Circolazione atmosferica - Atmospheric circulation

Rappresentazione idealizzata ( all'equinozio ) della circolazione atmosferica su larga scala sulla Terra
Precipitazioni medie a lungo termine per mese

La circolazione atmosferica è il movimento dell'aria su larga scala e insieme alla circolazione oceanica è il mezzo attraverso il quale l'energia termica viene ridistribuita sulla superficie della Terra . La circolazione atmosferica della Terra varia di anno in anno, ma la struttura su larga scala della sua circolazione rimane abbastanza costante. I sistemi meteorologici su scala più piccola - depressioni di media latitudine o celle convettive tropicali - si verificano "casualmente" e le previsioni meteorologiche a lungo raggio di questi non possono essere fatte oltre i dieci giorni in pratica, o un mese in teoria (vedi la teoria del caos e la farfalla effetto ).

Il clima della Terra è una conseguenza della sua illuminazione da parte del Sole e delle leggi della termodinamica . La circolazione atmosferica può essere vista come un motore termico azionato dall'energia del Sole, e il cui assorbimento di energia , in definitiva, è l'oscurità dello spazio. Il lavoro prodotto da quel motore provoca il moto delle masse d'aria e in tale processo ridistribuisce l'energia assorbita dalla superficie terrestre vicino ai tropici alle latitudini più vicine ai poli, e quindi nello spazio.

Le "cellule" di circolazione atmosferica su larga scala si spostano verso i poli nei periodi più caldi (ad esempio, gli interglaciali rispetto ai glaciali ), ma rimangono ampiamente costanti poiché sono, fondamentalmente, una proprietà delle dimensioni della Terra, della velocità di rotazione, del riscaldamento e della profondità atmosferica, tutte di cui cambia poco. Per periodi di tempo molto lunghi (centinaia di milioni di anni), un sollevamento tettonico può alterare significativamente i loro elementi principali, come la corrente a getto , e la tettonica a placche può spostare le correnti oceaniche . Durante i climi estremamente caldi del Mesozoico , potrebbe essere esistita una terza fascia desertica all'Equatore .

Caratteristiche della circolazione latitudinale

Una vista idealizzata di tre grandi celle di circolazione che mostrano i venti di superficie
Velocità verticale a 500 hPa, media di luglio. L'ascesa (valori negativi) è concentrata vicino all'equatore solare; la discesa (valori positivi) è più diffusa ma si verifica anche principalmente nella cellula di Hadley.

Le cinture di vento che cingono il pianeta sono organizzate in tre cellule in ciascun emisfero: la cellula di Hadley , la cellula di Ferrel e la cellula polare. Queste cellule esistono sia nell'emisfero settentrionale che in quello meridionale. La maggior parte del movimento atmosferico avviene nella cella di Hadley. I sistemi ad alta pressione che agiscono sulla superficie terrestre sono bilanciati dai sistemi a bassa pressione altrove. Di conseguenza, c'è un equilibrio di forze che agiscono sulla superficie terrestre.

Le latitudini del cavallo sono un'area di alta pressione a circa 30°-35° di latitudine (nord o sud) dove i venti divergono nelle zone adiacenti delle celle di Hadley o Ferrel e che in genere hanno venti leggeri, cielo soleggiato e poche precipitazioni.

Cellula Hadley

La fascia di nuvole dell'ITCZ sul Pacifico orientale e le Americhe viste dallo spazio

Il modello di circolazione atmosferica descritto da George Hadley era un tentativo di spiegare gli alisei . La cella di Hadley è un circuito di circolazione chiuso che inizia all'equatore. Lì, l'aria umida viene riscaldata dalla superficie terrestre, diminuisce di densità e aumenta. Una massa d'aria simile che sale dall'altra parte dell'equatore costringe quelle masse d'aria in aumento a spostarsi verso il polo. L'aria che sale crea una zona di bassa pressione vicino all'equatore. Quando l'aria si muove verso il polo, si raffredda, diventa più densa e scende a circa il 30° parallelo , creando un'area di alta pressione . L'aria discendente viaggia poi verso l'equatore lungo la superficie, sostituendo l'aria che sale dalla zona equatoriale, chiudendo l'ansa della cella di Hadley. Il movimento verso il polo dell'aria nella parte superiore della troposfera devia verso est, causato dall'accelerazione di Coriolis (una manifestazione di conservazione del momento angolare). A livello del suolo, invece, il movimento dell'aria verso l'equatore nella bassa troposfera devia verso ovest, producendo un vento da est. I venti che fluiscono verso ovest (da est, vento da est) al livello del suolo nella cella di Hadley sono chiamati alisei.

