Hadleycel

De Hadley-cel is een gesloten circulatiecel van de atmosfeer van de aarde die de atmosferische mondiale circulatie op equatoriale en tropische breedtegraden domineert. Hadley-cellen strekken zich uit van de evenaar tot breedtegraden van ongeveer 30 ° op beide halfronden. Deze warmte wordt getransporteerd in een cellulaire beweging waarbij de lucht door convectie in de equatoriale gebieden opstijgt en zich via de bovenste lagen
van de atmosfeer naar hogere breedtegraden beweegt. De opkomst van warme lucht op de evenaar gaat gepaard met de frequente vorming van convectiestormen in de zogenaamde intertropische convergentiezone.

Boven: Hadley-cel, die convectie in de ITCZ aan de evenaar toont, divergentie in de anti-passaatwinden, verzakkingen op de subtropische breedtegraad van het paard en de oppervlaktepassaatwinden die de cyclus voltooien.

Links: Algemene circulatie in de atmosfeer van de aarde met de Hadley-cel, de Ferrel-cel en de polaire cel. De passaatwinden en de InterTropical Convergence Zone worden ook in dit diagram weergegeven.

Het mondiale klimaat wordt sterk beïnvloed door de structuur en het gedrag van de Hadley-circulatie. De overheersende passaatwinden zijn een manifestatie van de lagere takken van de Hadley-circulatie, die lucht en vocht in de tropen samenbrengen en de Intertropical Convergence Zone (ITCZ) vormen, waar de zwaarste regenval op aarde plaatsvindt. Veranderingen in de ITCZ die verband houden met de seizoensvariabiliteit van de Hadley-circulatie veroorzaken de moessons. De zakkende takken van Hadley-cellen veroorzaken subtropische mid-oceanische ruggen en onderdrukken de neerslag; Veel van de woestijnen en droge gebieden op aarde bevinden zich in de subtropen, wat samenvalt met de positie van de verzakkingstakken. De Hadley-circulatie is ook een sleutelmechanisme voor het meridionale transport van warmte, impulsmoment en vocht, en draagt bij aan de subtropische jetstream, de vochtige tropen en het handhaven van een mondiaal thermisch evenwicht

Het fenomeen werd voor het eerst onderzocht aan het begin van de 18e eeuw door George Hadley, een Engelse advocaat die geïnteresseerd was in meteorologie en die geïnteresseerd was in het bepalen waarom de passaatwinden op het noordelijk halfrond altijd naar het westen waaien zonder naar het zuiden af te wijken. De beroemde Britse astronoom Edmond Halley had een paar jaar eerder een theorie van de atmosferische circulatie voorgesteld en had vastgesteld dat een van de essentiële kwesties om dit probleem te begrijpen de rotatie van de aarde was. In 1941 stelde de Zweedse meteoroloog Carl-Gustaf Rossby een model voor van de algemene atmosferische circulatie, gebaseerd op drie meridionale convectieve cellen voor elk halfrond, dat wordt aanvaard als een correcte kwalitatieve beschrijving van de circulatie in de atmosfeer van de aarde..

Mechanisme en kenmerken

De Hadley-circulatie beschrijft de brede thermisch directe, en meridionale kantelende luchtcirculatie binnen de troposfeer op lage breedtegraden. Binnen de mondiale
atmosferische circulatie is de meridionale luchtstroom gemiddeld langs breedtegraden.
Deze is georganiseerd in circulaties van stijgende en dalende bewegingen gekoppeld aan de beweging van lucht naar de evenaar of naar de polen, de zogenaamde meridionale cellen. Deze omvatten de prominente 'Hadley-cellen' gecentreerd boven de tropen en de zwakkere 'Ferrells-cellen' gecentreerd boven de middelste breedtegraden.

Hadley-cellen zijn het resultaat van contrasterende zonnestraling tussen de warmere equatoriale en koelere subtropische gebieden. Ongelijkmatige verwarming van het aardoppervlak leidt tot gebieden met stijgende en dalende lucht. In de loop van een jaar absorberen equatoriale gebieden meer zonnestraling dan ze uitstoten. Op hogere breedtegraden zendt de aarde meer straling uit dan zij van de zon ontvangt. Zonder een mechanisme om meridionaal warmte uit te wisselen, zouden equatoriale gebieden opwarmen en zouden hogere breedtegraden geleidelijk uit balans raken. De uitgebreide opkomst en ondergang van lucht geeft aanleiding tot een drukgradiëntkracht die de Hadley-circulatie en andere grootschalige stromingen in zowel de atmosfeer als de oceaan aandrijft, waardoor warmte wordt verspreid en een mondiaal thermisch evenwicht op de lange termijn wordt gehandhaafd, ook in het laagseizoen.

De Hadley-circulatie beslaat bijna de helft van het aardoppervlak en strekt zich uit van ongeveer de Kreeftskeerkring tot de Steenbokskeerkring. Verticaal beslaat de circulatie de gehele diepte van de troposfeer. De Hadley-cellen waaruit de circulatie bestaat. Ze worden gevormd door lucht die door de passaatwinden in de lagere troposfeer naar de evenaar wordt gevoerd en die opstijgt wanneer deze nabij de evenaar opwarmt, samen met lucht
die in de hogere troposfeer naar de polen beweegt.

