Atmosfærisk sirkulasjon

Atmosfærisk sirkulasjon er storskala luftrørsler som, saman med havstraumer, fordeler varme rundt på overflata av jorda.

Den storskala strukturen til den atmosfæriske sirkulasjonen varierer frå år til år, men den grunnleggande strukturen endrar seg lite. Individuelle vêrsystem - som lågtrykk eller tropiske konveksjonsceller - oppstår «tilfeldig» og er ein av faktorane som gjer at ein ikkje kan varsle vêret langt fram i tid. I dag kan ein i praksis varsle maks 10 dagar fram, men i teorien kan ein kanskje kome opp mot ein månad (sjå kaosteori). Middelet av alle vêrsystema - klimaet - er likevel forholdsvis stabilt.

Vindbelta og jetstraumane krinsar rundt jorda og blir styrt av tre celler: hadleycelle, ferrelcelle og polarcelle. Det er til dømes ikkje berre éi hadleycelle, men fleire celler rundt ekvator som endrar seg, smeltar saman og går frå kvarandre i kompliserte prosessar. For å skildre cellene er det derimot enklast å referere til dei som ei enkelt celle.

Ein kjenner godt til oppbygginga til hadleycella, og det var George Hadley som først skildra dette atmosfæriske sirkulasjonsmønsteret i 1753 då han søkte etter ei forklaring på passatvindane. Det er ein lukka sirkulasjon som startar ved at varm og fuktig luft stig over ekvator til tropopausen og så i retning polane. Dette skapar eit lågtrykksområde på overflata ved ekvator. Ved ei breiddegrad på rundt 30 ºN/S er lufta blitt avkjølt lenge nok, blir tyngre og søkk ned mot overflata igjen. Dette skapar eit høgtrykksområde på desse breiddegradene rundt jorda. Noko av denne søkkande lufta går tilbake igjen mot ekvator langs overflata, og lukkar sirkulasjonen i Hadleycella. På grunn av at jordrotasjonen bøyer av straumen (til høgre på nordlege halvkule og mot venstre på sørlege halvkule, sjå Corioliseffekten) skaper dette dei austlege passatvindane. Noko av lufta strøymer òg mot polane.

Sjølv om ein ofte seier at hadleycella startar på ekvator, bør ein merke seg at dei stigande luftmassane følgjer sola sitt senitpunkt, eller det som òg blir kalla termal ekvator, og flyttar seg nordover når det er sommar på nordlege halvkule, og sørover når det er sommar på sørlege halvkule i takt med den intertropiske konvergenssona.

Polarcella er òg eit enkelt system. Sjølv om lufta som når 60 ºN/S er kald og tørr samanlikna med den ekvatoriale lufta, er ho framleis varm og fuktig nok til at konveksjonen kan drive ein termal sirkulasjon. Den varme lufta stig og flyttar seg mot polane når ho når den øvre troposfæren rundt 8–10 km over overflata. Når lufta kjem over polområda er ho blitt avkjølt, og derfor tyngre, og søkk ned og dannar kalde, tørre høgtrykksområde. Lufta strøymer vekk frå polane langs overflata, og på grunn av Corioliseffekten dannar denne lufta polar austavind.

Luftstraumen mot polane dannar harmoniske bølgjer i atmosfæren kalla rossbybølgjer. Desse svært lange bølgjene spelar ei viktig rolle i retninga til jetstraumen, som ein finn i overgangen mellom tropopausen og ferrelcella i samband med polarfronten. Polarcella er svært viktig i transport av varme og balanserer hadleycella i energibalansen til jorda ved å sende kald luft i retning ekvator.

Hadleycella og polarcella liknar kvarandre på den måten at begge er driven av termale krefter. Altså eksisterer begge som følgje av overflatetemperaturen. Dei enorme energimengdene som er involvert i desse cellene påverkar vêrmønsteret i desse områda, og hindrar til og med visse vêrsituasjonar frå å oppstå. Den endelause rekka av høgtrykk og lågtrykk som passer forbi på midlare breiddegrader, er noko folk på høge og låge breiddegrader ikkje merkar noko særleg til.

Desse atmosfæriske systema er stabile, så sjølv om styrken kan variere frå område til område over tid, vil dei aldri forsvinne heilt.

Ferrelcella, som har fått namnet sitt etter William Ferrel som oppdaga ho i 1856, er ein sekundær sirkulasjon, som oppstår som følgje av hadley- og polarcella. Ho oppfører seg som ein atmosfærisk kasteball mellom desse cellene. Den varme lufta som kjem sørfrå og den kalde lufta nordfrå møtes på midlare breidder. Området der desse to luftmassane møter kvarandre blir kalla polarfronten og gjev seg til syne som høgtrykk og lågtrykk på midlare breidder. På same måte som med den austlege passatvinden under hadleycella finn vi vestavindsbeltet under Ferrelcella.

Medan hadley- og polarcellene er lukka sirkulasjonar, er ikkje ferrecella det. Dette kan ein sjå i vestavindsbeltet. Passatvindane og den polare austavinden kjem som følgje av dei lukka sirkulasjonscellene og det er ingen vêrsystem som endrar på desse vindmønstra. For vestavindsbeltet er det annleis, og her vil passerande vêrsystem kunne gje mykje meir varierande vindretningar, medan vinden i høgare nivå i hovudsak er vestleg. Eit lågtrykk som passer i nord eller eit høgtrykk som passerer i sør (på nordlege halvkule) opprettheld vestavinden, og kan forsterke han, men ein kaldfrontpassasje kan ofte endre det på kort tid. Eit kraftig høgtrykk som plasserer seg mot nord kan føre til austleg vind i dagevis.

