Az általános légkörzés

A napsugárzás egyenetlen eloszlása a földtengely ferdesége és a Föld forgása, mint láttuk, bonyolult hőmérsékleti viszonyokat teremt. Az általános légkörzés alapvetően az Egyenlítő körül erősebben és a sarkokon kevésbé felmelegedő levegő hőmérséklet-különbségének kiegyenlítésére jön létre. Az atmoszférában a hő szállítása áramlás formájában valósul meg. Az áramlásokat azonban a Föld forgása miatt fellépő Coriolis-erő eltéríti. (A Coriolis-erő részletesebb tárgyalását a Függelék tartalmazza.) Tovább bonyolítja a képet, hogy a szárazföldek nagy része az északi féltekén található, valamint az, hogy bár a sugárzási egyenleg állandósága miatt az áramlások nagy átlagban mindig ugyanúgy mennek végbe, mind időben, mind helyileg nagy ingadozások is felléphetnek bennük.

Az áramlások alapvető tulajdonságai egyszerűbben megérthetőek, ha egyszerre csak egy-egy fontos dinamikai hatás következményeit vizsgáljuk, majd az így adódó áramlási képeket szuperponáljuk.

Amennyiben az álló Földet a Nap az Egyenlítő síkjában naponta körbejárná (ahogyan ezt az ókorban képzelték), akkor az Egyenlítőn felmelegedő levegő felszállna, a sarkok felé áramlana, ahol kihűlve lefelé mozogna. A magasban a sarkok felé áramló levegő helyére a talajon hideg levegő áramlana az Egyenlítő irányába, ahol újra felmelegedve ismét emelkedő mozgásba kezdene. Ennek a hőmérséklet kiegyenlítődését szolgáló áramlásnak a hatására, mindkét féltekén kialakulna tehát egy-egy folyamatos légkörzés.

Ha a Föld forogna, de a Nap nem melegítené a légkört, akkor a levegő hamarosan felvenné az adott helyen a forgásnak megfelelő sebességet, és együtt mozogna a Földdel, azaz a Földhöz képest nem jönnének létre áramlások.

A valóságban a két hatás együtt működik, megtetézve azzal, hogy a Föld tengelye nem merőleges az ekliptika síkjára. Ez utóbbi hatás okozza – mint már említettük – az évszakok változását.

7.3.1. Az általános légkörzés cellás szerkezete

A földi légkörzés, a tapasztalat szerint, nem az előző gondolatmenetnek megfelelő egy-egy féltekére kiterjedő áramlási cellákból áll. Az áramlások nagy vonalakban történő áttekintéséhez érdemes olyan idealizált képet vizsgálni, amelyben a földfelszínt ugyanaz a homogén közeg (pl. víz) borítja. Bár a kontinensek erőteljesen befolyásolják a kialakuló áramlási képet, fontosabb tulajdonságaiban az egyszerűbb, s könnyebben értelmezhető elképzelés is helyesen tükrözi a rendszer tulajdonságait.

7.3.1. ábra: A nagy földi légkörzés sematikus képe

A 7.3.1. ábra sematikusan mutatja a nagy földi légkörzés északi féltekére eső részének legfontosabb jellegzetességeit. Hasonló képet mutat a déli félteke áramlása is. Az ábra szé-lén a levegő mozgásának vertikális vetülete látható. Eszerint a féltekék légkörzése három cellára bontható. A nagyjából az Egyenlítő és a térítő körök között elhelyezkedő Hadley-cellában a levegő a talaj közelében a pólus felől az Egyenlítő a felé (az északi féltekén északról délre) mozog. A térítő körök és a sarkkörök között úgynevezett inverz cellák ala-kulnak ki, amelyekben a talajon az Egyenlítő felől (az északi féltekén délről északra) a sarkok felé irányul az áramlás. Ezeket a cellákat celláknak nevezzük. A Ferrel-cellák általában a sarkkörökig terjednek. Közöttük és a sarkok között helyezkednek el a poláris cellák, amelyekben a légkörzés iránya megegyezik a Hadley-cellákéval.

További jellegzetessége a földi légkörzésnek, hogy a sarkkörök táján a hideg és meleg levegő viszonylag éles határvonallal találkozik. Ezt a határt polárfrontnak nevezzük. A polárfront a tapasztalat szerint állandó hullámzó mozgásban van, és a róla leszakadó örvé-nyek felszabdalják a Ferrel-cellának a sematikus képen látható egyszerű légkörzését.

7.3.2. A Hadley-cella

A troposzféra a Föld felszínén sekély, mintegy 10 km vastagságú réteget alkot. A troposzféra magasabb rétegeiben az Egyenlítő felől a sarkok felé áramló meleg levegő nagyjából a hosszúsági körök mentén haladva követi a Föld görbületét. Az összetartó hosszúsági körök mentén mozgó levegő már a térítő körök táján erősen összetorlódik, sűrűsége megnő. Emiatt mind a déli, mind az északi félteke 30^o-os szélességi köre táján a magasban feltorlódó levegő a talajon magas nyomást (szubtrópusi magas nyomás) hoz létre, ami miatt az Egyenlítő felé fújó szél keletkezik. Az Egyenlítő felé áramló levegő pótlását a magasból lefelé mozgó levegő biztosítja. Az Egyenlítőnél kezdődő cellák emiatt nem terjedhetnek a pólusokig!

