Nauka o Ziemi

cele lekcji

• Wymień właściwości prądów powietrza w komórce konwekcyjnej.
• opisz, jak komórki wysokiego i niskiego ciśnienia tworzą lokalne wiatry i wyjaśnij, jak powstaje kilka rodzajów lokalnych wiatrów.
• omów, w jaki sposób globalne komórki konwekcyjne prowadzą do globalnych pasów wiatrowych.

słownictwo

• advection
• Chinook winds (Foehn winds)
• haboob
• Strefa wysokiego ciśnienia
• strumień strumieniowy
• wiatry katabatyczne
• land breeze
• Strefa niskiego ciśnienia
• monsun
• Mountain breeze
• front polarny
• efekt cienia deszczu
• Santa Ana winds
• morska bryza
• Dolina bryzy

wprowadzenie

kilka podstawowych zasad wyjaśnia, w jaki sposób i dlaczego porusza się powietrze: ciepłe powietrze unoszące się tworzy strefę niskiego ciśnienia na ziemi. Powietrze z otoczenia jest zasysane do przestrzeni pozostawionej przez wznoszące się powietrze. Powietrze przepływa poziomo w górnej części troposfery; przepływ poziomy nazywa się adwekcją. Powietrze chłodzi się, aż opadnie. Tam, gdzie dociera do ziemi, tworzy strefę wysokiego ciśnienia. Powietrze przepływające z obszarów wysokiego ciśnienia do niskiego ciśnienia tworzy wiatry. Ciepłe powietrze może pomieścić więcej wilgoci niż zimne powietrze. Powietrze poruszające się u podstawy trzech głównych komórek konwekcyjnych na każdej półkuli na północ i południe od równika tworzy globalne pasy wiatrowe.

ciśnienie powietrza i wiatr

w troposferze są komórkami konwekcyjnymi (rysunek poniżej).

powietrze, które porusza się poziomo między strefami wysokiego i niskiego ciśnienia, tworzy wiatr. Im większa różnica ciśnień między strefami ciśnienia, tym szybciej porusza się wiatr.

konwekcja w atmosferze tworzy pogodę planety. Gdy ciepłe powietrze podnosi się i ochładza w strefie niskiego ciśnienia, może nie być w stanie utrzymać całej wody, którą zawiera jako parę. Niektóre pary wodnej mogą skraplać się tworząc chmury lub opady. Gdy zimne powietrze opada, ogrzewa się. Ponieważ może pomieścić więcej wilgoci, zstępujące powietrze odparuje wodę na ziemi.

powietrze przemieszczające się między dużymi systemami wysokiego i niskiego ciśnienia tworzy globalne pasy wiatrowe, które głęboko wpływają na klimat regionalny. Mniejsze systemy ciśnieniowe tworzą zlokalizowane wiatry, które wpływają na pogodę i klimat lokalnego obszaru.

internetowy przewodnik po ciśnieniu powietrza i wiatrach z Uniwersytetu Illinois znajduje się tutaj:http://ww2010.atmos.uiuc.edu/%28Gh%29/guides/mtr/fw/home.rxml.

lokalne wiatry

lokalne wiatry powstają w wyniku przemieszczania się powietrza pomiędzy małymi systemami niskiego i wysokiego ciśnienia. Ogniwa wysokiego i niskiego ciśnienia powstają w różnych warunkach. Niektóre lokalne wiatry mają bardzo ważny wpływ na pogodę i klimat niektórych regionów.

bryza lądowa i morska

ponieważ woda ma bardzo wysokie ciepło właściwe, dobrze utrzymuje swoją temperaturę. Tak więc woda nagrzewa się i chłodzi wolniej niż ląd. Jeśli istnieje duża różnica temperatur między powierzchnią morza (lub dużym jeziorem) a lądem obok niego, powstają regiony wysokiego i niskiego ciśnienia. Powoduje to lokalne wiatry.

• morska bryza wieje z chłodniejszego Oceanu nad cieplejszym lądem latem (rysunek poniżej). Gdzie jest strefa wysokiego ciśnienia i gdzie jest strefa niskiego ciśnienia? Morska bryza wieje z prędkością około 10 do 20 km (6 do 12 mil) na godzinę i niższą temperaturą powietrza od 5 do 10°C (9 do 18°F).
• bryza lądowa wieje zimą z lądu do morza. Gdzie jest strefa wysokiego ciśnienia i gdzie jest strefa niskiego ciśnienia? Niektóre cieplejsze powietrze z oceanu unosi się, a następnie tonie na lądzie, powodując, że temperatura nad lądem staje się cieplejsza.

