Ilmakehän kierto tarkoittaa laajamittaista ilmamassojen liikettä, jolla maapallo siirtää ja tasaa auringon tuomaa energiaa. Prosessien alkuperä on auringon säteily: lyhytaaltoinen säteily lämmittää maanpintaa, joka puolestaan säteilee osan energiasta takaisin pitkäaaltoisena säteilynä. Osa tästä pitkäaaltoisesta säteilystä varastoituu ilmakehään ja palautuu maan pinnalle kasvihuoneilmiön välityksellä, mutta suurin osa lämmöstä siirtyy myös ilman liikkuessa eri leveyksille. Tämän energian siirron ansiosta lämpötila ja sää vaihtelevat paikallisesti ja alueellisesti.

Kiertokulku vaihtelee vuodenaikojen ja säätilojen mukaan, mutta maapallon perusrakenne on pysyvämpi. Tyypillisesti erotamme kolme pääsolua eri leveyspiireillä: Hadleyn solu, Ferrelin solu ja polaarisolun. Näiden solujen toimintaan vaikuttaa myös maapallon pyöriminen siten että coriolisvoima saa liikkeessä olevan ilman ja pintavirtausten suuntiin sivuttaispoikkeaman, mikä vaikuttaa tuuliin ja merivirtoihin.

Hadleyn solu

Hadleyn solu ulottuu yleensä päiväntasaajalta noin 30° leveyksille. Päiväntasaajan läheisyydessä auringon säteily on voimakkainta, joten ilma lämpenee, kohoaa ja virtaa ylös muodostaen trooppisen konvektiovyöhykkeen (esim. ITCZ). Kohonnut kostea ilma aiheuttaa runsaasti sadetta päiväntasaajalla. Ylhäällä oleva ilma virtaa sivusuunnassa kohti leveämpiä leveyksiä, jäähtyy ja laskeutuu noin 20–30° kohdalla. Tämä laskeutuva, kuiva ilma ylläpitää monia subtrooppisia aavikoita ja luo korkeapainealueita. Pintaosassa ilma palaa takaisin kohti päiväntasaajaa muodostaen trade-tuulten (passaatituulet), jotka itätuulten vuoksi ajavat pintailmaa länteen kohti ekvaattoria.

Ferrelin solu

Ferrelin solu sijaitsee noin 30°–60° leveyksillä ja on niin sanottu termisesti epäsuora solu: sen liikkeet eivät johdu suorasta lämpötilaerosta, vaan syntyvät pääasiassa vuorovaikutuksesta Hadleyn ja polaarisolun sekä synoptisten sääjärjestelmien ja pyörteiden (matalapaine- ja matalapainejärjestelmien) kautta. Ferrelin solun alueella vallitsevat länsituulet (westerlies), jotka kuljettavat keskelle maan aurinkoisempaa ilmaa ja vaikuttavat sääjärjestelmien ja myrskyjen liikkeeseen. Polarifrontti ja siihen liittyvä suurnopeuksinen ilmavirtaus synnyttävät usein suihkuvirtauksen (jet stream), joka ohjaa matalapaineiden ja säärintamien reittejä.

Polaarisolu

Polaarisolu kattaa napaseudut ja noin 60° leveyksiin asti. Polaarialueilla ilma jäähtyy voimakkaasti, laskeutuu ja virtaa pinnassa kohti alavampia leveyksiä. Kun tämä kylmä pinta-ilma kohtaa lauhkeampaa ilmaa noin 60° kohdalla, nousevaa liikettä syntyy ja syntyy polarifrontti. Polaarisen pintavirran suunta on yleensä kohti päiväntasaajaa, mutta coriolisvoiman vaikutuksesta se kääntyy muodostaen polaariset itätuulet (polar easterlies).

Coriolisvoima ja sen seuraukset

Coriolisvoima on seurausta maapallon pyörimisestä. Se ei ole varsinainen voima, vaan havaittu suorituksen näennäinen vaikutus näkökulmasta pyörivässä viitekehyksessä: liikkeessä oleva ilma tai neste kääntyy puolelta toiselle. Pohjoisella pallonpuoliskolla poikkeama on oikealle ja eteläisellä pallonpuoliskolla vasemmalle. Tämä poikkeama muokkaa ilmavirtauksia niin, että esimerkiksi tropiikissa trade-tuulten nimikkosuunta on idästä länteen (itäiset trade-tuulet), kun taas lauhkeilla leveysasteilla vallitsevat länsituulet. Coriolis-ilmiö myös määrää matalapaineiden ja korkeapaineiden pyörimissuuntaa: troposfäärin pyörteet kiertyvät vastapäivään eteläisellä ja myötäpäivään pohjoisella pallonpuoliskolla (matalapaineissa).

Lisävaikutukset ja muutos

Ilmakehän kierto toimii yhdessä merivirtojen kanssa ja muodostaa globaalin energian-, kosteuden- ja momentumin siirron järjestelmän. Suurimmat piirteet, kuten solut ja päätuulivyöhykkeet, vaihtelevat myös vuodenajan mukaan: esimerkiksi matkalla olevat vyöhykkeet siirtyvät hieman kohti kesäpuolella olevaa napaa. Ilmastonmuutos voi muuttaa näiden solujen laajuutta ja suuntausta; esimerkiksi Hadleyn solun laajeneminen voi siirtää subtrooppisia kuivia vyöhykkeitä kohti napoja, mikä muuttaa sateisuutta ja kuivuusalueiden sijaintia.

Yhteenvetona: ilmakehän kierto syntyy lämpöeroista ja maapallon pyörimisestä. Hadleyn, Ferrelin ja polaarisolut sekä coriolisvoima selittävät suurimman osan globaalista tuuli- ja säärakenteesta, mutta paikalliset ilmiöt ja muuttuvat olosuhteet muokkaavat käytännön säätiloja ja ilmastoa.