Az Egyenlítő felé fújó szelet a Coriolis-erő az északi féltekén jobbra, a délin balra téríti, ezért a szubtrópusok és az Egyenlítő között az északi féltekén északkeleti, a délin délkeleti szelek fújnak. Őket nevezzük passzátszélnek, illetve angol nyelven „trade-wind”-nek. A két félteke összeáramló passzátszele az Egyenlítő mentén összeáramlási zónát hoz létre. Ezt nevezzük „Intertropikus összeáramlási zónának” (InterTropic Convergence Zone, röviden ITCZ). Ebben a zónában a hőmérséklet magas, és gyakoriak a

hosszú szélcsendes időszakok, amit a tengerészek a depresszióra utaló angol kifejezéssel

„doldrum”-nak neveznek.

A passzátszelek az Egyenlítői feláramlással, a magasban a szubtrópusok felé mozgó áramlással és a szubtrópusi levegő lefelé mozgó áramával kiegészítve alkotják a Hadley-cellának nevezett önálló légkörzést. A cella George Hadleyről (1685–1768) kapta a nevét, aki már Coriolis előtt felismerte, hogy a passzátszél iránya a Föld forgásának következménye. A Hadley-cella szélén látható légkörzés nem egyezik meg a cellában mozgó légrészek pályájával, hanem csak a pályák függőleges síkra vett vetületét mutatja.

A légrészek a Coriolis-erő eltérítő hatása miatt mind a magasban, mind a talaj közelében kimozdulnak az észak-déli egyenesből, és pályájuk spirálissá válik.

Az áramlási kép világosan mutatja, hogy a Hadleycella-áramlásban az Egyenlítő felől hő áramlik a magasabb szélességek felé.

7.3.3. A poláris és a Ferrel-cella

A szubtrópusi magas nyomású zónához hasonlóan, a sarkokon leszálló nagyon hideg levegő is magas nyomást hoz létre. A talaj közelében mind a szubtrópusi, mind a sarki magas nyomás felől áramlás indul. A két áramlás nagyjából a sarkkör táján találkozik, és felszálló légáramlást okoz. A magasban ez az áramlás két részre válik, egyik része a pólus felé halad és bekapcsolódik az ottani leszálló légáramlásba, a másik rész az Egyenlítő felé mozog és a szubtrópusokon leszálló légáramlással egyesülve erősíti a magas nyomás kialakulását. A sarki légkörzést poláris cellának, a két cella között létrejövő fordított körüljárású légkörzést Ferrel-cellának nevezzük.

Természetesen a Coriolis-erő ezekben a cellákban is eltéríti a légáramlások észak-déli ágát, emiatt a talajon a térítő körök és a sarkkör között a szélirány mindkét féltekén nyugatias lesz. A poláris cellákban pedig a talajon keleties az uralkodó szélirány. Ezekben a cellákban a Coriolis-erő hatása sokkal dominánsabb, mint a Hadley-cellában, hiszen a

2 sin

f    Coriolis-paraméter a szélesség növekedésével nő.

A cellák találkozásánál (a 30. és a 60. szélességi kör környékén) a magasban a tropopauza közelében éles hőmérséklet-különbség alakul ki, s ennek, valamint a Coriolis-erőnek következtében nagy sebességű úgynevezett futóáramlások, vagy „jet stream”-ek keletkeznek. A „jet stream”-ek mindig nyugatias szelet jelentenek. A szubtrópusi futóáramlás helyzete jó közelítéssel állandó, a polárfront futóáramlása azonban szabálytalanul változtatja helyét és időnként meg is szűnik. Ennek ellenére ebben az áramlásban mérhetők a legnagyobb (télen akár 450 km/h) erősségű szelek.

7.3.4. A Rossby-modell

Az általános légkörzés fenti modellje azonban még mindig sok tekintetben pontatlan. A Ferrel-cella áramlása sokszor feltöredezik és áramlási képében önálló, nagy örvények, ciklonok és anticiklonok jelennek meg. A Ferrel-cella szabálytalan áramlási képét a polárfront hullámzó mozgása okozza. A polárfrontban a sarki hideg és szubtrópusi mele levegő mindig viszonylag éles határfelülettel találkozik, maga a front azonban hullámzik és erősen változtatja helyét.

7.3.2. ábra: A nagy földi légkörzés

Rossby megállapította, hogy a sarkvidéki meleg és hideg levegő határán létrejövő polárfront a 40. és a 60. szélességi kör között hullámzik és az egész földet körbeéri. A hullámzó polárfront kitüremlései megnövekedhetnek és a frontról lefűződve, zárt örvények ciklonok és anticiklonok formájában leszakadhatnak. A ciklonok ott keletkeznek, ahol a meleg levegő észak felé nyúlik. A meleg levegőben a nyomás alacsonyabb, így a ciklonok alacsony nyomású képződmények, amelyekben a dél felé nyúló hideg levegő gyorsabban mozog, mint a meleg. A frontvonalról véletlenszerűen leszakadó ciklonok azután nyugatról keletre haladnak, forgásirányuk az északi féltekén az óramutató járásával ellentétes, a déli féltekén azonos irányú. (A 7.3.2. ábra sematikusan ezt a ma elfogadott általános áramlási képet mutatja.) Az anticiklonokban az északi féltekén a forgás iránya az óramutató járásával megegyező.

A mérsékelt övezet, így hazánk napi időjárásának előre nehezen jósolható változékonyságát lényegében a törvényszerűen keletkező, úgynevezett mérsékelt égövi ciklonok hozzák létre. Az örvények leszakadása a Föld egyenetlen hőmérséklet-eloszlása és forgása miatt törvényszerűen be kell, hogy következzék, az örvények keletkezésének azonban sem helye, sem ideje nem jósolható hosszú időtartamra előre.