|
Hoofdstuk: 2 -
Algemene circulatie
|
|
|
|
Inleiding
t |
De atmosfeer is voortdurend in beweging. Op
het eerste gezicht lijkt dat
bewegingspatroon een totale chaos, maar toch
blijkt het te voldoen aan bepaalde regels.
Beweging in de atmosfeer is
namelijk nauw
verbonden met temperatuurverschillen en
daarover is heel wat bekend.
Om te beginnen is de temperatuur op aarde
sterk afhankelijk van de warmte die
de zon
levert.
De zon geldt als belangrijkste
warmtebron voor de aarde en haar atmosfeer,
maar verwarmt de aarde niet gelijkmatig. |
| |
| Bij de polen is het het hele jaar
door beduidend kouder dan bij de
evenaar. Op veel plaatsen op aarde
verandert de gemiddelde temperatuur
bovendien van maand op maand, wat
leidt tot de verschillende
seizoenen. De genoemde
temperatuurverschillen en
temperatuur veranderingen zijn een
gevolg van verschillen in
hoeveelheid invallende zonnestraling
die kan worden benut. |
| |
Een tweede oorzaak van
temperatuurverschillen op aarde is
de verdeling van land en water.
Water heeft een grotere
warmtecapaciteit
dan land zodat het
minder snel opwarmt (bij een gelijke
hoeveelheid binnenkomende
zonne-energie) en minder snel
afkoelt. Naast de
zon speelt ook de
aarde
zelf een belangrijke rol in de
totale warmtehuishouding van aarde
en atmosfeer; ze verliest door
uitstraling warmte,
wat vooral aan
het eind van een heldere
nacht goed
te merken is. |
| |
| De
temperatuurverschillen
tussen
verschillende
gebieden op
aarde
brengen een
transport
van lucht op
gang dat die
temperatuurverschillen
ook weer
vereffent.
We noemen
het geheel
van
luchtstromingen
waaruit dit
transportsysteem
is
opgebouwd,
de 'algemene
circulatie'. |
|
|
 |
|
De atmosfeer is voortdurend
in beweging, zoals onder
andere satellietbeelden
dagelijks tonen. |
|
|
|
|
2.2 Warme evenaar, koude polen. |
|
|
De bolvorm van de aarde bepaalt mede
de hoeveelheid zonnestraling die op
een deel van het aardoppervlak valt.
Waar het aardoppervlak loodrecht
staat op de invallende
zonnestraling, - dat is
in de buurt
van de evenaar, komt per vierkante
meter veel meer zonne-energie
binnen
dan op plaatsen waar het zonlicht
langs het aardoppervlak scheert,
zoals in de poolstreken. We kunnen dat begrijpen door uit te
gaan van de situatie waarbij de zon
loodrecht boven de evenaar staat.
Het zonlicht valt dan loodrecht in.
Een bundel zonnestraling met een
doorsnede
van 1 m2 komt ten goede
aan
1 m2 aardoppervlak; de
instraling is in dat geval op de
evenaar maximaal. |
|
|
Op een andere geografische breedte
verwarmt een bundel zonnestralen met
dezelfde doorsnede een deel van het
aardoppervlak dat veel groter is;
per vierkante meter komt er daardoor
minder zonnewarmte binnen. Naarmate
de breedte toeneemt, wordt het te
verwarmen aardoppervlak groter.
Aan de polen komt zelfs helemaal
geen zonnewarmte binnen. Naast de
warmtewinst door instraling van de
zon speelt het warmteverlies door de
uitstraling van het aardoppervlak en
de atmosfeer een rol bij het
uiteindelijk temperatuurverschil dat
zich instelt tussen pool en evenaar.
Als de zon niet schijnt, - 's nachts
dus, maar aan de polen ook
'overdag', - treedt er door die
zogeheten nachtelijke uitstraling
afkoeling op. |
|
 |
|
Afnbeelding-1 |
|
|
 |
 |
|
Afbeelding-2 |
|
|
|
1: Waar het aardoppervlak
loodrecht staat op de
invallende zonnestraling,
dat is in de buurt van de
evenaar, - komt per
vierkante meter veel meer
zonne-energie binnen dan op
plaatsen waar het zonlicht langs het
aardoppervlak scheert, zoals in de
poolstreken. |
2: Binnenkomende straling: De
zon levert overdag energie (kortgovige
straling). Uitgaande straling:
De aarde straalt dag en
nacht zelf warmte uit
(langgolvige straling). |
|
|
De verschillen tussen evenaar en
pool in de aardse straling, zoals de
uitstraling vaak genoemd wordt, zijn
minder groot dan de verschillen in
invallende zonnestraling. Dat komt
doordat de aardse straling evenredig
is met de vierde macht van de
absolute temperatuur, waarvan de
waarde
in K (Kelvin; de temperatuur in
Kelvin = temperatuur in graden C
+273,1) bij een temperatuurverschil
van 30 graden C slechts ongeveer 10%
varieert.
