Circulació atmosfèrica

moviment planetari de la capa d’aire que envolta la Terra

La circulació atmosfèrica és un moviment de l'aire atmosfèric a gran escala i el medi pel qual la calor és distribuïda sobre la superfície de la Terra (juntament amb la circulació oceànica).[1] Tanmateix, cal tenir en compte que, tot i que el paper dels corrents oceànics és més petit que el de la circulació atmosfèrica, la seva importància quant al flux de calor entre les diferents zones geoastronòmiques és molt gran, per la notable diferència de densitat entre l'atmosfera i les aigües oceàniques que ocasiona que la calor específica transportada per un m³ d'aigua oceànica sigui molt superior a la que pot desplaçar un m³ d'aire.

Representació de la circulació atmosfèrica a gran escala a la Terra (a l'equinocci)
Mitjana de precipitacions mensuals a llarg termini

La circulació atmosfèrica varia lleugerament d'un any a l'altre, almenys a escala detallada, però l'estructura bàsica roman sempre constant. Tanmateix, els sistemes atmosfèrics individuals - depressions de mitjana latitud, o cèl·lules convectives tropicals - es produeixen aparentment de forma aleatòria, i està acceptat que el temps meteorològic a escala local o regional no pot ser pronosticat més enllà d'un breu període: potser un mes en teoria, o uns deu dies a la pràctica. Tanmateix, la mitjana d'aquests sistemes - el clima - és molt estable, cosa que sembla contradir la tesi del canvi climàtic.

Característiques de la circulació latitudinalModifica

 
Velocitat vertical a 500 hPa, mitjana de juliol. L’ascensió (valors negatius) es concentra prop de l’equador solar; el descens (valors positius) és més difús, però també es produeix principalment a la cèl·lula de Hadley.

Els cinturons de vent que envolten el planeta s’organitzen en tres cèl·lules a cada hemisferi: la cèl·lula de Hadley, la cèl·lula de Ferrel i la cèl·lula polar. Aquestes cèl·lules existeixen tant a l’hemisferi nord com al sud. Una bona part del moviment atmosfèric es produeix a la cèl·lula de Hadley. Els sistemes d’alta pressió que actuen sobre la superfície terrestre s’equilibren amb els sistemes de baixa pressió d’altres llocs. Com a resultat, hi ha un equilibri de forces que actuen sobre la superfície terrestre.

Les latituds del cavall són una zona d’alta pressió d’uns 30 ° a 35 ° de latitud (nord o sud) on els vents divergen cap a les zones adjacents de les cèl·lules de Hadley o Ferrel i que solen tenir vents fluixos, cels assolellats i poques precipitacions.[2][3]

Cèl·lula de HadleyModifica

Article principal: cèl·lula de Hadley

El patró de circulació atmosfèrica que George Hadley va descriure va ser un intent d’explicar els vents alisis. La cèl·lula de Hadley és un bucle de circulació tancat que comença a l’equador. Allà, l’aire humit es escalfat per la superfície terrestre, disminueix la seva densitat i puja. Una massa d'aire similar que puja a l'altre costat de l'equador obliga a les masses d'aire que pugen a desplaçar-se cap al pol. L’aire ascendent crea una zona de baixa pressió prop de l’equador. A mesura que l’aire es mou cap al pol, es refreda, es torna més dens i baixa aproximadament al paral·lel 30, creant una zona d’alta pressió. L'aire descendent es desplaça cap a l'equador al llarg de la superfície, substituint l'aire que va sortir de la zona equatorial, tancant el bucle de la cèl·lula de Hadley. El moviment cap al pol de l’aire a la part superior de la troposfera es desvia cap a l’est, causat per l’acceleració de Coriolis. Al nivell del terra, però, el moviment de l’aire cap a l’equador a la troposfera inferior es desvia cap a l’oest, produint un vent de l’est. Els vents que flueixen cap a l’oest (de l’est, vent de llevant) a nivell de terra de la cèl·lula de Hadley s’anomenen vents alisis.

Tot i que la cèl·lula de Hadley es descriu com situada a l’equador, a l’hemisferi nord es desplaça cap a latituds més altes al juny i juliol i cap a latituds més baixes al desembre i gener, que és el resultat de l’escalfament solar de la superfície. La zona on es produeix el major escalfament s’anomena “equador tèrmic”. Com que l’estiu de l’hemisferi sud és de desembre a març, es produeix llavors el moviment de l’equador tèrmic cap a latituds sud més altes.

