Jump to content

Ячейка Хэдли

(Перенаправлено с Hadley Cell )

Контурный график глобальных вертикальных скоростей
Средняя вертикальная скорость паскалях в секунду) на высоте давления 500 гПа в июле 1979–2001 гг. Подъем (отрицательные значения) сосредоточен вблизи солнечного экватора, тогда как спуск (положительные значения) более рассеян; их распространение представляет собой отпечаток восходящей и нисходящей ветвей циркуляции Хэдли.

Ячейка Хэдли , также известная как циркуляция Хэдли глобального масштаба , представляет собой тропическую атмосферную циркуляцию , при которой воздух поднимается около экватора и течет к полюсу вблизи тропопаузы на высоте 12–15 км (7,5–9,3 миль) над поверхностью Земли. , охлаждаясь и спускаясь в субтропики примерно на 25 градусах широты, а затем возвращаясь к экватору вблизи поверхности. Это термически прямая циркуляция внутри тропосферы , возникающая из-за различий в инсоляции и нагревании между тропиками и субтропиками. В среднем за год циркуляция характеризуется наличием по циркуляционной ячейке с каждой стороны экватора. Ячейка Хэдли в южном полушарии в среднем немного сильнее, чем ее северный аналог, и простирается немного за пределы экватора в северное полушарие. В летние и зимние месяцы в циркуляции Хэдли преобладает одна поперечно-экваториальная ячейка, при этом воздух поднимается в летнем полушарии и опускается в зимнем полушарии. Аналогичные циркуляции могут иметь место в внеземные атмосферы , например, на Венере и Марсе .

На глобальный климат большое влияние оказывают структура и поведение циркуляции Хэдли. Преобладающие пассаты являются проявлением нижних ветвей циркуляции Хэдли, объединяющих воздух и влагу в тропиках, образуя внутритропическую зону конвергенции (ITCZ), где располагаются самые сильные дожди на Земле. Сдвиги ИТЦЗ, связанные с сезонной изменчивостью циркуляции Хэдли, вызывают появление муссонов . Погружающиеся ветви ячеек Хэдли дают начало океаническим субтропическим хребтам и подавляют осадки; многие пустыни и засушливые регионы Земли расположены в субтропиках, что совпадает с положением опускающихся ветвей. Циркуляция Хэдли также является ключевым механизмом меридионального переноса тепла, углового момента и влаги, способствуя субтропическому струйному течению , влажным тропикам и поддержанию глобального теплового равновесия .

Циркуляция Хэдли названа в честь Джорджа Хэдли , который в 1735 году постулировал существование охватывающих полушария циркуляционных ячеек, приводимых в движение различиями в нагреве, чтобы объяснить пассаты. Другие ученые позже развили аналогичные аргументы или раскритиковали качественную теорию Хэдли, предоставив более строгие объяснения и формализм. Существование широкой меридиональной циркуляции типа, предложенного Хэдли, было подтверждено в середине 20 века, когда стали доступны рутинные наблюдения верхней тропосферы с помощью радиозондов . Наблюдения и моделирование климата показывают, что циркуляция Хэдли расширилась в сторону полюса, по крайней мере, с 1980-х годов в результате изменения климата с сопутствующим, но менее определенным усилением циркуляции; эти изменения были связаны с тенденциями региональных погодных условий. Модельные прогнозы предполагают, что циркуляция будет расширяться и ослабевать на протяжении 21 века из-за изменения климата.

Механизм и характеристики

[ редактировать ]
Поперечное сечение, показывающее вертикальное и меридиональное движение воздуха вокруг клеток Хэдли в северном и южном полушариях.
В среднем циркуляция Хэдли состоит из двух ячеек в северном и южном полушариях, которые циркулируют воздух в тропиках .

Циркуляция Хэдли описывает широкую, термически прямую, [ а ] и меридиональный [ б ] опрокидывание воздуха в тропосфере над низкими широтами . [ 2 ] В рамках глобальной атмосферной циркуляции меридиональные потоки воздуха, усредненные вдоль широтных линий, организованы в циркуляции восходящих и нисходящих движений в сочетании с движением воздуха к экватору или полюсу, называемым меридиональными ячейками. К ним относятся заметные «ячейки Хэдли», сосредоточенные над тропиками , и более слабые « клетки Феррелла », сосредоточенные в средних широтах . [ 3 ] Ячейки Хэдли возникают в результате контраста инсоляции между теплыми экваториальными областями и более прохладными субтропическими областями . Неравномерный нагрев поверхности Земли приводит к появлению областей подъема и опускания воздуха. В течение года экваториальные регионы поглощают больше радиации Солнца, чем излучают . В более высоких широтах Земля излучает больше радиации, чем получает от Солнца. Без механизма меридионального обмена тепла экваториальные регионы будут нагреваться, а более высокие широты будут постепенно охлаждаться, нарушая равновесие . Широкий подъем и спуск воздуха приводит к возникновению силы градиента давления , которая приводит в движение циркуляцию Хэдли и другие крупномасштабные потоки как в атмосфере, так и в океане , распределяя тепло и поддерживая глобальное долгосрочное и субсезонное тепловое равновесие . [ 4 ]

Циркуляция Хэдли охватывает почти половину площади поверхности Земли, простираясь примерно от тропика Рака до тропика Козерога . [ 4 ] По вертикали циркуляция занимает всю глубину тропосферы. [ 5 ] Ячейки Хэдли, составляющие циркуляцию, состоят из воздуха, переносимого пассатами к экватору в нижней тропосфере, который поднимается при нагревании вблизи экватора, а также воздуха, движущегося к полюсу в верхней тропосфере. [ 6 ] Воздух, перемещаемый в субтропики, охлаждается, а затем опускается, прежде чем вернуться к экватору в тропики; [ 7 ] положение опускающегося воздуха, связанное с ячейкой Хэдли, часто используется как мера меридиональной ширины глобальных тропиков. [ 8 ] Возврат воздуха к экватору и сильное влияние нагрева делают ячейку Хэдли замкнутой циркуляцией с термическим приводом. [ 7 ] Из-за плавучего подъема воздуха у экватора и опускания воздуха в более высоких широтах у поверхности развивается градиент давления с более низким давлением вблизи экватора и более высоким в субтропиках; это обеспечивает движущую силу экваториального потока в нижней тропосфере. Однако высвобождение скрытого тепла, связанное с конденсацией в тропиках, также ослабляет снижение давления с высотой, что приводит к более высокому давлению в тропиках по сравнению с субтропиками для данной высоты в верхней тропосфере; этот градиент давления сильнее, чем его приземный аналог, и обеспечивает движущую силу потока к полюсу в верхней тропосфере. [ 9 ] Ячейки Хэдли чаще всего идентифицируются с использованием взвешенной по массе, усредненной по зонам функции тока меридиональных ветров, но их также можно идентифицировать по другим измеримым или выводимым физическим параметрам, таким как потенциал скорости или вертикальная составляющая ветра при определенном уровне давления . [ 10 ]

Учитывая широту и уровень давления , функция тока Стокса , характеризующая циркуляцию Хэдли, имеет вид

где это радиус Земли , - ускорение силы тяжести Земли , а — осредненный по зонам меридиональный ветер на заданной широте и уровне давления. Стоимость дает интегрированный меридиональный поток массы между указанным уровнем давления и верхней частью атмосферы Земли, причем положительные значения указывают на перенос массы на север. [ 11 ] Силу клеток Хэдли можно оценить количественно на основе включая максимальные и минимальные значения или средние значения функции потока как в целом, так и при различных уровнях давления. Интенсивность ячейки Хэдли также можно оценить с использованием других физических величин, таких как потенциал скорости, вертикальная составляющая ветра, перенос водяного пара или полная энергия циркуляции. [ 12 ]

Структура и компоненты

[ редактировать ]