Gemiddeld bestaat de Hadley-circulatie uit twee
cellen op het noordelijk en zuidelijk halfrond die lucht in de tropen laten circuleren

Lucht die naar de subtropen beweegt, koelt af en zakt vervolgens voordat hij naar de evenaar terugkeert naar de evenaar. tropen. De positie van de zinkende lucht geassocieerd met de Hadley-cel wordt vaak gebruikt als maatstaf voor het meridionale bereik van de mondiale tropen. De terugkeer van lucht naar de evenaar en de sterke invloed van de opwarming maken de Hadley-cel een gesloten, door thermisch aangedreven circulatie.
Als gevolg van de opwaartse beweging van lucht nabij de evenaar en het dalen van lucht op hogere breedtegraden, ontstaat er een drukgradiënt
nabij de evenaar, vanaf het oppervlak met lagere drukken nabij de evenaar en hogere drukken in de subtropen; dit vormt de drijvende kracht voor
de equatorwaartse stroming in de lagere troposfeer. De latente warmteafgifte die gepaard gaat met condensatie in de tropen ontspant echter ook de drukafname met de hoogte, wat resulteert in hogere drukken in de tropen vergeleken met de subtropen voor een bepaalde hoogte in de bovenste troposfeer; Deze drukgradiënt is sterker dan zijn tegenhanger vlak aan het oppervlak en levert de drijvende kracht voor poolwaartse stroming in de hogere troposfeer. Hadley-cellen worden meestal geïdentificeerd met behulp van de gewogen meridionale windstroomfunctie, massa en zonaal gemiddeld, maar ze kunnen ook worden geïdentificeerd door andere meetbare of afleidbare fysieke parameters, zoals het snelheidspotentieel of de verticale component van de wind bij een specifiek drukniveau.

Structuur en componenten

De structuur van de Hadley-circulatie en zijn componenten kunnen worden afgeleid door zonale en temporele gemiddelden van mondiale winden in
de troposfeer in kaart te brengen. Op kortere tijdschalen verstoren individuele weersystemen de windstroom. Hoewel de structuur van de Hadley-circulatie per seizoen varieert, is de Hadley-circulatie, wanneer de wind jaarlijks wordt gemiddeld vanuit een Euleriaans perspectief, ruwweg symmetrisch en samengesteld uit twee vergelijkbare Hadley-cellen, waarvan er één op elk van de noordelijke en zuidelijke hemisferen is, en die een gemeenschappelijk gebied delen. opstijgende lucht nabij de evenaar; de Hadley-cel op het zuidelijk halfrond is echter sterker. De wind die verband houdt met de jaarlijks gemiddelde Hadley-circulatie ligt in de orde van 18 km/u. Wanneer echter de bewegingen van luchtpakketten worden gemiddeld in tegenstelling tot de wind op vaste locaties vanuit een Lagrangiaans perspectief, manifesteert de Hadley-circulatie zich als een bredere circulatie die zich verder naar het polen uitstrekt. Elke Hadley-cel kan worden beschreven aan de hand van vier primaire takken van de luchtstroom binnen de tropen:

Een evenaarwaartse, lagere tak binnen de planetaire grenslaag

Een stijgende tak nabij de evenaar

Een poolwaartse, bovenste tak in de bovenste troposfeer

Een dalende tak in de subtropen

De passaatwinden op de lage breedtegraden van het noordelijk en zuidelijk halfrond van de aarde convergeren de lucht naar de evenaar, waardoor een gordel met lage atmosferische druk ontstaat die overvloedige stormen en zware regenval vertoont, bekend als de Intertropical Convergence Zone (ITCZ). Deze equatorwaartse beweging van lucht nabij het aardoppervlak vormt de onderste tak van de Hadley-cel. De positie van de ITCZ wordt beïnvloed door de warmte van de zeeoppervlaktetemperaturen (SST) nabij de evenaar en de sterkte van cross-equatoriale drukgradiënten. Over het algemeen bevindt de ITCZ zich nabij de evenaar of is deze verschoven naar het zomerhalfrond waar de warmste
SST's zich bevinden

Op jaarbasis is de stijgende tak van de Hadley-circulatie enigszins verschoven naar het noordelijk halfrond, weg van de evenaar. Als gevolg van de Corioliskracht buigen de passaatwinden tegengesteld aan de richting van de rotatie van de aarde, waarbij ze op beide halfronden gedeeltelijk westwaarts blazen in plaats van direct evenaarwaarts. De onderste tak verzamelt vocht als gevolg van verdamping in de tropische oceanen van de aarde.

Een warmere omgeving en convergerende winden dwingen de bevochtigde
lucht om nabij de evenaar op te stijgen, wat resulteert in de stijgende tak van de Hadley-cel. De opwaartse beweging wordt verder versterkt door het vrijkomen van latente warmte, aangezien de opstijging van vochtige lucht resulteert in een equatoriale band van condensatie en neerslag. De opwaartse tak van de Hadley-circulatie komt grotendeels voor bij onweersbuien die slechts ongeveer één procent van de oppervlakte van de tropen beslaan. Het transport van warmte in de stijgende tak van de Hadley-circulatie wordt het meest efficiënt bewerkstelligd door hete torens – cumulonimbuswolken met sterke opwaartse luchtstromen die zich niet vermengen met drogere lucht

Het samenkomen van winden nabij de evenaar resulteert in de Intertropische Convergentiezone, waardoor de lucht gedwongen wordt op te stijgen en de stijgende tak van de Hadley-circulatie te vormen

die gewoonlijk in de middelste troposfeer wordt aangetroffen en waardoor de beweging van lucht uit de zeer vochtige tropische lagere troposfeer mogelijk wordt gemaakt. naar de hogere troposfeer. Er zijn dagelijks ongeveer 1.500 à 5.000 hete torens in de buurt van de ITCZ-regio nodig om het verticale warmtetransport van de Hadley-circulatie in stand te houden.(Bewerkt)Origineel herstellen

De opstijging van lucht stijgt naar de bovenste troposfeer tot een hoogte van 12-15 km (7,5-9,3 mijl), waarna de lucht vanuit de ITCZ naar buiten divergeert naar de polen. De bovenkant van de Hadley-cel wordt bepaald door de hoogte van de tropopauze, aangezien de stabiele stratosfeer erboven de voortdurende opstijging van lucht verhindert. Lucht die uit de lage breedtegraden komt, heeft een hoger absoluut impulsmoment rond
de rotatieas van de aarde. De afstand tussen de atmosfeer en de aardas neemt af naar de polen; om het impulsmoment te behouden, moeten naar de polen bewegende luchtpakketten naar het oosten versnellen.