Sebbene la cella di Hadley sia descritta come situata all'equatore, nell'emisfero settentrionale si sposta a latitudini più alte in giugno e luglio e verso latitudini più basse in dicembre e gennaio, che è il risultato del riscaldamento solare della superficie. La zona dove avviene il maggior riscaldamento è detta " equatore termico ". Poiché l'estate dell'emisfero australe va da dicembre a marzo, allora avviene il movimento dell'equatore termico alle latitudini meridionali più elevate.

Il sistema Hadley fornisce un esempio di circolazione termicamente diretta. La potenza del sistema Hadley, considerato come un motore termico, è stimata in 200 tera watt .

cellula di ferrel

Parte dell'aria che sale a 60° di latitudine diverge ad alta quota verso i poli e crea la cellula polare. Il resto si sposta verso l'equatore dove si scontra a 30° di latitudine con l'aria di alto livello della cella di Hadley. Lì si placa e rafforza le creste ad alta pressione sottostanti. Gran parte dell'energia che guida la cellula di Ferrel è fornita dalle cellule polari e di Hadley che circolano su entrambi i lati e che trascinano con sé la cellula di Ferrel. La cellula di Ferrel, teorizzata da William Ferrel (1817-1891), è quindi una caratteristica di circolazione secondaria, la cui esistenza dipende dalle cellule di Hadley e polari su entrambi i lati di essa. Potrebbe essere pensato come un vortice creato dall'Hadley e dalle cellule polari.

L'aria della cella di Ferrel che scende a 30° di latitudine ritorna verso il polo a livello del suolo, e così facendo devia verso est. Nell'atmosfera superiore della cella di Ferrel, l'aria che si muove verso l'equatore devia verso ovest. Entrambe queste deviazioni, come nel caso delle celle Hadley e polari, sono guidate dalla conservazione del momento angolare. Di conseguenza, proprio come gli alisei orientali si trovano sotto la cella di Hadley, i Westerlies si trovano sotto la cella di Ferrel.

La cella di Ferrel è debole, perché non ha né una forte fonte di calore né un forte dissipatore, quindi il flusso d'aria e le temperature al suo interno sono variabili. Per questo motivo, le medie latitudini sono talvolta conosciute come la "zona di mescolanza". Le celle di Hadley e polari sono veramente circuiti chiusi, la cella di Ferrel no, e il punto cruciale è nei Westerlies, che sono più formalmente conosciuti come "The Prevailing Westerlies". Gli alisei orientali e i venti polari orientali non hanno nulla su cui prevalere, poiché le loro cellule di circolazione madri sono abbastanza forti e affrontano pochi ostacoli sia sotto forma di massicce caratteristiche del terreno che di zone di alta pressione. I Westerlies più deboli della cellula Ferrel, tuttavia, possono essere distrutti. Il passaggio locale di un fronte freddo può cambiarlo in pochi minuti, e spesso lo fa. Di conseguenza, in superficie, i venti possono variare bruscamente di direzione. Ma i venti sopra la superficie, dove sono meno disturbati dal terreno, sono essenzialmente da ovest. Una zona di bassa pressione a 60° di latitudine che si muove verso l'equatore, o una zona di alta pressione a 30° di latitudine che si sposta verso il polo, accelererà i Westerlies della cella di Ferrel. Un forte alto, in movimento verso il polo può portare venti da ovest per giorni.