О структуре циркуляции Хэдли и ее компонентах можно судить путем построения графиков зональных и временных средних значений глобальных ветров по всей тропосфере. В более короткие сроки отдельные погодные системы нарушают ветровой поток. Хотя структура циркуляции Хэдли меняется в зависимости от сезона, когда ветры усредняются ежегодно (с точки зрения Эйлера ), циркуляция Хэдли примерно симметрична и состоит из двух одинаковых ячеек Хэдли, по одной в каждом из северного и южного полушарий, разделяющих общую область циркуляции Хэдли. восходящий воздух вблизи экватора; [ 1 ] однако ячейка Хэдли в южном полушарии сильнее. [ 13 ] Ветры, связанные со среднегодовой циркуляцией Хэдли, имеют скорость порядка 5 м / с (18 км / ч; 11 миль в час). [ 1 ] Однако при усреднении движений воздушных потоков в отличие от ветров в фиксированных местах ( лагранжева перспектива ) циркуляция Хэдли проявляется как более широкая циркуляция, простирающаяся дальше к полюсу. [ 14 ] Каждую ячейку Хэдли можно описать четырьмя основными ветвями воздушного потока в тропиках: [ 15 ] [ 16 ]

  • Экваториальная нижняя ветвь внутри планетарного пограничного слоя.
  • Восходящая ветвь возле экватора.
  • К полюсу, верхняя ветвь в верхней тропосфере.
  • Нисходящая ветвь в субтропиках
Спутниковый снимок слабо прилегающей полосы облаков, охватывающей экватор.
Сближение ветров вблизи экватора приводит к образованию внутритропической зоны конвергенции, заставляя воздух подниматься и образуя восходящую ветвь циркуляции Хэдли.

Пассаты в низких широтах как северного, так и южного полушарий Земли направляют воздух к экватору, образуя пояс низкого атмосферного давления с обильными штормами и проливными дождями, известный как Зона внутритропической конвергенции (ITCZ). [ 4 ] [ 17 ] Это движение воздуха к экватору у поверхности Земли представляет собой нижнюю ветвь ячейки Хэдли. [ 18 ] На положение ITCZ ​​влияет температура поверхности моря (SST) вблизи экватора и сила поперечных экваториальных градиентов давления. В целом ITCZ ​​расположена вблизи экватора или смещена в сторону летнего полушария, где расположены самые теплые ТПО. [ 19 ] [ 20 ] В среднем за год восходящая ветвь циркуляции Хэдли слегка смещается в сторону Северного полушария, от экватора. [ 13 ] Из-за силы Кориолиса пассаты отклоняются в противоположном направлении вращения Земли, дуя частично на запад, а не прямо к экватору в обоих полушариях. Нижняя ветвь накапливает влагу в результате испарения через тропические океаны Земли. [ 21 ] Более теплая окружающая среда и сходящиеся ветры заставляют влажный воздух подниматься вблизи экватора, что приводит к восходящей ветви ячейки Хэдли. [ 4 ] Движение вверх дополнительно усиливается за счет выделения скрытого тепла , поскольку подъем влажного воздуха приводит к образованию экваториальной полосы конденсации и осадков . [ 3 ] [ 21 ] Восходящая ветвь циркуляции Хэдли в основном возникает во время гроз, занимающих лишь около одного процента площади поверхности тропиков. [ 22 ] Перенос тепла в восходящей ветви циркуляции Хэдли наиболее эффективно осуществляется горячими башнями - кучево-дождевыми облаками, несущими сильные восходящие потоки , которые не смешиваются с более сухим воздухом, обычно встречающимся в средней тропосфере, и, таким образом, позволяют движению воздуха из очень влажной тропической нижней тропосферы. в верхнюю тропосферу. Приблизительно 1500–5000 горячих башен ежедневно вблизи региона ITCZ ​​необходимы для поддержания вертикального переноса тепла, наблюдаемого за счет циркуляции Хэдли. [ 23 ]

Подъем воздуха поднимается в верхнюю тропосферу на высоту 12–15 км (7,5–9,3 мили), после чего воздух расходится наружу от ИТЦЗ к полюсам. [ 24 ] Вершина ячейки Хэдли определяется высотой тропопаузы, поскольку стабильная стратосфера наверху препятствует продолжению подъема воздуха. [ 25 ] Воздух, выходящий из низких широт, имеет более высокий абсолютный момент импульса относительно оси вращения Земли. Расстояние между атмосферой и осью Земли уменьшается по направлению к полюсу; Чтобы сохранить угловой момент, частицы воздуха, движущиеся к полюсу, должны ускоряться в восточном направлении. [ 26 ] Эффект Кориолиса ограничивает протяженность циркуляции Хэдли в направлении полюса, ускоряя воздух в направлении вращения Земли и образуя реактивный поток, направленный зонально, вместо того, чтобы продолжать поток воздуха в сторону полюса на границе каждой ячейки Хэдли в направлении полюса. [ 27 ] [ 28 ] Учитывая только сохранение углового момента, пакет воздуха, покоящийся вдоль экватора, к тому времени, когда достигнет 30 ° широты, ускорится до зональной скорости 134 м / с (480 км / ч; 300 миль в час). Однако мелкомасштабная турбулентность вдоль пути посылки к полюсу и крупномасштабные вихри в средних широтах рассеивают угловой момент. [ 29 ] Джет, связанный с ячейкой Хэдли южного полушария, сильнее, чем его северный аналог, из-за более сильной интенсивности ячейки южного полушария. [ 30 ] Более прохладные и более высокие широты приводят к охлаждению воздушных потоков, что приводит к тому, что воздух со стороны полюса в конечном итоге опускается. [ 26 ] При усреднении движения воздуха за год нисходящая ветвь ячейки Хэдли расположена примерно над 25-й параллелью северной широты и 25-й параллелью южной широты . [ 1 ] Затем влага в субтропиках частично переносится вихрями к полюсу, а частично — к экватору нижней ветвью ячейки Хэдли, откуда она позже переносится к ITCZ. [ 31 ] Хотя усредненная по зонам ячейка Хэдли организована в четыре основные ветви, эти ветви представляют собой скопления более концентрированных воздушных потоков и областей массового переноса. [ 32 ]

Несколько теорий и физических моделей пытались объяснить широтную ширину ячейки Хэдли. [ 33 ] Модель Хелда-Хоу обеспечивает одно теоретическое ограничение на меридиональную протяженность ячеек Хэдли. Предполагая, что упрощенная атмосфера состоит из нижнего слоя, подверженного трению о поверхность Земли, и верхнего слоя, свободного от трения, модель предсказывает, что циркуляция Хэдли будет ограничена пределами 2500 км (1600 миль) от экватора, если участки не будут иметь чистый нагрев внутри циркуляции. [ 2 ] Согласно модели Хелда – Хоу, широта полярного края ячейки Хэдли масштабируется в соответствии с

где - разница потенциальной температуры между экватором и полюсом в радиационном равновесии, - высота тропопаузы, - скорость вращения Земли, а – эталонная потенциальная температура. [ 33 ] Другие совместимые модели предполагают, что ширина ячейки Хэдли может масштабироваться в зависимости от других физических параметров, таких как усредненная по вертикали частота Бранта-Вяйсяля в тропопсфере или скорость роста бароклинных волн, излучаемых ячейкой. [ 34 ]

Сезонность и изменчивость

[ редактировать ]
Анимация функции потока Стокса, построенная в зависимости от давления и широты.
Среднегодовая и месячная функция потока Стокса, основанная на значениях за 1991–2020 годы из реанализа NCEP/NCAR ; ячейки Хэдли — это две клетки, вращающиеся в противоположных направлениях, прилегающие к экватору.

