Клетки Хэдли

Атмосфера чрезвычайно хорошо переносит тепло по всему земному шару, но современные атмосферные характеристики препятствуют переносу тепла непосредственно от экватора к полюсам. В настоящее время существует три отдельных ветровых ячейки — ячейки Хэдли, ячейки Феррела и полярные ячейки, — которые делят тропосферу на области практически замкнутых циркуляций ветра. При таком расположении тепло от экватора обычно опускается примерно на 30 ° широты, где заканчиваются ячейки Хэдли. В результате самый теплый воздух не достигает полюсов. Однако если бы динамика атмосферы была иной, вполне вероятно, что могла бы существовать одна большая опрокидывающая циркуляция на полушарие и что ветер из низких широт мог бы переносить тепло в высокие широты. В качестве объяснения равномерного климата Брайан Фаррелл представил эту идею в 1990 г. и отстаивал идею о том, что при равномерном климате клетки Хэдли простираются от экватора до полюсов (Farrell, 1990).

Ячейки Хэдли, ячейки Феррела (средние широты) и полярные ячейки характеризуют текущую атмосферную динамику.

Ячейки Хэдли — это опрокидывающиеся циркуляции на низких широтах, когда воздух поднимается на экваторе и опускается примерно на 30 ° широты. Они отвечают за пассаты в тропиках и контролируют погодные условия в низких широтах. Хелд и Хоу (1980) описали динамику этой циркуляции с помощью упрощенной модели клетки Хэдли. Для модели есть три основных допущения. Во-первых, циркуляция клеток Хэдли постоянна. Во-вторых, воздух, движущийся к полюсам в верхних слоях атмосферы, сохраняет свой осевой угловой момент, в то время как приземный воздух, движущийся к экватору, замедляется за счет трения. В-третьих, для циркуляции сохраняется баланс теплового ветра (Vallis, 2006).Для простоты модель также симметрична относительно экватора. Эти первоначальные предположения значительно упрощают объяснение динамики клеток Хэдли.

Угловой момент определяется как перекрестное произведение расстояния частицы от оси вращения, r, и линейного количества движения частицы, p. В ячейке Хэдли по мере того, как воздушная частица движется к высоким широтам, она становится ближе к оси вращения Земли, поэтому r становится меньше. Если угловой момент сохраняется в ячейке Хэдли как Хелд и Хоу (1980) предполагают, что p должно стать больше, чтобы компенсировать уменьшение r. P равно массе, умноженной на скорость. Поскольку масса воздушной частицы не может измениться, скорость частицы должна увеличиваться. В случае с ячейкой Хэдли речь идет о зональной скорости (с востока на запад), поэтому, когда частица движется к полюсу, скорость должна увеличиваться в восточном направлении. В конце концов, зональная скорость настолько велика, что частица перестает двигаться к полюсу и движется только на восток. На этой широте воздух опускается, а затем, чтобы замкнуть петлю, возвращается к экватору по поверхности. Следовательно, из-за сохранения углового момента ячейки Хэдли существуют только от экватора до средних широт.

Чтобы сохранить угловой момент, скорость должна увеличиваться по мере уменьшения радиуса. (Изображение предоставлено Линдонским государственным колледжем атмосферных наук)

Этот сценарий сохраняется до тех пор, пока верны исходные предположения. Брайан Фаррелл, однако, утверждает, что предположения неверны для ровного климата и что в ровном климате угловой момент не сохраняется у частиц, движущихся к полюсу (1990). Он утверждает, что стоки углового момента, по сути, источники трения, могли быть сильнее в эоцене и меловом периоде. По оценке Фаррелла, коэффициент трения в его модели увеличился бы в восемь раз при ровных климатических условиях. Это изменение помешало бы сохранению углового момента.В этой ситуации зональная скорость не станет достаточно большой, чтобы остановить движение воздуха к полюсу. Вместо этого воздух с экватора сможет проходить весь путь к полюсам в расширенных ячейках Хэдли.