In de gebieden die zich
ruwweg ten noorden van 60 graden NB
en ten zuiden van 60 graden ZB
bevinden, is de dagelijkse
uitstraling groter dan
de
instraling, zodat in de poolstreken
de aarde en de lucht erboven
voortdurend verder afkoelen. In het
gebied van de tropen is er een
stralingsoverschot en dus
opwarming. |
 |
|
Verschil tussen
binnenkomende zonnestraling
en uitgezonden
warmtestraling. Oranje, rood
en vooral paars duiden op
het binnenkomen van meer
warmte dan er weggaat;
bij groen en blauw komt er
minder warmte binnen dan er
wordt uitgezonden |
|
|
|
|
2.3 Een evenwichtssysteem |
|
|
Om te begrijpen wat de gevolgen zijn van het temperatuurverschil tussen pool en evenaar, bekijken we het proefje van de figuur hieronder (links):
Een gasvlam verwarmt het rechterdeel van een bak met water, waardoor de temperatuur rechts onderin hoger is dan elders in de bak. Het warme water stijgt op;
kouder en daardoor 'zwaarder' water,
schuift onder het warmere water en
er ontstaat een stroming. In de
praktijk blijkt lucht in de
atmosfeer vergelijkbaar gedrag te
vertonen; dat komt doordat bij lucht
de dichtheid op een
zelfde manier
van de temperatuur afhangt als bij
water. Denk bijvoorbeeld maar aan de
opstijgende warme lucht boven een
warme kachel of radiator. |
 |
|
Stroming in vloeistof door
verwarming |
|
|
 |
|
Een eencellige circulatie
zoals hier afgebeeld, wordt
op aarde níet waargenomen. |
|
|
|
|
Wanneer we dit doortrekken naar de
atmosfeer, dan verwachten we de
volgende situatie: |
|
|
|
- aan de evenaar opstijgende lucht,
|
|
- aan de pool dalende lucht,
|
|
- aan het aardoppervlak een
luchtstroming rechtstreeks van pool
naar evenaar en
|
|
- in de bovenlucht een luchtbeweging
van evenaar naar pool. (zie fig.
rechts).
|
|
|
|
In dat geval zouden er op het
noordelijk halfrond uitsluitend
noordenwinden waaien. Uit onze
dagelijkse ervaring weten we dat dit
niet het geval is. Door rekening te
houden met de draaiing van
de aarde
kunnen we de
werkelijkheid
wat beter
benaderen. |
|
|
|
2.4 De
draaiing van
de aarde |
|
|
Zoals bekend draait de aarde in 24
uur eenmaal om haar eigen as. Bij
het beschrijven van de
luchtstromingen in de vorige
paragraaf hebben we daarmee geen
rekening gehouden.
Terwijl de
'noordenwind' uit de vorige
paragraaf van de Noorse westkust
onderweg is naar De Bilt,
verplaatst
De Bilt zich met de van
west naar oost draaiende aarde mee
naar een plek die eerst nog in Oost-Polen of Wit-Rusland lag. |
De wind in die gebieden is volgens
de redenering uit de vorige
paragraaf afkomstig uit Finland, dat
ten noordoosten van Nederland ligt. Op het noordelijk halfrond van een
draaiende aarde
is de wind dus niet
noord, maar noordoost;
de
luchtstroming heeft als het ware een
afbuiging ondergaan naar rechts. Het
is alsof er een kracht naar rechts
aan het werk is;
deze zogeheten
'schijnkracht' staat bekend als Corioliskracht of afbuigende kracht
van de aardrotatie (zie verder
hoofdstuk 5). |
| |
Een dergelijke eencellige circulatie
wordt dley-circulatie genoemd.
Hadley was
de eerste die een 'model'
maakte van de luchtstromingen in de
atmosfeer, rekening houdend met
temperatuurverschillen tussen
evenaar en pool en de draaiing van
de aarde. |
| |
| In de praktijk gaat het Hadley-circulatiemodel niet op voor
het noordelijk halfrond als geheel.
Nederland en andere locaties op
gematigde breedten bevinden zich
namelijk
in een 'gordel van
westenwinden' (zie figuur
hieronder). In de overige gebieden
op
aarde is de overeenkomst tussen
model
en werkelijkheid aanzienlijk beter.
|
| |
| Met name voor wat betreft de
passaatwinden
(tussen de subtropen
en de evenaar) voldoet het model
goed:
we hebben dan een
temperatuurverschil tussen de tropen
en subtropen dat onder invloed van
de draaiing van de aarde aanleiding
geeft tot een noordoostelijke luchtbeweging: de noordoostpassaat. |
|
|
 |
Op het noordelijk halfrond
van een draaiende aarde is
de wind
niet noord, maar
noordoost |
|
|
|
|
De circulatiecel tussen subtropen en
evenaar, waarvan de passaatwinden
deel uitmaken,
wordt nog steeds
aangeduid als hadleycel.
Ook in de buurt van de pool gaat het
model op, zodat er
twee cellen zijn
die vanuit de voorgaande theorie
begrepen kunnen worden.