Het Coriolis-effect beperkt de poolwaartse omvang van de Hadley-circulatie, versnelt de lucht in de richting van de rotatie van de aarde en vormt
een straalstroom die zonaal gericht is in plaats van de poolwaartse luchtstroom voort te zetten bij de poolwaartse grens van elke Hadley-cel.
Als we alleen rekening houden met het behoud van het impulsmoment, zou een luchtpakketje in rust langs de evenaar versnellen tot een zonale snelheid van 480 km/u, tegen de tijd dat het 30° noorderbreedte bereikt. Kleinschalige turbulentie langs de poolwaartse trek van het pakket en grootschalige wervelingen op de middelste breedtegraad verdrijven echter het hoekmomentum. De straal geassocieerd met de Hadley-cel op het zuidelijk halfrond is sterker dan zijn noordelijke tegenhanger vanwege de sterkere intensiteit van de cel op het zuidelijk halfrond. De koelere, hogere breedtegraden leiden tot afkoeling van luchtpakketten, waardoor de poolwaartse lucht uiteindelijk naar beneden daalt. Wanneer de luchtbeweging jaarlijks wordt gemiddeld, bevindt de dalende tak van de Hadley-cel zich ruwweg over de 25e breedtegraad noord en de 25e breedtegraad zuid.
Het vocht in de subtropen wordt vervolgens gedeeltelijk naar het polen geadvecteerd door draaikolken en gedeeltelijk naar de evenaar door de onderste tak van de Hadley-cel, waar het later naar de ITCZ wordt gebracht. Hoewel de per zone gemiddelde Hadley-cel in vier hoofdtakken is georganiseerd, zijn deze takken aggregaties van meer geconcentreerde luchtstromen en gebieden met massatransport.

Verschillende theorieën en fysieke modellen hebben geprobeerd de breedte van de Hadley-cel te verklaren. Het Held-Hou-model biedt één theoretische beperking voor de meridionale omvang van de Hadley-cellen. Door een vereenvoudigde atmosfeer aan te nemen die bestaat uit een onderste laag die onderhevig is aan wrijving van het aardoppervlak en een bovenste laag die vrij is van wrijving, voorspelt het model dat de Hadley-circulatie beperkt zou zijn tot binnen 2.500 km van de evenaar als de pakketten dat niet doen. enige netto verwarming in de circulatie hebben. Volgens het Held-Hou-model schaalt de breedtegraad van de poolwaartse rand van de Hadley-cel, waar het verschil in potentiële temperatuur is tussen de evenaar en de pool in stralingsevenwicht, is de hoogte van de tropopauze is de rotatiesnelheid van de aarde, en is een potentiële referentietemperatuur. Andere compatibele modellen stellen dat de breedte van de Hadley-cel kan schalen met andere fysieke parameters, zoals de verticaal gemiddelde Brunt-Väisälä-frequentie in de tropopshere of de groeisnelheid van barokliene golven die door de cel worden uitgestoten.

Seizoensgebondenheid en variabiliteit

De Hadley-circulatie varieert aanzienlijk met seizoensveranderingen. Rond de equinox tijdens de lente en de herfst voor zowel het noordelijk als het zuidelijk halfrond neemt de Hadley-circulatie de vorm aan van twee relatief zwakkere Hadley-cellen in beide halfronden, die een gemeenschappelijk opstijgingsgebied delen over de ITCZ en de lucht omhoog bewegen naar het respectievelijke halfrond van elke cel. Echter, dichter bij de zonnewendes, gaat de Hadley-circulatie over in een meer enkelvoudige en sterkere cross-equatoriale Hadley-cel, waarbij de lucht op het zomerhalfrond stijgt en in grote lijnen daalt op het winterhalfrond. De overgang tussen de tweecellige en eencellige configuratie is abrupt, en gedurende het grootste deel van het jaar wordt de Hadley-circulatie gekenmerkt door een enkele dominante Hadley-cel die lucht over de evenaar transporteert. In deze configuratie bevindt de stijgende tak zich in de tropische breedtegraden van het warmere zomerhalfrond en de dalende tak in de subtropen van het koelere winterhalfrond. Op elk halfrond zijn nog steeds twee cellen aanwezig, hoewel de cel op het winterhalfrond veel prominenter wordt, terwijl de cel op het zomerhalfrond naar het poolgebied wordt verplaatst. De intensivering van de cel op het winterhalfrond gaat gepaard met een steiler wordende gradiënten in geopotentiële hoogte, wat leidt tot een versnelling van de passaatwinden en sterkere meridionale stromingen. De aanwezigheid van continenten versoepelt de temperatuurgradiënten op het zomerhalfrond, waardoor het contrast tussen de hemisferische Hadley-cellen wordt geaccentueerd. Uit heranalysegegevens van 1979-2001 bleek dat de dominante Hadley-cel zich in de boreale zomer gemiddeld uitstrekte van 13 ° ZB tot 31 ° N. In zowel de boreale als de Australische winters dragen de Indische Oceaan en de westelijke
Stille Oceaan de grootste bijdrage aan de stijgende en dalende bewegingen in de zonaal gemiddelde Hadley-circulatie. De verticale stromingen over Afrika en Amerika zijn echter duidelijker in de boreale winter.

Animatie van de Stokes-stroomfunctie uitgezet tegen druk en breedtegraad Jaarlijkse en maandelijkse gemiddelde Stokes-streamfunctie gebaseerd op waarden van 1991–2020 uit de NCEP/NCAR-heranalyse; de Hadley-cellen zijn de twee tegengesteld draaiende cellen naast de evenaar

Op langere tijdschalen tussen de jaren worden variaties in de Hadley-circulatie geassocieerd met variaties in de El Niño-Southern Oscillation (ENSO), die de positionering van de stijgende tak beïnvloedt; de reactie van de circulatie op ENSO is niet- lineair, met een duidelijkere reactie op El Niño-gebeurtenissen dan La Niña-gebeurtenissen. Tijdens El Niño wordt de Hadley-circulatie sterker als gevolg van de toegenomen warmte van de bovenste troposfeer boven de tropische Stille Oceaan en de daaruit voortvloeiende intensivering van de poolwaartse stroming. Deze veranderingen zijn echter niet asymmetrisch; tijdens dezelfde gebeurtenissen worden de Hadley-cellen boven de westelijke Stille Oceaan en de Atlantische Oceaan verzwakt. Tijdens de Atlantische Niño wordt de circulatie over de Atlantische Oceaan geïntensiveerd. De Atlantische circulatie wordt ook verbeterd tijdens perioden waarin de Noord-Atlantische oscillatie sterk positief is. De variatie in de seizoensgemiddelde en jaarlijks gemiddelde Hadley-circulatie van jaar tot jaar wordt grotendeels verklaard door twee naast elkaar geplaatste oscillatiemodi: een equatoriaal symmetrische modus die wordt gekenmerkt door een enkele cel die zich over de evenaar uitstrekt, en een equatoriaal symmetrische modus die wordt gekenmerkt door twee cellen aan beide zijden van de evenaar. kant van de evenaar.