Основываясь на поведении атмосферы Венеры, Фаррелл утверждает, что другим способом расширения ячеек Хэдли было бы увеличение высоты тропопаузы. Это изменение увеличило бы число Россби движущегося к полюсу воздуха. Число Россби описывает важность силы Кориолиса в динамике атмосферы. Более высокое число Россби означает, что сила Кориолиса оказывает меньшее влияние на частицу, поэтому, если бы высота тропопаузы увеличилась достаточно, число Россби стало бы достаточно высоким, чтобы сделать силу Кориолиса незначительной. В результате частицы не отклонялись от своего пути по мере их движения к полюсам, и клетки Хэдли достигали полюсов. Чтобы объяснить, как может увеличиваться высота тропопаузы, Фаррелл утверждает, что высота коррелирует с температурой поверхности и что повышение температуры поверхности моря на 1°C приводит к повышению потенциальной температуры тропопаузы примерно на 7,5°C. Повышение средней экваториальной температуры поверхности моря до 32°C с нынешних 27°C увеличило бы потенциальную температуру тропопаузы на 37°C. Повышение температуры почти удвоило бы статическую устойчивость в тропопаузе. Чтобы высота увеличилась, стратосфера также должна была бы стать менее стабильной. Если СО₂ концентрации увеличились, а если концентрации стратосферного озона уменьшились, стратосфера существенно охладилась бы, и это изменение дестабилизировало бы стратосферу. В результате изменения стабильности тропосферы и стратосферы высота тропопаузы будет увеличиваться. По оценке Фаррелла, в условиях мелового периода высота удвоилась бы, и в результате число Россби удвоилось бы. Это изменение позволило бы ячейкам Хэдли распространиться до полюсов и сделало бы более равномерным климат.

Клетки Хэдли могут простираться до полюсов. (Изображение предоставлено Линдонским государственным колледжем атмосферных наук).

Хотя каждое из этих изменений в атмосфере будет расширять ячейки Хэдли, Фаррелл обнаружил, что комбинация этих двух эффектов была необходима, чтобы результаты его модели согласовывались с косвенными данными для равного климата. Он построил график зависимости потенциальной температуры атмосферы от широты при различных значениях высоты тропопаузы и трения. Результаты показывают, что по мере увеличения высоты тропопаузы и трения EPTD уменьшается. Удвоение высоты тропопаузы в сочетании с восьмикратным увеличением члена трения приводит к EPTD 16°C. Это значение согласуется с реконструкциями климата мелового периода. В результате теория Фаррелла кажется разумным объяснением ровного климата.

Результаты Фаррелла показывают, что по мере увеличения коэффициента трения (Γ) и высоты тропопаузы EPTD уменьшается. (Фаррелл, 1990)

Основная проблема заключается в том, что Фаррелл не дает никакого объяснения тому, почему понижение углового момента могло стать сильнее в течение мелового периода и эоцена. Он приводит несколько примеров потенциальных поглотителей импульса: «мелкомасштабная диффузия, кучевой поток импульса, сопротивление гравитационных волн и результирующая сила, направленная на запад, возникающая в результате смешения потенциальной завихренности с крупномасштабными волнами» (Фаррелл, 1990). Однако он не объясняет, почему любой из этих стоков стал бы сильнее в течение эоцена и, таким образом, помешал бы сохранению углового момента. Этот недостаток информации в аргументе затрудняет принятие теории, и до тех пор, пока эта часть аргумента не будет исследована более глубоко, теория Фаррелла не может быть принята в качестве правильного объяснения ровного климата.

Это качественное объяснение обеспечивает основные идеи теории Фаррелла, но для полного ее понимания необходим количественный подход. Чтобы увидеть математический подход, лежащий в основе этой теории, нажмите здесь.

Сайт написан и разработан Марком Э. Пианой.