Εισαγωγή
Αναρρωτηθήκατε ποτέ γιατί στην περιοχή των Αζόρων επικρατούν υψηλές πιέσεις (αντικυκλώνας των Αζόρων); Τι είναι ο υποτροπικός αεροχείμμαρος; Γιατί στα μέσα γεωγραφικά πλάτη του Ατλαντικού πνέουν δυτικοί άνεμοι; Πώς δημιουργείται ο πολικός στρόβιλος; Γιατί το σύνολο σχεδόν των ερήμων εντοπίζονται σε μια γεωγραφικά στενή λωρίδα με κέντρο τον ισημερινό;
Οι απαντήσεις σε όλα τα παραπάνω ερωτήματα, αλλά και σε πολλά άλλα, μπορούν να δοθούν εξετάζοντας τη γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας. Από τη γενική αυτή κυκλοφορία άλλωστε, και τις όποιες περιοδικές ή μη μεταβολές της, ξεκινάει η δημιουργία του καιρού.
Αναρρωτηθήκατε ποτέ γιατί στην περιοχή των Αζόρων επικρατούν υψηλές πιέσεις (αντικυκλώνας των Αζόρων); Τι είναι ο υποτροπικός αεροχείμμαρος; Γιατί στα μέσα γεωγραφικά πλάτη του Ατλαντικού πνέουν δυτικοί άνεμοι; Πώς δημιουργείται ο πολικός στρόβιλος; Γιατί το σύνολο σχεδόν των ερήμων εντοπίζονται σε μια γεωγραφικά στενή λωρίδα με κέντρο τον ισημερινό;
Οι απαντήσεις σε όλα τα παραπάνω ερωτήματα, αλλά και σε πολλά άλλα, μπορούν να δοθούν εξετάζοντας τη γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας. Από τη γενική αυτή κυκλοφορία άλλωστε, και τις όποιες περιοδικές ή μη μεταβολές της, ξεκινάει η δημιουργία του καιρού.
Παγκόσμιο ισοζύγιο ακτινοβολίας
Για την κατανόηση της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας είναι απαραίτητο να ξεκινήσουμε από την εξέταση του ισοζυγίου ακτινοβολίας του πλανήτη μας. Αυτό είναι απαραίτητο διότι, όπως θα αποδειχθεί στη συνέχεια, η ατμόσφαιρα της Γης τίθεται σε κίνηση (γενική κυκλοφορία) εξαιτίας της ασύμμετρης θέρμανσής της επιφάνειας της απο την ηλιακή ακτινοβολία.
Στο Σχ. 1α παρουσιάζεται η χωρική κατανομή της μέσης ετήσιας απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Όπως φαίνεται, το μέγιστο της απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας λαμβάνει χώρα πάνω από τους τροπικούς ωκεανούς, εξαιτίας της μικρής γωνίας με την οποία προσπίπτει η ακτινοβολία αλλά και του μικρού συντελεστή ανακλαστικότητας (albedo). Στον αντίποδα, το ελάχιστο της απόρροφησης εντοπίζεται πάνω από τους δύο πόλους της Γης και αποδίδεται στην μεγάλη γωνία με την οποία προσπίπτει η ηλιακή ακτινοβολία και τις μεγάλες τιμές του συντελεστή ανακλαστικότητας (λόγω της παγοκάλυψης). Στο Σχ. 1β παρουσιάζεται η χωρική κατανομή της μέσης ετήσιας εκπεμπόμενης γήινης ακτινοβολίας. Το μέγιστο της εκπομπής ακτινοβολίας μεγάλου μήκους κύματος παρατηρείται πάνω από υποτροπικές περιοχές με μικρό ποσοστό μέσης ετήσιας νεφοκάλυψης (ωκεανοί, έρημοι), ενώ σχετικά χαμηλή είναι η εκπομπή πάνω από τις ηπειρωτικές περιοχές του ισημερινού. Συνδυάζοντας τα παραπάνω, καταλήγουμε στο Σχ. 1γ όπου απεικονίζεται η χωρική κατανομή του μέσου ετήσιου ισοζυγίου της ακτινοβολίας. Όπως εύκολα προκύπτει από το Σχ. 1γ, το μέσο ισοζύγιο ακτινοβολίας του πλανήτη μας χαραρακτηρίζεται από μία έντονη αρνητική βαθμίδακαθώς κινούμαστε από τον ισημερινό προς τους πόλους. Με άλλα λόγια, οι περιοχές κοντά στον ισημερινό εμφανίζουν θετικό ισοζύγιο (πλεόνασμα ενέργειας), ενώ όσο κινούμαστε προς τους πόλους το ισοζύγιο σταδιακά καθίσταται αρνητικό (έλλειμα ενέργειας).