De tussenliggende, in de
waarnemingen minder duidelijk terug
te vinden, cel met overheersend
westenwinden gedraagt zich echter
anders;
hij wordt ferrelcel genoemd |
|
|
|
William Ferrel beschreef
in 1856 als eerste
een circulatiemodel voor een
draaiende aarde met aan weerszijden
van de evenaar drie afzonderlijke
cellen, zoals afgebeld in bijgaande
figuren.
In de figuren is ook te
zien dat aan de evenaar de
noordoostpassaat van het noordelijk
halfrond en de zuidoostpassaat van
het zuidelijk halfrond samenkomen;
men spreekt van de intertopische
convergentiezone (ITCZ). de
samenstromende lucht wordt gedwongen
op te stijgen, wat gewoonlijk
aanleiding geeft tot talrijke
onweersbuien. |
|
|
 |
|
Afbeelding-3 |
|
|
 |
|
Afbeelding-4 |
|
3: Op de
gematigde
breedten
bevindt zich
een zone met
westenwinden.
Bij de
evenaar vind
je de
noordoostpassaat
(noordelijk
halfrond) en
de
zuidoostpassaat.
Aan de
poolzijde
van de
gordels met westenwinden is de wind eveneens oostelijk. De
algemene
circulatie
kent per
halfrond
3
cellen (In
de
afbeelding-3
staat
PAARDENBREEDTEN,
dit moet
ITCZ zone
zijn) |
|
4: De
straalstroming
rond de
aarde |
|
|
|
2.5 Beperkingen van het model |
|
|
Er zijn verscheidene oorzaken te
bedenken waarom de werkelijkheid
toch ingewikkelder is dan het model
uit de voorgaande paragrafen
suggereert.
1. De aarde heeft geen homogeen
oppervlak, maar kent
landoppervlakken en
wateropppevlakken, die zich heel
anders gedragen.
Landoppervlakken kunnen bijvoorbeeld bestaan uit bij zonnig weer snel in temperatuur
veranderende zand en rotsbodems of
worden
gekenmerkt doorluchtstromingen afremmende bossen en gebergten.
Wateroppervlakken warmen slechts
langzaam op en koelen traag af;
ze
veroorzaken minder wrijving dan het land..
2. De aardas staat scheef, het
equatorvlak van de aarde maakt een
hoek van 23,5 graad met het vlak van
draaiing rond de zon, het
eclipticavlak.
Hierdoor ontstaan de seizoenen, waarbij beurtelings het
noordelijk en zuidelijk halfrond
meer wordt verwarmd, hetgeen van
zeer grote invloed
is op de algemene circulatie.
3. De verticale afmetingen van het
gedeelte van de atmosfeer waarin de
circulatie plaatsvindt (zeg ongeveer
12 km vanaf het aardoppervlak)
zijn
te klein ten opzichte van de horizontale afmetingen (ongeveer
10 000 km tussen evenaar en pool) om
een 'mooie', eencellige circulatie
toe te laten.
4. De uniforme oostenwinden zouden
de draaiing van de aarde steeds
verder afremmen; een effect dat in
de praktijk niet wordt waargenomen.
We concluderen dat de circulatie, zoals die door ons gemeten
kan worden een driecellige
circulatie is en dat een groot
aantal factoren een rol
blijkt te spelen.
|
|
|
2.6 De algemene circulatie |
|
|
In het voorgaande zagen we dat
temperatuurverschillen tussen
evenaar en pool de lucht in de
dampkring op een zodanige manier in
beweging brengen dat de
temperatuurtegenstellingen
afvlakken. Dit systeem van
luchtstromingen wordt de algemene
circulatie genoemd. Ze omvat de
grootschalige luchtbewegingen, de
passaten, de sterke westelijke
winden op enige hoogte op gematigde
breedten, ook wel bekend als
straalstroom, depressies die in de
straalstromen worden meegevoerd en
allerlei andere weersystemen. De
motor achter de algemene circulatie
is
de zon, die de door ongelijke
opwarming van het aardoppervlak
alles in gang zet. Zonder algemene
circulatie zouden de tegenstellingen
tussen
polen en evenaar
zich verscherpen;
het deel van het aardoppervlak dat
geschikt is voor menselijke bewoning
zou zonder de algemene circulatie
veel kleiner zijn.
De diagrammen waarin de algemene
circulatie werd weergeven, zijn
uiteraard schematisch. Onderstaande
figuren geven maandgemiddelden van
de luchtdrukvedeling en het
circulatiepatroon
voor januari en
juni. Het beeld is grilliger dan de
eerder getoonde schema's, maar toch
al weer gelijkmatiger dan op een
dagelijkse weerkaart, zoals we later
zullen zien. Voor de dagelijkse
weersverwachting werkt men onder
andere met een indeling
circulatietypen die gebaseerd is op
de luchtstroming boven een kleiner
gebied, namelijk het Europese
vasteland en het aansluitend
gedeelte van de Atlantische Oceaan;
deze komt aan bod in hoofdstuk 11. |
 |
 |
De algemene circulatie zoals deze in
werkelijkheid wordt waargenomen in
januari en juli.
Het patroon is grilliger dan in de
schema's, maar gelijkmatiger dan in
de dagelijkse weerkaarten. |
|
|
|
|
|