Energetica en transport

De Hadley-cel is een belangrijk mechanisme waarmee vocht en energie worden getransporteerd, zowel tussen de tropen en subtropen als tussen het noordelijk en zuidelijk halfrond. Het is echter geen efficiënte transporteur van energie vanwege de tegengestelde stromingen van de onderste en bovenste tak,
waarbij de onderste tak voelbare en latente warmte naar de evenaar transporteert en de bovenste tak potentiële energie naar het polen transporteert. Het resulterende netto energietransport naar de polen vertegenwoordigt ongeveer 10 procent van het totale energietransport dat betrokken is bij de Hadley-cel. De dalende tak van de Hadley-cel zorgt voor een heldere hemel en een overschot aan verdamping ten opzichte van de neerslag in de subtropen. De onderste tak van de Hadley-circulatie zorgt voor het grootste deel van het transport van de overtollige waterdamp die zich in de subtropische atmosfeer
heeft opgehoopt naar het equatoriale gebied.

De sterke Hadley-cel op het zuidelijk halfrond ten opzichte van zijn noordelijke tegenhanger leidt tot een klein netto energietransport van het noordelijk naar het zuidelijk halfrond; als gevolg daarvan is het energietransport op de evenaar gemiddeld zuidwaarts gericht, met een jaarlijks netto transport van ongeveer 0,1 PW. In tegenstelling tot de hogere breedtegraden waar wervels het dominante mechanisme zijn voor het transporteren van energie naar het poolgebied, zijn de meridionale stromen die worden

De Hadley-cel herverdeelt de warmte, waardoor de ongelijkmatige opwarming van de aarde wordt tegengegaan.

opgelegd door de Hadley-circulatie het primaire mechanisme voor energietransport naar het poolgebied in de tropen. Als thermisch directe circulatie zet de Hadley-circulatie de beschikbare potentiële energie om in de kinetische energie van horizontale winden. Gebaseerd op gegevens van januari 1979 en december 2010 heeft de Hadley-circulatie een gemiddeld vermogen van 198 TW, met maxima in januari en augustus en minima in mei en oktober. Hoewel de stabiliteit van de tropopauze de beweging van lucht van de troposfeer naar de stratosfeer grotendeels beperkt, dringt een deel van de troposfeer via de Hadley-cellen de stratosfeer binnen.

Barokliene golven die zich ontwikkelen langs de subtropische straal aan de polaire grenzen van Hadley-cellen transporteren energie naar het poolgebied.

De Hadley-circulatie kan worden geïdealiseerd als een warmtemotor die warmte-energie omzet in mechanische energie. Terwijl lucht naar de evenaar nabij het aardoppervlak beweegt, accumuleert het entropie van het oppervlak, hetzij door directe verwarming of door de flux van voelbare of latente warmte. In de stijgende tak van een Hadley-cel is de opstijging van lucht ongeveer een adiabatisch proces ten opzichte van de omringende omgeving. Wanneer luchtpakketten echter naar de evenaar in de bovenste tak van de cel bewegen, verliezen ze entropie door warmte naar de ruimte uit te stralen op infrarode golflengten en dalen als reactie daarop af.

Deze stralingskoeling vindt plaats met een snelheid van minstens 60 W m−2 en kan in de winter de 100 W m−2 overschrijden. De warmte die wordt verzameld tijdens de equatorwaartse tak van de circulatie is groter dan de warmte die verloren gaat in de bovenste poolwaartse tak; de overtollige warmte wordt omgezet in de mechanische energie die de beweging van lucht aandrijft.

Dit verschil in verwarming resulteert er ook in dat de Hadley-circulatie warmte naar het polen transporteert, aangezien de lucht die de bovenste tak van de Hadley-cel voedt een grotere
vochtige statische energie heeft dan de lucht die de onderste tak van de cel voedt.

Binnen de atmosfeer van de aarde liggen de tijdschaal waarop luchtpakketjes warmte verliezen als gevolg van stralingskoeling en de tijdschaal waarop lucht langs de Hadley-circulatie beweegt van vergelijkbare ordes van grootte, waardoor de Hadley-circulatie warmte kan transporteren ondanks afkoeling in de bovenste tak van de circulatie. Lucht met een hoge potentiële temperatuur wordt uiteindelijk naar het poolgebied in de bovenste troposfeer verplaatst, terwijl lucht met een lagere potentiële temperatuur evenaarwaarts naar het oppervlak wordt gebracht. Als gevolg hiervan is de Hadley-circulatie een mechanisme waarmee het onevenwicht dat wordt veroorzaakt door de ongelijkmatige verwarming van de aarde
in evenwicht wordt gebracht. Wanneer beschouwd als een warmtemotor, bedroeg de thermodynamische efficiëntie van de Hadley-circulatie tussen 1979 en 2010 gemiddeld ongeveer 2,6 procent, met kleine seizoensvariaties.