Για την κατανόηση της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας είναι απαραίτητο να ξεκινήσουμε από την εξέταση του ισοζυγίου ακτινοβολίας του πλανήτη μας. Αυτό είναι απαραίτητο διότι, όπως θα αποδειχθεί στη συνέχεια, η ατμόσφαιρα της Γης τίθεται σε κίνηση (γενική κυκλοφορία) εξαιτίας της ασύμμετρης θέρμανσής της επιφάνειας της απο την ηλιακή ακτινοβολία.
Στο Σχ. 1α παρουσιάζεται η χωρική κατανομή της μέσης ετήσιας απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Όπως φαίνεται, το μέγιστο της απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας λαμβάνει χώρα πάνω από τους τροπικούς ωκεανούς, εξαιτίας της μικρής γωνίας με την οποία προσπίπτει η ακτινοβολία αλλά και του μικρού συντελεστή ανακλαστικότητας (albedo). Στον αντίποδα, το ελάχιστο της απόρροφησης εντοπίζεται πάνω από τους δύο πόλους της Γης και αποδίδεται στην μεγάλη γωνία με την οποία προσπίπτει η ηλιακή ακτινοβολία και τις μεγάλες τιμές του συντελεστή ανακλαστικότητας (λόγω της παγοκάλυψης). Στο Σχ. 1β παρουσιάζεται η χωρική κατανομή της μέσης ετήσιας εκπεμπόμενης γήινης ακτινοβολίας. Το μέγιστο της εκπομπής ακτινοβολίας μεγάλου μήκους κύματος παρατηρείται πάνω από υποτροπικές περιοχές με μικρό ποσοστό μέσης ετήσιας νεφοκάλυψης (ωκεανοί, έρημοι), ενώ σχετικά χαμηλή είναι η εκπομπή πάνω από τις ηπειρωτικές περιοχές του ισημερινού. Συνδυάζοντας τα παραπάνω, καταλήγουμε στο Σχ. 1γ όπου απεικονίζεται η χωρική κατανομή του μέσου ετήσιου ισοζυγίου της ακτινοβολίας. Όπως εύκολα προκύπτει από το Σχ. 1γ, το μέσο ισοζύγιο ακτινοβολίας του πλανήτη μας χαραρακτηρίζεται από μία έντονη αρνητική βαθμίδακαθώς κινούμαστε από τον ισημερινό προς τους πόλους. Με άλλα λόγια, οι περιοχές κοντά στον ισημερινό εμφανίζουν θετικό ισοζύγιο (πλεόνασμα ενέργειας), ενώ όσο κινούμαστε προς τους πόλους το ισοζύγιο σταδιακά καθίσταται αρνητικό (έλλειμα ενέργειας).
- Σχήμα 1α. Κατανομή της μέσης ετήσιας απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας.
- Σχήμα 1β. Κατανομή της μέσης ετήσιας εκπεμπόμενης γήινης (μεγάλου μήκους κύματος) ακτινοβολίας.
- Σχήμα 1γ. Κατανομή του μέσου ετήσιου ισοζυγίου ακτινοβολίας (απορροφούμενη μείον εκπεμπόμενη).