Тираж Хэдли значительно меняется в зависимости от сезонных изменений. В период весеннего и осеннего равноденствия как в северном, так и в южном полушарии циркуляция Хэдли принимает форму двух относительно более слабых ячеек Хэдли в обоих полушариях, имеющих общую область восхождения над ITCZ ​​и перемещающих воздух вверх к соответствующему полушарию каждой ячейки. . [ 4 ] Однако ближе к солнцестояниям циркуляция Хэдли переходит в более особую и сильную поперечно-экваториальную ячейку Хэдли, где воздух поднимается в летнем полушарии и широко опускается в зимнем полушарии. [ 4 ] [ 35 ] Переход между двухклеточной и одноклеточной конфигурацией резкий, и в течение большей части года циркуляция Хэдли характеризуется единственной доминирующей ячейкой Хэдли, которая переносит воздух через экватор. [ 36 ] В этой конфигурации восходящая ветвь расположена в тропических широтах более теплого летнего полушария, а нисходящая ветвь — в субтропиках более прохладного зимнего полушария. [ 37 ] В каждом полушарии все еще присутствуют две клетки, хотя клетка зимнего полушария становится гораздо более заметной, а клетка летнего полушария смещается к полюсу. [ 38 ] Усиление ячейки зимнего полушария связано с увеличением крутизны градиентов геопотенциальной высоты , что приводит к ускорению пассатов и усилению меридиональных потоков. [ 39 ] Наличие континентов ослабляет температурные градиенты в летнем полушарии, усиливая контраст между полушарными ячейками Хэдли. [ 40 ] Данные реанализа за 1979–2001 гг. показали, что доминирующая ячейка Хэдли бореальным летом простиралась в среднем от 13 ° ю.ш. до 31 ° с.ш. [ 41 ] [ с ] И в бореальную, и в южную зиму Индийский океан и западная часть Тихого океана вносят наибольший вклад в подъемы и опускания в усредненной по зонам циркуляции Хэдли. Однако вертикальные потоки над Африкой и Америкой более заметны в бореальную зиму. [ 42 ] [ 43 ]

В более длительных межгодовых масштабах изменения циркуляции Хэдли связаны с изменениями Эль-Ниньо – Южного колебания (ЭНСО), что влияет на положение восходящей ветви; [ 44 ] [ 45 ] Реакция циркуляции на ЭНСО нелинейна, с более выраженной реакцией на Эль-Ниньо явления , чем на явления Ла-Нинья . [ 45 ] Во время Эль-Ниньо циркуляция Хэдли усиливается из-за увеличения тепла верхней тропосферы над тропической частью Тихого океана и, как следствие, усиления потока в сторону полюса. [ 46 ] [ 47 ] Однако эти изменения не асимметричны: во время одних и тех же событий происходит ослабление ячеек Хэдли над западной частью Тихого океана и Атлантикой. [ 48 ] Во время Атлантического Ниньо циркуляция над Атлантикой усиливается. Атлантическая циркуляция также усиливается в периоды, когда североатлантические колебания сильно положительны. [ 49 ] Изменение усредненной по сезону и усредненной по году циркуляции Хэдли от года к году в значительной степени объясняется двумя соседствующими режимами колебаний : экваториально-симметричным режимом, характеризующимся единственной ячейкой, расположенной по обе стороны экватора, и экваториально-симметричным режимом, характеризующимся двумя ячейками на каждой из них. сторону экватора. [ 50 ]

Энергетика и транспорт

[ редактировать ]
Карта глобальных средних температур.
Ячейка Хэдли перераспределяет тепло, противодействуя неравномерному нагреву Земли.

Ячейка Хэдли — важный механизм, с помощью которого влага и энергия передаются как между тропиками и субтропиками, так и между северным и южным полушариями. [ 51 ] Однако он не является эффективным переносчиком энергии из-за противоположных потоков нижней и верхней ветви: нижняя ветвь переносит явное и скрытое тепло к экватору, а верхняя ветвь переносит потенциальную энергию к полюсу. Результирующая чистая передача энергии к полюсу составляет около 10 процентов от общей передачи энергии, задействованной в ячейке Хэдли. [ 52 ] Нисходящая ветвь ячейки Хэдли обеспечивает чистое небо и избыток испарения по сравнению с осадками в субтропиках. [ 53 ] Нижняя ветвь циркуляции Хэдли осуществляет большую часть переноса избыточного водяного пара, накопленного в субтропической атмосфере, к экваториальной области. [ 54 ] Сильная ячейка Хэдли в южном полушарии по сравнению со своим северным аналогом приводит к небольшому чистому переносу энергии из северного полушария в южное; [ 13 ] в результате перенос энергии на экваторе в среднем направлен на юг, [ 55 ] с годовым чистым переносом около 0,1 ПВт. [ 56 ] В отличие от более высоких широт, где вихри являются доминирующим механизмом переноса энергии к полюсу, меридиональные потоки, создаваемые циркуляцией Хэдли, являются основным механизмом переноса энергии к полюсу в тропиках. [ 57 ] [ 31 ] Циркуляция Хэдли, являющаяся термически прямой циркуляцией, преобразует доступную потенциальную энергию в кинетическую энергию горизонтальных ветров. [ 58 ] По данным за январь 1979 года и декабрь 2010 года, средняя выходная мощность циркуляции Хэдли составляет 198 ТВт с максимумами в январе и августе и минимумами в мае и октябре. [ 59 ] Хотя устойчивость тропопаузы во многом ограничивает движение воздуха из тропосферы в стратосферу, [ 25 ] часть тропосферного воздуха проникает в стратосферу через ячейки Хэдли. [ 60 ]

Схема полярных и субтропических струйных течений на Земле
Бароклинные волны, развивающиеся вдоль субтропической струи на полярных границах ячеек Хэдли, переносят энергию к полюсам.

Циркуляцию Хэдли можно идеализировать как тепловую машину, преобразующую тепловую энергию в механическую . Когда воздух движется к экватору вблизи поверхности Земли, он накапливает энтропию от поверхности либо за счет прямого нагрева, либо за счет потока явного или скрытого тепла . В восходящей ветви ячейки Хэдли подъем воздуха представляет собой примерно адиабатический процесс по отношению к окружающей среде. Однако, когда порции воздуха движутся к экватору в верхней ветви клетки, они теряют энтропию, излучая тепло в пространство в инфракрасных волнах, и в ответ опускаются. [ 1 ] Это радиационное охлаждение происходит со скоростью не менее 60 Вт·м. −2 и может превышать 100 Вт·м −2 зимой. [ 53 ] Тепло, накопленное во время экваториальной ветви циркуляции, больше, чем тепло, теряемое в верхней полярной ветви; избыточное тепло преобразуется в механическую энергию, которая приводит в движение воздух. [ 1 ] Эта разница в нагревании также приводит к тому, что циркуляция Хэдли переносит тепло к полюсу, поскольку воздух, снабжающий верхнюю ветвь ячейки Хэдли, имеет большую статическую энергию влаги, чем воздух, снабжающий нижнюю ветвь ячейки. [ 3 ] В атмосфере Земли временной масштаб, в течение которого частицы воздуха теряют тепло из-за радиационного охлаждения, и временной масштаб, в течение которого воздух движется по циркуляции Хэдли, находятся на одинаковом порядке, что позволяет циркуляции Хэдли переносить тепло, несмотря на охлаждение в верхней ветви циркуляции. [ 61 ] Воздух с высокой потенциальной температурой в конечном итоге перемещается к полюсу в верхнюю тропосферу, а воздух с более низкой потенциальной температурой перемещается к экватору вблизи поверхности. [ 62 ] В результате циркуляция Хэдли является одним из механизмов, с помощью которого неравновесие, вызванное неравномерным нагревом Земли, приводится к равновесию. [ 21 ] Если рассматривать его как тепловую машину, термодинамический КПД циркуляции Хэдли в период с 1979 по 2010 год составлял в среднем около 2,6 процента с небольшой сезонной изменчивостью. [ 63 ]

Циркуляция Хэдли также переносит планетарный угловой момент к полюсу из-за вращения Земли. [ 21 ] Поскольку пассаты направлены против вращения Земли, угловой момент, направленный на восток, передается атмосфере за счет фрикционного взаимодействия между ветрами и топографией. Затем ячейка Хэдли передает этот угловой момент через свои восходящие и полярные ветви. [ 64 ] Полюсная ветвь ускоряется и отклоняется на восток как в северном, так и в южном полушариях из-за силы Кориолиса и сохранения углового момента , что приводит к образованию зонального реактивного течения над нисходящей ветвью ячейки Хэдли. [ 21 ] Формирование такой струи предполагает существование баланса теплового ветра , поддерживаемого усилением температурных градиентов в окрестностях струи, возникающих в результате адвекции тепла к полюсу циркуляции Хэдли. [ 28 ] Субтропическая струя в верхней тропосфере совпадает с местом, где ячейка Хэдли встречается с ячейкой Феррелла. [ 1 ] Сильный сдвиг ветра , сопровождающий струю, представляет собой значительный источник бароклинной неустойчивости, из-за которой растут волны; рост этих волн передает тепло и импульс к полюсам. [ 65 ] Атмосферные вихри извлекают западный угловой момент из ячейки Хэдли и переносят его вниз, что приводит к возникновению западных ветров в средних широтах. [ 64 ]