De Hadley-circulatie transporteert ook het planetaire impulsmoment naar het polen als gevolg van de rotatie van de aarde. Omdat de passaatwinden tegengesteld aan de rotatie van de aarde zijn gericht, wordt het oostwaartse impulsmoment via wrijvingsinteractie tussen de winden en de
topografie naar de atmosfeer overgebracht. De Hadley-cel brengt dit impulsmoment vervolgens over via zijn opwaartse en poolwaartse takken.
De poolwaartse tak versnelt en wordt op zowel het noordelijk als het zuidelijk halfrond naar het oosten afgebogen als gevolg van de Coriolis-kracht en het behoud van impulsmoment, wat resulteert in een zonale straalstroom boven de dalende tak van de Hadley-cel.

De vorming van een dergelijke straal impliceert het bestaan van een thermische windbalans die wordt ondersteund door de versterking van de temperatuurgradiënten in de omgeving van de straal als gevolg van de poolwaartse warmte-advectie van de Hadley-circulatie. De subtropische straal in de bovenste troposfeer valt samen met de plaats waar de Hadley-cel de Ferrell-cel ontmoet. De sterke windschering die de straal vergezelt, vormt een belangrijke bron van barokliene instabiliteit waaruit golven groeien; de groei van deze golven brengt warmte en momentum naar het polen over. Atmosferische wervels onttrekken het westelijke impulsmoment uit de Hadley-cel en transporteren dit naar beneden, wat resulteert in westelijke winden op de middelste breedtegraad.

Formulering en ontdekking

De brede structuur en het mechanisme van de Hadley-circulatie – bestaande uit convectieve cellen die lucht verplaatsen als gevolg van temperatuurverschillen op een manier die wordt beïnvloed door de rotatie van de aarde – werd voor het eerst voorgesteld door Edmund Halley in 1685 en George Hadley in 1735. Hadley had geprobeerd het fysieke mechanisme voor de passaatwinden en de westelijke winden te verklaren; de Hadley-circulatie en de Hadley-cellen zijn genoemd ter ere van zijn baanbrekende werk. Hoewel de ideeën van Hadley een beroep deden op fysieke concepten die pas lang na zijn dood zouden worden geformaliseerd, was zijn model grotendeels kwalitatief en zonder wiskundige nauwkeurigheid. Hadley's formulering werd later door de meeste meteorologen in de jaren twintig erkend als een vereenvoudiging van meer gecompliceerde atmosferische processen. De Hadley-circulatie was mogelijk de eerste poging om de mondiale verspreiding van winden in de atmosfeer van de
aarde te verklaren met behulp van fysieke processen. De hypothese van Hadley kon echter niet worden geverifieerd zonder waarnemingen van winden in de hogere atmosfeer. Gegevens verzameld door routinematige radiosondes vanaf het midden van de 20e eeuw bevestigden het bestaan van de Hadley-circulatie.

Vroege verklaringen van de passaatwinden

In de 15e en 16e eeuw waren observaties van maritieme weersomstandigheden van groot belang voor het zeevervoer. Compilaties van deze waarnemingen toonden consistente weersomstandigheden van jaar tot jaar en aanzienlijke seizoensvariaties aan. Het voorkomen van droge omstandigheden en zwakke wind rond de 30° breedtegraad en de passaatwinden langs de evenaar dichter bij de evenaar, weerspiegeld op het noordelijk en zuidelijk halfrond, was rond 1600 duidelijk zichtbaar. Vroege pogingen van wetenschappers om aspecten van mondiale windpatronen
te verklaren waren vaak gericht op de passaatwinden, aangezien werd aangenomen dat de standvastigheid van de wind een eenvoudig fysiek mechanisme voorspelde. Galileo Galilei stelde voor dat de passaatwinden het gevolg waren van het feit dat de atmosfeer achterbleef bij de hogere tangentiële rotatiesnelheid van de aarde op de lage breedtegraden, wat resulteerde in de westwaartse bewegingen die tegengesteld waren aan de rotatie van de aarde.

Pogingen om de passaatwinden te verklaren werden ingegeven door hun standvastigheid en belang voor de maritieme handel.

In 1685 stelde de Engelse polymath Edmund Halley tijdens een debat georganiseerd door de Royal Society voor dat de passaatwinden het gevolg waren van temperatuurverschillen tussen oost en west die in de loop van een dag in de tropen ontstonden. In het model van Halley bewoog de locatie van de maximale verwarming van de zon, terwijl de aarde ronddraaide, naar het westen over het aardoppervlak. Hierdoor zou de lucht stijgen, en door het behoud van de massa betoogde Halley dat de lucht naar het gebied van de geëvacueerde lucht zou worden verplaatst, waardoor de passaatwinden zouden ontstaan. De hypothese van Halley werd bekritiseerd door zijn vrienden, die opmerkten dat zijn model in de loop van de dag tot veranderende windrichtingen zou leiden in plaats van tot constante passaatwinden. Halley gaf in persoonlijke correspondentie met John Wallis toe dat het in twijfel trekken van mijn hypothese voor het oplossen van de Trade Winds mij minder vertrouwen geeft in de waarheid daarvan. Niettemin werd Halley's formulering opgenomen in Chambers' Encyclopaedia en La Grande Encyclopédie, en werd het tot het begin van de 19e eeuw de meest bekende verklaring voor de passaatwinden. Hoewel zijn uitleg van de passaatwinden onjuist was, voorspelde Halley correct dat de passaatwinden aan het oppervlak vergezeld zouden moeten gaan van een tegengestelde stroom omhoog na massabehoud.

De uitleg van George Hadley

Ontevreden met eerdere verklaringen voor de passaatwinden, stelde George Hadley in 1735 een alternatief mechanisme voor. Hadley's hypothese werd gepubliceerd in het artikel "On the Cause of the General Trade Winds" in Philosophical Transactions of the Royal Society. Net als Halley beschouwde Hadley's uitleg de passaatwinden als een manifestatie van lucht die in beweging kwam om de plaats in te nemen van opstijgende warme lucht. Het gebied van opstijgende lucht dat deze stroming veroorzaakte, lag echter op de lagere breedtegraden. Omdat hij begreep dat de tangentiële rotatiesnelheid van de aarde het hoogst was op de evenaar en verder naar de polen vertraagde, vermoedde Hadley dat als lucht met een lager momentum van hogere breedtegraden naar de evenaar bewoog om de stijgende lucht te vervangen, deze zijn momentum zou behouden en dus naar het westen zou buigen.

