מחזור אטמוספירי

ממוזער|350x350 פיקסלים|ממוצע משקעים ארוך טווח לפי חודש
מחזור אטמוספירי (באנגלית: Atmospheric circulation, וגם: סירקולציה אטמוספירית) הוא תנועה בקנה מידה גדול של אוויר באטמוספירת כדור הארץ. יחד עם מחזור האוקיינוס הוא הדרך שבה אנרגיה תרמית מחולקת מחדש על פני כדור הארץ. מחזור האטמוספירה של כדור הארץ משתנה משנה לשנה, אך המבנה בקנה מידה גדול נשאר קבוע למדי. מערכות מזג האוויר בקנה מידה קטן יותר - שקעים בקווי רוחב בינוניים, או תאי הסעה טרופיים - מתרחשות באופן כאוטי, ואי אפשר לתת תחזיות מזג אוויר ארוכות טווח עבורן מעבר לעשרה ימים בפועל, או חודש בתיאוריה (ראו תורת הכאוס ואפקט הפרפר).

מזג האוויר של כדור הארץ הוא תוצאה של תאורתו על ידי השמש וחוקי התרמודינמיקה. ניתן לראות את זרימת האוויר באטמוספירה כמנוע חום המונע על ידי אנרגיית השמש וקולט האנרגיה שלו הוא השחור של החלל. העבודה שמייצר מנוע זה גורמת לתנועת מסות האוויר, ובתהליך זה מפוזרת מחדש האנרגיה הנספגת על ידי פני כדור הארץ ליד האזורים הטרופיים, אל קווי הרוחב הקרובים יותר לקטבים ומשם לחלל.

התאים של מחזורי האטמוספירה בקנה מידה גדול, זזים לכיוון הקוטב בתקופות חמות יותר (לדוגמה, בתקופות בין-קרחוניות בהשוואה לתקופות קרחוניות), אך נשארים קבועים במידה רבה, שכן הם, ביסודם, תוצר של גודל כדור הארץ, קצב סיבובו, מידת חומו ועומקו האטמוספירי, שכולם משתנים מעט. לאורך תקופות זמן ארוכות מאוד (מאות מיליוני שנים), התרוממות טקטונית יכולה לשנות את המרכיבים העיקריים שלהם, כגון זרם הסילון, וטקטוניקת הלוחות עשויה לשנות את זרמי האוקיינוס. במהלך האקלים החם ביותר של המזוזואיקון, ייתכן שחגורת מדבר שלישית התקיימה בקו המשווה.

 מאפייני מחזור רוחב 
שמאל|ממוזער|תצוגה סכמטית של שלושה תאי מחזור גדולים המציגים רוחות שטח
שמאל|ממוזער|מהירות אנכית ב-500 hPa (יחידות מידה של לחץ אטמוספירי), ממוצע יולי. העלייה (ערכים שליליים; כחול עד סגול) מרוכזת קרוב לקו המשווה; הירידה (ערכים חיוביים; אדום עד צהוב) מפושטת יותר אך מתרחשת בעיקר גם בתא הדלי.
חגורות הרוח העוטפות את כדור הארץ כוללות שלושה תאים בכל חצי כדור - תא הדלי, תא פרל ותא הקוטב. תאים אלה קיימים הן בחצי הכדור הצפוני והן בחצי הכדור הדרומי. עיקר התנועה האטמוספירית מתרחשת בתא הדלי. מערכות הלחץ הגבוה הפועלות על פני כדור הארץ מאוזנות על ידי מערכות הלחץ הנמוך. כתוצאה מכך, קיים איזון כוחות הפועלים על פני כדור הארץ.

קווי הרוחב של הסוס (Horse latitudes) הם אזור של לחץ גבוה בקו רוחב כ-30° עד 35° (צפון או דרום) שבו הרוחות מתפצלות לאזורים הסמוכים של תאי הדלי או פרל, ובדרך כלל יש בהם רוחות קלות, שמיים שטופי שמש ומעט משקעים.