El sistema Hadley proporciona un exemple de circulació tèrmica directa. La potència del sistema Hadley, considerat com un motor tèrmic, s'estima en 200 terawatts.[4]

Cèl·lula de FerrelModifica

 
La banda de núvols de la zona de convergència intertropical sobre el Pacífic oriental i les Amèriques, vista des de l'espai.

Part de l’aire que puja a 60 ° de latitud divergeix a gran altitud cap als pols i crea la cèl·lula polar. La resta es mou cap a l’equador, on xoca a 30 ° de latitud amb l’aire d’alt nivell de la cèl·lula de Hadley. Allà disminueix i enforteix les serres d'alta pressió que hi ha a sota. Una gran part de l'energia que impulsa la cèl·lula Ferrel la proporcionen les cèl·lules polars i Hadley que circulen a banda i banda i que arrosseguen la cèl·lula Ferrel.[5] La cèl·lula de Ferrel, teoritzada per William Ferrel (1817–1891), és, per tant, una característica de circulació secundària, l'existència de la qual depèn de les cèl·lules polar i de Hadley a banda i banda. Es podria pensar com un remolí creat per les cèl·lules polar i Hadley.

L’aire de la cèl·lula de Ferrel que baixa a 30 ° de latitud torna al pol a nivell del terra i, en fer-ho, es desvia cap a l’est. A l'atmosfera superior de la cèl·lula de Ferrel, l'aire que es mou cap a l'equador es desvia cap a l'oest. Com a resultat, de la mateixa manera que els vents alisis de l’est es troben per sota de la cèl·lula de Hadley, els vents de l'oest es troben sota la cèl·lula de Ferrel.

La cèl·lula de Ferrel és feble, perquè no té ni una font de calor ni un fort embornal, de manera que el flux d’aire i les temperatures al seu interior són variables. Per aquest motiu, les latituds mitjanes de vegades es coneixen com a "zona de mescla". Les cèl·lules polar i Hadley són veritablement bucles tancats, la cèl·lula Ferrel no, i el punt revelador es troba en els vents de l'oest. Els vents alisis i polars orientals no tenen res sobre què prevaldre, ja que les seves cèl·lules de circulació parentals són prou fortes i s’enfronten a pocs obstacles, ja sigui en forma de les característiques del terreny o zones d’alta pressió. No obstant això, els vents de l'oest més febles de la cèl·lula Ferrel es poden interrompre. El pas local d'un front fred els pot fer canviar en qüestió de minuts, i sovint ho fa. Com a resultat, a la superfície, els vents poden variar bruscament de direcció. Però els vents per sobre de la superfície, menys afectats pel terreny, es dirigeixen essencialment cap a l'oest. Una zona de baixa pressió a 60 ° de latitud que es desplaça cap a l’equador o una zona d’alta pressió a 30 ° de latitud que es mou cap al pol, accelerarà els vents de l'oest de la cèl·lula de Ferrel. Un vent alt i fort en direcció als pols pot provocar vents de l'oest durant dies.

El sistema Ferrel actua com una bomba de calor amb un coeficient de rendiment de 12,1, consumint energia cinètica dels sistemes polar i Hadley a una velocitat aproximada de 275 terawatts.[4]

Cèl·lula polarModifica

Articles principals: Vòrtex polar i Llevants polars

La cèl·lula polar és un sistema senzill amb forts conductors de convecció. Tot i que fresques i seques en relació amb l’aire equatorial, les masses d’aire al paral·lel 60 són encara prou càlides i humides per experimentar convecció i conduir un bucle tèrmic. Al paral·lel 60, l’aire s’eleva fins a la tropopausa (uns 8 km en aquesta latitud) i es mou en direcció al pol. En fer-ho, la massa d’aire de nivell superior es desvia cap a l’est. Quan l’aire arriba a les zones polars, s’ha refredat per radiació a l’espai i és considerablement més dens que l’aire subjacent. Baixa creant una zona d’alta pressió freda i seca. Al nivell de la superfície polar, la massa d’aire s’allunya del pol cap al paral·lel 60, substituint l’aire que pujava i la cèl·lula de circulació polar es completa. A mesura que l’aire de la superfície es mou cap a l’equador, es desvia cap a l’oest. De nou, les desviacions de les masses d’aire són el resultat de l’efecte Coriolis. Els fluxos d’aire a la superfície s’anomenen vents orientals polars, que flueixen de nord-est a sud-oest prop del pol nord i de sud-est a nord-oest prop del pol sud.

