Перенос тепла и общая циркуляция

Как атмосфера и океан перемещают тепло из богатых энергией тропиков к полюсам, организуя ветровые пояса и течения планеты.

Definition

Меридиональный перенос тепла — это чистый поток энергии к полюсам, переносимый атмосферой и океаном, а общая циркуляция — это планетарная система ветров и течений, которая, помимо прочего, осуществляет этот перенос.

Scope

Эта тема охватывает перенос энергии к полюсам, который компенсирует широтный дисбаланс радиации, и циркуляционные системы, которые его осуществляют: тропические ячейки Гадли, среднеширотные вихри и струйные течения, а также ветровые и опрокидывающиеся океанические течения. В ней рассматривается, сколько тепла переносит каждый компонент, как распределение между атмосферой и океаном меняется в зависимости от широты, и как общая циркуляция формирует общую картину климатических зон.

Core questions

• Почему климатическая система должна переносить тепло к полюсам?
• Как распределяется перенос между атмосферой и океаном?
• Какие циркуляционные системы переносят энергию на разных широтах?
• Как перенос тепла формирует распределение климатических зон?

Key theories

Радиационный дисбаланс и необходимый перенос

Поскольку тропики поглощают больше солнечной энергии, чем излучают, в то время как высокие широты излучают больше, чем поглощают, климатическая система должна переносить энергию к полюсам, при этом требуемый общий объем определяется радиационным балансом.

Распределение между атмосферой и океаном

Атмосфера доминирует в переносе к полюсам в средних широтах через вихри и циркуляцию Гадли, в то время как океан несет большую долю в тропиках через ветровые и опрокидывающиеся течения.

Mechanisms

Избыток поглощенной солнечной энергии в тропиках и ее дефицит на высоких широтах создают температурный градиент, который приводит в движение циркуляцию. Ячейки Гадли переносят энергию из тропиков, бароклинные вихри и струйные течения транспортируют ее через средние широты, а океанические течения перемещают теплую воду к полюсам и холодную воду к экватору, совместно доставляя тепло, необходимое для балансировки радиационного дефицита на высоких широтах.

Clinical relevance

Перенос тепла определяет температурный контраст между экватором и полюсами, а также расположение штормовых путей и засушливых зон, поэтому его изменения при потеплении преобразуют региональный климат и экстремальные погодные явления.

History

Понимание общей циркуляции развивалось от концепций опрокидывающихся ячеек Гадли и Феррела до признания в середине XX века, благодаря работам Старра, Лоренца и других, что среднеширотные вихри доминируют в атмосферном переносе тепла; спутниковые данные о радиации и океанические наблюдения позднее количественно определили распределение между атмосферой и океаном.

Debates

Доля атмосферы против океана в тропическом переносе тепла

Относительный вклад океана в перенос энергии к полюсам, особенно в тропиках, уточнялся по мере улучшения прямых океанических измерений и остаточных значений радиационного баланса.

Key figures

• Abraham Oort
• Kevin Trenberth
• Edward Lorenz
• Victor Starr

Seminal works

• peixotooort1992
• trenberthcaron2001

Frequently asked questions

Почему климату необходимо переносить тепло?

Тропики поглощают гораздо больше солнечного света, чем излучают, в то время как полюса излучают больше, чем поглощают, поэтому без переноса к полюсам тропики продолжали бы нагреваться, а полюса — охлаждаться.

Океан или атмосфера переносят больше тепла к полюсам?

Атмосфера переносит большую часть тепла в средних и высоких широтах, в то время как океан переносит сопоставимую или большую долю в тропиках.