Формулировка и открытие

[ редактировать ]

Широкая структура и механизм циркуляции Хэдли, включающий конвективные ячейки, перемещающие воздух из-за разницы температур под влиянием вращения Земли, были впервые предложены Эдмундом Галлеем в 1685 году и Джорджем Хэдли в 1735 году. [ 18 ] Хэдли пытался объяснить физический механизм пассатов и западных ветров; [ 66 ] циркуляция Хэдли и клетки Хэдли названы в честь его новаторской работы. [ 67 ] [ 68 ] Хотя идеи Хэдли основывались на физических концепциях, которые не были формализованы вплоть до его смерти, его модель была в основном качественной и лишенной математической строгости. [ 69 ] К 1920-м годам большинство метеорологов позже признали формулировку Хэдли упрощением более сложных атмосферных процессов. [ 70 ] Циркуляция Хэдли, возможно, была первой попыткой объяснить глобальное распределение ветров в атмосфере Земли с помощью физических процессов. Однако гипотезу Хэдли нельзя было проверить без наблюдений за ветрами в верхних слоях атмосферы. Данные, собранные обычными радиозондами, начиная с середины 20 века, подтвердили существование циркуляции Хэдли. [ 18 ]

Ранние объяснения пассатов

[ редактировать ]
Карта, созданная Эдмундом Галлеем, показывающая направление пассатов.
Попытки объяснить пассаты были мотивированы их устойчивостью и важностью для морской торговли.

В 15-16 веках наблюдения за морской погодой имели большое значение для морского транспорта . Сборники этих наблюдений показали постоянство погодных условий из года в год и значительную сезонную изменчивость. [ 71 ] Преобладание засушливых условий и слабых ветров на широте около 30°, а также пассатов, направленных к экватору ближе к экватору, что отражается в северном и южном полушариях, стало очевидным к 1600 году. Первые попытки ученых объяснить аспекты глобальных ветровых режимов часто были сосредоточены на Предполагалось, что пассаты, поскольку устойчивость ветров, предвещают простой физический механизм. Галилео Галилей предположил, что пассаты возникают из-за того, что атмосфера отстает от более высокой скорости тангенциального вращения Земли в низких широтах, что приводит к пассатам на запад, направленным противоположно вращению Земли. [ 72 ]

В 1685 году английский эрудит Эдмунд Галлей на дебатах, организованных Королевским обществом, предположил , что пассаты возникают в результате разницы температур с востока на запад, возникающей в течение дня в тропиках. [ 73 ] В модели Галлея по мере вращения Земли место максимального нагрева от Солнца перемещалось на запад по поверхности Земли. Это привело бы к подъему воздуха, и Галлей утверждал, что за счет сохранения массы воздух будет перемещаться в область откачанного воздуха, создавая пассаты. Гипотеза Галлея подверглась критике со стороны его друзей, которые отметили, что его модель приведет к изменению направления ветра в течение дня, а не к устойчивому пассату. [ 72 ] Галлей признал В личной переписке с Джоном Уоллисом , что «Ваше сомнение в моей гипотезе решения проблемы пассатов делает меня менее уверенным в ее истинности». [ 74 ] Тем не менее, формулировка Галлея была включена в Энциклопедию Чемберса и Большую энциклопедию , став наиболее широко известным объяснением пассатов до начала 19 века. [ 72 ] Хотя его объяснение пассатов было неверным, Галлей правильно предсказал, что приземные пассаты должны сопровождаться противоположным потоком наверху после сохранения массы. [ 75 ]

Объяснение Джорджа Хэдли

[ редактировать ]
Иллюстрация преобладающих режимов ветра у поверхности и на высоте, опубликованная в 1872 или 1873 году.
Концепция Хэдли атмосферной циркуляции включала большие циркуляции, охватывающие все полушария.

Неудовлетворенный предыдущими объяснениями пассатов, Джордж Хэдли предложил в 1735 году альтернативный механизм. [ 76 ] Гипотеза Хэдли была опубликована в статье «О причине общих пассатов» в журнале «Philosophical Transactions of the Royal Society» . [ 77 ] Как и Галлей, объяснение Хэдли рассматривало пассаты как проявление движения воздуха, заменяющего поднимающийся теплый воздух. Однако область подъема воздуха, вызывающая этот поток, располагалась в более низких широтах. Понимая, что тангенциальная скорость вращения Земли была самой высокой на экваторе и замедлялась по мере продвижения к полюсу, Хэдли предположил, что, поскольку воздух с более низким импульсом из более высоких широт будет двигаться к экватору, чтобы заменить поднимающийся воздух, он сохранит свой импульс и, таким образом, повернет на запад. Точно так же восходящий воздух с более высоким импульсом будет распространяться к полюсам, изгибаясь на восток, а затем опускаясь по мере охлаждения, образуя западные ветры в средних широтах. [ 76 ] Объяснение Хэдли подразумевало существование охватывающих все полушария циркуляционных ячеек в северном и южном полушариях, простирающихся от экватора до полюсов. [ 78 ] хотя он полагался на идеализацию земной атмосферы, в которой не было сезонности или асимметрии океанов и континентов. [ 79 ] Его модель также предсказала быстрый восточный пассат со скоростью около 37 м / с (130 км / ч; 83 мили в час). [ 76 ] хотя он утверждал, что действие поверхностного трения в течение нескольких дней замедлило воздух до наблюдаемой скорости ветра. [ 80 ] Колин Маклорен распространил модель Хэдли на океан в 1740 году, утверждая, что меридиональные океанские течения подвержены одинаковым отклонениям на запад или на восток. [ 76 ]

Хэдли не был широко известен своей теорией из-за отождествления со своим старшим братом Джоном Хэдли и Галли; его теория не получила большого признания в научном сообществе на протяжении более столетия из-за ее неинтуитивного объяснения и отсутствия подтверждающих наблюдений. [ 81 ] Несколько других натурфилософов независимо друг от друга предложили объяснения глобального распределения ветров вскоре после предложения Хэдли 1735 года. В 1746 году Жан ле Рон д'Аламбер дал математическую формулировку глобальных ветров, но не принял во внимание солнечное нагревание и объяснил ветры гравитационным воздействием Солнца и Луны . Иммануил Кант , также неудовлетворенный объяснением Галлея пассатов, опубликовал объяснение пассатов и западных ветров в 1756 году с теми же рассуждениями, что и Хэдли. [ 82 ] Во второй половине XVIII века Пьер-Симон Лаплас разработал систему уравнений, устанавливающую прямое влияние вращения Земли на направление ветра. [ 83 ] Швейцарский ученый Жан-Андре Делюк опубликовал в 1787 году объяснение пассатов, аналогичное гипотезе Хэдли, связывая дифференциальное нагревание и вращение Земли с направлением ветров. [ 84 ]

Английский химик Джон Далтон был первым, кто явно приписал объяснение Хэдли пассатов Джорджу Хэдли, упомянув работу Хэдли в своей книге 1793 года «Метеорологические наблюдения и очерки» . [ 85 ] В 1837 году «Философский журнал» опубликовал новую теорию ветровых потоков, разработанную Генрихом Вильгельмом Давом без ссылки на Хэдли, но аналогичным образом объясняющую направление пассатов как находящееся под влиянием вращения Земли. В ответ Далтон позже написал письмо редактору журнала, рекламируя работу Хэдли. [ 86 ] Впоследствии Дав так часто отдавал должное Хэдли, что всеобъемлющая теория стала известна как «принцип Хэдли-Дав». [ 87 ] популяризация объяснения Хэдли пассатов в Германии и Великобритании . [ 88 ]

Критика объяснения Хэдли

[ редактировать ]
Фотография человека, держащего радиозонд, прикрепленный к метеозонду.
Обычные радиозондовые пробы верхней тропосферы, начиная с 20-го века, предоставили первые прямые наблюдательные свидетельства циркуляции Хэдли.