La sortida de massa d’aire de la cèl·lula crea ones harmòniques a l’atmosfera conegudes com a ones de Rossby. Aquestes ones ultra llargues determinen el recorregut del corrent en jet polar, que viatja dins de la zona de transició entre la tropopausa i la cèl·lula de Ferrel. En actuar com a dissipador de calor, la cèl·lula polar mou l’abundant calor de l’equador cap a les regions polars.

La cèl·lula de Hadley i la cèl·lula polar són similars pel fet que són tèrmicament directes; en altres paraules, existeixen com a conseqüència directa de les temperatures superficials. Les seves característiques tèrmiques determinen el clima al seu domini. El gran volum d’energia que transporta la cèl·lula de Hadley i la profunditat del dissipador de calor que conté la cèl·lula polar garanteix que els fenòmens meteorològics transitoris no només tinguin un efecte insignificant sobre el conjunt del sistema, sinó que, excepte en circumstàncies inusuals, no es formin. La interminable cadena d'alts i baixos que forma part de la vida quotidiana dels habitants de latituds mitjanes sota de la cèl·lula de Ferrel a les latituds entre 30 i 60 °, es desconeix per sobre del paral·lel 60 i per sota del 30. Hi ha algunes excepcions notables a aquesta regla; a Europa, el clima inestable s'estén almenys al paral·lel 70º nord.

La cèl·lula polar, el terreny i els vents catabàtics de l'Antàrtida poden crear condicions molt fredes a la superfície, per exemple, la temperatura més baixa registrada a la Terra: -89,2 °C a l'estació Vostok de l'Antàrtida, mesurada el 1983.[6][7][8]

Característiques de la circulació longitudinalModifica

 
Una visió ideal de les tres cèl·lules de circulació.

Les cèl·lules de Hadley, Ferrel, i Polar acompleixen un important paper en la circulació atmosfèrica, i venen a constituir un efecte i no una causa de la circulació atmosfèrica global. Això significa que la circulació atmosfèrica és el resultat d'una combinació de molts factors que actuen sobre el patró baromètric de l'aire determinat pels centres d'acció (anticiclons i ciclons o depressions).

La circulació latitudinal apareix com a conseqüència que la radiació solar incident per unitat d'àrea és més alta a les baixes latituds equatorials, i disminueix segons la latitud augmenta, assolint el seu pic mínim als pols. La circulació longitudinal per un altre costat, apareix ja que l'aigua té una capacitat més gran d'escalfament que la terra tot i que necessita molt més temps que l'aire per absorbir i expulsar calor car l'aire és diatèrman, és a dir, es deixa travessar pels rajos solars sense escalfar-se, mentre que les aigües absorbeixen lentament aquella calor dels rajos solars i l'alliberen quan l'atmosfera està més freda. Fins i tot a microescales aquest efecte és perceptible; car porta a la brisa marina, aire refredat per l'aigua cap a la costa durant el dia, i transporta la brisa terrestre, aire refredat pel contacte amb el sòl, cap al mar durant les nits.

A una escala més gran, aquest efecte deixa de ser diürn (diari), i en canvi és temporal, o fins i tot decadal en els seus efectes. L'aire càlid s'eleva sobre les regions de l'equador continental i oest de l'oceà Pacífic, i flueix a l'est o oest, depenent de la seva ubicació, quan assoleix la tropopausa, i s'enfonsa a l'Atlàntic i Índic, i a l'est de l'Pacífic.

La cèl·lula de l'oceà Pacífic té un paper important en el temps atmosfèric de la Terra. Aquesta cèl·lula ubicada completament a l'oceà apareix com a resultat d'una marcada diferència entre les temperatures de la superfície dels extrems occidental i oriental. En circumstàncies normals, les aigües de l'oest són càlides i les de l'est fredes. El procés comença quan l'activitat convectiva sobre l'equador d'Àsia Oriental i l'aire fred que s'enfonsa des de la costa occidental de Sud-amèrica creen un patró de vents que empeny l'aigua del Pacífic cap a l'oest i l'amuntega al Pacífic occidental. Els nivells d'aigua al Pacífic oest són 60 cm més alts que a l'est, una diferència que és deguda únicament a la força de l'aire.

