Ilmakehän kierto: Hadleyn, Ferrelin ja polaarisolut sekä coriolisvoima
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.
Hadleyn solu
Maa ja valtameri säteilevät voimakkaasti päiväntasaajan alueilla. Kuuma ja yleensä kostea ilma nousee ylös. Sitä kutsutaan konvektioksi. Tämä prosessi synnyttää matalapainealueen päiväntasaajalle. Aluetta kutsutaan myös intertrooppiseksi konvergenssivyöhykkeeksi. Kuuma ilma siirtyy sekä etelään että pohjoiseen ja kylmenee. Kun ilma on tarpeeksi kylmää, se laskeutuu jälleen maanpinnalle. Näin syntyy subtrooppisten alueiden aavikoita ja puoliaavikoita. Kun ilmamassat saavuttavat 30 asteen leveysasteen, ne palaavat sateiselle päiväntasaajalle.
Polaarinen solu
Ilma 60 leveysasteen alueella on kylmempää ja kuivempaa kuin ilma päiväntasaajalla. Toisaalta nousuliikkeet ovat edelleen mahdollisia. Prosessien luonne on samanlainen kuin Hadleyn solussa. Lämpimämpi ilma nousee ylöspäin ja laskee alaspäin navoilla. Tämä ilma palaa takaisin päiväntasaajalle.
Ferrellin solu
Liikkeet 30 ja 60 asteen välillä ovat monimutkaisempia. Lämpötila ei ole tärkein syy tähän liikkeeseen. Ilma liikkuu tässä lauhkean vyöhykkeen solussa Hadleyn ja Polaarin soluissa liikkuvien massojen välisten erojen mukaisesti. Vallitsevat tuulet ovat yleensä läntisiä.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on ilmakehän kierto?
V: Ilmakehän kierto on ilmamassojen laajamittaista liikettä.
K: Mistä ilmakehän kiertoprosessit ovat peräisin?
V: Ilmakehän kiertoprosessien alkuperä on auringon säteily.
K: Mitä tapahtuu auringon lyhytaaltoiselle säteilylle?
V: Maa absorboi auringon lyhytaaltoista säteilyä, mutta vain osa tästä energiasta absorboituu.
K: Mitä tapahtuu energialle, jota maa ei absorboi?
V: Energia, jota maa ei absorboi, säteilee takaisin ilmakehään ja maailmankaikkeuteen pitkien aaltojen säteilynä.
K: Miten lämpöenergia jakautuu maapallon pinnalla?
V: Lämpöenergia jakautuu maapallon pinnalla ilman kierron ansiosta.
K: Kuinka monta solua tunnemme ilmankierrossa?
V: Tunnistamme ilmakehän kiertokulussa kolme solua: Hadleyn solu, Ferrelin solu ja polaarinen solu.
K: Mikä on coriolisvoima ja miten se vaikuttaa ilmamassojen liikkeeseen?
V: Coriolisvoima on voima, joka saa ilman suuntautumaan länteen. Se vaikuttaa ilmamassojen liikkumiseen.
