Στο τέταρτο μέρος του αφιερώματος μας στη γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας, εξετάσαμε τον μηχανισμό της δημιουργίας και τα βασικά χαρακτηριστικά του υποτροπικού αεροχειμάρρου. Όπως είδαμε, η δημιουργία του υποτροπικού αεροχειμάρρου συνδέεται με την κυκλοφορία του αέρα που δημιουργεί το πρώτο από τα τρία κύτταρα κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας, το κύτταρο Hadley. Στη συνέχεια, θα εξετάσουμε τα εναπομείναντα δύο κύτταρα κυκλοφορίας: το κύτταρο Ferrel ή κύτταρο των μέσων γεωγραφικών πλατών και το πολικό κύτταρο.
Το κύτταρο Ferrel Όπως είδαμε στο τρίτο μέρος του παρόντος αφιερώματος, η κυκλοφορία του κυττάρου Hadley ολοκληρώνεται με την απόκλιση του ατμοσφαιρικού αέρα προς τον ισημερινό και τη δημιουργία των αληγών ανέμων. Η απόκλιση αυτή λαμβάνει χώρα πάνω από τους υποτροπικούς (30N/S), όπου και εντοπίζεται ο κατερχόμενος κλάδος του κυττάρου Hadley. Από το “σύνολο” του ατμοσφαιρικού αέρα που κατέρχεται πάνω από τις περιοχές αυτές, ένα τμήμα (το μεγαλύτερο) αποκλίνει προς τον ισημερινό ενώ το υπόλοιπο εξαναγκάζεται να κινηθεί προς τους πόλους. Κατά την κίνηση του αυτή προς τους πόλους, ο αέρας εκτρέπεται προς ανατολάς, δημιουργώντας τους λεγόμενους επικρατώντες δυτικούς ανέμους (prevailing westerlies). Στους δυτικούς αυτούς ανέμους αποδίδεται ο χαρακτηρισμός “επικτρατώντες” διότι πολύ συχνά η διεύθυνση τους μεταβάλλεται εξαιτίας της παρουσίας ισχυρών βαρομετρικών συστημάτων (κυκλώνες, αντικυκλώνες). Παρόλα αυτά, η επικρατούσα διεύθυνση του ανέμου στα παραπάνω γεωγραφικά πλάτη είναι η δυτική. Αυτή ακριβώς η δυτική ροή του ανέμου συνιστά τον “επιφανειακό” κλάδο του κυττάρου Ferrel.
Καθώς ο θερμός ατμοσφαιρικός αέρας κινείται προς τους πόλους συναντάει ψυχρότερο αέρα προερχόμενο από τις πολικές και υπο-πολικές περιοχές. Ωστόσο, οι δύο αυτές αέριες μάζες δεν αναμιγνύονται άμεσα. Αντίθετα, διαχωρίζονται από ένα νοητό “σύνορο” γνωστό ως “πολικό μέτωπο” (polar front), το οποίο αποτελεί μία περιοχή επικρατήσης χαμηλών πιέσεων (υπο-πολικό χαμηλό). Σε αυτή την περιοχή (~60Ν/S), η σύγκλιση του επιφανειακού αέρα από τα μέσα γεωγραφικά πλάτη (κύταρρο Ferrel) με τον επιφανειακό αέρα από τους πόλους (πολικό κύτταρο) οδηγεί σε ανοδικές κινήσεις και, κατ’ επέκταση, στο σχηματισμό καταιγίδων. Τα παραπάνω γίνονται ευκολότερα αντιληπτά στην Εικ. 1.
