De algemene luchtcirculatie

De algemene luchtcirculatie
De Aarde wordt niet gelijkmatig opgewarmd door de Zon. Bij de polen is het het hele jaar beduidend
kouder dan aan de evenaar. Er is dus een effect van de breedteligging op de temperatuur. Er zijn ook
seizoenale verschillen, tengevolge van verschillen in hoeveelheid invallende zonnestralen die kan
worden benut. Ook de verdeling van land en water levert temperatuurverschillen op. Water heeft
namelijk een grotere warmtecapaciteit dan land, waardoor het trager opwarmt, maar ook minder
snel afkoelt.
Aangezien de natuur altijd naar evenwicht zoekt, moeten die temperatuurverschillen vereffend
worden, door een energie-uitwisseling tussen de verschillende breedten. Een deel van dit
energietransport gebeurt door transport van voelbare warmte via convectie, een ander deel via
transport van latente warmte (waterdamp) en nog een ander deel via de oceaanstromingen.
Convectie
Op plaatsen waar het aardoppervlak meer opwarmt, zal de lucht erboven ook warmer worden. Zo’n
warme luchtbel zal uitzetten en opstijgen. Er ontstaat op die plaats een gebied van lage druk.
Naarmate de luchtbel stijgt, zal zij afkoelen en zich in de atmosfeer verspreiden. Uiteindelijk zal de
afgekoelde lucht terug naar het aardoppervlak zakken. Hier zal zich een gebied van hoge druk
vormen.
Figuur 1. Convectie
Circulatiesystemen op Aarde
Je zou dit systeem van convectie kunnen doortrekken naar de hele Aarde. In de tropen is er namelijk
een grotere opwarming door een netto-stralingswinst en buiten de tropische zones heeft men te
maken met afkoeling door netto-stralingsverlies. De grens ligt gemiddeld rond 38°.
De enkelvoudige Hadley-cel
In 1735 introduceerde Hadley een zeer eenvoudig gesloten circulatiesysteem, gericht volgens de
meridianen.
Figuur 2. Voorstelling van de enkelvoudige Hadley-cel
Door de grotere opwarming ter hoogte van de evenaar, zal warme lucht daar opstijgen. Boven een
bepaald niveau in de atmosfeer zal er in de tropen meer lucht aanwezig zijn dan in de poolstreken.
De luchtdruk zal er groter zijn, waardoor de lucht zich van de tropen naar de poolstreken zal
verplaatsen. Ter hoogte van de poolstreken daalt de lucht terug naar beneden. Tenslotte zal de lucht
over het aardoppervlak terugvloeien van de poolstreken naar de tropen.
Ten gevolge van de corioliskracht krijgen de luchtstromingen in de hoogte een westelijke component,
en aan het aardoppervlak krijgen ze een oostelijke component.
Er zijn echter argumenten waarom dit model niet opgaat. Door afkoeling en door de aardrotatie, is
slechts een beperkte Hadley-cel, van de evenaar tot de subtropen (30°) fysisch verklaarbaar.
Het 3-cellen model
Tot in het midden van de 20ste eeuw heerste een opvatting dat men de enkelvoudige Hadley-cel kon
verbeteren door een 3-cellen model te ontwikkelen. Het weer op Aarde wordt volgens dit model
bepaald door de interactie tussen 3 grote circulatiecellen: de tropische cel, de polaire cel en de cel op
gemiddelde breedten.
Figuur 3. Het 3-cellen model
1. De tropische cel of Hadley-cel
Een cel zoals hierboven besproken, maar slechts tot de 30ste breedtegraad.
In de tropische Hadley-cel stijgt warme lucht op aan de evenaar. Deze lucht koelt af en stroomt naar
de 30ste breedtegraad in de hoogte. Ter hoogte van 30° krijgt men vorming van subtropische
hogedrukgebieden, waar de lucht weer uit de hoogte naar beneden stroomt. Van hieruit stromen
equatoriaal gerichte passaten (NO en ZO) terug naar de evenaar.