Работы Гюстава Кориолиса , Уильяма Ферреля , Жана Бернара Фуко и Хенрика Мона в XIX веке помогли установить силу Кориолиса как механизм отклонения ветров из-за вращения Земли, подчеркивая сохранение углового момента при направлении потоков, а не сохранение линейного импульса, как предположил Хэдли; [ 87 ] Предположение Хэдли привело к недооценке отклонения в два раза. [ 79 ] Принятие силы Кориолиса в формировании глобальных ветров привело к дебатам среди немецких ученых-атмосферников, начавшихся в 1870-х годах, по поводу полноты и обоснованности объяснения Хэдли, которое узко объясняло поведение первоначально меридиональных движений. [ 87 ] Использование Хэдли поверхностного трения для объяснения того, почему пассаты были намного медленнее, чем предсказывало его теория, рассматривалось как ключевой недостаток его идей. Юго-западные движения, наблюдаемые в перистых облаках на высоте около 30 ° с.ш., еще больше опровергают теорию Хэдли, поскольку их движение было намного медленнее, чем предсказывала теория с учетом сохранения углового момента. [ 89 ] В 1899 году Уильям Моррис Дэвис , профессор физической географии Гарвардского университета , выступил с речью в Королевском метеорологическом обществе, критикуя теорию Хэдли за ее неспособность объяснить переход изначально несбалансированного потока к геострофическому равновесию . [ 90 ] Дэвис и другие метеорологи 20-го века признали, что движение частиц воздуха по предполагаемой Хэдли циркуляции поддерживалось постоянным взаимодействием между градиентом давления и силами Кориолиса, а не сохранением только углового момента. [ 91 ] В конечном итоге, хотя научное сообщество по атмосфере сочло общие идеи принципа Хэдли действительными, его объяснение рассматривалось как упрощение более сложных физических процессов. [ 70 ] [ 92 ]

Модель Хэдли глобальной циркуляции атмосферы, характеризующаяся циркуляционными ячейками по всему полушарию, также подверглась сомнению из-за погодных наблюдений, показывающих зону высокого давления в субтропиках и пояс низкого давления примерно на 60 ° широты. Такое распределение давления будет подразумевать поток в направлении полюса вблизи поверхности в средних широтах, а не поток в направлении экватора, подразумеваемый предполагаемыми ячейками Хэдли. Позже Феррел и Джеймс Томсон согласовали картину давления с моделью Хэдли, предложив циркуляционную ячейку, ограниченную более низкими высотами в средних широтах и ​​расположенную внутри более широких ячеек Хэдли, охватывающих все полушарие. Карл-Густав Россби в 1947 году предположил, что циркуляция Хэдли ограничивается тропиками, образуя часть динамично развивающегося и многоклеточного меридионального потока. [ 93 ] [ 94 ] Модель Россби напоминала аналогичную трехклеточную модель, разработанную Феррелом в 1860 году. [ 94 ]

Прямое наблюдение

[ редактировать ]

Трехячеечная модель глобальной атмосферной циркуляции, в которой циркуляция, задуманная Хэдли, образует ее тропический компонент, была широко принята метеорологическим сообществом к началу 20 века. Однако существование ячейки Хэдли было подтверждено только метеорологическими наблюдениями у поверхности, а ее предсказания ветров в верхней тропосфере остались непроверенными. [ 95 ] Рутинный отбор проб верхней тропосферы радиозондами, появившийся в середине XX века, подтвердил существование в атмосфере меридиональных опрокидывающихся ячеек. [ 18 ]

Влияние на климат

[ редактировать ]
Карта среднегодовых осадков в мире
На глобальное распределение осадков в тропиках сильное влияние оказывает циркуляция Хэдли.

Циркуляция Хэдли оказывает одно из наиболее важных влияний на глобальный климат и обитаемость планеты. [ 4 ] а также важный переносчик углового момента, тепла и водяного пара. [ 96 ] [ 97 ] Клетки Хэдли сглаживают температурный градиент между экватором и полюсами, делая внетропики мягче. [ 68 ] Глобальный характер осадков, состоящий из большого количества осадков в тропиках и отсутствия осадков в более высоких широтах, является следствием расположения восходящих и опускающихся ветвей ячеек Хэдли соответственно. [ 3 ] Вблизи экватора подъем влажного воздуха приводит к самым сильным осадкам на Земле. [ 4 ] Периодическое движение ITCZ ​​и, следовательно, сезонные колебания восходящих ветвей циркуляции Хэдли вызывают мировые муссоны . [ 98 ] Нисходящее движение воздуха, связанное с опускающейся ветвью, приводит к расхождению поверхности , что соответствует выделению субтропических областей высокого давления . [ 3 ] Эти полупостоянные области высокого давления расположены в основном над океаном между 20° и 40° широты. [ 68 ] Засушливые условия связаны с нисходящими ветвями циркуляции Хэдли, [ 33 ] и полузасушливыми или засушливыми регионами Земли, со многими пустынями лежащими в основе опускающихся ветвей циркуляции Хэдли. [ 4 ] [ 10 ]

Облачный морской пограничный слой, распространенный в субтропиках, может быть засеян ядрами конденсации облаков , выносимыми из тропиков циркуляцией Хэдли. [ 99 ]

Последствия изменения климата

[ редактировать ]

Естественная изменчивость

[ редактировать ]

Палеоклиматические реконструкции пассатов и характера осадков предполагают, что циркуляция Хэдли изменилась в ответ на естественную изменчивость климата . Во время событий Генриха за последние 100 000 лет ячейка Хэдли в северном полушарии усилилась, а ячейка Хэдли в южном полушарии ослабла. Изменение инсоляции в период от среднего до позднего голоцена привело к миграции на юг восходящих и нисходящих ветвей ячейки Хэдли Северного полушария ближе к их современному положению. Годичные кольца из средних широт Северного полушария позволяют предположить, что историческое положение ветвей ячеек Хэдли также сместилось в ответ на более короткие колебания: нисходящая ветвь Северного полушария двигалась на юг во время положительных фаз Эль-Ниньо – Южного колебания и Тихоокеанского региона. десятилетних колебаний и на север во время соответствующих отрицательных фаз. Клетки Хэдли были смещены на юг между 1400–1850 годами, одновременно с засухой в некоторых частях Северного полушария. [ 100 ]

Расширение клеток Хэдли и изменения интенсивности

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Две диаграммы, показывающие вертикальную и горизонтальную структуру глобальной атмосферной циркуляции, подчеркивающие влияние изменения климата.
Изменение климата привело к расширению циркуляции Хэдли к полюсам.

Согласно Шестому оценочному отчету МГЭИК (ДО6), циркуляция Хэдли, вероятно, расширилась, по крайней мере, с 1980-х годов в ответ на изменение климата , со средней степенью уверенности в сопутствующей интенсификации циркуляции. [ 101 ] [ 102 ] Расширение общей циркуляции к полюсу примерно на 0,1–0,5 ° широты за десятилетие с 1980-х годов в значительной степени объясняется сдвигом к полюсу ячейки Хэдли в северном полушарии, которая при атмосферном реанализе показала более заметное расширение с 1992 года. [ 103 ] Однако в AR6 также сообщается о средней достоверности того, что расширение ячейки Хэдли в северном полушарии находится в пределах внутренней изменчивости. Напротив, в AR6 было установлено, что вполне вероятно, что расширение ячейки Хэдли в южном полушарии к полюсу произошло из-за антропогенного влияния; [ 104 ] этот вывод был основан на климатических моделях CMIP5 и CMIP6 . [ 8 ]

