|
|
|
| Atmosferische circulatie is de grootschalige beweging van lucht en is samen met de oceaancirculatie het middel waarmee thermische energie over het aardoppervlak wordt herverdeeld. De atmosferische circulatie op aarde varieert van jaar tot jaar, maar de grootschalige structuur van de circulatie blijft redelijk constant. De kleinschaligere weersystemen zoals depressies op de middelste breedtegraad of tropische convectiecellen komen chaotisch voor, en weersvoorspellingen voor de lange termijn daarvan kunnen in de praktijk niet langer dan tien dagen worden gedaan, of in theorie een maand, |
| |
| Het weer op aarde is een gevolg van de verlichting ervan door de zon en de wetten van de thermodynamica. De atmosferische circulatie kan worden gezien als een warmtemotor die wordt aangedreven door de energie van de zon en waarvan de energie uiteindelijk de zwartheid van de ruimte is. Het werk dat door die motor wordt geproduceerd, veroorzaakt de beweging van de luchtmassa's, en in dat proces herverdeelt het de energie die wordt geabsorbeerd door het aardoppervlak nabij de tropen naar de breedtegraden dichter bij de polen, en vandaar naar de ruimte. |
| |
| De grootschalige cellen in de atmosferische circulatie verschuiven in warmere perioden naar het poolgebied, maar blijven grotendeels constant omdat ze in wezen een eigenschap zijn van de omvang, de rotatiesnelheid, de opwarming en de atmosferische diepte van de aarde. waarvan weinig verandert. Over zeer lange perioden (honderden miljoenen jaren) kan een tektonische opwaartse beweging hun belangrijkste elementen, zoals de jetstream, aanzienlijk veranderen, en platentektoniek kan de oceaanstromingen doen verschuiven. Tijdens de extreem hete klimaten van het Mesozoïcum heeft er mogelijk een derde woestijngordel bestaan ter hoogte van de evenaar. |
|
|
 |
| Schematische weergave van de circulatiecellen in de atmosfeer |
|
| |
| Stroming kenmerken afhankelijk van de breedtegraad |
| |
| De atmosferische circulatie verandert voortdurend, maar de basistrend is relatief constant. Depressies op de middelste breedtegraad of individuele tropische cyclonen ontwikkelen zich bijna overal volgens een voorspelbaarheid die soms dicht bij de chaostheorie ligt, maar de gemiddelde trend is stabiel. Er zijn drie windcirculatiezones tussen de evenaar en elke pool: |
| |
- de eerste zone is die van Hadley, gelegen tussen de evenaar en 30 graden N en Z, waar we regelmatige winden aantreffen die uit het noordoosten
op het noordelijk halfrond en uit het zuidoosten op het zuidelijk halfrond waaien: de passaatwinden. Zeilzeilers gebruiken deze zone met
regelmatige wind al lang om de oceanen over te steken. |
- de tweede bevindt zich op de middelste breedtegraden en wordt gekenmerkt door voorbijgaande lagedruksystemen onder een over het algemeen
westelijke circulatie op het hoogste niveau, dit is de Ferrel-cel. |
- de derde, de poolcellen bevinden zich respectievelijk ten noorden en ten zuiden van de 60e parallellen noord en zuid met een oppervlaktecirculatie
in het algemeen vanuit het oosten. |
| |
| Tussen deze drie zones, op een hoogte variërend tussen 6 en 15 km, vinden we de straalstromen die rond de planeet circuleren en die een van de voorlopers zijn van frontogenese |
| |
| Hadley-cellen |
| De drijvende kracht achter de atmosferische circulatie in de tropen is zonnewarmte. Vanwege de helling van 23,27 graden van de rotatie-as van de aarde staat de zon in de tropen het hele jaar door nooit meer dan enkele tientallen graden verwijderd van het zenit op de middag, wat maximale opwarming rond de geografische evenaar oplevert. Deze warmte wordt grotendeels naar de atmosfeer getransporteerd in de vorm van latente warmte die vrijkomt bij tropische stormen. |
| |
Edmond Halley, een beroemde astronoom, stelde een theorie voor om de aanwezigheid van passaatwinden te verklaren. Zijn oplossing verklaarde echter niet waarom de wind naar het westen waaide. George Hadley, een Engelse advocaat en amateur-meteoroloog, stelde in 1735 een variant voor die een gesloten circulatie beschrijft. Om de westwaartse richting van de oppervlaktecirculatie te verklaren, hield hij rekening met de rotatie van de aarde. Een luchtpakketje dat naar het noorden of het zuiden beweegt, ten opzichte van een waarnemer die in de ruimte rust, lijkt inderdaad met een westelijke component te bewegen ten opzichte van een waarnemer op aarde, omdat deze laatste zich naar het oosten beweegt.