Convergentie van de passaten van beide hemisferen veroorzaakt de Intertropische convergentiezone
(ITCZ), een gebied dat gekenmerkt wordt door stijgende lucht, wolkenvorming en neerslag.
Poolwaarts van het gebied dat door de circulatie van het Hadley-type wordt gedomineerd, is het
patroon van de atmosferische convectie ingewikkelder. We kunnen het ons voorstellen als nog twee
cellen per halfrond,namelijk de polaire cel en de Ferrel-cel.
2. De polaire cel
De poolgebieden maken de kern uit van de zogenaamde circumpolaire, extratropische vortex.
Hoewel de lucht in de omgeving van de 60ste breedtegraad veel koeler en droger is dan de
equatoriale lucht, is er nog voldoende warmte en vocht aanwezig om convectie te ondergaan en een
kringloop te maken. 'Warme' lucht stijgt op en beweegt naar de polen toe, langs de boventroposfeer. Wanneer de lucht de poolstreken bereikt, is deze aanzienlijk afgekoeld en daalt neer als
een koud, droog hogedrukgebied (polaire anticycloon). Deze lucht beweegt dan van de polen weg,
maar buigt oostwaarts af wegens het corioliseffect.
3. De cel op gemiddelde breedten
Tussen de 30ste en de 60ste breedtegraad, bevindt zich een cel die enerzijds wordt aangedreven
door de dalende lucht in de subtropen, en anderzijds door stijgende lucht langsheen de polaire
frontale zone. Deze cel wordt op de figuur aangeduid als de ‘Ferrel-cel’ genoemd naar de
Amerikaanse meteoroloog William Ferrel, die de theorieën ontwikkelde om de algemene circulatie in
de middelste breedten te verklaren.
De Ferrel-cel is een secundair circulatiepatroon, dat voor zijn bestaan afhangt van de interactie
tussen de Hadley-cel en de Poolcel. Hier domineert een westelijke stroming aan het aardoppervlak
en erboven, van lucht afkomstig van de hogedrukgebieden in de 30° breedtegraad naar de polen toe,
voornamelijk vanuit het zuidwesten in het noordelijk halfrond.
ECHTER:
-volgens deze theorie zou men in de hoogte oostenwinden moeten hebben, maar dit is in
tegenspraak met de waarnemingen. Metingen met ballonsondes tonen namelijk aan dat er op
middelbare breedten sterke westenwinden heersen in de hoge troposfeer.
-in de kern van de waargenomen westenwinden in de hoogte treft men de straalstroom aan.
-naast overdracht van energie gebeurt er ook een transport van draaimoment. Beiden kunnen best
verklaard worden door de zogenaamde golventheorie.
De golventheorie
Om de algemene luchtcirculatie op een experimentele manier te simuleren, werden er een aantal
laboratoriumexperimenten opgezet.
Hierbij maakte men gebruik van een pan gevuld met een aantal centimeter water, die op een
draaiende plaat werd geplaatst. Aan de rand van de pan werd een elektrisch verwarmingselement
aangebracht om het water aldaar op te warmen. In het midden van de roterende vloeistof werd een
koelelement gebracht. De rotatie-as kan je gaan vergelijken met de pool en de rand van de pan kan
je gaan vergelijken met de evenaar. Aluminiumpoeder werd toegevoegd om visueel voor te stellen
op welke manier het water beweegt.
Met een trage draaisnelheid ontwikkelde zich een eenvoudige ‘Hadley’-convectiecel, waarbij het
warme water aan de randen opstijgt en traag naar de ‘pool’ toe beweegt.
Als men de draaisnelheid opdreef tot een snelheid die vergelijkbaar is met de draaisnelheid van de
Aarde, kreeg men een systeem van golven en stromingen die de werkelijke bewegingen in de
atmosfeer schijnen na te bootsen.
Met een combinatie van observaties met weerballonnen, en experimentele bewijzen werd het
duidelijk dat golfbewegingen en westenwinden in de hoogte de centrale componenten zijn van de
algemene circulatie in de gemiddelde breedtes.
De troposfeer wordt (buiten de tropen, waar de Hadley-cel overheerst) gedomineerd door een
meanderend patroon van westenwinden, de zogenaamde lange golven of Rossby-golven.
