Atmosfera - cyrkulacja atmosfery i ruchy mas powietrza

Cyrkulacja planetarna
Ogólna cyrkulacja atmosfery obejmuje wszystkie aspekty przemieszczania się mas powietrza oraz spowodowany tymi ruchami przepływ i wymianę różnych form energii w układzie planetarnym. Od cyrkulacji o charakterze planetarnym odróżnić należy cyrkulację o małym zasięgu przestrzennym (wiatry lokalne) wywołaną specyficznymi czynnikami charakt. dla określonego obszaru. Cyrkulacja atmosfery uwarunkowana jest przede wszystkim dostawą promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi, na co wpływ ma kształt naszej planety oraz jej ruchy, obiegowy i obrotowy. Czynniki te powodują nierównomierny dopływ energii do powierzchni Ziemi (różny kąt padania promieni słonecznych), występowanie pór roku oraz występowanie sił Coriolisa i siły odśrodkowej, powodujących odchylenie wiatrów od ich początkowego kierunku. Bardzo ważnym czynnikiem kształtującym cyrkulację jest rozmieszczenie lądów i mórz, ze względu na ich odmienne właściwości przewodnictwa cieplnego. Wszystkie te czynniki wpływają na wielkość ciśnienia atmosf., którego różnice wywołują ruch powietrza.

W trójwymiarowym modelu ogólnej cyrkulacji atmosfery wyróżnić można po 3 komórki cyrkulacyjne na każdej półkuli:
- Komórka cyrkulacyjna Hadleya występuje między zwrotnikiem a równikiem. Przyczyną powstawania komórek Hadleya są silne prądy konwekcyjne występujące po północnej i południowej stronie równika. Gorące powietrze unoszone jest do górnej troposfery, w wyniku czego w pasie równikowym powstaje układ baryczny niskiego ciśnienia. Podczas ruchu wznoszącego (prąd wstępujący) dochodzi do ochładzania powietrza i kondensacji pary wodnej, oddawanej w postaci opadów. W górnej troposferze chłodne i suche powietrze przemieszcza się ku zwrotnikom. Wzrost gęstości powietrza powoduje, że opada ono grawitacyjnie w okolicach zwrotników (prąd zstępujący), powodując powstawanie wyżów zwrotnikowych (zwrotnikowe pasy ciszy). W dolnej troposferze część powietrza przemieszcza się ku równikowi, tworząc strefę konwergencji (zbieżności) międzyzwrotnikowej, inaczej nazywaną równikowym pasem ciszy. Część powietrza przemieszcza się ku umiarkowanym szerokościom geogra-ficznym.
Wiatry wiejące w dolnej troposferze ku równikowi noszą nazwę pasatów (wiatry stałe - wiejące przez cały rok z tego samego kierunku) i charakteryzują się na półkuli północnej kierunkiem NE, a na półkuli południowej kierunkiem SE.
- Komórka cyrkulacyjna Ferrela tworzy się na każdej półkuli w umiarkowanych szerokościach geograf. Powietrze opadające na zwrotnikach przemieszcza się ku strefom niskiego ciśnienia jako wiatry zachodnie. Nad kołami podbiegunowymi powiet. to unosi się ku górze, by przemieszczać się w górnej troposferze ku zwrotnikom jako wiatry wschodnie. Na półkuli północnej dochodzi do częstego rozwoju i przemieszczania się układów niskiego ciśnienia (cyklonów).

Wędrujące niże są bardzo ruchliwe i wykazują tendencję do przemieszczania się w kierunku wschodnim. Zaburzania tego schematu powstają w wyniku tworzenia się układów wysokiego ciśnienia rozbijających strefę układów cyklonalnych. Powodują one w okresie zimowym występowanie bardzo pogodnych i mroźnych dni (Wyż Azjatycki), a w lecie silnych upałów (Wyż Azorski). Modyfikacje te spowodowane są znacznym udziałem powierzchni lądowej na półkuli północnej w porównaniu z południową. Komórka okołobiegunowa (polarna) występuje na obu półkulach między kołami podbiegunowymi a bieguna-mi. Cechą charakt. obszarów okołobiegunowych jest b.silne wychłodzenie podłoża, a tym samym niskie temp. powietrza, wynikające z małej dostawy promieniowania słonecznego. Taka sytuacja powoduje osiadanie powietrza nad biegunami, co w konsekwencji prowadzi do powstawania tam układów wys ciśnienia. Powietrze z wyżów przemieszcza się w dolnej troposferze ku umiarkowanym szerokościom geograficznym, gdzie dominują układy cyklonalne. Tam też ogrzane powietrze unosi się do góry. W wyniku działania siły Coriolisa wiatry wiejące od biegunów mają kierunek wschodni i przenoszą chłodne powietrze do umiarkowanych szerokości.

Cyrkulacja monsunowa
Ten ogólny schemat cyrkulacji atmosfery modyfikowany jest przez szereg czynników o charakterze regionalnym. Przykł. sezonowych zmian kierunków przemieszczania się powietrza jest cyrkulacja monsunowa. Jest ona najbardziej charakt. dla zwrotnikowej Azji Południowo-Wschodniej. Występuje też w innych rejonach świata, także poza strefą międzyzwrotnikową. Kierunek przemieszczania się monsunów ulega zmianie dwukrotnie w ciągu roku. Przyczyną powstawania monsunów jest różnica między temp. podłoża, czyli lądów i oceanów. Latem powierzchnia kontynentu ogrzewa się znacznie szybciej niż ocean, w związku z czym powstaje nad lądem układ niskiego ciśnienia, a nad oceanem wyż. Wilgotne powietrze przemieszcza się więc znad obszaru oceanicznego nad ląd, dając wysokie opady atmosf. W półroczu zimowym zmienia się kie-runek wędrówki powietrza. Monsun wieje znad lądu, niosąc suche powietrze, gdyż nad szybko wychładzającym się lądem tworzy się układ wysokiego ciśnienia. Nad oceanem długo magazynującym ciepło wytwarza się układ niskiego ciśnienia.