Исследования дали широкий диапазон оценок скорости расширения тропиков за счет использования различных показателей; оценки, основанные на свойствах верхней тропосферы, обычно дают более широкий диапазон значений. [ 105 ] Степень расширения циркуляции варьируется в зависимости от сезона, при этом тенденции лета и осени более масштабны и статистически значимы в обоих полушариях. [ 106 ] Расширение тиража Хэдли также привело к вероятному расширению ITCZ ​​с 1970-х годов. [ 107 ] Повторный анализ также предполагает, что летние и осенние клетки Хэдли в обоих полушариях расширились и что глобальная циркуляция Хэдли усилилась с 1979 года, причем более выраженная интенсификация наблюдалась в Северном полушарии. [ 103 ] В период с 1979 по 2010 год мощность, вырабатываемая глобальной циркуляцией Хэдли, увеличивалась в среднем на 0,54 ТВт в год, что соответствует увеличению поступления энергии в циркуляцию за счет потепления ТПО над тропическими океанами. [ 108 ] (Для сравнения, общая мощность циркуляции Хэдли колеблется от 0,5 ТВт до 218 ТВт в течение года в Северном полушарии и от 32 до 204 ТВт в Южном.) [ 109 ] В отличие от повторного анализа, климатические модели CMIP5 показывают ослабление циркуляции Хэдли с 1979 года. [ 110 ] Таким образом, величина долгосрочных изменений силы циркуляции неопределенна из-за влияния большой межгодовой изменчивости и плохого представления распределения скрытого тепловыделения в реанализах. [ 103 ]

Расширение циркуляции Хэдли из-за изменения климата согласуется с моделью Хелда-Хоу, которая предсказывает, что широтная протяженность циркуляции пропорциональна квадратному корню из высоты тропопаузы. Потепление тропосферы увеличивает высоту тропопаузы, позволяя верхней полярной ветви ячеек Хэдли распространяться дальше, что приводит к расширению ячеек. [ 111 ] Результаты климатических моделей показывают, что влияние внутренней изменчивости (например, тихоокеанских десятилетних колебаний) и антропогенного влияния на расширение циркуляции Хэдли с 1980-х годов было сопоставимым. [ 8 ] Влияние человека наиболее очевидно в расширении ячейки Хэдли в южном полушарии; [ 8 ] ДО6 оценил среднюю степень достоверности связи расширения циркуляции Хэдли в обоих полушариях с дополнительным радиационным воздействием парниковых газов. [ 112 ]

Физические механизмы и прогнозируемые изменения

[ редактировать ]

Физические процессы, посредством которых циркуляция Хэдли расширяется под влиянием человека, неясны, но могут быть связаны с повышенным потеплением субтропиков по сравнению с другими широтами как в Северном, так и в Южном полушариях. Повышенное субтропическое тепло может способствовать расширению циркуляции к полюсу за счет смещения субтропических струйных и бароклинных вихрей к полюсу. [ 8 ] [ 113 ] Расширение ячейки Хэдли в южном полушарии к полюсу южным летом было объяснено в Пятом оценочном отчете МГЭИК (AR5) разрушению стратосферного озона на основе моделирования модели CMIP5, в то время как моделирование CMIP6 не показало явного сигнала. [ 8 ] Истощение озонового слоя, вероятно, может повлиять на циркуляцию Хэдли за счет увеличения радиационного охлаждения в нижней стратосфере; это увеличило бы фазовую скорость бароклинных вихрей и сместило бы их к полюсу, что привело бы к расширению ячеек Хэдли. [ 113 ] Были предложены и другие вихревые механизмы расширения ячеек Хэдли, включающие изменения бароклинности , обрушение волн и другие проявления нестабильности. [ 114 ] Во внетропических зонах Северного полушария растущая концентрация черного углерода и тропосферного озона может быть основным фактором, способствующим расширению клеток Хэдли в этом полушарии бореальным летом. [ 106 ]

Прогнозы климатических моделей показывают, что продолжающееся увеличение концентрации парниковых газов приведет к дальнейшему расширению циркуляции Хэдли. [ 96 ] Однако моделирование с использованием исторических данных показывает, что воздействие парниковых газов может составлять около 0,1° за десятилетие расширения тропиков. [ 114 ] Хотя расширение ячеек Хэдли из-за изменения климата происходило одновременно с увеличением их интенсивности, согласно данным повторного анализа атмосферы, [ 101 ] [ 102 ] Прогнозы климатических моделей обычно показывают ослабление циркуляции в тандеме с расширением циркуляции к концу 21 века. [ 115 ] [ 110 ] Длительное увеличение концентрации углекислого газа может привести к ослаблению циркуляции Хэдли в результате уменьшения радиационного выхолаживания в тропосфере вблизи опускающихся ветвей циркуляции. [ 116 ] Однако изменения в океанической циркуляции в тропиках могут ослабить изменения интенсивности и ширины ячеек Хэдли за счет уменьшения термических контрастов. [ 117 ] [ 118 ]

Изменения погодных условий

[ редактировать ]
Контурная карта смоделированных относительных изменений среднегодового количества осадков в мире при потеплении на 2°C
Изменения в ячейке Хэдли из-за изменения климата могут повлиять на глобальные тенденции осадков.

Расширение циркуляции Хэдли из-за изменения климата связано с изменениями региональных и глобальных погодных условий. [ 119 ] Расширение тропиков может сместить пояс тропических дождей , расширить субтропические пустыни и усугубить лесные пожары и засуху. [ 120 ] Задокументированное смещение и расширение субтропических хребтов связано с изменениями в циркуляции Хэдли, включая распространение на запад субтропического максимума над северо-западной частью Тихого океана, изменениями интенсивности и положения Азорского максимума , а также смещением к полюсу и усилением субтропического максимума. пояс высокого давления в Южном полушарии. Эти изменения повлияли на количество и изменчивость осадков в регионе, включая тенденции засушивания над южной Австралией, северо-восточным Китаем и северной частью Южной Азии . В ДО6 оценены ограниченные доказательства того, что расширение ячейки Хэдли в северном полушарии могло частично привести к более засушливым условиям в субтропиках и к расширению засушливости к полюсам во время бореального лета. [ 121 ] Изменения количества осадков, вызванные изменениями циркуляции Хэдли, могут привести к изменениям региональной влажности почвы , при этом моделирование показывает наиболее значительное снижение в Средиземном море , Южной Африке и на юго-западе США . [ 119 ] Однако одновременные эффекты изменения структуры приземной температуры над сушей приводят к неопределенности относительно влияния расширения ячеек Хэдли на высыхание субтропических территорий. [ 122 ]

Моделирование климата показывает, что сдвиг положения субтропических максимумов, вызванный расширением ячейки Хэдли, может уменьшить океанический апвеллинг в низких широтах и ​​усилить океанический апвеллинг в высоких широтах. [ 123 ] Расширение субтропических максимумов в тандеме с расширением циркуляции может также повлечь за собой расширение океанических регионов с высокой соленостью и низким уровнем первичной морской продукции . [ 120 ] На уменьшение количества внетропических циклонов в регионах траектории штормов в модельных проекциях частично влияет расширение ячеек Хэдли. [ 124 ] Сдвиги циркуляции Хэдли к полюсу связаны со сдвигами траекторий тропических циклонов в Северном и Южном полушариях. [ 121 ] включая тенденцию к полюсам в тех местах, где штормы достигли максимальной интенсивности. [ 125 ]

Внеземные циркуляции Хэдли

[ редактировать ]
Схематическое изображение ключевых компонентов глобальной циркуляции атмосферы на Марсе.
Циркуляция Хэдли может присутствовать и на других планетах, включая Марс .