Il sistema Ferrel agisce come una pompa di calore con un coefficiente di prestazione di 12,1, consumando energia cinetica dai sistemi Hadley e polare ad una velocità approssimativa di 275 terawatt.

cella polare

La cella polare è un sistema semplice con forti driver di convezione. Sebbene fresche e secche rispetto all'aria equatoriale, le masse d'aria al 60° parallelo sono ancora sufficientemente calde e umide da subire convezione e guidare un circuito termico . Al 60° parallelo, l'aria sale alla tropopausa (circa 8 km a questa latitudine) e si sposta verso il polo. Mentre lo fa, la massa d'aria di livello superiore devia verso est. Quando l'aria raggiunge le aree polari, si è raffreddata per irraggiamento nello spazio ed è considerevolmente più densa dell'aria sottostante. Discende, creando una zona di alta pressione fredda e secca. A livello della superficie polare, la massa d'aria viene allontanata dal polo verso il 60° parallelo, sostituendo l'aria che vi si sollevava, e la cella di circolazione polare è completa. Quando l'aria in superficie si sposta verso l'equatore, devia verso ovest. Anche in questo caso, le deviazioni delle masse d'aria sono il risultato dell'effetto Coriolis . I flussi d'aria in superficie sono chiamati i polari orientali, che fluiscono da nord-est a sud-ovest vicino al polo nord e da sud-est a nord-ovest vicino al polo sud.

Il deflusso della massa d'aria dalla cellula crea onde armoniche nell'atmosfera note come onde di Rossby . Queste onde ultra lunghe determinano il percorso della corrente a getto polare , che viaggia all'interno della zona di transizione tra la tropopausa e la cellula di Ferrel . Agendo come un dissipatore di calore, la cella polare sposta il calore abbondante dall'equatore verso le regioni polari.

La cella di Hadley e la cella polare sono simili in quanto sono termicamente dirette; in altre parole, esistono come diretta conseguenza delle temperature superficiali. Le loro caratteristiche termiche guidano il tempo nel loro dominio. L'enorme volume di energia trasportato dalla cella di Hadley e la profondità del dissipatore di calore contenuto all'interno della cella polare, assicurano che i fenomeni meteorologici transitori non solo abbiano un effetto trascurabile sui sistemi nel loro insieme, ma, salvo circostanze insolite, lo non forma. L'infinita catena di alti e bassi che fa parte della vita quotidiana degli abitanti delle medie latitudini, sotto la cella di Ferrel a latitudini comprese tra 30 e 60° di latitudine, è sconosciuta al di sopra del 60° e al di sotto del 30° parallelo. Ci sono alcune notevoli eccezioni a questa regola; sull'Europa, il tempo instabile si estende almeno al 70° parallelo nord .

La cellula polare, il terreno e i venti catabatici in Antartide possono creare condizioni molto fredde in superficie, ad esempio la temperatura più bassa registrata sulla Terra : -89,2 ° C alla stazione Vostok in Antartide, misurata nel 1983.

Caratteristiche della circolazione longitudinale

Il cambiamento diurno del vento nella zona costiera locale, si applica anche su scala continentale.

Mentre le cellule Hadley, Ferrel e polari (i cui assi sono orientati lungo paralleli o latitudini) sono le principali caratteristiche del trasporto globale di calore, non agiscono da sole. Le differenze di temperatura guidano anche una serie di celle di circolazione, i cui assi di circolazione sono orientati longitudinalmente. Questo movimento atmosferico è noto come circolazione capovolta zonale .

La circolazione latitudinale è il risultato della più alta radiazione solare per unità di superficie (intensità solare) che cade sui tropici. L'intensità solare diminuisce all'aumentare della latitudine, arrivando sostanzialmente a zero ai poli. La circolazione longitudinale, tuttavia, è il risultato della capacità termica dell'acqua, della sua capacità di assorbimento e della sua miscelazione. L'acqua assorbe più calore della terra, ma la sua temperatura non aumenta tanto quanto la terra. Di conseguenza, le variazioni di temperatura sulla terraferma sono maggiori che sull'acqua.

Le cellule di Hadley, Ferrel e polari operano alla più grande scala di migliaia di chilometri ( scala sinottica ). La circolazione latitudinale può agire anche su questa scala di oceani e continenti, e questo effetto è stagionale o addirittura decennale . L'aria calda sale sulle regioni equatoriali, continentali e occidentali dell'Oceano Pacifico. Quando raggiunge la tropopausa, si raffredda e si abbassa in una regione di massa d'acqua relativamente più fredda.