 תא הדלי 
שמאל|ממוזער|רצועת העננים של אזור ההתכנסות הבין-טרופי מעל מזרח האוקיינוס השקט והאמריקות, כפי שנראית מהחלל
דפוס זרימת האוויר האטמוספירי שתיאר ג'ורג' הדלי היה ניסיון להסביר את רוחות הסחר. תא הדלי הוא לולאת זרימה סגורה המתחילה בקו המשווה. שם, אוויר לח מתחמם על ידי פני כדור הארץ, יורד בצפיפותו ועולה. מסת אוויר דומה העולה בצד השני של קו המשווה מאלצת את מסות האוויר העולות לנוע לכיוון הקוטב. האוויר העולה יוצר אזור לחץ נמוך ליד קו המשווה. כאשר האוויר נע לכיוון הקוטב, הוא מתקרר, הופך צפוף יותר, יורד בערך בקו הרוחב 30, ויוצר אזור לחץ גבוה. האוויר היורד נע לכיוון קו המשווה לאורך פני השטח, מחליף את האוויר שעלה מאזור קו המשווה, וסוגר את הלולאה של תא הדלי. תנועת האוויר לכיוון הקוטב בחלק העליון של הטרופוספירה סוטה לכיוון מזרח. היא נגרמת על ידי כוח קוריוליס. בגובה הקרקע, לעומת זאת, תנועת האוויר לכיוון קו המשווה בטרופוספירה התחתונה סוטה לכיוון מערב ויוצרת רוח ממזרח. הרוחות הזורמות מערבה (ממזרח, רוח מזרחית) בגובה הקרקע בתא הדלי נקראות "רוחות הסחר".

תא הדלי מתואר כממוקם בקו המשווה, אך הוא זז צפונה (לקווי רוחב גבוהים יותר) ביוני ויולי, ודרומה (לכיוון קווי רוחב נמוכים יותר) בדצמבר ובינואר, כתוצאה מחימום פני השטח על ידי השמש. האזור שבו מתרחש החימום הגדול ביותר נקרא "קו המשווה התרמי". הקיץ בחצי הכדור הדרומי הוא בין דצמבר למרץ, ולכן זו העת שבה מתרחשת תנועת קו המשווה התרמי לקווי רוחב דרומיים גבוהים יותר.

מערכת הדלי היא דוגמה למחזור תרמי ישיר. ההספק של מערכת הדלי, הנחשבת למנוע חום, מוערך ב-200 טרה ואט.

 תא קוטב 
תא הקוטב הוא מערכת פשוטה עם גורמי הסעה חזקים. מסות האוויר בקו הרוחב 60 קרירות ויבשות יחסית לאוויר המשווני, אך עדיין חמות ולחות מספיק כדי לעבור הסעה ולהניע לולאה תרמית. בקו הרוחב ה-60, האוויר עולה לטרופופאוזה (כ-8 ק"מ בקו רוחב זה) ונע לכיוון הקוטב. תוך כדי כך, מסת האוויר ברמה העליונה סוטה לכיוון מזרח. כאשר האוויר מגיע לאזורים הקוטביים, הוא כבר התקרר על ידי קרינה לחלל והוא צפוף משמעותית מהאוויר שמתחת. הוא יורד ויוצר אזור לחץ גבוה קר ויבש. בגובה פני השטח של הקוטב, מסת האוויר נדחקת מהקוטב לכיוון קו הרוחב ה-60 ומחליפה את האוויר שעלה שם, ותא המחזור הקוטבי הושלם. כאשר האוויר על פני השטח נע לכיוון קו המשווה, הוא סוטה מערבה, שוב כתוצאה מכוח קוריוליס. זרימת האוויר על פני השטח נקראת רוחות מזרחיות קוטביות הזורמות מצפון-מזרח לדרום-מערב ליד הקוטב הצפוני ומדרום-מזרח לצפון-מערב ליד הקוטב הדרומי.

זרימת מסת האוויר מהתא יוצרת גלים הרמוניים באטמוספירה המכונים גלי רוסבי. גלים ארוכים אלה קובעים את מסלול זרם הסילון הקוטבי, הנע באזור המעבר בין הטרופופאוזה לתא פרל (Ferrel). תא הקוטב מתפקד כגוף קירור ומעביר את החום מקו המשווה לכיוון אזורי הקוטב.

רוחות תאי הקוטב, השטח והרוחות הקטבטיות באנטארקטיקה יכולים ליצור תנאים קרים על פני השטח, למשל הטמפרטורה הנמוכה ביותר שנרשמה בכדור הארץ, 89.2- מעלות צלזיוס בתחנת ווסטוק באנטארקטיקה, שנמדדה בשנת 1983.

 תאי פרל 
חלק מהאוויר העולה בקו רוחב 60° מתפצל בגובה לכיוון הקטבים ויוצר את תא הקוטב. השאר נע לכיוון קו המשווה ומתנגש בקו רוחב 30° עם האוויר הגבוה של תא הדלי. שם הוא שוקע ומחזק את רכסי הלחץ הגבוה שמתחת. חלק גדול מהאנרגיה המניעה את תא פרל מסופק על ידי תאי הקוטב ותאי הדלי המסתובבים משני צידיו וגוררים את האוויר של תא פרל. תא פרל, כפי שתואר על ידי ויליאם פרל, הוא מאפיין מחזור משני, שקיומו תלוי בתאי הדלי והקוטב משני צידיו, כמערבולת שנוצרת על ידי תאי הדלי ותאי הקוטב.

האוויר של תא פרל היורד בקו רוחב 30° חוזר לכיוון הקוטב בגובה פני הקרקע, וכשהוא עושה זאת הוא סוטה לכיוון מזרח. באטמוספירה העליונה של תא פרל, האוויר הנע לכיוון קו המשווה סוטה לכיוון מערב. שתי הסטיות הללו, כמו במקרה של תאי הדלי והקוטב, מונעות על ידי שימור התנע הזוויתי. כתוצאה מכך, כשם שרוחות הסחר המזרחיות נמצאות מתחת לתא הדלי, הרוחות המערביות נמצאות מתחת לתא פרל.

תא פרל חלש, משום שאין לו מקור חום חזק וגם לא מפל חזק, ולכן זרימת האוויר והטמפרטורות בתוכו משתנות. מסיבה זו, קווי הרוחב האמצעיים מכונים לעיתים "אזור הערבוב". תאי הדלי והקוטב הם לולאות סגורות, אך תא פרל אינו כזה. הנקודה המכריעה היא ברוחות המערביות, המכונות "הרוחות המערביות השוררות" (the Prevailing Westerlies). לרוחות הסחר המזרחיות ולרוחות המזרחיות הקוטביות אין על מה לגבור, שכן תאי המחזור המקוריים שלהן חזקים מספיק ומתמודדים עם מעט מכשולים, שהם תווי שטח מסיביים ואזורי לחץ גבוה. עם זאת, הרוחות המערביות החלשות יותר של תא פרל יכולות להיפגע. המעבר המקומי של חזית קרה לעיתים משנה זאת תוך דקות. כתוצאה מכך, על פני השטח כיוון הרוחות יכול להשתנות בפתאומיות אך מעל פני השטח, שם הרוחות פחות מופרעות על ידי השטח, הן מערביות. אזור לחץ נמוך בקו רוחב 60° הנע לכיוון קו המשווה, או אזור לחץ גבוה בקו רוחב 30° הנע לכיוון הקוטב, יאיץ את הרוחות המערביות של תא פרל. רוחות גבוהות וחזקות, הנעות לכיוון הקוטב, עשויות להביא רוחות מערביות במשך ימים.

מערכת פרל פועלת כמשאבת חום עם מקדם ביצועים של 12.1, וצורכת אנרגיה קינטית ממערכות הדלי והקוטב בקצב משוער של 275 טרה ואט.

 ניגודיות בין תאים 
תא הדלי ותא הקוטב דומים בכך שהם ישירים תרמית, כלומר קיימים כתוצאה מטמפרטורות פני השטח. המאפיינים התרמיים שלהם מניעים את מזג האוויר בתחומיהם. נפח האנרגיה העצום שתא הדלי מעביר, ועומק גוף הקירור הכלול בתא הקוטב, מבטיחים שתופעות מזג אוויר חולפות ישפיעו באופן זניח על המערכות בכללותן, אם בכלל ייווצרו, וזה לא קורה אלא בנסיבות יוצאות דופן. שרשרת הגאות והשפל שהיא חלק מחיי היומיום של תושבי קו הרוחב הבינוני, מתחת לתא פרל בקווי רוחב שבין קו רוחב 30 ל-60°, אינה ידועה מעל קו הרוחב 60 ומתחת לקו הרוחב 30. ישנם כמה יוצאים מן הכלל בולטים; מעל אירופה, מזג אוויר לא יציב משתרע לפחות עד קו הרוחב 70 צפון.

 תכונות מחזור אורכי 
ממוזער|400x400 פיקסלים|שינוי הרוח היומי באזור החוף המקומי חל גם בקנה מידה יבשתי.
תאי הדלי, פרל והקוטב (שציריהם מכוונים לאורך קווי רוחב או מקבילים) הם המאפיינים העיקריים של הולכת חום עולמית, אך הם אינם פועלים לבד. הבדלי טמפרטורה מניעים גם קבוצה של תאי מחזור, שציריהם מכוונים לאורכם. תנועה אטמוספירית זו ידועה כמחזור התהפכות אזורית (zonal overturning circulation).

מחזורית רוחב היא תוצאה של קרינת השמש הגבוהה ביותר ליחידת שטח (עוצמת השמש) הנופלת על האזורים הטרופיים. עוצמת השמש פוחתת ככל שקו הרוחב עולה, ומגיעה למעשה לאפס בקטבים. מחזוריות אורך, לעומת זאת, היא תוצאה של קיבול החום של המים, כושר הספיגה שלהם וערבובם. מים סופגים יותר חום מאשר יבשה, אך הטמפרטורה שלהם אינה עולה באותה מידה. כתוצאה מכך, שינויי הטמפרטורה ביבשה גדולים יותר מאשר במים.

תאי הדלי, פרל והקוטב פועלים בקנה המידה הגדול ביותר של אלפי קילומטרים – קנה מידה סינופטי. מחזור הרוחב יכול לפעול גם בקנה מידה של אוקיינוסים ויבשות, והשפעה זו היא עונתית או אפילו עשורית. אוויר חם עולה מעל אזורי קו המשווה היבשתיים ומערב האוקיינוס השקט. כאשר הוא מגיע לטרופופאוזה, הוא מתקרר ושוקע באזור עם מסת מים קרה יחסית.

לתא האוקיינוס השקט תפקיד חשוב במזג האוויר של כדור הארץ. תא זה, המבוסס כולו על האוקיינוס, נוצר כתוצאה מהבדל בטמפרטורות פני השטח של מערב ומזרח האוקיינוס. בנסיבות רגילות, מימי מערב האוקיינוס חמים והמים המזרחיים קרירים. התהליך מתחיל כאשר פעילות הסעה חזקה מעל מזרח אסיה המשוונית ואוויר קריר ששוקע מול חוף מערב אמריקה הדרומית יוצרים דפוס רוח שדוחף את מי האוקיינוס השקט מערבה ומצטבר במערב האוקיינוס. (מפלסי המים במערב האוקיינוס השקט גבוהים בכ-60 ס"מ מאשר במזרח האוקיינוס).

ההשפעות האורכיות היומיות הן בקנה מידה מזוסקולרי (טווח אופקי של 5 עד כמה מאות קילומטרים). במהלך היום, אוויר שמתחמם על ידי היבשה החמה עולה וכך מושך בריזה קרירה מהים המחליפה את האוויר שעולה. בלילה, המים החמים והיבשה הקרירה הופכים את התהליך, ובריזה מהיבשה, של אוויר שקורר על ידי היבשה, נישאת לחוף הים בלילה.

 מחזור ווקר 
תא האוקיינוס השקט נקרא "מחזור ווקר" (Walker circulation) על שם סר גילברט ווקר, מנהל מצפי כוכבים בריטיים בהודו בתחילת המאה ה-20, שחיפש דרך לחזות מתי רוחות המונסון של הודו ייחלשו, או אף לא יופיעו. הוא לא הצליח לעשות זאת, אך מחקרו הוביל אותו לגלות קשר בין שינויי הלחץ המחזוריים באוקיינוס ההודי לבין אלו שבין מזרח האוקיינוס השקט למערבו, אותו כינה "התנודה הדרומית".

תנועת האוויר במחזור ווקר משפיעה על הלולאות משני הצדדים. בנסיבות רגילות מזג האוויר מתנהג כצפוי, אך כל כמה שנים החורפים הופכים חמים במיוחד או קרים במיוחד, או שתדירות ההוריקנים עולה או יורדת, והדפוס נמשך לתקופה בלתי מוגדרת.

לתא ווקר תפקיד מפתח בתופעת אל ניניו. אם פעילות ההסעה מואטת במערב האוקיינוס השקט, מסיבה לא ידועה, האקלים של אזורים סמוכים מושפע. ראשית, הרוחות המערביות הגבוהות נעדרות. כך מנותק מקור האוויר הקר החוזר, שבדרך כלל היה שוכך בקו רוחב 30° דרום בערך, ולכן נפסק זרם האוויר החוזר עם רוחות מזרחיות על פני השטח. כתוצאה מכך, מים חמים מפסיקים לזרום למזרח האוקיינוס השקט ממערב (הם "נערמו" על ידי רוחות מזרחיות קודמות) כי אין עוד רוח על פני השטח שתדחוף אותם למזרח האוקיינוס השקט. עובדה זו וההשפעות המקבילות של התנודה הדרומית גורמים לטמפרטורות ודפוסי משקעים לא צפויים לעונה בצפון ודרום אמריקה, אוסטרליה ודרום מזרח אפריקה, ולשיבוש זרמי האוקיינוס.

בינתיים, באוקיינוס האטלנטי, נוצרות רוחות מערביות מהירות מסוג תא הדלי ברמות הגבוהות, שבדרך כלל היו חסומות על ידי מחזור ווקר ואינן מסוגלות להגיע לעוצמות כאלה. רוחות אלו משבשות את פסגות ההוריקנים המתהווים ומפחיתות את מספר ההוריקנים המסוגלים להגיע לעוצמה מלאה.

 אל ניניו – תנודה דרומית 
אל ניניו (El Niño) ולה ניניה (La Niña) הן אנומליות הפוכות בטמפרטורת פני השטח של דרום האוקיינוס השקט, המשפיעות רבות על מזג האוויר בקנה מידה גדול. במקרה של אל ניניו, מי שטח חמים מתקרבים לחופי דרום אמריקה, מה שגורם לחסימת הזרימה של מים עמוקים עשירים בחומרים מזינים. לכך יש השפעות חמורות על אוכלוסיות הדגים.

במקרה של לה ניניה, תא ההסעה מעל מערב האוקיינוס השקט מתחזק ומביא לחורפים קרים מהרגיל בצפון אמריקה ועונת ציקלונים חזקה יותר בדרום מזרח אסיה ובמזרח אוסטרליה. ישנה גם עלייה מוגברת של מי אוקיינוס קרים עמוקים ועלייה עזה יותר של אוויר עילי ליד דרום אמריקה, מה שמביא למספר הולך וגדל של אירועי בצורת, אם כי דייגים נהנים מהמים המזרחיים העשירים יותר בחומרים מזינים.

 קישורים חיצוניים 

 אנימציה המציגה את זרימת העננים העולמית במשך חודש אחד המבוססת על תמונות לוויין מזג אוויר
 אינטראקציות בין אוויר לים ודפוסי זרימת האוקיינוס במחלקת מזג האוויר הממשלתית של תאילנד

 הערות שוליים 

קטגוריה:אטמוספירת כדור הארץ
קטגוריה:מזג אוויר
קטגוריה:דפים עם תרגומים שלא נסקרו