается и поднимается вверх. Подобная воздушная масса, поднимающаяся по другую сторону экватора, заставляет эти поднимающиеся воздушные массы двигаться к полюсу. Поднимающийся воздух создает зону низкого давления около экватора. По мере того, как воздух движется к полюсу, он охлаждается, становится плотнее и опускается примерно на 30-й параллели , создавая зону высокого давления . Спускаемый воздух затем движется к экватору вдоль поверхности, заменяя воздух, поднявшийся из экваториальной зоны, замыкая петлю ячейки Хэдли. Движение воздуха к полюсу в верхней части тропосферы отклоняется на восток, вызванное ускорением Кориолиса (проявление сохранения момента количества движения). Однако на уровне земли движение воздуха к экватору в нижней тропосфере отклоняется к западу, вызывая ветер с востока. Ветры, которые текут на запад (с востока, восточный ветер) на уровне земли в ячейке Хэдли, называются пассатами .

Хотя ячейка Хэдли описывается как расположенная на экваторе, в северном полушарии она смещается к более высоким широтам в июне и июле и к более низким широтам в декабре и январе, что является результатом нагрева поверхности Солнцем. Зона наибольшего нагрева называется « тепловым экватором ». Поскольку лето в южном полушарии длится с декабря по март, происходит перемещение теплового экватора в более высокие южные широты.

Система Хэдли представляет собой пример термически прямой циркуляции. Мощность системы Хэдли, рассматриваемой как тепловая машина, оценивается в 200 тера ватт .

Ячейка Ферреля

Часть воздуха, поднимающаяся на 60 ° широты, расходится на большой высоте к полюсам и создает полярную ячейку. Остальная часть движется к экватору, где на 30 ° широты сталкивается с атмосферой высокого уровня ячейки Хэдли. Там он оседает и укрепляет находящиеся под ним гребни высокого давления. Большая часть энергии, которая приводит в движение ячейку Феррела, обеспечивается полярными ячейками и ячейками Хэдли, которые циркулируют с обеих сторон и увлекают ячейку Феррела за собой. Таким образом, ячейка Ферреля, согласно теории Уильяма Феррела (1817–1891), является вторичной циркуляционной особенностью, существование которой зависит от ячейки Хэдли и полярных ячеек по обе стороны от нее. Это можно представить как вихрь, созданный Хэдли и полярными ячейками.

Воздух ячейки Ферреля, которая опускается на 30 ° широты, возвращается к полюсу на уровне земли и при этом отклоняется на восток. В верхних слоях атмосферы ячейки Ферреля воздух, движущийся к экватору, отклоняется на запад. Оба этих отклонения, как в случае ячейки Хэдли и полярной ячейки, вызваны сохранением углового момента. В результате, точно так же, как восточные пассаты находятся под ячейкой Хэдли, западные ветры находятся под ячейкой Феррела.

Ячейка Ферреля является слабой, потому что у нее нет ни сильного источника тепла, ни сильного стока, поэтому воздушный поток и температура внутри нее изменчивы. По этой причине средние широты иногда называют «зоной смешения». Ячейки Хэдли и полярные ячейки представляют собой действительно замкнутые петли, ячейка Феррела — нет, и характерный момент находится в Вестерлиях, которые более формально известны как «преобладающие западные ветки». Восточным пассатам и полярным восточным ветрам не над чем преобладать, поскольку их родительские циркуляционные ячейки достаточно сильны и сталкиваются с небольшими препятствиями в виде массивных рельефов местности или зон высокого давления. Однако более слабые западные ветви ячейки Ферреля могут быть нарушены. Местное прохождение холодного фронта может изменить это за считанные минуты, что часто бывает. В результате на поверхности ветер может резко меняться по направлению. Но ветры над поверхностью, где они менее подвержены влиянию ландшафта, в основном западные. Зона низкого давления на 60 ° широты, которая движется к экватору, или зона высокого давления на 30 ° широты, которая движется к полюсу, будет ускорять западные ветры ячейки Ферреля. Сильный высокий движущийся к полюсу ветер может приносить западные ветры в течение нескольких дней.