Op dezelfde manier zou de opstijgende lucht met een groter momentum zich naar het poolgebied verspreiden, naar het oosten buigen en vervolgens naar beneden zinken als de lucht afkoelde, waardoor westelijke winden op de middelste breedtegraden ontstonden. Hadley's verklaring impliceerde het bestaan van circulatiecellen die het hele halfrond omspannen op het noordelijk en zuidelijk halfrond, zich uitstrekkend van de evenaar tot aan de polen, hoewel hij zich baseerde op een idealisering van de atmosfeer van de aarde die seizoensinvloeden of de asymmetrieën van de oceanen en continenten ontbeerde.
Zijn model voorspelde ook snelle oostelijke passaatwinden van ongeveer 130 km/u, hoewel hij betoogde dat de werking van oppervlaktewrijving in de loop van een paar dagen de lucht naar de waargenomen wind vertraagde. snelheden. Colin Maclaurin breidde Hadley's model in 1740 uit tot de oceaan en beweerde dat meridionale oceaanstromingen onderhevig waren aan soortgelijke west- of oostwaartse afbuigingen.

Hadley's opvatting van de atmosferische circulatie omvatte grote, halfrond-omspannende circulaties

Hadley werd niet algemeen in verband gebracht met zijn theorie vanwege de samensmelting met zijn oudere broer, John Hadley, en Halley,
zijn theorie kreeg meer dan een eeuw lang geen grip in de wetenschappelijke gemeenschap vanwege de niet-intuïtieve uitleg ervan en het gebrek
aan validerende observaties. Verschillende andere natuurfilosofen hebben kort na Hadley's voorstel uit 1735 onafhankelijk verklaringen aangedragen voor de mondiale verspreiding van winden. In 1746 leverde Jean le Rond d'Alembert een wiskundige formulering voor de mondiale winden, maar hij negeerde de zonnewarmte en schreef de winden toe aan de zwaartekrachteffecten van de zon en de maan. Immanuel Kant, ook ontevreden over Halley's verklaring voor de passaatwinden, publiceerde in 1756 een verklaring voor de passaatwinden en westenwinden met een soortgelijke redenering als Hadley. In het laatste deel van de 18e eeuw ontwikkelde Pierre-Simon Laplace een reeks vergelijkingen die een directe invloed van de rotatie van de aarde op de windrichting vastlegden. De Zwitserse wetenschapper Jean-André Deluc publiceerde in 1787 een verklaring voor de passaatwinden, vergelijkbaar met de hypothese van Hadley, waarbij hij de differentiële verwarming en de rotatie van de aarde in verband bracht met de richting van de wind.

De Engelse scheikundige John Dalton was de eerste die Hadley's uitleg van de passaatwinden duidelijk aan George Hadley toeschreef, waarbij hij Hadley's werk vermeldde in zijn boek Meteorological Observations and Essays uit 1793. In 1837 publiceerde Philosophical Magazine een nieuwe theorie van windstromen, ontwikkeld door Heinrich Wilhelm Dove zonder verwijzing naar Hadley, maar waarin op dezelfde manier werd uitgelegd dat de richting van de passaatwinden werd beïnvloed door de rotatie van de aarde. Als reactie hierop schreef Dalton later een brief aan de redacteur van het tijdschrift waarin reclame werd gemaakt voor Hadley's werk. Dove noemde Hadley vervolgens zo vaak dat de overkoepelende theorie bekend werd als het "Hadley-Dove-principe", waardoor Hadley's verklaring voor de passaatwinden in Duitsland en Groot-Brittannië populair werd.

Kritiek op Hadley's uitleg

Het werk van Gustave Coriolis, William Ferrel, Jean Bernard Foucault en Henrik Mohn in de 19e eeuw hielp bij het vestigen van de Corioliskracht als het mechanisme voor de afbuiging van winden als gevolg van de rotatie van de aarde, waarbij de nadruk werd gelegd op het behoud van het impulsmoment bij het richten van stromingen in plaats van op het behoud van het impulsmoment bij het richten van stromingen.
behoud van lineair momentum zoals Hadley suggereerde, Hadley's aanname leidde tot een onderschatting van de afbuiging met een factor twee. De aanvaarding van de Corioliskracht bij het vormgeven van mondiale winden leidde vanaf de jaren zeventig van de negentiende eeuw tot debat onder Duitse atmosferische wetenschappers over de volledigheid en geldigheid van Hadley's verklaring, die het gedrag van aanvankelijk meridionale bewegingen nauwgezet verklaarde.

Hadley's gebruik van oppervlaktewrijving om uit te leggen waarom de passaatwinden veel langzamer waren dan zijn theorie zou voorspellen, werd gezien als een belangrijke zwakte in zijn ideeën. De zuidwestelijke bewegingen waargenomen in cirruswolken rond 30 ° noorderbreedte deden de theorie van Hadley verder buiten beschouwing, aangezien hun beweging veel langzamer was dan de theorie zou voorspellen als rekening wordt gehouden met het behoud van impulsmoment.

In 1899 hield William Morris Davis, hoogleraar fysische geografie aan de Harvard University, een toespraak bij de Royal Meteorological Society waarin hij de theorie van Hadley bekritiseerde vanwege het onvermogen om rekening te houden met de overgang van een aanvankelijk onevenwichtige stroom naar een geostrofisch evenwicht. Davis en andere meteorologen erkenden in de 20e eeuw dat de beweging van luchtpakketten langs Hadley's beoogde circulatie werd ondersteund door een constant samenspel tussen de drukgradiënt en Coriolis-krachten, in plaats van alleen door het behoud van impulsmoment. Hoewel de atmosferische wetenschappelijke gemeenschap de algemene ideeën van Hadley's principe geldig achtte, werd zijn verklaring uiteindelijk gezien als een vereenvoudiging van complexere fysieke processen.