Cyklony tropikalne
W strefie międzyzwrotnikowej występują zakłócenia ogólnej cyrkulacji atmosfery w postaci cyklonów tropikalnych. Są to zjawiska dość rzadkie. Powstają w wyniku dużego spadku ciśnienia w masach powietrza bardzo ciepłego i wilgotnego (nad oceanami o temp. wody powyżej 25C). Przyczyną ogromnej prędkości, z jaką przemieszcza się powietrze, jest duży gradient ciśnienia. Porusza się ono z prędkością nawet 120 km/h. Lokalnie nazywane są: huraganami (Antyle, Ameryka Środkowa i Północna), cyklonami(Indie), tajfunami (Azja Południowo-Wschodnia). Cyklony tropikalne rodzą się w pasie powyżej 5 szerokości N i S.. Cechą charakterystyczną cyklonów tropikalnych jest wirowy ruch powietrza oraz występowanie tzw. oka cyklonu (centrum) o śr. 10-60 km, w którym panuje cisza i nie występują chmury. Bezpośrednio do niego przylega strefa najsilniejszych wiatrów, którym towarzyszą intensywne ulewy, dające ponad 500 mm opadu w ciągu jednego czy dwóch dni.

Masy powietrza i fronty atmosferyczne
Masa powietrza jest to wycinek (objętość) troposfery, który charakteryzuje się jednorodnością stanu fizycznego (np. temp., wilgotnością). Jeśli dana objętość powietrza zalega nad jakimś obszarem kilka dni, nabiera wtedy cech tego podłoża. Obszar, nad którym formowane są dane masy powietrza, nazywany jest obszarem źródłowym. W wyniku cyrkulacji atmosfery masy powietrza przemieszczają się czasami daleko od swoich obszarów źródłowych. W trakcie takiej wędrówki powietrze styka się z innym rodzajem podłoża, dlatego podlega transfor-macji. Stopień transformacji wyjściowej masy powietrza zależy od prędkości jej przemieszczania. Im szybciej się przemieszcza, tym zmiany jej właściwości fizycznych są mniejsze. Jeżeli proces wędrów. masy powiet. jest powolny, następuje starzenie się masy powietrza i nabiera ona cech nowego podłoża.

Masy powietrza można podzielić według dwóch kryteriów geograficznego i termicznego. Według kryterium geogra-ficznego wydziela się masy powietrza:
- arktycznego lub antarktycznego (PA),
- polarnego (PP),
- zwrotnikowego (PZ),
- równikowego (PR).

Wszystkie masy powietrza (oprócz równikowego) można podzielić jeszcze, ze względu na charakter podłoża, nad którym się tworzyły (morze - ląd), na masy morskie lub kontynentalne: PAm, PAk, PPm, PPk, PZm, PZk. Masy powietrza morskiego cechuje większa wilgotność niż masy powietrza kontynentalnego. Powietrze równikowe, niezależnie od tego, czy obszarem źródłowym był ląd, czy morze, charakteryzuje się wysoką wilgotnością

Stosując klasyfikację mas powietrze ze względu na ich temp., dzieli się je na masy powietrza ciepłego i chłodnego. Jeżeli napływająca nad określony obszar masa powietrza ochładza się stopniowo, to jest to masa ciepła. Jeżeli zaś napływająca nad określony obszar masa powietrza stopniowo ogrzewa się, to jest to masa chłodna.

Różne masy powietrza nie występują obok siebie bezpośrednio, lecz rozdzielone są strefami przejściowymi, tzn. powierzchniami frontowymi. Ponieważ powierzchnia frontowa nachylona jest pod pewnym kątem do powierzchni Ziemi, wyznaczoną w ten sposób linię przecięcia nazywamy frontem atmosferycznym.

Główne fronty atmosferyczne rozdzielają masy powietrza wyodrębnione według klasyfikacji geograficznej:
- front arktyczny rozdziela masy powietrza arktycznego od polarnego,
- front antarktyczny rozdziela masy powietrza antarktycznego od polarnego,
- fronty polarne rozdzielają masy powietrza polarnego od zwrotnikowego.

Wtórne fronty atmosferyczne rozdzielają różne części tej samej masy powietrznej, mające jednak inne właściwości fizyczne spowodowane oddziaływaniem podłoża (np. morze - ląd) lub przekształcaniem się masy powietrznej. Ze względu na sposób przemieszczania się tych frontów dzieli się je na:
- front ciepły - przemieszcza się w stronę chłodnej masy powietrza,
- front chłodny - przemieszcza się w kierunku ciepłej masy powietrza,
- front okluzji - powstają wtedy, gdy szybciej przemieszczający się front chłodny dogania wolniejszy front ciepły,
- front stacjonarny - utrzymuje się w tym samym miejscu, nie przesuwa się w żadną stronę. Nadejście frontu atmosferycznego powoduje zmianę pogody, gdyż napływa masa powietrza o odmiennych właściwościach od tej, która występowała na danym obszarze do tej pory.