Kapitel 5 Atmosfärens cirkulation 74
Varför rör sig luften? Huvudfrågorna Är vindarna på jorden slumpmässiga, eller följer de regelbundna mönster? Vilka implikationer har atmosfärens cirkulation för klimatet? Var finns t.ex. öknar, och varför? 75
Strålningsbalansen Jorden emitterar lika mycket energi som den mottar, som vi tidigare antagit Men absorption och emission är inte jämnt fördelade över planeten Vid ekvatorn absorberas avsevärt mer än vid polerna 300 W/m 2 E UT (IR) E IN (kortvågigt) 100 W/m 2 76
Strålningsbalansen Om ekvatorn upplever ett strålningsöverskott, borde temperaturen öka (och vice versa vid polerna) Detta är dock inte fallet Värme Värme Ökad absorption leder till förändringar i temperatur, tryck och densitet Dessa strävar efter att utjämnas och ger upphov till atmosfärens cirkulation 77
Luftens rörelse och lyftkraft Vi skiljer på två olika rörelser av luftmassor Horisontell rörelse, dvs vardagligt vind Vertikal rörelse Luft (och alla andra ämnen) strävar efter att röra sig från ett högre tryck till ett lägre tryck Ett objekt känner av en lyftkraft (buoyancy) om dess densitet är lägre än omgivningens densitet I bilden är objektets densitet högre än fluidens Fluid = vätska eller gas Objektet kommer därmed att sjunka neråt, medan om dess densitet varit lägre, hade den börjat stiga uppåt Arkimedes princip: Ett föremål nedsänkt i vätska påverkas av en uppåtriktad kraft, som är lika stor som tyngden av den undanträngda vätskan F lk F lk 1999-2017, Rice University 78
Vertikal rörelse Då solen värmer en yta, värms också luften närmast ytan, och för att pv = NkT N/V=p/kT kommer densiteten därmed att minska luftmassan stiger Då luften stiger, minskar p V ökar, T minskar 79
Hadleyceller En bild från Hadleys artikel 1735: (inte helt korrekt!) Tropopausen divergens subsidens Uppvällning subsidens konvergens 90 45 0-45 -90 Kalla poler Varma tropiker Kalla poler högtryck lågtryck högtryck
Vattenånga i Hadleyceller I en uppvällning ökar RH, och molnbildning/ precipitation är mer sannolikt I en subsidens minskar RH, och molnbildning/ precipitation är mindre sannolikt Den intertropiska konvergenszonen (ITCZ) är ett lågtrycksområde med nederbörd 200 dagar om året Kondensations kurvan Stigande Sjunkande 81
Filmvärlden: The Day After Tomorrow (2004) I filmen fryses bl.a. New York ner blixtsnabbt pga ett lågtryck som gör att kall luft från stratosfären sugs ner till jordytan för snabbt pv=nkt säger att då trycket i luftmassan ökar, måste också temperaturen öka Vi har alltså hittat en film som inte är verklighetstrogen Och även om luften kunde förbli kall, skulle det absolut inte leda till snöfall eftersom RH skulle sjunka drastiskt
Den (ursprungliga) Hadley-cirkulationen (1735) KALL VARM KALL Förklarar den Intertropiska konvergenszonen och de fuktiga tropiker samt de torra polerna Men den har en del problem, t.ex. vet vi att vindarna inte bara blåser i nord-sydlig riktning
Corioliseffekten Jordens rotation ger upphov till en effekt där föremål som rör sig i N-S riktning avlänkas från deras bana, om dom observeras från jordens koordinatsystem Corioliskraften är alltså ingen verklig kraft, utan bara ett resultat av att vi studerar föremål från ett roterande koordinatsystem Sett från rymden rör sig föremålet rätlinjigt Corioliseffekten är ytterst viktig för atmosfärens cirkulation Den matematiska beskrivningen är tillräckligt komplicerad för att vi inte går in på den på denna kurs 84
Coriolisexempel Banan sedd av kastaren
Corioliseffekten Jorden snurrar med en konstant vinkelhastighet, vilket leder till att ekvatorn rör sig snabbare än nordligare/sydligare breddgrader Föremål (t.ex. luftmassor) som rör sig norrut från ekvatorn kommer att avlänkas åt höger (österut) På motsvarande sätt avlänkas föremål åt vänster (men fortfarande österut) om de rör sig söderut från ekvatorn
Corioliseffekten Corioliseffekten märks också av trots att man rör sig rakt österut, eller rakt upp/ner Orsaken är att rörelse upp/ner (vilket öst/västlig rörelse också leder till i någon mån) inte sker vinkelrätt mot rotationsaxeln Coriolisavlänkningen gör att Hadleycellerna inte når från ekvatorn till polerna Trade winds = passadvindar Vertikal rörelse Rotationsaxel 87