Circulació WalkerModifica

 
Circulació convectiva normal de Walker
 
La disminució dels vents alisis altera el cicle de Walker i permet que l’aigua calenta flueixi més cap a l’est
 
L’enfortiment dels vents estén la zona coberta per la circulació de Walker i la reforça

La cèl·lula del Pacífic és de tal importància que ha sigut anomenada la circulació Walker per Sir Gilbert Walker, un director dels observatoris britànics de principis del segle XX a l'Índia, que buscà un mètode per predir quan acabarien els vents del monsó. Tot i no ho va aconseguir, el seu treball el dugué al descobriment d'un enllaç indiscutible entre les variacions periòdiques de pressió als oceans Índic i Pacífic, que definí com "Oscil·lació Meridional".

El moviment d'aire a la circulació Walker afecta els bucles de cada costat. En circumstàncies "normals", el clima es comporta com s'espera. Però, cada pocs anys, els vents es tornen inusualment càlids o freds, o la freqüència d'huracans augmenta o disminueix, el patró es reprodueix durant un període indeterminat.

El Niño - Oscil·lació MeridionalModifica

Article principal: El Niño

El comportament de la cèl·lula de Walker és la clau per entendre el fenomen d'El Niño (o més correctament, ENSO,ENOS en català, ó El Niño - Oscil·lació Meridional).

Si l'activitat convectiva s'alenteix al Pacífic occidental per algun motiu (aquest motiu es desconeix actualment), el dòmino del clima comença a caure. Primer, els vents de l'oest a la capa superior cessen. Això talla la font de refredament de l'aire en enfonsament, i per tant, els vents alisis cessen.

La conseqüència és doble. Al Pacífic est, l'aigua càlida augmenta des de l'oest, car no hi ha vent en superfície per mantenir-lo. Aquest i els efectes corresponents de l'Oscil·lació Meridional donen com a resultat un patró de vents i precipitacions a Amèrica, Austràlia i Àfrica Sud-oriental de llarga durada, així com el trencament dels corrents oceànics.

Mentrestant, a l'Atlàntic, en capes altes, els vents de l'oest, que serien bloquejats per la circulació Walker i incapaços d'assolir altes intensitats, ho aconsegueixen. Aquests vents trenquen en dues les capes altes dels huracans i disminueix sensiblement la quantitat d'ells que aconsegueixen enfortir-se.

El contrari d'El Niño és La Niña. En aquest cas, la cèl·lula convectiva sobre el Pacífic occidental es reforça extraordinàriament, donant com a resultat vents més freds del normal a Amèrica del Nord i una temporada més intensa d'huracans al sud-est asiàtic i Austràlia oriental. Hi ha un augment de la pujada d'aigua freda de l'oceà i un intens augment del vent en superfície prop de Sud-amèrica, resultant en un augment de la sequera, tot i que es diu sovint, que els pescadors a les costes sud-americanes del Pacífic obtenen més beneficis del mar, en estar més nodrit del normal a causa, precisament, de l'ascens d'aigües profundes, que porten els nutrients per la flora i la fauna des de grans profunditats.

La part neutral del cicle - el component "normal" - ha sigut denominada humorísticament com "El no-res".

ReferènciesModifica

  1. MERIDIONAL ATMOSPHERE AND OCEAN HEAT TRANSPORTS, Kevin E. Trenberth and Julie M. Caron, National Center for Atmospheric Research - document pdf (en anglès)[Enllaç no actiu]
  2. US Department of Commerce, National Oceanic and Atmospheric Administration. «What are the Horse Latitudes?» (en anglès americà). oceanservice.noaa.gov. [Consulta: 14 abril 2019].
  3. Monkhouse, F. J.. A Dictionary of Geography (en anglès). Routledge, 2017-07-12. ISBN 9781351535656. 
  4. 4,0 4,1 Junling Huang and Michael B. McElroy «Contributions of the Hadley and Ferrel Circulations to the Energetics of the Atmosphere over the Past 32 Years». Journal of Climate, vol. 27, 7, 2014, pàg. 2656–2666. Bibcode: 2014JCli...27.2656H. DOI: 10.1175/jcli-d-13-00538.1.
  5. Yochanan Kushnir. «The Climate System: General Circulation and Climate Zones», 2000. Arxivat de l'original el 2004-08-22. [Consulta: 13 març 2012].
  6. «The physical environment of the Antarctic». British Antarctic Survey (BAS).
  7. «Regional climate variation and weather». RGS-IBG in partnership with BAS. Arxivat de l'original el 2015-03-06.
  8. «Welcome to the Coldest Town on Earth». Scientific American, 2008.

Vegeu tambéModifica

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Circulació atmosfèrica