Routinematige radiosondemonsters van de bovenste troposfeer vanaf de 20e eeuw vormden het eerste directe observationele bewijs van de Hadley-circulatie

Hadley's model van de mondiale atmosferische circulatie, gekenmerkt door circulatiecellen over het hele halfrond, werd ook uitgedaagd door weerswaarnemingen die een zone met hoge druk in de subtropen en een gordel met lage druk op ongeveer 60 ° noorderbreedte lieten zien.
Deze drukverdeling zou een poolwaartse stroming nabij het oppervlak op de middelste breedtegraden impliceren in plaats van een evenaarwaartse stroming die wordt geïmpliceerd door Hadley's beoogde cellen. Ferrel en James Thomson brachten het drukpatroon later in overeenstemming met het model van Hadley door een circulatiecel voor te stellen die beperkt was tot lagere hoogten op de middelste breedtegraden en genesteld in de bredere, halfrond brede Hadley-cellen. Carl-Gustaf Rossby stelde in 1947 voor dat de Hadley-circulatie beperkt was tot de tropen en deel uitmaakte van een dynamisch aangedreven en meercellige meridionale stroom. Rossby's model leek op dat van een soortgelijk driecellig model, ontwikkeld
door Ferrel in 1860.

Directe observatie

Het driecellige model van de mondiale atmosferische circulatie waarbij de door Hadley bedachte circulatie de tropische component ervan vormt,
werd aan het begin van de 20e eeuw algemeen aanvaard door de meteorologische gemeenschap. Het bestaan van de Hadley-cel werd echter alleen bevestigd door weerwaarnemingen aan het oppervlak, en de voorspellingen van de wind in de hogere troposfeer bleven ongetest. De routinematige bemonstering van de bovenste troposfeer door radiosondes die halverwege de 20e eeuw opkwamen, bevestigde het bestaan van meridionale omvallende cellen in de atmosfeer.

Invloed op het klimaat

De Hadley-circulatie is een van de belangrijkste invloeden op het mondiale klimaat en de bewoonbaarheid van de planeet, evenals een belangrijke transporteur van impulsmoment, hitte en waterdamp. Hadley-cellen maken de temperatuurgradiënt tussen de evenaar en de polen vlakker,
waardoor de extratropen milder worden. Het mondiale neerslagpatroon van hoge neerslag in de tropen en een gebrek aan neerslag op hogere breedtegraden is een gevolg van respectievelijk de positionering van de stijgende en dalende takken van Hadley-cellen. Dichtbij de evenaar resulteert de opstijging van vochtige lucht in de zwaarste neerslag op aarde. De periodieke beweging van de ITCZ en dus de seizoensvariatie van de stijgende takken van de Hadley-circulatie veroorzaken de moessons in de wereld. De dalende beweging van lucht die geassocieerd wordt met de zinkende tak veroorzaakt oppervlaktedivergentie die consistent is met de prominentie van subtropische hogedrukgebieden. Deze semi-permanente hogedrukgebieden liggen voornamelijk boven de oceaan, tussen 20° en 40° noorderbreedte. Dorre omstandigheden worden geassocieerd met de dalende takken van de Hadley-circulatie, waarbij veel van de woestijnen van de aarde en semi-aride of dorre gebieden ten grondslag liggen aan de zinkende takken van de Hadley-circulatie.

Effecten van klimaatverandering

Natuurlijke variabiliteit

Paleoklimaatreconstructies van passaatwinden en regenpatronen suggereren dat de Hadley-circulatie veranderde als reactie op de natuurlijke klimaatvariabiliteit. Tijdens Heinrich-gebeurtenissen in de afgelopen 100.000 jaar werd de Hadley-cel op het noordelijk halfrond sterker, terwijl de Hadley-cel op het zuidelijk halfrond verzwakte. Variatie in de zonnestraling tijdens het midden tot het late Holoceen resulteerde in een zuidwaartse migratie van de stijgende en dalende takken van de Hadley-cel op het noordelijk halfrond, dichter bij hun huidige posities. Boomringen vanaf de middelste breedtegraden van het noordelijk halfrond suggereren dat de historische positie van de Hadley-celtakken ook is verschoven als reactie op kortere oscillaties, waarbij de dalende tak van het noordelijk halfrond zuidwaarts beweegt tijdens positieve fasen van de El Niño-Zuidelijke Oscillatie
en de Stille Oceaan. tienjarige oscillatie en naar het noorden tijdens de overeenkomstige negatieve fasen. De Hadley-cellen werden tussen 1400 en 1850 zuidwaarts verplaatst, gelijktijdig met de droogte in delen van het noordelijk halfrond.

Hadley-celexpansie en intensiteitsveranderingen

Volgens het IPCC Sixth Assessment Report (AR6) is de Hadley-circulatie waarschijnlijk sinds de jaren tachtig uitgebreid als reactie op de klimaatverandering, met een gemiddeld vertrouwen in een daarmee gepaard gaande intensivering van de circulatie. Een uitbreiding van de totale circulatie naar het poolgebied met ongeveer 0,1 tot 0,5 ° breedtegraad per decennium sinds de jaren tachtig wordt grotendeels verklaard door de poolwaartse verschuiving van de Hadley-cel op het noordelijk halfrond, die bij heranalyse van de atmosfeer sinds 1992 een meer uitgesproken expansie heeft laten zien.

Studies hebben een groot aantal schattingen opgeleverd voor de snelheid waarmee de tropen zich uitbreiden als gevolg van het gebruik van verschillende metrieken; schattingen gebaseerd op eigenschappen in de bovenste troposfeer leveren doorgaans een breder scala aan waarden op. De mate waarin de circulatie is uitgebreid, varieert per seizoen, waarbij de trends in de zomer en
de herfst groter en statistisch significant zijn op beide halfronden. De verbreding van de Hadley-circulatie heeft sinds de jaren zeventig ook geresulteerd in een waarschijnlijke verbreding van de ITCZ..Analyses suggereren ook dat de
Hadley-cellen in de zomer en de herfst op beide halfronden groter zijn geworden en dat de mondiale Hadley-circulatie sinds 1979 is geïntensiveerd, met een meer uitgesproken intensivering op het noordelijk halfrond. Tussen 1979 en 2010 is de stroom die door de mondiale Hadley-circulatie werd opgewekt met gemiddeld 0,54 TW per jaar toegenomen, consistent met een grotere input van energie in de circulatie door het opwarmen van SST's boven de tropische oceanen. Ter vergelijking: het totale vermogen van de Hadley-circulatie varieert van 0,5 TW tot 218 TW gedurende het hele jaar op het noordelijk halfrond en van 32 tot 204 TW op het zuidelijk halfrond.