Η ασύμμετρη θέρμανση της επιφάνειας της Γης, μας οδηγεί μοιραία στην αναζήτηση ενός μηχανισμού μέσω του οποίου θα πραγματοποιείται η ανακατανομή της διαθέσιμης ενέργειας από τις περιοχές με θετικό ισοζύγιο (ισημερινός, τροπικοί) στις περιοχές με αρνητικό ισοζύγιο (μέσα γεωγραφικά πλάτη, πόλοι). Δίχως την παρουσία ενός τέτοιου μηχανισμού, οι περιοχές του ισημερίνου θα έρχονταν αντιμέτωπες με τη συνεχή θέρμανση, σε αντιδιαστολή με τους πόλους οι οποίοι θα ψύχοταν συνεχώς. Βέβαια, κάτι τέτοιο δε συμβαίνει στην πραγματικότητα, χάρη στη γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας η οποία αναδιανείμει τη διαθέσιμη ενέργεια από τον ισημερινό προς τα μέσα και μεγάλα γεωγραφικά πλάτη του πλανήτη μας.
Επισκόπηση της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας
Αν και η μελέτη της κίνησης της ατμόσφαιρας αποτελεί ένα πολύπλοκο πρόβλημα, εντούτοις υπάρχουν γενικά "μοντέλα" και "πρότυπα" με βάση τα οποία μπορεί να περιγραφεί η ατμοσφαιρική κυκλοφορία σε παγκόσμια κλίμακα. Τα μοντέλα αυτά θα αποτελέσουν, μεταξύ άλλων, και το αντικείμενο του παρόντος αφιερώματος.
Από τη φύση του, ο μηχανισμός της δημιουργίας και διατήρησης της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαριας είναι πολύπλοκος. Ωστόσο, οι παράγοντες εκείνοι που διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στη γενική κυκλοφορία είναι οι επόμενοι:
(1) Ηλιακή ακτινοβολία
Η ενέργεια που προσλαμβάνει το σύστημα Γη-Ατμόσφαιρα από τον ήλιο με την μορφή της ακτινοβολίας αποτελεί το "καύσιμο" της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας.
(2) Λανθάνουσα θερμότητα
Πρόκειται για την ενέργεια (με την μορφή θερμότητας) που απελευθερώνεται κατά την δημιουργία των νεφών (συμπύκνωση υδροσταγονιδίων). Τα πραγματικά τεράστια ποσά λανθάνουσας θερμότητας που εκλύονται κατά το σχηματισμό των νεφών, ιδιαίτερα μάλιστα στις τροπικές και υποτροπικές περιοχές, παίζουν καθοριστικό ρόλο στη διατήρηση της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας.
(3) Δύναμη Coriolis
Πρόκειται για μία δύναμη που αναπτύσσεται εξαιτίας της περιστροφής της Γης γύρω από τον άξονα της. Η δύναμη Coriolis παίζει σημαντικό ρόλο στον καθορισμό του "τρόπου", όπως θα δούμε στη συνέχεια, με τον οποίο ανακατανέμεται η ενέργεια από τον ισημερινό προς τα μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη.
(4) Δύναμη τριβής
Η δύναμη της τριβής συμμετέχει επίσης ενεργά στη γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας, επιφέροντας, σε ορισμένες περιπτώσεις, σημαντικές απώλειες κατά την αναδιανομή της ενέργειας.
(5) Θερμική αγωγιμότητα του ατμοσφαιρικού αέρα
Η θερμική αγωγιμότητα του ατμοσφαιρικού αέρα, η οποία καθορίζεται από πλήθος παραγόντων (π.χ. περιεχόμενο σε υδρατμούς κ.α.), αποτελεί ρυθμιστικό παράγοντα, διευκολύνοντας ή δυσχαιρένοντας την μεταφορά της ενέργειας από μία περιοχή προς μία άλλη.
