Ячейка Хэдли - Hadley cell

Вертикальная скорость на уровне 500 гПа, среднее за июль в паскалях в секунду. Восхождение (отрицательные значения) сосредоточено вблизи солнечного экватора; спуск (положительные значения) более размытый.

В Ячейка Хэдли, названный в честь Джордж Хэдли, тропический атмосферная циркуляция На нем воздух поднимается около экватора, течет к полюсу на высоте от 10 до 15 километров над земной поверхностью, спускается в субтропиках и затем возвращается к экватору у поверхности. Эта циркуляция создает пассаты, тропические дождевые пояса и ураганы, субтропические пустыни и струи. Ячейки Хэдли - это низковысотная перетюнинг-циркуляция, при которой воздух опускается на широту примерно от нуля до 30 градусов.

Механизм

Движущая сила атмосферная циркуляция - это неравномерное распределение солнечного тепла по всей Земле, которое является наибольшим около экватора и наименьшим на полюсах. Атмосферная циркуляция переносит энергию к полюсам, тем самым уменьшая результирующий градиент температуры от экватора к полюсу. Механизмы, с помощью которых это достигается, различаются в тропических и внетропических широтах.

Клетки Хэдли существуют по обе стороны от экватора. Каждая ячейка окружает земной шар по широте и переносит энергию от экватора примерно на 30-ю широту. В циркуляции проявляются следующие явления:[1]

  • Тёплый влажный воздух, сближающийся с экватором, вызывает обильные осадки. Это высвобождает скрытое тепло, вызывая сильные восходящие движения.
  • Этот воздух поднимается к тропопауза, примерно на 10–15 км над уровнем моря, где воздух уже не является плавучим.
  • Не имея возможности продолжать подниматься, этот субстратосферный воздух вместо этого направляется к полюсу из-за непрерывного подъема воздуха внизу.
  • По мере того, как воздух движется к полюсу, он охлаждается и получает сильную восточную составляющую из-за Эффект Кориолиса и сохранение угловой момент. В результате ветры образуют субтропический струи.
  • На этой широте теперь уже прохладный, сухой, высокогорный воздух начинает тонуть. По мере опускания он адиабатически нагревается, снижая его относительную влажность.
  • Возле поверхности обратный поток трения замыкает петлю, поглощая влагу по пути. Эффект Кориолиса придает этому потоку западную составляющую, создавая пассаты.

Циркуляция Хэдли показывает сезонные изменения. Во время сезонов солнцестояния (DJF и JJA) восходящая ветвь ячейки Хэдли происходит не прямо над экватором, а скорее в летнем полушарии. В среднем за год восходящая ветвь немного смещена в северное полушарие, уступая место более сильной ячейке Хэдли в южном полушарии. Это свидетельствует о небольшом чистом переносе энергии из северного в южное полушарие.[1]

Система Хэдли представляет собой пример термически прямой циркуляции. Термодинамический КПД системы Хэдли, рассматриваемой как тепловая машина, был относительно постоянным в период 1979–2010 годов и составлял в среднем 2,6%. За тот же интервал мощность, генерируемая режимом Хэдли, росла в среднем примерно на 0,54 ТВт в год; это отражает увеличение поступления энергии в систему в соответствии с наблюдаемым повышением температуры поверхности моря в тропиках.[2]

В целом, ячейки средней меридиональной циркуляции, такие как циркуляция Хэдли, не особенно эффективны для уменьшения градиента температуры от экватора к полюсу из-за компенсации между переносами разных типов энергии. В ячейке Хэдли как явное, так и скрытое тепло переносятся к экватору вблизи поверхности, в то время как потенциальная энергия переносится вверх в противоположном направлении, к полюсу. В результате чистый перенос к полюсу составляет лишь около 10% этого потенциального переноса энергии. Отчасти это является результатом сильных ограничений, накладываемых на атмосферные движения сохранением углового момента.[1]

История открытия

Ячейки Хэдли в идеализированном изображении атмосферной циркуляции Земли, как они могут выглядеть на равноденствие.

В начале 18 века Джордж Хэдли, английский юрист и любитель метеоролог, был недоволен теорией о том, что астроном Эдмонд Галлей предложил для объяснения пассатов. Что, несомненно, было правильным в теории Галлея, так это то, что солнечное нагревание создает восходящее движение экваториального воздуха и масса воздуха из соседних широт, чтобы заменить поднявшуюся воздушную массу. Но для западной составляющей пассатов Галлей предположил, что, двигаясь по небу, Солнце по-разному нагревает воздушные массы в течение дня. Хэдли не удовлетворила эта часть теории Галлея, и это было справедливо. Хэдли был первым, кто осознал, что вращение Земли играет роль в направлении, принимаемом воздушной массой при ее движении относительно Земли. Теория Хэдли, опубликованная в 1735 году, осталась неизвестной, но несколько раз независимо открывалась заново. Среди открывателей был Джон Далтон, который позже узнал о приоритете Хэдли. Со временем механизм, предложенный Хэдли, был принят, и со временем его имя все больше ассоциировалось с ним. К концу XIX века было показано, что теория Хэдли несовершенна в нескольких отношениях. Одним из первых, кто правильно учел динамику, был Уильям Феррел. На то, чтобы принять правильную теорию, потребовалось много десятилетий, и даже сегодня теорию Хэдли время от времени можно встретить, особенно в популярных книгах и на веб-сайтах.[3] Теория Хэдли была общепринятой теорией, достаточно долго, чтобы его имя стало повсеместно связанным с моделью циркуляции в тропической атмосфере. В 1980 г. Исаак Хельд и Артур Хоу разработали Модель Held-Hou для описания циркуляции Хэдли.

Среднее многолетнее количество осадков по месяцам
Облачные образования на знаменитом снимке Земли с Аполлона-17 делают атмосферную циркуляцию видимой.

Основные воздействия на осадки по широте

Область, в которой движущиеся к экватору воздушные массы сходятся и поднимаются, известна как зона межтропической конвергенции, или ITCZ. В этой зоне развивается группа гроз с большим количеством осадков.

Потеряв большую часть водяного пара из-за конденсации и осаждения в восходящей ветви циркуляции ячейки Хэдли, нисходящий воздух является сухим (не влажным). По мере того, как воздух опускается, создается низкая относительная влажность, поскольку воздух нагревается. адиабатически за счет сжатия из вышележащего воздуха, создавая область более высокого давления. Субтропики относительно свободны от конвекции или гроз, которые обычны в экваториальном поясе. Многие пустыни мира расположены в этих субтропических широтах. Однако пустыни не простираются до восточной стороны различных континентов из-за океанских течений, вызванных пассатами.

Расширение клеток Хэдли

Большинство засушливых регионов Земли расположены в областях ниже нисходящей части циркуляции Хэдли на 30 градусах широты.[4] Есть некоторые свидетельства того, что расширение ячеек Хэдли связано с изменением климата.[5] Модели предполагают, что ячейка Хэдли будет расширяться с повышением средней глобальной температуры (возможно, на 2 градуса широты в течение 21 века. [6]). Это могло бы привести к большим изменениям количества осадков на широтах на краю ячеек.[4] Ученые опасаются, что глобальное потепление может привести к изменениям в экосистемах глубоких тропиков и что пустыни станут суше и расширятся.[6] По мере того как районы около 30 градусов широты станут суше, жители этого региона будут видеть меньше осадков, чем обычно ожидалось, что может вызвать проблемы с запасами пищи и улучшением условий жизни.[7] Имеются убедительные доказательства изменения палеоклимата в тропических лесах Центральной Африки в c. 850 г. до н. Э.[8] Палинологические данные (ископаемая пыльца) показывают резкое изменение биома тропических лесов по сравнению с биомом открытой саванны в результате широкомасштабного высыхания, не обязательно связанного с периодической засухой, но, возможно, с постепенным потеплением. Гипотеза о том, что снижение солнечной активности уменьшает протяженность циркуляции Хэдли по широте и снижает интенсивность среднеширотных муссонов, подтверждается данными, показывающими повышенную засушливость в центральной части Западной Африки и увеличение количества осадков в умеренных зонах на севере. Между тем, среднеширотные штормовые траки в умеренных зонах увеличивались и смещались к экватору.[9]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Л., Хартманн, Деннис (02.01.2016). Глобальная физическая климатология. Эльзевир. С. 165–76. ISBN  9780123285317. OCLC  944522711.
  2. ^ Цзюньлин Хуан; Майкл Б. МакЭлрой (2014). «Вклад циркуляций Хэдли и Ферреля в энергетику атмосферы за последние 32 года». Журнал климата. 27 (7): 2656–2666. Bibcode:2014JCli ... 27.2656H. Дои:10.1175 / jcli-d-13-00538.1.
  3. ^ Андерс Перссон (2006). «Принцип Хэдли: понимание и неправильное понимание пассатов» (PDF). История метеорологии. 3: 17–42. Архивировано из оригинал (PDF) на 2008-06-25. Получено 2007-11-26.
  4. ^ а б Дарган М.В. Фриерсон; Цзянь Лу; Ганг Чен (2007). «Ширина ячейки Хэдли в простых и всеобъемлющих моделях общей циркуляции» (PDF). Письма о геофизических исследованиях. 34 (18): L18804. Bibcode:2007GeoRL..3418804F. Дои:10.1029 / 2007GL031115.
  5. ^ Сяо-Вэй Цюань; Генри Ф. Диас; Мартин П. Хорлинг (2004). «Изменения в тропической ячейке Хэдли с 1950 года». У Генри Ф. Диаса; Раймонд С. Брэдли (ред.). Циркуляция Хэдли: настоящее, прошлое и будущее. Достижения в исследованиях глобальных изменений. 21. Springer Нидерланды. С. 85–120. Дои:10.1007/978-1-4020-2944-8. ISBN  978-1-4020-2943-1. Препринт в 'Изменение тропической ячейки Хэдли с 1950 г. ', Центр диагностики климата NOAA-CIRES (2004 г.) (PDF-файл 2,9 МБ)
  6. ^ а б Дайан Дж. Зайдель; Цянь Фу; Уильям Дж. Рэндел; Томас Дж. Райхлер (2007). «Расширение тропического пояса в условиях меняющегося климата». Природа Геонауки. 1 (1): 21–4. Bibcode:2008NatGe ... 1 ... 21S. Дои:10.1038 / ngeo.2007.38.
  7. ^ Селеста М. Йохансон; Цян Фу (2009). «Расширение ячейки Хэдли: моделирование против наблюдений» (PDF). Журнал климата. 22 (10): 2713–25. Bibcode:2009JCli ... 22.2713J. CiteSeerX  10.1.1.457.1538. Дои:10.1175 / 2008JCLI2620.1.
  8. ^ ван Гил Б., ван дер Плихт Дж., Килиан М.Р. (1998). «Резкое повышение 14C примерно на 800 кал. Л. Н.: Возможные причины, связанные климатические телесвязи и влияние на окружающую среду». Радиоуглерод. 40 (1): 535–550.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  9. ^ ван Гил Б., Ренссен Х. (1998). «Резкое изменение климата около 2650 г. до н.э. в Северо-Западной Европе: свидетельство климатических телесвязей и предварительное объяснение». В Issar, A.S., Brown, N. (ed.). Вода, окружающая среда и общество во времена изменения климата. Kluwer Academic Publishers, Дордрехт. С. 21–41.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

внешняя ссылка