За пределами Земли любую термически прямую циркуляцию, при которой воздух циркулирует меридионально через градиенты инсоляции планетарного масштаба, можно описать как циркуляцию Хэдли. [ 21 ] Земная атмосфера, подверженная избыточному экваториальному нагреву, имеет тенденцию поддерживать осесимметричную циркуляцию Хэдли с восходящими движениями вблизи экватора и опусканием в более высоких широтах. [ 126 ] Предполагается, что дифференциальный нагрев приводит к циркуляциям Хэдли, аналогичным земным, в других атмосферах Солнечной системы , таких как Венера , Марс и Титан . Как и в случае с атмосферой Земли, циркуляция Хэдли будет доминирующей меридиональной циркуляцией для этих внеземных атмосфер . [ 127 ] Хоть и менее изученные, циркуляции Хэдли также могут присутствовать на газовых гигантах Солнечной системы и в принципе должны материализоваться в экзопланетных атмосферах . [ 128 ] [ 129 ] Пространственная протяженность ячейки Хэдли в любой атмосфере может зависеть от скорости вращения планеты или луны, причем более высокая скорость вращения приводит к более сжатым ячейкам Хэдли (с более ограниченной протяженностью в сторону полюса) и более клеточной глобальной меридиональной циркуляции. [ 130 ] Более медленная скорость вращения уменьшает эффект Кориолиса, тем самым уменьшая меридиональный градиент температуры, необходимый для поддержания струи на границе ячейки Хэдли, обращенной к полюсу, и, таким образом, позволяя ячейке Хэдли распространяться дальше в направлении полюса. [ 28 ]

Два изображения северного полюса Титана, на одном из которых видны метановые облака.
Медленно вращающиеся планеты или спутники, такие как Титан , могут поддерживать более широкие циркуляции Хэдли с восходящими ветвями и конвекцией ближе к полярным регионам.

Венера , которая вращается медленно, может иметь клетки Хэдли, которые простираются дальше к полюсу, чем земные, и простираются от экватора до высоких широт в каждом из северного и южного полушарий. [ 21 ] [ 131 ] Его широкая циркуляция Хэдли могла бы эффективно поддерживать почти изотермическое распределение температуры между полюсом планеты и экватором и вертикальные скорости около 0,5 см/с (0,018 км/ч; 0,011 миль в час). [ 132 ] [ 131 ] Наблюдения за химическими индикаторами, такими как окись углерода, предоставляют косвенное свидетельство существования венерианской циркуляции Хэдли. [ 133 ] Наличие полярных ветров со скоростью примерно до 15 м/с (54 км/ч; 34 миль в час) на высоте 65 км (40 миль) обычно считается связанным с верхней ветвью ячейки Хэдли, [ 134 ] который может быть расположен на высоте 50–65 км (31–40 миль) над поверхностью Венеры. [ 133 ] Медленные вертикальные скорости, связанные с циркуляцией Хэдли, не были измерены, хотя они, возможно, внесли свой вклад в вертикальные скорости, измеренные миссиями Вега и Венера . [ 134 ] Ячейки Хэдли могут простираться примерно до 60° широты, к экватору струйного течения средней широты, определяющего границу между предполагаемой ячейкой Хэдли и полярным вихрем . [ 133 ] В атмосфере планеты могут наблюдаться две циркуляции Хэдли: одна у поверхности, а другая на уровне верхнего слоя облаков . Венерианская циркуляция Хэдли может способствовать суперротации атмосферы планеты. [ 21 ]

Моделирование марсианской атмосферы предполагает, что циркуляция Хэдли также присутствует в атмосфере Марса, демонстрируя более сильную сезонность по сравнению с циркуляцией Хэдли на Земле. [ 135 ] Эта большая сезонность является результатом уменьшения тепловой инерции из-за отсутствия океана и более тонкой атмосферы планеты. [ 21 ] [ 136 ] Кроме того, эксцентриситет орбиты Марса приводит к тому, что ячейка Хэдли во время его северной зимы становится более сильной и широкой по сравнению с южной зимой. В течение большей части марсианского года, когда преобладает одна ячейка Хэдли, ее восходящая и опускающаяся ветви располагаются на 30° и 60° широты соответственно при моделировании глобального климата. [ 137 ] Вершины ячеек Хэдли на Марсе могут достигать высоты (около 60 км (37 миль)) и быть менее выраженными по сравнению с Землей из-за отсутствия сильной тропопаузы на Марсе. [ 135 ] [ 138 ] В то время как скрытый нагрев от фазовых изменений, связанных с водой, приводит к большей части восходящего движения в циркуляции Хэдли на Земле, подъем в циркуляции Хэдли на Марсе может быть вызван радиационным нагревом поднятой пыли и усилен конденсацией углекислого газа вблизи полярной ледяной шапки Марса. ' зимнее полушарие, градиенты давления становятся круче. [ 21 ] В течение марсианского года поток массы циркуляции Хэдли колеблется в пределах 10 9 кг с −1 во время равноденствий и 10 10 в дни солнцестояния. [ 139 ]

Циркуляция Хэдли может также присутствовать в атмосфере Сатурна , спутника Титана . Как и Венера, медленная скорость вращения Титана может поддерживать пространственно широкую циркуляцию Хэдли. [ 131 ] Моделирование общей циркуляции атмосферы Титана предполагает наличие кроссэкваториальной ячейки Хэдли. Эта конфигурация соответствует меридиональным ветрам, наблюдаемым космическим кораблем «Гюйгенс» , когда он приземлился вблизи экватора Титана. [ 140 ] Во время солнцестояний Титана его циркуляция Хэдли может принимать форму одной ячейки Хэдли, которая простирается от полюса к полюсу, при этом теплый газ поднимается в летнем полушарии и опускается в зимнем полушарии. [ 141 ] Двухъячеечная конфигурация с восхождением вблизи экватора присутствует в моделировании в течение ограниченного переходного периода вблизи равноденствий. [ 142 ] Распределение конвективных облаков метана на Титане и наблюдения с космического корабля «Гюйгенс» позволяют предположить, что восходящая ветвь его циркуляции Хэдли происходит в средних широтах его летнего полушария. [ 143 ] Частое образование облаков происходит на широте 40° в летнем полушарии Титана в результате подъема, аналогичного ITCZ ​​Земли. [ 144 ]