Ολοκληρώνοντας το πρώτο μέρος του αφιερώματος μας στη γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας, παρουσιάζουμε συνοπτικά τα βασικά στοιχεία αυτής (Σχ. 2). Όπως φαίνεται και στο Σχ. 2, τα βασικά τμήματα της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας είναι:
Αν και η μελέτη της κίνησης της ατμόσφαιρας αποτελεί ένα πολύπλοκο πρόβλημα, εντούτοις υπάρχουν γενικά "μοντέλα" και "πρότυπα" με βάση τα οποία μπορεί να περιγραφεί η ατμοσφαιρική κυκλοφορία σε παγκόσμια κλίμακα. Τα μοντέλα αυτά θα αποτελέσουν, μεταξύ άλλων, και το αντικείμενο του παρόντος αφιερώματος.
Από τη φύση του, ο μηχανισμός της δημιουργίας και διατήρησης της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαριας είναι πολύπλοκος. Ωστόσο, οι παράγοντες εκείνοι που διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στη γενική κυκλοφορία είναι οι επόμενοι:
(1) Ηλιακή ακτινοβολία
Η ενέργεια που προσλαμβάνει το σύστημα Γη-Ατμόσφαιρα από τον ήλιο με την μορφή της ακτινοβολίας αποτελεί το "καύσιμο" της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας.
(2) Λανθάνουσα θερμότητα
Πρόκειται για την ενέργεια (με την μορφή θερμότητας) που απελευθερώνεται κατά την δημιουργία των νεφών (συμπύκνωση υδροσταγονιδίων). Τα πραγματικά τεράστια ποσά λανθάνουσας θερμότητας που εκλύονται κατά το σχηματισμό των νεφών, ιδιαίτερα μάλιστα στις τροπικές και υποτροπικές περιοχές, παίζουν καθοριστικό ρόλο στη διατήρηση της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας.
(3) Δύναμη Coriolis
Πρόκειται για μία δύναμη που αναπτύσσεται εξαιτίας της περιστροφής της Γης γύρω από τον άξονα της. Η δύναμη Coriolis παίζει σημαντικό ρόλο στον καθορισμό του "τρόπου", όπως θα δούμε στη συνέχεια, με τον οποίο ανακατανέμεται η ενέργεια από τον ισημερινό προς τα μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη.
(4) Δύναμη τριβής
Η δύναμη της τριβής συμμετέχει επίσης ενεργά στη γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας, επιφέροντας, σε ορισμένες περιπτώσεις, σημαντικές απώλειες κατά την αναδιανομή της ενέργειας.
(5) Θερμική αγωγιμότητα του ατμοσφαιρικού αέρα
Η θερμική αγωγιμότητα του ατμοσφαιρικού αέρα, η οποία καθορίζεται από πλήθος παραγόντων (π.χ. περιεχόμενο σε υδρατμούς κ.α.), αποτελεί ρυθμιστικό παράγοντα, διευκολύνοντας ή δυσχαιρένοντας την μεταφορά της ενέργειας από μία περιοχή προς μία άλλη.
Ολοκληρώνοντας το πρώτο μέρος του αφιερώματος μας στη γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας, παρουσιάζουμε συνοπτικά τα βασικά στοιχεία αυτής (Σχ. 2). Όπως φαίνεται και στο Σχ. 2, τα βασικά τμήματα της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας είναι:
Από την αλληλεπίδραση των προαναφερθέντων κυττάρων, δημιουργούνται επίσης οι υποτροπικοί αεροχείμαρροι (subtropical jets) και οι αεροχείμμαροι του πολικού μετώπου (polar jets), οι οποίοι συμπληρώνουν την περιγραφή των δομικών στοιχείων της γενικής κυκλοφορίας.
- Σχήμα 2. Μοντέλο της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας.
Στα επόμενα μέρη του παρόντος αφιερώματος, θα εστιάσουμε την προσοχή μας σε κάθε ένα από αυτά τα βασικά "συστατικά" της γενικής κυκλοφορίας.
Επιμέλεια - Σύνταξη: Θοδωρής Μ. Γιάνναρος
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου