Ατμοσφαιρική κυκλοφορία

Η ατμοσφαιρική κυκλοφορία περιγράφει την κίνηση σε πλανητική κλίμακα του αέρα που, μαζί με την αντίστοιχη κυκλοφορία του νερού των ωκεανών, αποτελούν τον βασικό τρόπο ανακατανομής της ηλιακής θερμικής ενέργειας στην επιφάνεια της Γης.
Η ίδια η ύπαρξη και τα χαρακτηριστικά του κλίματος της Γης είναι άμεση συνέπεια της έκθεσής της στο ηλιακό φως και των νόμων της θερμοδυναμικής. Η Γη θα μπορούσε να παρομοιαστεί με μια μεγάλη μηχανή που τροφοδοτείται με ενέργεια από τον ήλιο. Αυτή η ενέργεια θέτει σε λειτουργία τις αέριες μάζες της ατμόσφαιρας που διανέμουν την ενέργεια από την τροπική ζώνη (περιοχή με ιδιαίτερα αυξημένη εισροή ηλιακής ενέργειας) προς τους πόλους, που παρουσιάζουν έλλειμμα ηλιακής ενέργειας.
Οι κύριες δυνάμεις που προκαλούν την κίνηση του ανέμου είναι η ασύμμετρη θέρμανση του πλανήτη ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος και την εποχή (που προκαλεί διαφορές στην θερμοκρασία και την πυκνότητα των αέριων μαζών) και η περιστροφική κίνηση της Γης (που προκαλεί τη δύναμη Κοριόλις και επηρεάζει την φορά των ανέμων).
Επίσης, σημαντικό ρόλο παίζουν τρεις μικρότεροι παράγοντες. Ο πρώτος είναι η θερμική διαφορά που διαμορφώνει η κατά τόπους κατανομή των ηπείρων και των θαλασσών δεδομένου ότι η ξηρά θερμαίνεται και ψυχραίνει γρηγορότερα από τη θάλασσα και αυτό επηρεάζει τις αέριες μάζες που βρίσκονται πάνω από αυτές. Ο δεύτερος είναι η τοπογραφία που μπορεί να ορίσει την κατεύθυνση των ανέμων και να καθορίσει το κλίμα μια συγκεκριμένης περιοχής με τρόπο που να επηρεάζει και τους ανέμους (π.χ. σε περιοχές ομβριοσκιάς) ενώ ο τρίτος είναι η ανάγκη διατήρησης της στοφορμής του συνολικού συστήματος της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας.
Η γενική ατμοσφαιρική κυκλοφορία διαφέρει από χρόνο σε χρόνο ωστόσο είναι δυνατόν να οριστεί μια σταθερή δομή του συστήματός της. Αντίθετα, τα τοπικά καιρικά συστήματα μικρότερης κλίμακας λαμβάνουν χώρα τυχαία και η πρόβλεψή τους είναι ιδιαίτερα δύσκολη.

Χαρακτηριστικά της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας κατά γεωγραφικό πλάτος

Υφίστανται τρεις ζώνες ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας γνωστές και ως «κύτταρα», κοινά και στα δύο ημισφαίρια με διάταξη από τον Ισημερινό προς τους πόλους: το κύτταρο Χάντλι, το κύτταρο Φέρρελ και το πολικό κύτταρο. Το πρώτο σύστημα, το κύτταρο Χάντλι, είναι αυτό που παρουσιάζει τις περισσότερες μετατοπίσεις αέριων μαζών. Ανάμεσά τους υφίστανται τρεις βαρομετρικές ζώνες (ζώνες συγκεκριμένης ατμοσφαιρικής πίεσης): η χαμηλού βαρομετρικού ενδοτροπική ζώνη σύγκλισης κοντά στον ισημερινό, η υψηλού βαρομετρικού υποτροπική ζώνη γύρω στο 30ό γεωγραφικό πλάτος βόρεια και νότια και το πολικό μέτωπο που εντοπίζεται χονδρικά στο 60ό γεωγραφικό πλάτος αμφότερων ημισφαιρίων. Επίσης, σημαντική είναι και η παρουσία μιας ζώνης μέσου γεωγραφικού πλάτους που χαρακτηρίζεται από την εμφάνιση κυκλώνων.
Σαν γενική αρχή, κάθε σύστημα χαρακτηρίζεται από την κυκλική ανανέωση του ανέμου καθ' ύψος λόγω της συναγωγής θερμότητας: τα θερμότερα ρεύματα ανυψώνονται και αντικαθιστούνται στην επιφάνεια από ψυχρότερα που με τη σειρά τους θα υποστούν την ίδια διαδικασία. Αντίστοιχα, η βασική δύναμη που ωθεί την κίνηση μεταξύ των τριών ζωνών είναι η δύναμη βαροβαθμίδας καθώς ο άνεμος δημιουργείται και ρέει από υψηλά σε χαμηλά βαρομετρικά επίπεδα.
Η ισχύς και η πορεία των τριών ζωνών κυκλοφορίας αλλάζει μέσα στο έτος ενώ υφίστανται και οριζόντια κύτταρα. Στα συστήματα αυτά εντάσσονται και οι αεροχείμαρροι.

Κύτταρο Χάντλι

Το κύτταρο Χάντλι αποτελείται από δύο όμοια συστήματα ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας βορείως και νοτίως του ισημερινού. Σε καθένα από αυτά, ο υγρός αέρας θερμαίνεται από την επιφάνεια της Γης και ανυψώνεται λόγω της μικρότερης πυκνότητάς του, κινούμενος προς τους πόλους. Δεδομένου του ότι κινείται σε υψηλό υψόμετρο, ψύχεται και γύρω στο 30ό γεωγραφικό πλάτος, στην περιοχή των υποτροπικών νηνεμιών, επιστρέφει στην επιφάνεια της Γης προκαλώντας μια ζώνη υψηλού βαρομετρικού και επιστρέφοντας προς τον Ισημερινό για να αντικαταστήσει τα θερμότερα ρεύματα αέρα που με τη σειρά τους θα ανυψωθούν για να συνεχιστεί ο κύκλος. Οι επιφανειακοί άνεμοι που κινούνται με κατεύθυνση την Δύση και στα δύο ημισφαίρια λόγω της δύναμης Κοριόλις ονομάζονται αληγείς άνεμοι.
Παρότι συνήθως ο ισημερινός ορίζεται ως το σημείο αναφοράς του κύτταρου Χάντλι, η πραγματική του θέση μεταβάλλεται ανάλογα με την εποχή. Στην πραγματικότητα, το κύτταρο που βρίσκεται στο ημισφαίριο με χειμώνα είναι το κυρίαρχο, φτάνοντας να καταλαμβάνει την επικράτεια και του αντίστοιχού του καλοκαιρινού που αποδυναμώνεται και μετατοπίζεται.

Κύτταρο Φέρρελ

Μέρος του αέρου που ανυψώνεται στο 60ό γεωγραφικό πλάτος κατευθύνεται προς τους πόλους και δημιουργεί το πολικό κύτταρο. Το υπόλοιπο κινείται προς τον ισημερινό όπου συγκρούεται με τον ανυψωμένο αέρα του κυττάρου Χάντλι στο ύψος του 30ού παράλληλου. Γίνεται αντιληπτό επομένως ότι το κύτταρο Φέρρελ είναι δευτερεύουσας σημασίας και εξαρτάται από τα υπόλοιπα δύο και, σε αντίθεση με το κύτταρο Χάντλι και το πολικό κύτταρο, το κύτταρο Φέρρελ δεν αποτελεί ένα κλειστό κύκλωμα. Χαρακτηριστικοί της επικράτειας του κυττάρου Φέρρελ είναι οι δυτικοί άνεμοι και μια διαρκής εναλλαγή υψηλών και χαμηλών βαρομετρικών που έχουν ως αποτέλεσμα πιο απρόβλεπτο καιρό σε σχέση με τα υπόλοιπα.

Πολικό κύτταρο

Το πολικό κύτταρο είναι ένα σχετικά απλό σύστημα κυκλοφορίας που οφείλεται στη θερμοσυναγωγή. Παρότι οι άνεμοί του είναι πιο ψυχροί και ξηροί σε σχέση με τους ισημερινούς, οι αέριες μάζες του 60ού παράλληλου λαμβάνουν αρκετή θερμότητα που τους επιτρέπει να ανυψωθούν και να θέσουν σε κίνηση την κυκλική κίνηση του κυττάρου. Ο θερμός αέρας του 60ού παράλληλου ανυψώνεται και όταν φτάσει στον πόλο τείνει προς την επιφάνεια της Γης δημιουργώντας μια περιοχή υψηλού βαρομετρικού που χαρακτηρίζεται από χαμηλότατες θερμοκρασίες και ξηρότητα. Αυτός ο αέρας επιστρέφει με τη σειρά του προς τον 60ό παράλληλο για να ανατροφοδοτήσει την κυκλική κίνηση του κυττάρου. Όπως και στα προηγούμενα κύτταρα, ο δύναμη Κοριόλις προκαλεί παρεκκλίσεις στην κατεύθυνση των ανέμων, δίνοντας μια δυτική κατεύθυνση στους επιφανειακούς πολικούς ανέμους.

Κατά μήκος κυκλοφορία του αέρα

Τα τρία παραπάνω κύτταρα είναι τοποθετημένα παράλληλα με τους μεσημβρινούς στον άξονα βορράς-νότος και συνδυάζονται με κάθετες σε αυτούς οριζόντιες μετακινήσεις αέριων μαζών γνωστές ως αντίστροφη μεσημβρινή κυκλοφορία (meridional overturning circulation). Εκεί που τα κατά γεωγραφικό πλάτος συστήματα κυκλοφορίας οφείλονται στη διαφορά έκθεσης στον ήλιο ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος, η κυκλοφορία του αέρα κατά γεωγραφικό μήκος προκαλείται από τις θερμικές ιδιότητες του νερού και της διαφορετικής θερμικής συμπεριφοράς του σε σχέση με την ξηρά. Θερμός αέρας ανυψώνεται στο ύψος του Ισημερινού, των ηπείρων και του δυτικού Ειρηνικού ωκεανού και διαμορφώνει αντίστοιχα οριζόντα συστήματα που ακολουθούν το ίδιο μοτίβο με τα προαναφερθέντα κύτταρα: ο επιφανειακός άνεμος θερμαίνεται καθώς διασχίζει μια θερμή επιφάνεια, ανυψώνεται προς την τροπόσφαιρα όπου σταδιακά ψυχραίνεται για να επαναλάβει την κίνηση από την αρχή με το που φτάσει στο σημείο έναρξης του κύκλου.