ląd i morska bryza tworzą przyjemny klimat, z którego znana jest południowa Kalifornia. Efekt bryzy lądowej i morskiej odczuwalny jest tylko około 50 do 100 km (30 do 60 mil) w głąb lądu. Ten sam efekt chłodzenia i ocieplenia występuje w mniejszym stopniu w dzień iw nocy, ponieważ ląd ogrzewa się i chłodzi szybciej niż ocean.

wiatry monsunowe

wiatry monsunowe to większe wersje bryzy lądowej i morskiej; wieją z morza na ląd latem i z lądu na morze zimą. Wiatry monsunowe występują tam, gdzie bardzo gorące letnie ziemie znajdują się nad morzem. Burze są powszechne podczas monsunów (rysunek poniżej).

najważniejszy monsun na świecie występuje każdego roku na subkontynencie indyjskim. Ponad dwa miliardy mieszkańców Indii i Azji Południowo-Wschodniej zależy od deszczów monsunowych dla ich wody pitnej i nawadniającej. W czasach żaglowców, sezonowe zmiany wiatrów monsunowych przenosiły towary między Indiami a Afryką.

bryza Górska i Dolina

różnice temperatur między górami i dolinami tworzą bryzę górską i dolinną. W ciągu dnia powietrze na zboczach gór jest ogrzewane bardziej niż powietrze na tym samym wzniesieniu nad sąsiednią doliną. Wraz z upływem dnia ciepłe powietrze unosi się i przyciąga chłodne powietrze z Doliny, tworząc wietrzyk doliny. W nocy stoki górskie ochładzają się szybciej niż pobliska Dolina, co powoduje, że w dół spływa górska bryza.

Katabatyczne wiatry

katabatyczne wiatry poruszają się w górę iw dół stoków, ale są silniejsze bryzy górskie i doliny. Wiatry katabatyczne tworzą się na wysokim obszarze lądowym, jak wysoki płaskowyż. Płaskowyż jest zwykle otoczony z niemal wszystkich stron górami. Zimą Płaskowyż staje się zimny. Powietrze nad płaskowyżem staje się zimne i tonie z płaskowyżu przez szczeliny w górach. Prędkość wiatru zależy od różnicy ciśnienia powietrza nad płaskowyżem i nad otoczeniem. Wiatry katabatyczne tworzą się na wielu kontynentalnych obszarach. Ekstremalnie zimne wiatry katabatyczne wieją nad Antarktydą i Grenlandią.

wiatry Chinook (Foehn Winds)

wiatry Chinook (lub Foehn winds) rozwijają się, gdy powietrze jest wymuszone nad pasmem górskim. Ma to miejsce na przykład, gdy wiatry zachodnie przynoszą powietrze z Oceanu Spokojnego nad górami Sierra Nevada w Kalifornii. Gdy stosunkowo ciepłe, wilgotne powietrze unosi się nad zawietrzną stroną gór, ochładza się i kurczy. Jeśli powietrze jest wilgotne, może tworzyć chmury i spadać deszcz lub śnieg. Kiedy powietrze tonie po zawietrznej stronie gór, tworzy strefę wysokiego ciśnienia. Nawietrzna strona pasma górskiego jest stroną, która przyjmuje wiatr; zawietrzna strona jest stroną, w której powietrze tonie.

opadające powietrze ogrzewa się i tworzy silne, suche wiatry. Wiatry Chinook mogą podnieść temperaturę powyżej 20 ° C (36°F) w ciągu godziny i gwałtownie zmniejszyć wilgotność. Śnieg po zawietrznej stronie góry znika szybko topnieje. Jeśli opady spadną, gdy powietrze unosi się nad górami, powietrze będzie suche, ponieważ tonie na zawietrznej wielkości. To suche, tonące powietrze powoduje efekt cienia deszczowego (rysunek poniżej), który tworzy wiele pustyń świata.

Santa Ana Winds

Santa Ana winds powstają późną jesienią i zimą, gdy Wielka Kotlina na wschód od Sierra Nevada ochładza się, tworząc strefę wysokiego ciśnienia. Wysokie ciśnienie wymusza wiatry w dół i w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara (z powodu Coriolisa). Ciśnienie powietrza wzrasta, więc temperatura wzrasta, a wilgotność spada. Wiatr wieje przez Południowo-zachodnie pustynie, a następnie biegnie w dół i na zachód w kierunku oceanu. Powietrze jest wymuszane przez kaniony przecinające Góry San Gabriel i San Bernardino (rysunek poniżej).

wiatry Santa Ana często docierają pod koniec długiego letniego sezonu suszy w Kalifornii. Gorące, suche wiatry jeszcze bardziej wysuszają krajobraz. Jeśli wybuchnie pożar, może szybko się rozprzestrzenić, powodując spustoszenie na dużą skalę (rysunek poniżej).