Μόλις ο ανερχόμενος ατμοσφαιρικός αέρας συναντήσει το νοητό όριο της τροπόπαυσης, εξαναγκάζεται σε απόκλιση προς τον ισημερινό. Η κάθοδος τού λαμβάνει χωρά (ξανά) πάνω από τους υποτροπικούς, οπότε και ολοκληρώνεται η κυκλοφορία του κυττάρου Ferrel (Εικ. 1). Στο σημείο αυτό είναι σημαντικό να τονίσουμε πως η θεωρητική κυκλοφορία του κυττάρου Ferrel διαφέρει συχνά από την κυκλοφορία που παρατηρείται στην πραγματική ατμόσφαιρα. Η διαφοροποίηση αυτή εντοπίζεται κυριότερα στη ροή του ατμοσφαιρικού αέρα στην ανώτερη τροπόσφαιρα. Συγκεκρίμενα, οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι σε πολλές περιπτώσεις η ανώτερη τροπόσφαιρα των μέσων γεωγραφικών πλατών (δλδ. η περιοχή του κυττάρου Ferrel) κυριαρχείται από ροή με φορά προς τους πόλους, αντίθετη δηλαδή από αυτή που προβλέπει θεωρητικά το μοντέλο του κυττάρου Ferrel. Το γεγονός αυτό ενίσχυει την άποψη πως το κύτταρο Ferrel δε δημιουργείται από θερμικά αίτια, όπως το κύτταρο Hadley και το πολικο κύτταρο, αλλά αποτελεί στην πραγματικότητα το απότελεσμα της αλληλεπίδρασης αυτών των δύο. Με απλά λόγια, θεωρείται ένα δευτερεύων κύτταρο κυκλοφορίας του οποίου η παρουσία εξαρτάται από την παρουσία του κυττάρου Hadley και του πολικού κυττάρου. Θα μπορούσαμε να πούμε πως το κύτταρο Ferrel συμπεριφέρεται στην πραγματικότητα σαν μία “ατμοσφαιρική μπάλα” η οποία παίζει το ρόλο του συνδετικού κρίκου μεταξύ των δύο προαναφερθέντων βασικών κυττάρων. Για το λόγο αυτό άλλωστε, το κύτταρο Ferrel αναφέρεται συχνά και με τον όρο “ζώνη ανάμιξης”.
Το πολικό κύτταρο Η θεωρία της δημιουργίας του πολικού κυττάρου είναι παρόμοια με την αντίστοιχη για τη δημιουργία του κυττάρου Hadley. Η εκτεταμμένη κάλυψη της επιφάνειας των πόλων από πάγο και/ή χιόνι έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός σχεδόν ομοιογενούς ατμοσφαιρικού στρώματος ως προς τη θερμοκρασία. Το γεγονός αυτό ευνοεί την εγκαθίδρυση ισοδύναμων βαροτροπικών συνθηκών (δλδ. απουσία σημαντικών μεταβολών της θερμοκρασίας στην οριζόντια διεύθυνση) και την ανάπτυξη κυκλικών κινήσεων του ατμοσφαιρικού αέρα. Με τη βοήθεια και της δύναμης Coriolis αναπτύσσεται τελικά πάνω από τους πόλους μία καθαρά ζωνική ροή, χαρακτηριζόμενη από ανατολικούς ανέμους στο Β. ημισφαίριο (polar easterlies) και δυτικούς στο Ν. ημισφαίριο (polar westerlies).
Όπως είδαμε προηγούμενα, πάνω από την περιοχή των περίπου 60Ν/S γ. πλάτος επικρατούν ανοδικές κινήσεις εξαιτίας της σύγκλισης του ανέμου από τα μέσα γεωγραφικά πλάτη (κύτταρο Ferrel) και της “σύγκρουσης” του με τον κατά πολύ ψυχρότερο ατμοσφαιρικοό αέρα των πολικών και υπο-πολικών περιοχών. Ένα μέρος του ανερχόμενου αυτού αέρα αποκλίνει τελικά προς τους πόλους, τροφοδοτώντας το λεγόμενο πολικό κύτταρο. Στο ύψος της πολικής τροπόπαυσης (~8 km), ο ατμοσφαιρικός αέρας κατέρχεται και φτάνοντας στην επιφάνεια αποκλίνει προς τα μέσα γεωγραφικά πλάτη για να “συναντηθεί” εκ νέου με τον ήπιο ατμοσφαιρικό αέρα που μεταφέρει το κύτταρο Ferrel. Η κάθοδος του ατμοσφαιρικού αέρα πάνω από τους πόλους έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία εκτεταμμένων αντικυκλωνικών συστημάτων, τα οποία είναι περισσότερο γνωστά ως πολικοί αντικυκλώνες ή πολικά υψηλά (polar highs).
Οι πολικοί αεροχείμαρροι Οι πολικοί αεροχείμαρροι (polar jets ή jet streams) αποτελούν ταχέως κινούμενα ρεύματα αέρα (από δυσμάς προς ανατολάς) τα οποία, όπως και οι υποτροπικοί αεροχείμαρροι, έχουν μήκος χιλιάδων χιλομέτρων, πλάτος εκαντοτάδων χιλιομέτρων και πάχος λίγων μόνο χιλιομέτρων. Αν και υψηλή, η ταχύτητα στο κέντρο των πολικών αεροχειμάρρων είναι μικρότερη από την αντίστοιχη των υποτροπικών αεροχειμάρρων. Οι πολικοί αεροχείμαρροι εντοπίζονται πάνω από την περιοχή του υπο-πολικού χαμηλού, στις περίπου 60N/S γ. πλάτος, και σε ύψος περίπου 8-10 km. Ο μηχανισμός της δημιουργίας τους είναι παρόμοιος με το μηχανισμό της δημιουργίας των υποτροπικών αεροχειμάρρων.
Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειώσουμε πως η δομή του πολικού κυττάρου και η συνακόλουθη θέση του πολικού μετώπου παίζουν σημαντικό ρόλο στη δημιουργία καιρού στα μέσα γεωγραφικά πλάτη, κυριότερα μάλιστα στα ανώτερα εξ’ αυτών. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η μετατόπιση προς νότο του πολικού μετώπου η οποία είναι ικανή να οδηγήσει σε σημαντικές ψυχρές εισβολές. Επιπρόσθετα, η προς νότο ροή του ατμοσφαιρικού αέρα του πολικού κυττάρου έχει ως αποτελέσμα τη δημιουργία των λεγόμενων πλανητικών κυμάτων (κύματα Rossby), τα οποία με τη σειρά τους παίζουν σημαντικό ρόλο στον καθορισμό της θέσης του πολικού αεροχειμάρρου.
Σύνοψη Με την παρουσίαση του κυττάρου Ferrel, του πολικού κυττάρου αλλά και του πολικού αεροχειμάρρου, ολοκληρώνεται το μεγάλο αφιέρωμα στη γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας. Έχοντας εξετάσει ένα προς ένα τα βασικά “δομικά συστατικά” της γενικής κυκλοφορίας, είμαστε πλέον σε θέση να συνοψίσουμε τον τρόπο με τον οποίο η ατμόσφαιρα του πλανήτη μας κινείται με στόχο να αναδιανείμει την ενέργεια και την μάζα. Για το σκοπό αυτό, θα χρησιμοποιήσουμε την Εικ. 2, στην οποία παρουσιάζονται όλα τα χαρακτηριστικά στοιχεία της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας που περιγράψαμε στα πλαίσια του παρόντος αφιερώματος. Τα όσα παρατίθενται στη συνέχεια αφορούν στο Β. ημισφαίριο, αν και τα αντίστοιχα ισχύουν και για το Ν. ημισφαίριο.
Όπως φαίνεται και στην Εικ. 2, στην επιφάνεια εντοπίζονται δύο κύριες ζώνες υψηλών πιέσεων (H) και άλλες δύο ζώνες χαμηλών πιέσεων (L). Οι ζώνες των υψηλών πιέσεων εντοπίζονται στο γ. πλάτος των 30N περίπου (τροπικός του καρκίνου – Tropic of Cancer) και πάνω από την Αρκτική (Β. Πόλος). Οι υποτροπικοί αντικυκλώνες (subtropical highs) “δημιουργούνται” από τον κατερχόμενο κλάδο του κυττάρου Hadley (Hadley cell), ενώ ο πολικός αντικυκλώνας (Polar high) οφείλει την ύπαρξη του στον κατερχόμενο κλάδο του πολικού κυττάρου. Οι ζώνες των χαμηλών πιέσεων εντοπίζονται πάνω από τον ισημερινό (ITCZ) και στο γ. πλάτος των 60Ν περίπου (πολικό μέτωπο – Polar front). Οι χαμηλές πιέσεις του ισημερινού συνδέονται με τις ισχυρές ανοδικές κινήσεις της ενδοτροπικής ζώνης σύγκλισης (ITCZ, ανερχόμενος κλάδος του κυττάρου Hadley), ενώ τα υπο-πολικά χαμηλά “δημιουργούνται” από τους ανοδικούς κλάδους του κυττάρου Ferrel και του πολικού κυττάρου. Από την αλληλεπίδραση του κυττάρου Hadley με το κύτταρο Ferrel και του κυττάρου Ferrel με το πολικό κύτταρο, προκύπτουν ο υποτροπικός (subtropical) και ο πολικός (polar) αεροχείμαρρος (jet stream) αντίστοιχα. Σε ό,τι αφορά στην κατανομή των “πλανητικών” ανέμων, οι υποτροπικές περιοχές (μεταξύ 0 – 30N γ. πλάτος) κυριαρχούνται από τους ΒΑ, αληγείς ανέμους (trade winds). Σχεδόν ζωνικοί, δυτικοί άνεμοι (westerlies) επικρατούν στα μέσα γεωγραφικά πλάτη (μεταξύ 30Ν – 60Ν γ. πλάτος), ενώ ανατολικής διεύθυνσης άνεμοι (polar easterlies) πνέουν εντός της περιοχής που οριοθετείται από το πολικό μέτωπο.