Gaspard-Gustave Coriolis nam dit idee een eeuw later over in zijn beschrijving van bewegingen in een roterend frame. |
 |
| Afbeelding-1 |
|
|
 |
| Afbeelding-2 |
|
| |
1: Gemiddelde verticale beweging in juli van 500 hPa. De opstijgende lucht (negatieve waarden in blauw) is geconcentreerd nabij de zonne-evenaar
en de dalende lucht (positief in rood) is meer verspreid. |
2: Hadley-cellen transporteren warmte en vocht vanuit de tropen, vanuit de Intertropische Convergentiezone, naar de middelste breedtegraden
van 30 graden N en Z, de zogenaamde subtropische kalme zone. |
| |
| Het Hadley-celvormingsmechanisme begint in de afbeelding-2 in (4) waar de warme en vochtige lucht samenkomt op de evenaar omdat de Coriolis-factor daar verwaarloosbaar is en de wind geen voorkeursrichting heeft. De lucht beweegt zich vervolgens naar lagere drukzones (D) waar het stijgt en onweersbuien vormt (1). Dit is de zogenaamde intertropische convergentiezone waar de neerslag zeer overvloedig is, maar de wind zwak is (de doldrums). |
| |
| Wanneer de plekken met warme, vochtige lucht de tropopauze (grens tussen de troposfeer en de stratosfeer) bereiken, op ongeveer 12 tot 15 km hoogte, kunnen ze niet hoger stijgen en daar ook niet blijven vanwege de constante stroming die uit de lagere lagen van de aarde komt. de atmosfeer. Bijgevolg worden ze naar het noorden (2a) of het zuiden (2b) van de evenaar geduwd. |
| |
| Als we ons van de evenaar verwijderen, neemt de Coriolis-kracht toe, waardoor de plots naar het oosten worden afgebogen (vanuit het gezichtspunt van een aardse waarnemer). Terwijl het naar de polen beweegt, koelt de lucht af door uitwisseling met de omgeving en begint te dalen (3). Tijdens de afdaling volgen de luchtpakketjes de droge adiabatische gradiëntcurve, waardoor ze opwarmen en hun relatieve vochtigheid daalt. Dit gebeurt rond de 30 tot 35 graden N en Z, waar we de dorre subtropische kalme zone aantreffen die wordt gedomineerd door een anticycloon. |
| |
| Ten slotte gaat de lucht die uit de anticycloon komt richting de evenaar om de cyclus te voltooien en deze keer buigt de Corioliskracht deze naar het westen af: dit zijn de passaatwinden die vanuit het noordoosten op het noordelijk halfrond en vanuit het zuidoosten naar het zuiden waaien. . Er zijn meerdere cellen rond de aarde en deze zijn niet precies uitgelijnd met de geografische evenaar, maar eerder met de evenaar, gedefinieerd als het punt op het zenit van de zon, wat een seizoensvariatie naar het noorden en zuiden van de positie van deze cellen met zich meebrengt. Bovendien verandert het verschil in lokale verwarming en wrijving onder de twee kilometer hoogte voortdurend de positie van een bepaalde cel. |
| |
Aan de rand van deze cellen speelt atmosferische convectie een belangrijke rol in de chemie van de atmosfeer, en draagt ze bij aan bepaalde
verticale overdrachten van aerosolen of verontreinigende stoffen van de lagere lagen (troposfeer) naar de bovenste lagen, en omgekeerd (bijvoorbeeld voor de ozon). Een complementair convectiemechanisme, dat ook in staat is om verontreinigende stoffen verticaal over te dragen, manifesteert zich in het systeem van“infraroodstraling – cirrus. |
| |
| Polaire cellen |
De polaire cel van elk halfrond is een systeem dat identiek is aan de Hadley-cel. Hoewel de lucht ten noorden/zuiden van de 60e breedtegraad