De straalstroom
De straalstroom is een snel voortbewegende, relatief smalle luchtstroming die men vindt in de
atmosfeer op ongeveer 12 km boven het aardoppervlak, net onder de tropopauze. Het is een gebied
van enkele honderden kilometers breed en een paar kilometer hoog, waar de wind zeer sterk is. De
straalstroom wordt gevormd langs de grenzen van 2 luchtmassa's met verschillende temperatuur. Er
zijn 2 belangrijke straalstromen op polaire breedtes ( één in elk halfrond) en 2 minder belangrijke
subtropische stromen, dichter bij de evenaar. In het noordelijk halfrond worden deze straalstromen
gevonden tussen 30° en 70° (polaire) en tussen 20° en 50° (subtropische). Meestal gaat de
straalstroom van west naar oost, met een meanderend verloop.
Figuur 4. De straalstromen op gematigde (‘midlatitude’) en subtropische (‘subtropical’) breedten. Bron:
Kees Floor
De polaire straalstroom wordt gevormd op de plaats waar warme tropische lucht en koude polaire
lucht met elkaar in contact komen, het polaire front. Hier ontstaan er sterke temperatuursverschillen
op een relatief smalle breedte, die het ontstaan van sterke westenwinden veroorzaken. Hoe groter
de gradiënt in temperatuur tussen deze twee luchtmassa’s, hoe harder de wind waait (gemiddeld
55km/h in zomer en 120 km/h in winter). Dit wordt ook wel het thermisch windevenwicht genoemd.
Als 1 van de 2 luchtmassa's ten noorden van de andere ligt, zal de wind niet direct van de warme
naar de koude zone stromen, maar wordt die afgebogen door het corioliseffect en stroomt langs de
grenzen van de 2 luchtmassa's. Bovendien is net onder de tropopauze de windsterkte het hoogst.
De straalstroom op onze breedtegraad is over het hele noordelijk halfrond actief, maar op enkele
plaatsen onderbroken. In andere gevallen wordt de stroming heel krachtig. Dan worden
windsnelheden van boven de 400 km per uur gemeten.
De straalstroom werd in 1939 voor het eerst ontdekt door Carl Gustaf Rossby. In de 2e wereldoorlog
bevestigden piloten van de B-29 vliegtuigen het bestaan van deze stroming. Ze kwamen in
brandstofnood wanneer ze tegen de straalstroom invlogen. Nog steeds wordt hier rekening mee
gehouden bij het maken van lange vluchten. Ook maken weerkundigen nu
straalstroomverwachtingen. Een straalstroom verandert voordurend van plek en kracht. Ook
kronkelt de straalstroom voortdurend (zie figuur 5). Deze kronkelingen in de straalstroom worden
Rossbygolven genoemd.
Figuur 5. Rossbygolven zijn duidelijk te zien op een weerkaart. In dit kaartje is de hoogte van het 500
hPa-vlak op het Noordelijk Halfrond weergegeven. Daar waar de isolijnen dicht bij elkaar liggen, is de
straalstroom heel sterk.
Conlusie: De extratropische circulatie
In de gebieden tussen de 30ste en de 60ste breedtegraad heerst er een circulatiepatroon dat sterk
verstoord word door uitwisseling van polaire lucht die zuidwaarts beweegt en tropische lucht die
noordwaarts beweegt. Vandaar dat de meest uiteenlopende weertypes voorkomen in de gematigde
breedten. Terwijl de wind op grote hoogte voornamelijk westelijk waait, kan de wind aan het
aardoppervlak zeer sterk en vrij abrupt wijzigen.
Het naast elkaar voorkomen van koude en warme luchtmassa’s in deze turbulente stroming leidt tot
de vorming van een zogenaamd polair front, tussen 40° en 60°N.
De beweging van de luchtstromen wordt gedeeltelijk bepaald door de locatie van de straalstroom.
Vanuit noordelijke richting zorgt hij voor aanvoer van koudere lucht. Bovendien is het een
aanvoerroute van depressies.