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Термически прямая циркуляция в среднем проявляется в подъеме воздуха над более теплыми областями и опускании воздуха в более холодных регионах, в результате чего тепло добавляется под более высоким давлением, чем при отводе тепла. Это отличается от термически непрямой циркуляции, при которой входная механическая энергия позволяет воздуху подниматься над более холодными областями и опускаться над более теплыми областями. Охлаждение аналогично термически непрямой циркуляции. [ 1 ]
  2. ^ Меридиональные движения происходят в направлении севера или юга по линиям долготы , а зональные движения - в направлении запада или востока по линиям широты .
  3. ^ Бореальный и южный полушария относятся к Северному и Южному полушарию соответственно. Например, бореальное лето относится к лету в Северном полушарии, которое происходит одновременно с южной зимой (зимой в Южном полушарии).
  1. ^ Jump up to: а б с д и ж г Джеймс 2002 , с. 920.
  2. ^ Jump up to: а б Джеймс 2002 .
  3. ^ Jump up to: а б с д и Гротьян 2002 , стр. 845–854.
  4. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Вебстер, 2004 , стр. 9–19.
  5. ^ Вебстер 2004 , с. 42.
  6. ^ Цюань, Диас и Херлинг 2004 , стр. 1.
  7. ^ Jump up to: а б Ху и Фу 2007 , с. 2368.
  8. ^ Jump up to: а б с д и ж Эринг и др. 2021 , с. 459.
  9. ^ Вебстер 2004 , стр. 38–41.
  10. ^ Jump up to: а б Нгуен и др. 2013 , с. 3357.
  11. ^ Кук 2004 , с. 63.
  12. ^ Пиковник и др. 2022 , стр. 626–628.
  13. ^ Jump up to: а б с Хартманн 2016 , с. 167.
  14. ^ Джеймс 2002 , с. 923.
  15. ^ Уоллес и Хоббс 2006 , с. 14.
  16. ^ Валлис 2017 , с. 516
  17. ^ Джин и др. 2020 , с. 3.
  18. ^ Jump up to: а б с д Джеймс 2002 , с. 919.
  19. ^ Вебстер 2004 , с. 44.
  20. ^ Се 2004 , с. 121.
  21. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Дель Генио, 1997 год .
  22. ^ Даунлинг и Шоумен 2007 , с. 175.
  23. ^ Вебстер 2004 , с. 37.
  24. ^ Вебстер 2004 , с. 17.
  25. ^ Jump up to: а б Кук 2004 , с. 72.
  26. ^ Jump up to: а б Шнайдер 2006 , с. 657.
  27. ^ Фукуя и др. 2021 , с. 511.
  28. ^ Jump up to: а б с Митчелл и Лора 2016 , с. 363.
  29. ^ Хартманн 2016 , с. 178.
  30. ^ Се 2004 , с. 139.
  31. ^ Jump up to: а б Тренберт и Степаньяк 2003 , с. 3706.
  32. ^ Бейнс 2006 , стр. 880–882.
  33. ^ Jump up to: а б с Сиань и др. 2021 , с. 2.
  34. ^ Сиань и др. 2021 , стр. 3–4.
  35. ^ Хартманн 2016 , с. 165.
  36. ^ Джеймс 2002 , с. 922.
  37. ^ Уоллес 2002 , с. 821.
  38. ^ Нгуен и др. 2013 , стр. 3361–3362.
  39. ^ Кук 2004 , стр. 74–75.
  40. ^ Кук 2004 , стр. 77–80.
  41. ^ Тренберт и Степаньяк 2003 , с. 3709.
  42. ^ Хоскинс, Ян и Фонсека 2020 , с. 572.
  43. ^ Хоскинс и Ян, 2021 , с. 821.
  44. ^ Цюань, Диас и Херлинг 2004 , стр. 103.
  45. ^ Jump up to: а б Цюань, Диас и Херлинг 2004 , с. 114.
  46. ^ Барнстон 2014 .
  47. ^ Фэн и др. 2019 , с. 3877.
  48. ^ Деньги 2004 , с. 197.
  49. ^ Деньги 2004 , с. 173.
  50. ^ Го и Тан 2018 , с. 5319.
  51. ^ Ли и др. 2019 , с. 1.
  52. ^ Хартманн 2016 , стр. 175–176.
  53. ^ Jump up to: а б Тренберт и Степаньяк 2003 , с. 3721.
  54. ^ Уоллес 2002 , с. 827.
  55. ^ Хартманн 2016 , с. 174.
  56. ^ Хевисайд и Чаджа 2013 , стр. 2181.
  57. ^ Хастенрат 2002 , с. 2938.
  58. ^ Уоллес 2002 , стр. 823–824.
  59. ^ Хуанг и МакЭлрой 2014 , с. 2661.
  60. ^ Шлезингер и Бернхардт 2020 , с. 56.
  61. ^ Вебстер 2004 , стр. 33–35.
  62. ^ Ма и др. 2018 , с. 553.
  63. ^ Хуанг и МакЭлрой, 2014 , с. 2662.
  64. ^ Jump up to: а б Хартманн 2016 , с. 179.
  65. ^ Вебстер 2004 , с. 28.
  66. ^ Векслер 1954 , с. 958.
  67. ^ Сорнатале 1990 , с. 13.
  68. ^ Jump up to: а б с Сиань и др. 2021 , с. 1.
  69. ^ Лоренц 1967 , с. 4.
  70. ^ Jump up to: а б Фризингер 1977 , с. 128.
  71. ^ Вебстер 2004 , с. 20.
  72. ^ Jump up to: а б с Перссон 2008 , с. 335.
  73. ^ Скрыть 1993 , с. 143.
  74. ^ Берстин 1966 , с. 180.
  75. ^ Вебстер 2004 , с. 22.
  76. ^ Jump up to: а б с д Перссон 2008 , с. 336.
  77. ^ Перссон 2006 , с. 17.
  78. ^ Вебстер 2004 , стр. 23–24.
  79. ^ Jump up to: а б Лоренц 1967 , с. 2.
  80. ^ Лоренц 1967 , с. 3.
  81. ^ Перссон 2006 , с. 19.
  82. ^ Перссон 2008 , с. 337.
  83. ^ Перссон 2008 , с. 338.
  84. ^ Перссон 2006 , с. 25.
  85. ^ Перссон 2009a , с. 44.
  86. ^ Перссон 2009a , с. 45.
  87. ^ Jump up to: а б с Перссон 2009а , стр. 46–47.
  88. ^ Перссон 2009b , с. 93.
  89. ^ Перссон 2009b , с. 94.
  90. ^ Перссон 2009b , с. 96.
  91. ^ Перссон 2006 , с. 37.
  92. ^ Вуорела 1948 , с. 117.
  93. ^ Саха 2008 , стр. 312–313.
  94. ^ Jump up to: а б Цянь, Ву и Лян, 2016 г. , с. 1.
  95. ^ Коннолли и др. 2021 , с. 3.
  96. ^ Jump up to: а б Ху, Хуан и Чжоу, 2018 г. , с. 640.
  97. ^ Лю и др. 2020 , с. 1.
  98. ^ Терзи и др. 2019 , с. 1.
  99. ^ Уоллес и Хоббс 2006 , с. 263.
  100. ^ Гулев и др. 2021 , с. 335.
  101. ^ Jump up to: а б Гулев и др. 2021 , с. 291.
  102. ^ Jump up to: а б Гулев и др. 2021 , с. 337.
  103. ^ Jump up to: а б с Гулев и др. 2021 , с. 336.
  104. ^ Эринг и др. 2021 , с. 426.
  105. ^ Статен и др. 2018 , с. 770.
  106. ^ Jump up to: а б Ху, Хуан и Чжоу, 2018 г. , с. 641.
  107. ^ Дувиль и др. 2021 , стр. 1053–1054.
  108. ^ Хуанг и МакЭлрой, 2014 , с. 2656.
  109. ^ Хуанг и МакЭлрой, 2014 , с. 2660.
  110. ^ Jump up to: а б Чемке и Полвани 2019 , с. 528.
  111. ^ Ма и др. 2018 , стр. 553–554.
  112. ^ Дувиль и др. 2021 , с. 1058.
  113. ^ Jump up to: а б Ху, Хуан и Чжоу, 2018 г. , с. 642.
  114. ^ Jump up to: а б Стейтен и др. 2018 , с. 771.
  115. ^ Ху, Хуан и Чжоу 2018 , с. 643.
  116. ^ Дувиль и др. 2021 , с. 1070.
  117. ^ Грин и Маршалл, 2017 , с. 4395.
  118. ^ Чемке и Полвани 2018 , с. 9204.
  119. ^ Jump up to: а б Дувиль и др. 2021 , с. 1119.
  120. ^ Jump up to: а б Стейтен и др. 2018 , стр. 768.
  121. ^ Jump up to: а б Дувиль и др. 2021 , стр. 1093–1094.
  122. ^ Дувиль и др. 2021 , с. 1126.
  123. ^ Фокс-Кемпер и др. 2021 , с. 1244.
  124. ^ Ли и др. 2021 , с. 606.
  125. ^ Сеневиратне и др. 2021 , стр. 1586.
  126. ^ Читать 2011 , с. 901.
  127. ^ Гендельман и Каспиан 2018 , с. 13213.
  128. ^ Рис и Гарретт, 2019 .
  129. ^ Шоумен, Чо и Мену 2009 , с. 34.
  130. ^ Guendelman & Kaspi 2018 , стр. 13219–13220.
  131. ^ Jump up to: а б с Читать 2011 , с. 904.
  132. ^ Стоун 1975 , с. 1005.
  133. ^ Jump up to: а б с Свехем и др. 2007 , с. 630.
  134. ^ Jump up to: а б Санчес-Лавега и др. 2017 , стр. 1551–1552.
  135. ^ Jump up to: а б Прочтите, Льюис и Малхолланд, 2015 , стр. 13–15.
  136. ^ Читать 2011 , с. 903.
  137. ^ Леови 2001 , стр. 246–247.
  138. ^ Мангольд и др. 2016 , стр. 15–16.
  139. ^ Хаберле 2002 , с. 1748.
  140. ^ Токано 2007 , стр. 2008.
  141. ^ Митчелл и Лора 2016 , стр. 374–375.
  142. ^ Кустенис 2007 , с. 475.
  143. ^ Митчелл и др. 2009 , стр. 262–263.
  144. ^ Ранну и др. 2006 , с. 205.

Источники

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: d4ca2bf8f922881357566de16a476584__1720775160
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/d4/84/d4ca2bf8f922881357566de16a476584.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Hadley cell - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)