De uitbreiding van de Hadley-circulatie als gevolg van klimaatverandering komt overeen met het Held-Hou-model, dat voorspelt dat de breedtegraad van de circulatie evenredig is met de vierkantswortel van de hoogte van de tropopauze. Door de opwarming van de troposfeer wordt de hoogte van de tropopauze verhoogd, waardoor de bovenste poolwaartse tak van de Hadley-cellen zich verder kan uitstrekken, wat leidt tot een uitzetting van de cellen.

Rechts: Klimaatverandering heeft geleid tot de uitbreiding van de Hadley-circulatie naar de polen

Fysieke mechanismen en verwachte veranderingen

De fysieke processen waardoor de Hadley-circulatie zich onder menselijke invloed uitbreidt, zijn onduidelijk, maar kunnen verband houden met de toegenomen opwarming van de subtropen ten opzichte van andere breedtegraden op zowel het noordelijk als het zuidelijk halfrond. De verbeterde subtropische warmte zou uitbreiding van de circulatie naar het polen mogelijk kunnen maken door de subtropische straal- en baroclinische wervelingen naar het polen te verplaatsen. De poolwaartse expansie van de Hadley-cel op het zuidelijk halfrond in de Australische zomer werd toegeschreven aan de aantasting van de ozonlaag in de stratosfeer.De aantasting van de ozonlaag zou op plausibele wijze de Hadley-circulatie kunnen beïnvloeden door de toename van stralingskoeling in de lagere stratosfeer, dit zou de fasesnelheid van baroclinische wervelingen verhogen
en ze naar het polen verplaatsen, wat zou leiden tot expansie van Hadley-cellen. Er zijn andere door wervels aangedreven mechanismen voorgesteld voor het uitbreiden van Hadley-cellen, die veranderingen in de barocliniteit, het breken van golven en andere vormen van instabiliteit met zich meebrengen. In de extratropen van het noordelijk halfrond kunnen toenemende concentraties van zwarte koolstof en ozon in de troposfeer een grote invloed hebben op de uitbreiding van Hadley-cellen op dat halfrond in de boreale zomer.

Projecties van klimaatmodellen geven aan dat een voortdurende toename van de concentratie van broeikasgassen zou resulteren in een voortdurende verruiming van de Hadley-circulatie. Simulaties op basis van historische gegevens suggereren echter dat de broeikaseffect van broeikasgassen verantwoordelijk kan zijn voor ongeveer 0,1°C per decennium van uitbreiding van de tropen.

Veranderingen in weerpatronen

De uitbreiding van de Hadley-circulatie als gevolg van klimaatverandering houdt verband met veranderingen in regionale en mondiale weerpatronen. Een verbreding van de tropen zou de tropische regengordel kunnen verdringen, subtropische woestijnen kunnen uitbreiden en bosbranden en droogte kunnen verergeren. De gedocumenteerde verschuiving en uitbreiding van subtropische ruggen houden verband met veranderingen in de Hadley-circulatie, waaronder een westwaartse uitbreiding van het subtropische hoog boven de noordwestelijke Stille Oceaan, veranderingen in de intensiteit en positie van het Azoren hoog, en de poolwaartse verplaatsing en intensivering van het subtropische gebied. hogedrukgebied op het zuidelijk halfrond. Deze veranderingen hebben de regionale neerslaghoeveelheden en -variabiliteit beïnvloed, inclusief droogtrends in Zuid-Australië, Noordoost-China en Noord-Zuid-Azië.

Er is beperkt bewijs dat de uitbreiding van de Hadley-cel op het noordelijk halfrond mogelijk gedeeltelijk heeft geleid tot drogere omstandigheden in de subtropen en een poolwaartse uitbreiding van de dorheid tijdens de boreale zomer. Veranderingen in de neerslag veroorzaakt door veranderingen in de Hadley-circulatie kunnen leiden tot veranderingen in het regionale bodemvocht, waarbij modellen de meest significante dalingen laten zien in de Middellandse Zee, Zuid-Afrika en
het zuidwesten van de Verenigde Staten. De gelijktijdige effecten van veranderende oppervlaktetemperatuurpatronen boven land leiden echter tot onzekerheden over de invloed van
de verbreding van Hadley-cellen op het drogen boven subtropische landgebieden.

Veranderingen in de Hadley-cel als gevolg van klimaatverandering kunnen de mondiale neerslagtrends beïnvloeden.

Klimaatmodellering suggereert dat de verschuiving in de positie van de subtropische pieken, veroorzaakt door de verbreding van de Hadley-cellen,
de opwelling van de oceanen op lage breedtegraden kan verminderen en de opwelling van de oceanen op hoge breedtegraden kan versterken.
De uitbreiding van subtropische pieken in combinatie met de uitbreiding van de circulatie kan ook een verbreding van oceanische gebieden met een hoog zoutgehalte en een lage primaire mariene productie met zich meebrengen. Een afname van extratropische cyclonen in de stormbaangebieden
in modelprojecties wordt gedeeltelijk beïnvloed door de expansie van Hadley-cellen. Poolwaartse verschuivingen in de Hadley-circulatie houden verband met verschuivingen in de paden van tropische cyclonen op het noordelijk en zuidelijk halfrond, inclusief een poolwaartse trend op de locaties waar stormen hun piekintensiteit bereikten.

Bronnen: Wikipedia-nl, Wikipedia-en, Wikipedia-fr

Categorieën: Meteorologie I Weer A tot Z

Meteorologie A tot Z

Hadleycel