Hadleycirkulation En förenklad bild av Hadleycirkulationen ses nedan till höger Vid polerna är det kallt, vilket leder till subsidens. När dessa luftmassor möter den varmare luften från Hadleycellerna bildas det en polarfront då de varma luftmassorna stiger ovanom de kallare Detta sker just i våra breddgrader och ger upphov till många av våra (o)väderfenomen
Geostrofa vindar Vindarna avlänkas och tenderar blåsa nästintill parallellt med isobarer Mera om dessa i meteorologikurser, nu är vi bara intresserade av den storskaliga rörelsen Lågtryck F tryck F Coriolis Rörelseriktning Högtryck 89
Cirkulation i den verkliga atmosfären I verkligheten blåser förstås inte vindarna konstant enligt bilden vi hade från tidigare Vindarna varierar med dygnet (dag/natt) årstiden (sommar/vinter) geografin (hav/land/berg) Hadleycellerna kan dock ses på olika sätt, såsom i bilden bredvid H H H H H H Trycket vid havsnivå 90
Andra sätt att se Hadleycirkulation Den årliga nederbörden är mycket hög kring ekvatorn (ITCZ), och mycket låg i vissa områden vid 30N och 30S där subsidensen är kraftig 2017 UCAR 91
Andra sätt att se Hadleycirkulation Världens öknar påträffas främst kring 30N och 30S Också polerna kan klassifieras som öknar Trots att de är snö/istäckta, är nederbörden mycket liten 92
Atmosfärens cirkulation: temperatur och precipitation Vatten spelar en viktig roll för atmosfärens cirkulation på många plan Havets albedo är ofta lägre än landytornas och absorberar därmed en proportionellt större andel av solstrålningen Dessutom värms jordytan snabbt av strålningen, medan haven leder den aborberade värmen neråt, och värms därmed inte upp lika snabbt Värmekapaciteten och värmeledningsförmågan större för H 2 O 93
Sjöbris Ett resultat av skillnaderna mellan hav och land är sjöbrisen sjöbris På dagen blir marken varmare, vilket leder till uppvällning på land Kallare luften ovanför vattnet har ett högre tryck och luft strömmar in från havet På natten kyls markytan ner mer än havsytan, och kan leda till den motsatta effekten (landbrisen) landbris 94
Kontinentalitet Samma sjöbriseffekt kan ses i större skala mellan årstiderna På vintern är det vanligare med högtryck ovanför kontinenterna, men på sommaren är lågtryck vanligare Skillnaderna är också tydliga i temperaturvariationen vinter/sommar 95
Monsuner Kontinentaliteten ger upphov till starka väderfenomen, såsom monsunerna i Sydostasien På sommaren drar varm fuktig luft in från Indiska Oceanen och när den når land och stiger pga bergen, kyls luften ned och bildar moln/häftiga regn (monsunregn) Vintertid är effekten den motsatta, dvs vindarna blåser söderut och subsidensen leder till mindre precipitation Sommar Vinter 96
Den hydrologiska cykeln Repetition: Vatten är viktigt! Utöver vattnets betydelse för strålningsbalansen, både som vattenånga och moln i atmosfären, är den hydrologiska cykeln viktig för Transport av vatten från/till olika områden på jorden Transport av energi från/till olika områden på jorden Transport av näringsämnen 97
Den hydrologiska cykeln Vattnet på jorden återfinns i många olika former och reservoarer Haven: den största reservoaren, vattnet i form av havsvatten Land: vatten i form av inlandsis, glasiärer, sjöar, floder, grundvatten Atmosfären: vatten i form av vattenånga, och delvis vattendroppar Förflyttningen av vatten mellan dessa reservoarer utgör den hydrologiska cykeln Vatten transporterar också effektivt andra ämnen 98
En box model av den hydrologiska cykeln Då man anser sig förstå ett system, vill man modellera det Samtidigt ett test: om modellen inte fungerar, var nånting fel i förståelsen Notera att atmosfären klart minsta reservoaren, men har stora flöden Källor/sänkor Reservoarer 99
Var finns vattnet på land? Över 2/3 av sötvattenreservoarerna på land återfinns i inlandsisarna Om Grönlands inlandsis skulle smälta skulle den höja havsvattennivån med 6m Om samma hände på Antarktis skulle havsvattenytan stiga med 60 m nationalgeographic.com 100
Vatten i atmosfären Vattenånga främst i tropikerna, men ingen exakt korrelation mellan potentiell precipitation och precipitation Märk igen att det t.ex. finns mera vattenånga ovanför sahara än ovanför Finland Subsidens i Hadleyceller 101
Evaporation Vatten och energi förflyttar sig från områden kring ekvatorn mot polerna, och jämnar därmed ut energiöverskottet vid ekvatorn 102
Hydrologiska cykeln 103