droger en kouder is, kan er sprake zijn van gesloten convectieve circulatie. De lucht reist onder een hoogte van 8 km omdat de tropopauze dit
niveau niet overschrijdt. De neerdalende lucht is erg droog, wat verklaart waarom de Polen koude woestijnen zijn. Opnieuw buigt de Corioliskracht
de lucht naar het westen af, en een waarnemer op aarde merkt winden op uit het noordoosten op het noordelijk halfrond en uit het zuidoosten op het zuidelijk halfrond. |
| |
| De semi-permanente anticyclonen boven Siberië, de Arctische eilanden en Antarctica zijn een direct gevolg van de poolcel, wat betekent dat de meteorologie van deze regio’s relatief stabiel is, in tegenstelling tot de herhaalde depressies die de middelste breedtegraden treffen. Bovendien zorgt dit ervoor dat zeer koude koepels zich kunnen vestigen en dat er records van lage temperaturen zijn gerapporteerd (-89,2 ° C op de Vostok II Antarctische basis in 1983 op Antarctica). |
| |
De polaire circulatie werkt samen met het terrein en produceert lange harmonische golven, Rossby-golven genoemd. Deze laatste spelen een belangrijke rol in het traject van de polaire straalstroom die de polaire cel scheidt van die van Ferrel. Zonne-energie afkomstig van de evenaar
wordt door dit mechanisme overgebracht naar de poolcel en kan uiteindelijk naar de Polen worden gedistribueerd. |
| |
| Ferrel-cellen |
| De Ferrel-cel van elk halfrond bestrijkt de breedtegraden tussen 30 en 60 graden. Het is genoemd als eerbetoon aan William Ferrel (1817-1891) die de algemene westelijke circulatie die daar werd aangetroffen probeerde te beschrijven. Het is een indirecte circulatie, in tegenstelling tot Hadley en polaire cellen. |
| |
| Op de middelste breedtegraden vinden we koude lucht die van de polen via de poolcel komt en warme lucht die van de evenaar via de Hadley-cel komt. Deze twee soorten luchtmassa's ontmoeten elkaar langs een min of meer ononderbroken en intens thermisch lint. Afhankelijk van de richting van de wind op de grond zijn we op bepaalde punten getuige van het strakker worden van dit lint en van een cyclogenese in de luchtstroom, waardoor depressies ontstaan die de warme lucht naar de polen en de koude lucht naar de evenaar duwen. |
| |
In deze systemen moet warme, vochtige lucht die koudere lucht tegenkomt, niet door convectie opstijgen, maar door dynamische kracht,
waardoor een synoptische verticale opwaartse beweging ontstaat, geholpen door de aanwezigheid van een straalstroom. Deze beweging moet stroomopwaarts en stroomafwaarts worden gecompenseerd door een neerwaartse verticale beweging. Hierdoor ontstaat er een opeenvolging van anticyclonen en depressies langs het thermische lint. Omdat de wind in depressies en anticyclonen in de tegenovergestelde richting draait, ervaren inwoners van de middelste breedtegraden daarom een voortdurend veranderend windpatroon. |
| Zonale stroom |
| Deze hele opeenvolging van weersystemen beweegt zich in een algemene richting van west naar oost. Het thermische lint verklaart deze westelijke circulatie, zonale stroming genoemd. |
| |
Wind is feitelijk de beweging van lucht van hoge naar lage druk, die op het noordelijk halfrond naar rechts wordt afgebogen door de Corioliskracht en naar links op het zuidelijk halfrond.