La cellula dell'Oceano Pacifico svolge un ruolo particolarmente importante nel clima terrestre. Questa cella interamente basata sull'oceano è il risultato di una marcata differenza nelle temperature superficiali del Pacifico occidentale e orientale. In circostanze normali, le acque del Pacifico occidentale sono calde e le acque orientali sono fresche. Il processo inizia quando una forte attività convettiva sull'Asia orientale equatoriale e l'abbassamento dell'aria fresca al largo della costa occidentale del Sud America crea un modello di vento che spinge l'acqua del Pacifico verso ovest e la accumula nel Pacifico occidentale. (I livelli dell'acqua nel Pacifico occidentale sono circa 60 cm più alti che nel Pacifico orientale.).

Gli effetti longitudinali giornalieri (diurni) sono alla mesoscala (un intervallo orizzontale da 5 a diverse centinaia di chilometri). Durante il giorno, l'aria riscaldata dalla terra relativamente più calda si alza e mentre lo fa attira una fresca brezza dal mare che sostituisce l'aria sollevata. Di notte, l'acqua relativamente più calda e la terra più fresca invertono il processo, e una brezza dalla terra, di aria raffreddata dalla terra, viene trasportata al largo di notte.

Circolazione del camminatore

La cella Pacifico è di tale importanza che è stato chiamato la circolazione di Walker dopo Sir Gilbert Walker , direttore inizio 20 ° secolo di osservatori britannici in India , che ha cercato un mezzo di prevedere quando i monsoni venti dell'India fallirebbe. Sebbene non sia mai riuscito a farlo, il suo lavoro lo ha portato alla scoperta di un legame tra le variazioni periodiche di pressione nell'Oceano Indiano e quelle tra il Pacifico orientale e occidentale, che ha chiamato " Oscillazione del sud ".

Il movimento dell'aria nella circolazione di Walker influisce sui loop su entrambi i lati. In circostanze normali, il tempo si comporta come previsto. Ma ogni pochi anni, gli inverni diventano insolitamente caldi o insolitamente freddi, oppure la frequenza degli uragani aumenta o diminuisce, e lo schema si instaura per un periodo indeterminato.

La Walker Cell gioca un ruolo chiave in questo e nel fenomeno El Niño . Se l'attività convettiva rallenta nel Pacifico occidentale per qualche motivo (questo motivo non è attualmente noto), i climi delle aree adiacenti al Pacifico occidentale sono interessati. In primo luogo, i venti occidentali di livello superiore falliscono. Questo interrompe la fonte di aria fresca di ritorno che normalmente diminuirebbe a circa 30° di latitudine sud, e quindi l'aria che ritorna quando la superficie orientale cessa. Ci sono due conseguenze. L'acqua calda cessa di riversarsi nel Pacifico orientale da ovest (è stata "accumulata" dai venti orientali del passato) poiché non c'è più un vento di superficie che la spinga nell'area del Pacifico occidentale. Questo e i corrispondenti effetti dell'oscillazione del sud si traducono in temperature fuori stagione a lungo termine e modelli di precipitazioni in Nord e Sud America, Australia e Sud-Est Africa e l'interruzione delle correnti oceaniche.

Nel frattempo, nell'Atlantico, si formano le cellule occidentali di livello superiore della formazione di Hadley, che normalmente sarebbero bloccate dalla circolazione di Walker e non sarebbero in grado di raggiungere tali intensità. Questi venti sconvolgono le cime degli uragani nascenti e diminuiscono notevolmente il numero che sono in grado di raggiungere la piena forza.

El Niño – Oscillazione del sud

El Niño e La Niña sono anomalie della temperatura superficiale opposte del Pacifico meridionale, che influenzano pesantemente il tempo su larga scala. Nel caso di El Niño, l'acqua calda superficiale si avvicina alle coste del Sud America, bloccando la risalita delle acque profonde ricche di sostanze nutritive. Ciò ha gravi ripercussioni sulle popolazioni ittiche.

Nel caso di La Niña, la cella convettiva sul Pacifico occidentale si rafforza in modo eccessivo, determinando inverni più freddi del normale in Nord America e una stagione dei cicloni più robusta nel sud-est asiatico e nell'Australia orientale . C'è anche un aumento della risalita delle acque profonde dell'oceano freddo e un aumento più intenso dell'aria superficiale vicino al Sud America, con conseguente aumento del numero di eventi di siccità, sebbene i pescatori traggano benefici dalle acque del Pacifico orientale più ricche di sostanze nutritive.

Guarda anche

Riferimenti

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