pustynne wiatry

wysokie letnie temperatury na pustyni tworzą silne wiatry, które często są związane z burzami monsunowymi. Pustynne wiatry zbierają kurz, ponieważ nie ma tak dużo roślinności, aby utrzymać brud i piasek. (Rysunek poniżej). Haboob tworzy się w downdraftach na froncie burzy z piorunami.

pyły, zwane także trąbami powietrznymi, tworzą się, gdy ziemia staje się tak gorąca, że powietrze nad nią nagrzewa się i unosi. Powietrze wpływa do niskiego ciśnienia i zaczyna się obracać. Diabły pyłowe są małe i krótkotrwałe, ale mogą powodować uszkodzenia.

cyrkulacja atmosferyczna

ponieważ więcej energii słonecznej uderza w równik, powietrze ogrzewa się i tworzy strefę niskiego ciśnienia. Na szczycie troposfery połowa porusza się w kierunku bieguna północnego, a połowa w kierunku bieguna południowego. Gdy porusza się wzdłuż górnej części troposfery, ochładza się. Chłodne powietrze jest gęste, a gdy osiągnie strefę wysokiego ciśnienia, tonie na ziemi. Powietrze jest zasysane z powrotem w kierunku niskiego ciśnienia na równiku. Opisuje to komórki konwekcyjne na północ i południe od równika.

gdyby ziemia się nie obracała, byłaby jedna komórka konwekcyjna na półkuli północnej i jedna na południu z wznoszącym się powietrzem na równiku i tonącym powietrzem na każdym biegunie. Ale ponieważ planeta się obraca, sytuacja jest bardziej skomplikowana. Rotacja planety oznacza, że należy wziąć pod uwagę efekt Coriolisa. Efekt Coriolisa został opisany w rozdziale „oceany Ziemi”.

przyjrzyjmy się cyrkulacji atmosferycznej na półkuli północnej w wyniku efektu Coriolisa (rysunek poniżej). Powietrze unosi się na równiku, ale gdy porusza się w kierunku bieguna na szczycie troposfery, odchyla się w prawo. (Pamiętaj, że po prostu wydaje się odchylać w prawo, ponieważ ziemia pod nim się porusza.) Na około 30°N szerokości geograficznej powietrze z równika spotyka się z powietrzem płynącym w kierunku równika z wyższych szerokości geograficznych. To powietrze jest chłodne, ponieważ pochodzi z wyższych szerokości geograficznych. Obie partie powietrza opadają, tworząc strefę wysokiego ciśnienia. Raz na ziemi, powietrze wraca do równika. Ta komórka konwekcyjna nazywa się komórką Hadleya i znajduje się między 0° a 30 ° N.

istnieją jeszcze dwie komórki konwekcyjne na półkuli północnej. Komórka Ferrella znajduje się pomiędzy 30°N A 50° do 60°n. Komórka ta dzieli swoją Południową, opadającą stronę z komórką Hadleya na południe. Jego Północna kończyna jest współdzielona z komórką biegunową znajdującą się między 50°N A 60°N I Biegunem Północnym, gdzie zimne powietrze schodzi.

na półkuli południowej znajdują się trzy lustrzane komórki obiegowe. Na tej półkuli efekt Coriolisa sprawia, że obiekty wydają się odchylać w lewo.

Globalne pasy wiatrowe

Globalne wiatry wiją się w pasy otaczające planetę. Globalne pasy wiatrowe są ogromne, a wiatry są stosunkowo stabilne (rysunek poniżej). Wiatry te są wynikiem ruchu powietrza na dnie głównych komór cyrkulacji atmosferycznej, gdzie powietrze porusza się poziomo od wysokiego do niskiego ciśnienia.

Globalne pasy wiatrowe

przyjrzyjmy się globalnym pasom wiatrowym na półkuli północnej.

• w komórce Hadleya powietrze powinno poruszać się z północy na południe, ale jest odchylone w prawo przez Coriolisa. Powietrze wieje z północnego wschodu na południowy zachód. Pas ten jest wiatrem towarowym, tak zwanym, ponieważ w czasach żaglowców były one dobre dla handlu.
• w komórce Ferrela powietrze powinno poruszać się z południa na północ, ale wiatry tak naprawdę wieją z południowego zachodu. Ten pas to wiatry zachodnie lub Westerly. Dlaczego uważasz, że lot przez Stany Zjednoczone z San Francisco do Nowego Jorku zajmuje mniej czasu niż podróż powrotna?
• w komórce biegunowej wiatry wędrują z północnego wschodu i nazywane są polarnymi wiatrami wschodnimi

pasy wiatrów nazywane są kierunkami, z których pochodzą wiatry. Na przykład wiatry zachodnie wieją z zachodu na wschód. Nazwy te noszą również nazwy wiatrów w pasach wiatrowych półkuli południowej.

ten wykład wideo omawia 3-komórkowy model cyrkulacji atmosferycznej i wynikające z tego globalne pasy wiatrowe i powierzchniowe prądy wiatrowe (5a): http://www.youtube.com/watch?v=HWFDKdxK75E (8: 45).

Globalne wiatry i opady

oprócz ich wpływu na globalne pasy wiatrowe, obszary wysokiego i niskiego ciśnienia utworzone przez sześć komórek cyrkulacji atmosferycznej określają w ogólny sposób Ilość opadów, którą otrzymuje region. W regionach o niskim ciśnieniu, gdzie powietrze rośnie, deszcz jest powszechny. W obszarach o wysokim ciśnieniu tonące powietrze powoduje parowanie, a region jest zwykle suchy. Bardziej szczegółowe efekty klimatyczne zostaną opisane w rozdziale o klimacie.

fronty polarne i strumienie strumieniowe

front polarny jest skrzyżowaniem ogniw Ferrella i biegunowych. W tej strefie niskiego ciśnienia stosunkowo ciepłe, wilgotne powietrze ogniwa Ferrella wpada do stosunkowo zimnego, suchego powietrza ogniwa polarnego. Pogoda, w której się spotykają, jest niezwykle zmienna, typowa dla większości obszarów Ameryki Północnej i Europy.

strumień polarny znajduje się wysoko w atmosferze, w której łączą się dwie komórki. Strumień odrzutowy jest szybko płynącą rzeką powietrza na granicy między troposferą a stratosferą. Strumienie strumieniowe tworzą się tam, gdzie istnieje duża różnica temperatur między dwiema masami powietrza. To wyjaśnia, dlaczego strumień Polar jet jest najpotężniejszy na świecie (rysunek poniżej).

strumienie Jet poruszają się sezonowo, tak jak kąt słońca na niebie porusza się na północ i południe. Polarny strumień strumieniowy, znany jako „strumień strumieniowy”, porusza się zimą na południe, a latem na północ między około 30 ° N A 50 ° do 75 ° N.

podsumowanie lekcji

• wiatr wieje ze stref wysokiego ciśnienia do stref niskiego ciśnienia. Strefy ciśnienia powstają, gdy powietrze w pobliżu Ziemi staje się cieplejsze lub zimniejsze niż powietrze w pobliżu.
• lokalne wiatry można znaleźć w górskiej dolinie lub w pobliżu wybrzeża.
• globalne wzory wiatrów to długoterminowe, stałe wiatry, które panują wokół dużej części planety.
• położenie globalnych pasów wiatrowych ma duży wpływ na pogodę i klimat danego obszaru.

Pytania kontrolne

1. narysuj obraz komórki konwekcyjnej w atmosferze. Oznacz strefy niskiego i wysokiego ciśnienia oraz miejsca, w których znajduje się wiatr.
2. w jakich okolicznościach Wiatr będzie bardzo silny?
3. biorąc pod uwagę to, co wiesz o komórkach konwekcyjnych na skalę światową, gdzie byś podróżował, gdybyś był zainteresowany doświadczaniem ciepłego, obfitego deszczu?
4. opisz cyrkulację atmosferyczną dla dwóch miejsc, w których prawdopodobnie znajdziesz pustynie, i wyjaśnij, dlaczego te regiony są stosunkowo ciepłe i suche.
5. Jak można zmniejszyć wielkość indyjskich monsunów? Jaki wpływ miałaby redukcja tych ważnych monsunów na tę część świata?
6. dlaczego nazwa „Snow eater”jest trafnym opisem wiatrów Chinook?
7. dlaczego efekt Coriolisa powoduje, że powietrze wydaje się poruszać zgodnie z ruchem wskazówek zegara na półkuli północnej? Kiedy efekt Coriolisa powoduje, że powietrze wydaje się poruszać przeciwnie do ruchu wskazówek zegara?
8. żeglarze kiedyś nazywali część Oceanu doldrums. Jest to region, w którym często nie ma wiatru, więc statki stałyby się becalmed na dni, a nawet tygodnie. Jak myślisz, gdzie dołki mogą być w stosunku do komórek cyrkulacji atmosferycznej?
9. wyobraź sobie, że strumień jet jest położony dalej na południe niż zwykle w lecie. Jaka jest pogoda w regionach na północ od strumienia jet stream, w porównaniu do normalnego lata?
10. podaj ogólny opis powstawania wiatrów.

Czytaj dalej/linki uzupełniające

• animacje systemów wysokiego i niskiego ciśnienia, Biuro Meteorologii, rząd australijskihttp://www.bom.gov.au/lam/Students_Teachers/pressure.shtml

punkty do rozważenia

• jak lokalne wiatry wpływają na pogodę w danym obszarze?
• jak globalne pasy wiatrowe wpływają na klimat w danym obszarze?
• jakie są główne zasady, które kontrolują jak atmosfera krąży?