De drukgradiënt is afhankelijk van de thermische structuur in de luchtkolom. Hoe groter het temperatuurverschil tussen twee gebieden, hoe meer het drukverschil en de wind toenemen met de hoogte. De wind loopt evenwijdig aan het thermische lint, omdat de drukvariatie er loodrecht op staat. |
| |
| De straalstroom vormt zich dus boven een strak lint van temperatuurverschil dat we een warm front en koufront noemen en dat de koude (naar de polen) en warme (naar de polen gerichte) luchtmassa’s scheidt (de evenaar). Omdat het thermische lint die de baroclinische zone genoemd wordt en gemiddeld west-oost georiënteerd is, is het resultaat een algemene west-naar-oost-circulatie op de middelste breedtegraden |
|
|
 |
| West zonale stroming |
|
| |
| Zuidelijke stroom |
De westelijke hoogtestroming zijn op hogere breedten lange staande golven te vinden. Deze ontstaan door de verdeling van land en zee en door de van noord naar zuid lopende bergketens. In de lange golven of Rossby-golven bevinden zich meestal drie of vier hoofdtroggen. Op het noordelijk halfrond zijn dit het Canadese trog, het Oost-Europese trog en het Oost-Aziatische trog. Op het zuidelijk halfrond zijn deze te vinden aan de
oostkust van Zuid-Amerika, aan de oostkust van Zuid-Afrika, aan de westkust van Australië en bij Nieuw-Zeeland. |
 |
Rossby-golven op het noordelijk halfrond. De witte pijlen geven de stroomrichting aan. (a) en (b) zijn situaties van opbouwende Rossby-golven
en bij (c) heeft een koufront zich afgescheiden. Blauw is relatief koude en oranje is relatief warme lucht. |
| |
| Het deel van de stroom dat vervolgens van noord naar zuid gaat, wordt meridionale stroming genoemd. Het is dit onderdeel van de stroming dat koude lucht naar de evenaar en milde lucht naar de polen transporteert. Het draagt dus bij aan de intensivering van depressies en sterke veranderingen in de oppervlaktetemperatuur. De positie van deze sinus is niet stabiel omdat deze afhankelijk is van de temperatuuroverdracht in de onderliggende laag. Het beweegt, vervormt en er breken onafhankelijke wervels van af. |
| Hadley-, Ferrel- en polaire cellen geven een algemeen idee van de atmosferische circulatie. Lokale effecten zijn echter erg belangrijk en moduleren deze circulaties en creëren subcellen. Deze laatste worden beïnvloed door het verschil in oppervlaktewrijving, door de verschillende absorptie- en afgiftecapaciteit van warmte tussen de oceanen en het land, en door de dagelijkse cyclus van zonneschijn. Dit werkt zelfs op microschaal. In het geval van een zeebries stijgt bijvoorbeeld de door de zon opgewarmde lucht van de kust op en wordt vervangen door koelere lucht die uit het water komt. Tijdens de nacht verliest het land sneller warmte dan het water en keert de richting van de wind om. |
| |
Op grotere schaal kan deze dagelijkse cyclus seizoensgebonden of zelfs meerjarig worden. Warme lucht afkomstig van de equatoriale continenten
en de westelijke Stille Oceaan stijgt op, beweegt zich afhankelijk van de omstandigheden naar het oosten of westen totdat het de tropopauze
bereikt en zakt vervolgens af in de Atlantische, Indische Oceaan of oostelijke Stille Oceaan. |
| |
| Walker-circulatie |
| De Pacifische cel, volledig oceanisch, is bijzonder belangrijk. Het werd Walker Cell genoemd ter ere van Sir Gilbert Walker, begin 20e-eeuwse directeur van de Indian Meteorological Observatories. Hij probeerde een manier te vinden om moessonwinden te voorspellen. Hoewel hij geen succes had, leidde zijn werk hem tot de ontdekking van een periodieke drukvariatie tussen de Indische en de Stille Oceaan, die hij de Zuidelijke Oscillatie noemde. Twee andere identieke cellen worden gevonden nabij de evenaar in de Indische Oceaan en de Zuid-Atlantische Oceaan. |
| |
 |
| Afbeelding-3 |
|
|
 |
| Afbeelding-4 |
|
|
 |
| Afbeelding-5 |
|
| |
| 3: Walker's normale convectieve circulatie |
| 4: De afname van de passaatwinden verstoort de Walker-cyclus en zorgt ervoor dat warm water zich verder naar het oosten verspreidt |
| Versterkende winden strekken het gebied uit dat door de Walker-circulatie wordt bedekt en versterken het |
| |
De Humboldtstroom, afkomstig van Antarctica, koelt de kust van Zuid-Amerika af. Er is daarom een groot temperatuurverschil tussen het westen
en het oosten van deze uitgestrekte oceaan, wat aanleiding geeft tot een directe circulatie vergelijkbaar met die van Hadley. Convectie wordt waargenomen in het westelijke deel, nabij Azië en Australië, en bodemdaling in een anticycloon langs de kust van Zuid-Amerika8. Hierdoor ontstaat
er een sterke retourcirculatie vanuit het oosten, wat een seiche-effect veroorzaakt: het zeeniveau is in de westelijke Stille Oceaan 60 cm hoger dan in het oosten. |
| |
| De beweging van de lucht in deze circulatie beïnvloedt de temperatuur in het hele systeem, waardoor er om de paar jaar ongewoon warme of koude winters ontstaan. Dit kan ook de frequentie van orkanen veranderen. |
| |
| El Niño en de zuidelijke oscillatie |
| Het gedrag van de Walker-cel is de belangrijkste sleutel tot het begrijpen van het El Niño-fenomeen (ENSO of El Niño - Southern Oscillation). Als de convectieactiviteit in de westelijke Stille Oceaan afneemt, om redenen die slecht worden begrepen, stort de cel in. De westelijke circulatie naar boven neemt af of stopt, waardoor de toevoer van koude lucht naar de oostelijke Stille Oceaan wordt afgesloten en de oostelijke retourstroom aan het oppervlak verzwakt. |
| |
| Hierdoor kan warm water dat zich in de westelijke Stille Oceaan heeft opgestapeld, stroomafwaarts naar Zuid-Amerika stromen, waardoor de temperatuur van het zeeoppervlak in dat gebied verandert en de oceaanstromingen worden verstoord. Het verandert ook volledig de wolken- en regensystemen en zorgt bovendien voor ongebruikelijke temperaturen in zowel Amerika, Australië als Zuidoost-Afrika. |
| |
| Ondertussen kunnen in de Atlantische Oceaan de westelijke winden op het hoogste niveau, die doorgaans worden geblokkeerd door de Walker-circulatie, nu een ongebruikelijke kracht bereiken. Deze sterke winden snijden de opstijgende kolommen van vochtige lucht af van stormen die normaal gesproken in orkanen uitmonden en verminderen zo het aantal van deze laatste |
| |
| Het tegenovergestelde van El Niño is La Niña. In dit geval neemt de convectie in de westelijke Stille Oceaan toe, waardoor de Walker-cel wordt versterkt en koudere lucht langs de kust van Amerika wordt gebracht. Dit laatste leidt tot koudere winters in Noord-Amerika en meer orkanen in de Atlantische Oceaan. Doordat het warme water door de anticycloon westwaarts wordt gestuwd, kan het koude water uit de diepte naar de kust van Zuid-Amerika stijgen, wat een betere aanvoer van voedingsstoffen voor de vissen oplevert en uitstekende vismogelijkheden oplevert. Omdat het weer echter goed blijft, zijn er in dezelfde regio lange perioden van droogte. |
Afhankelijk van het landreliëf, de temperatuur van het zeeoppervlak en de oceaanstromingen, evenals de seizoenszonneschijn, zullen bepaalde
regio's op aarde gedurende een aanzienlijk deel van het jaar het overwicht hebben van depressies of anticyclonen op de kaarten, die de maandelijkse gemiddelde luchtdruk weergeven. Dit betekent niet dat deze systemen op deze plaatsen stationair zijn, maar eerder dat systemen van een bepaald type daar langer blijven, intenser zijn of beide. |
| |
| Tijdens de winter vestigden zich op het noordelijk halfrond anticyclonische centra, als gevolg van intense afkoeling van het oppervlak, op het Noord-Amerikaanse continent en in Azië, zoals de Siberische anticycloon. In de zomer worden deze gebieden veel minder vaak gedomineerd door een anticycloon. |
| |
Boven de oceanen vinden we in het dalende deel van de Hadley-cel de anticycloon in de Noordelijke Stille Oceaan, nabij Hawaï, en de anticycloon Azoren/Bermuda boven de centrale Noord-Atlantische Oceaan. In de winter ontwikkelen zich twee lagedrukcentra als we de Arctische gebieden naderen: de IJslandse depressie en de Aleoetende depressie. Deze laatste zijn diffuser in de zomer, wanneer de twee anticyclonen sterker worden
en zich een thermische depressie vormt in heel Centraal-Azië en zich uitstrekt tot in Afrika boven de Sahara. |
| |
| Op het overwegend oceanische zuidelijk halfrond is dit type semi-permanent weersysteem slecht ontwikkeld vanwege het gebrek aan thermische contrasten. In de winter vormt zich echter een thermische anticycloon boven Australië als gevolg van de afkoeling van de grote woestijn in het binnenland. Op de oceanen vinden we een anticycloon in elk van de drie oceanen in het dalende deel van de Hadley-cel: de Zuid-Atlantische Oceaan op het eiland Sint-Helena, de Zuidelijke Stille Oceaan nabij Paaseiland en in de Indische Oceaan rond de Mascarenes11. Ten zuiden van deze drie systemen vinden we een opeenvolging van depressies ten noorden van het Antarctische continent die beroemd zijn om hun gewelddadige en constante winden (zie Howling Fifties). |
| |
|
|
|
|
|
|