Ferrelcella er kjenneteikna ved at store luftmassar flyttar på seg, og kor ein finn desse luftmassane er delvis påverka av plasseringa til jetstraumen, som ofte fangar opp lufta som lågtrykk på overflata pumpar opp i atmosfæren. Ser ein på eit vêrkart vil ein sjå at lågtrykka på overflata som regel følgjer jetstraumen. Straumen i dei øvre nivåa av ferrelcella er ikkje veldefinert, og dette kjem av at han ligg mellom hadley- og polarcella og ikkje har varmekjelder til å drive konveksjon. I tillegg vil trykksystema på overflata destabilisere eit sonalt sirkulasjonsmønster.

Corioliskrafta er òg størst i områda der ferrelcella er.

Sjølv om hadley-, ferrel- og polarcella spelar ei stor rolle i den globale varmetransporten, er dei ikkje aleine om dette. Forskjellar i temperatur driv òg fleire sonale sirkulasjonar.

Meridional sirkulasjon kjem av at solinnstrålinga er størst per areal der sola står i senit, og minkar med høgare breiddegrader, og er minst ved polane. Sonal sirkulasjon kjem at vatn har høgare spesifikk varmekapasitet enn land, og derfor tar til seg og frigjev varme mykje seinare enn landområda gjer. Til og med på mikroskala er dette synleg, noko ein kan sjå på solgangsbrisen der overflata på land blir varma opp raskare enn havoverflata om dagen, og fører til stigande luftrørsler og lågtrykk over land. Dette fører så til at luft strøymer inn frå havet for å fylle igjen lågtrykket. Om natta når landområda blir avkjølt raskare enn havoverflata skjer det motsette, med luft som strøymer ut i havet.

På større skala får ein ikkje lenger daglege variasjonar, men årstidsbaserte variasjonar eller variasjonar på enno lengre tidsskala. Varmluft stig over kontinenta nær ekvator og over det vestlege Stillehavet, og strøymer austover eller vestover når den lufta når tropopausen. Lufta søkk ned (subsidens) når ho kjem over Atlanterhavet, Indiahavet og det austlege Stillehavet.

Cella over Stillehavet spelar ei særleg viktig rolle i vêret på jorda. Denne cella oppstår som følgje av forskjellig overflatetemperatur mellom dei vestlege og austlege delane av Stillehavet. Normalt sett er overflata i vest varm, medan overflata i aust er kaldare. Prosessen startar med kraftig konveksjon over ekvator i Aust-Asia og kald luft som søkk ned utanfor vestkysten av Sør-Amerika. Dette skapar eit vindmønster som pressar vatn vestover og dette stuvar seg opp i det vestlege Stillehavet. Vassnivået vest i Stillehavet er om lag 60 cm høgare enn i det austlege Stillehavet pga denne effekten.^[1][2][3][4]

Stillehavscella er så viktig at ho har fått namnet walkersirkulajon etter Sir Gilbert Walker, som leita etter årsaka til at monsunvinden i India av og til ikkje slo til. Han fann aldri ut av årsaka, men han oppdaga at det er ein samanheng mellom periodiske trykkvariasjonar i Indiahavet og Stillehavet, som han kalla «den sørlege oscillasjonen»

Innimellom sluttar dette sirkulasjonsmønsteret å oppføre seg som «normalt», og vintrane blir uvanlege varme eller uvanlege kalde.

Walkercella er nøkkelen til å forstå El Niño-fenomenet (eller meir nøyaktig ENSO eller El Niño-Sørleg Oscillasjon).

Viss konveksjonen over det vestlege Stillehavet av ein eller anna grunn minkar (ein er usikker på årsaka til at dette skjer) oppstår det ein dominoeffekt. Først blir den vestlege vinden i høgda svekka. Dette fører til at den kalde, søkkande lufta i austlege deler forsvinn, og dermed forsvinn og den austlege vinden ved overflata.

Dette får to konsekvensar. I det austlege Stillehavet vil det varme oppstuva vatnet strøyme tilbake mot aust fordi den austlege vinden ikkje lenger pressar det vestover. Dette og den påfølgjande effekten av den sørlege oscillasjonen fører til uvanlege temperatur- og nedbørsforhold i Nord- og Sør-Amerika, Australia og Søraust-Afrika, og forstyrrar havstraumar.

Samtidig vil det dannast kraftig vestavind i høgda over Atlanterhavet, som vanlegvis ville blitt blokkert av walkersirkulasjonen. Denne vinden øydelegg strukturen til potensielle tropiske orkanar, og talet på tropiske system som kan nå full styrke blir mykje mindre enn vanleg.

Det motsette av ein El Niño episode er kjend som La Niña. I dette tilfellet blir dei konvektive cellene over det vestlege Stillehavet forsterka, noko som fører til kaldare vintrar enn normalt i Nord-Amerika, og auka syklon- og tyfonaktivitet i Søraust-Asia og Aust-Australia. Dette fører til auka oppvelling av kald vatn frå havdjupet og meir intens oppstiging av luft nær overflata i nærleiken av Sør-Amerika. Det kan igjen føre til tørke i Sør-Amerika, medan fiskarar her kan nyte godt av auka fiskebestand som følgje av meir næringsrikt vatn i havet.

Den nøytrale delen av syklusen - under «normale» forhold - har humoristisk sett blitt kalla «La Nada».

Soloppgang og ei tropisk toresky