Система Ferrel действует как тепловой насос с коэффициентом полезного действия 12,1, потребляя кинетическую энергию от систем Хэдли и полярных систем с приблизительной скоростью 275 тераватт.

Полярная ячейка

Полярная клетка представляет собой простую систему с сильными драйверами конвекции. Хотя воздушные массы на 60-й параллели прохладны и сухи по сравнению с экваториальным воздухом, они все же достаточно теплые и влажные, чтобы подвергаться конвекции и создавать тепловой контур . На 60-й параллели воздух поднимается до тропопаузы (около 8 км на этой широте) и движется к полюсу. При этом верхние воздушные массы отклоняются на восток. Когда воздух достигает полярных областей, он охлаждается радиацией в космос и значительно плотнее, чем нижележащий воздух. Он опускается, образуя холодную и сухую зону с высоким давлением. На уровне полярной поверхности масса воздуха уносится от полюса к 60-й параллели, заменяя поднявшийся там воздух, и ячейка полярной циркуляции завершается. Когда воздух на поверхности движется к экватору, он отклоняется на запад. Опять же, отклонения воздушных масс являются результатом эффекта Кориолиса . Воздушные потоки на поверхности называются полярными восточными ветрами, они текут с северо-востока на юго-запад около северного полюса и с юго-востока на северо-запад около южного полюса.

Истечение воздушной массы из клетки создает в атмосфере гармонические волны, известные как волны Россби . Эти сверхдлинные волны определяют путь полярного струйного потока , который проходит в переходной зоне между тропопаузой и ячейкой Ферреля . Действуя как теплоотвод, полярная ячейка перемещает избыточное тепло от экватора к полярным регионам.

Ячейка Хэдли и полярная ячейка похожи в том, что они термически прямые; другими словами, они существуют как прямое следствие температуры поверхности. Их тепловые характеристики определяют погоду в их владениях. Огромный объем энергии, переносимой ячейкой Хэдли, и глубина радиатора, содержащегося в полярной ячейке, гарантируют, что временные погодные явления не только незначительно влияют на систему в целом, но, за исключением необычных обстоятельств, они действительно не форма. Бесконечная цепочка прохождения взлетов и падений, которая является частью повседневной жизни обитателей средних широт, под ячейкой Ферреля на широтах между 30 и 60 ° широты, неизвестна выше 60-й и ниже 30-й параллелей. Из этого правила есть несколько заметных исключений; В Европе нестабильная погода простирается как минимум до 70-й параллели северной широты .

Полярная ячейка, рельеф и катабатические ветры в Антарктиде могут создавать очень холодные условия на поверхности, например, самая низкая температура, зарегистрированная на Земле : -89,2 ° C на станции Восток в Антарктиде, измеренная в 1983 году.

Особенности продольной циркуляции

Хотя ячейки Хэдли, Ферреля и полярные ячейки (оси которых ориентированы вдоль параллелей или по широте) являются основными характеристиками глобального переноса тепла, они действуют не в одиночку. Разница температур также приводит в действие набор циркуляционных ячеек, оси циркуляции которых ориентированы продольно. Это атмосферное движение известно как зональная опрокидывающаяся циркуляция .

Широтная циркуляция является результатом самой высокой солнечной радиации на единицу площади (солнечной интенсивности), приходящейся на тропики. Интенсивность солнечной активности уменьшается с увеличением широты, практически достигая нуля на полюсах. Однако продольная циркуляция является результатом теплоемкости воды, ее поглощающей способности и перемешивания. Вода поглощает больше тепла, чем земля, но ее температура не повышается так сильно, как земля. В результате колебания температуры на суше больше, чем на воде.

Ячейки Хэдли, Ферреля и полярные ячейки работают в самом большом масштабе в тысячи километров ( синоптический масштаб ). Широтная циркуляция также может действовать в этом масштабе океанов и континентов, и этот эффект носит сезонный или даже десятилетний характер . Теплый воздух поднимается над экваториальной, континентальной и западной частью Тихого океана. Достигнув тропопаузы, он остывает и спадает в области с относительно более холодной водной массой.

Ячейка Тихого океана играет особенно важную роль в погоде на Земле. Эта полностью океаническая ячейка возникла в результате заметной разницы в температурах поверхности в западной и восточной частях Тихого океана. В обычных условиях воды в западной части Тихого океана теплые, а в восточной — прохладные. Процесс начинается, когда сильная конвективная активность над экваториальной Восточной Азией и оседание прохладного воздуха у западного побережья Южной Америки создают ветровую структуру, которая толкает тихоокеанские воды на запад и накапливает их в западной части Тихого океана. (Уровень воды в западной части Тихого океана примерно на 60 см выше, чем в восточной части Тихого океана).

Суточные (суточные) продольные эффекты находятся на мезомасштабе (горизонтальный диапазон от 5 до нескольких сотен километров). В течение дня воздух, нагретый относительно более жаркой сушей, поднимается вверх и при этом притягивает прохладный бриз с моря, который заменяет поднявшийся воздух. Ночью относительно более теплая вода и более прохладная земля меняют этот процесс, и ветер с суши, охлаждаемый сушей, уносится ночью в сторону от берега.

Кровообращение

Тихоокеанская ячейка настолько важна, что она была названа циркуляцией Уокера в честь сэра Гилберта Уокера , директора британских обсерваторий в Индии в начале 20-го века , который искал средства предсказания того, когда муссонные ветры в Индии потерпят неудачу. Хотя ему это так и не удалось, его работа привела его к открытию связи между периодическими изменениями давления в Индийском океане и между восточной и западной частью Тихого океана, которую он назвал « южным колебанием ».

Движение воздуха в системе циркуляции Walker влияет на петли с обеих сторон. В нормальных условиях погода ведет себя так, как ожидалось. Но каждые несколько лет зимы становятся необычно теплыми или необычно холодными, или частота ураганов увеличивается или уменьшается, и такая картина устанавливается на неопределенный период.

Ячейка Уокера играет ключевую роль в этом и в явлении Эль-Ниньо . Если по какой-либо причине конвективная активность замедляется в западной части Тихого океана (эта причина в настоящее время неизвестна), это влияет на климат районов, прилегающих к западной части Тихого океана. Во-первых, выходят из строя западные ветры верхнего уровня. Это перекрывает источник возвращающегося холодного воздуха, который обычно утихает примерно на 30 ° южной широты, и, следовательно, прекращается возвращение воздуха с поверхности в восточном направлении. Есть два следствия. Теплая вода перестает подниматься в восточную часть Тихого океана с запада (она была «нагромождена» прошлыми восточными ветрами), поскольку больше нет приземного ветра, который толкал бы ее в область западной части Тихого океана. Это и соответствующие эффекты Южного колебания приводят к долгосрочным несезонным температурам и режимам осадков в Северной и Южной Америке, Австралии и Юго-Восточной Африке, а также к нарушению океанских течений.

Между тем, в Атлантике формируются быстро распространяющиеся верхние уровни западных ветвей ячеек Хэдли, которые обычно блокируются циркуляцией Уокера и не могут достигать такой интенсивности. Эти ветры разрушают вершины возникающих ураганов и значительно сокращают число тех, кто может достичь полной силы.

Эль-Ниньо — Южное колебание

Эль-Ниньо и Ла-Нинья — это противоположные аномалии температуры поверхности южной части Тихого океана, которые сильно влияют на погоду в больших масштабах. В случае Эль-Ниньо теплые поверхностные воды приближаются к берегам Южной Америки, что приводит к блокированию подъема богатых питательными веществами глубинных вод. Это серьезно сказывается на популяциях рыб.

В случае Ла-Нинья конвективная ячейка над западной частью Тихого океана чрезмерно усиливается, что приводит к более холодным, чем обычно, зимам в Северной Америке и более устойчивому сезону циклонов в Юго-Восточной Азии и Восточной Австралии . Также наблюдается усиление подъема глубоких холодных океанических вод и более интенсивное поднятие приземного воздуха вблизи Южной Америки, что приводит к увеличению числа случаев засух, хотя рыбаки извлекают выгоду из более богатых питательными веществами вод восточной части Тихого океана.

Источник