การถ่ายโอนความร้อนและการหมุนเวียนทั่วไป

การที่ชั้นบรรยากาศและมหาสมุทรเคลื่อนย้ายความร้อนจากเขตร้อนที่มีพลังงานสูงไปยังขั้วโลก ซึ่งจัดระเบียบแถบกระแสลมและกระแสน้ำของโลก

Definition

การถ่ายโอนความร้อนตามแนวเมริเดียน (Meridional heat transport) คือการไหลสุทธิของพลังงานที่เคลื่อนที่ไปยังขั้วโลกโดยชั้นบรรยากาศและมหาสมุทร และการหมุนเวียนทั่วไป (general circulation) คือระบบลมและกระแสน้ำขนาดดาวเคราะห์ที่ทำหน้าที่ถ่ายโอนนี้เป็นหลัก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการถ่ายโอนพลังงานไปยังขั้วโลกเพื่อชดเชยความไม่สมดุลของรังสีตามละติจูด และระบบการหมุนเวียนที่ทำให้เกิดสิ่งนี้ขึ้น ได้แก่ เซลล์แฮดลีย์ในเขตร้อน กระแสลมวนและกระแสลมกรดในละติจูดกลาง และกระแสน้ำในมหาสมุทรที่ขับเคลื่อนด้วยลมและการพลิกกลับของกระแสน้ำ นอกจากนี้ยังกล่าวถึงปริมาณความร้อนที่แต่ละองค์ประกอบนำพา สัดส่วนระหว่างชั้นบรรยากาศและมหาสมุทรที่แตกต่างกันไปตามละติจูด และการที่การหมุนเวียนทั่วไปกำหนดรูปแบบกว้างๆ ของเขตภูมิอากาศ

Core questions

• เหตุใดระบบภูมิอากาศจึงต้องถ่ายโอนความร้อนไปยังขั้วโลก?
• การถ่ายโอนแบ่งระหว่างชั้นบรรยากาศและมหาสมุทรอย่างไร?
• ระบบการหมุนเวียนใดที่นำพาพลังงานในละติจูดต่างๆ?
• การถ่ายโอนความร้อนกำหนดการกระจายตัวของเขตภูมิอากาศอย่างไร?

Key theories

ความไม่สมดุลของรังสีและการถ่ายโอนที่จำเป็น

เนื่องจากเขตร้อนดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ได้มากกว่าที่แผ่รังสีออกไป ในขณะที่ละติจูดสูงแผ่รังสีออกไปมากกว่าที่ดูดซับ ระบบภูมิอากาศจึงต้องถ่ายโอนพลังงานไปยังขั้วโลก โดยปริมาณรวมที่จำเป็นถูกกำหนดโดยงบประมาณรังสี

การแบ่งสัดส่วนระหว่างชั้นบรรยากาศและมหาสมุทร

ชั้นบรรยากาศมีบทบาทสำคัญในการถ่ายโอนไปยังขั้วโลกในละติจูดกลางผ่านกระแสลมวนและการหมุนเวียนแบบแฮดลีย์ ในขณะที่มหาสมุทรมีส่วนแบ่งมากในเขตร้อนผ่านกระแสน้ำที่ขับเคลื่อนด้วยลมและการพลิกกลับของกระแสน้ำ

Mechanisms

พลังงานแสงอาทิตย์ส่วนเกินที่ถูกดูดซับในเขตร้อนและพลังงานที่ขาดแคลนในละติจูดสูงทำให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิที่ขับเคลื่อนการหมุนเวียน เซลล์แฮดลีย์นำพาพลังงานออกจากเขตร้อน กระแสลมวนแบบบารอคลินิก (baroclinic eddies) และกระแสลมกรด (jet streams) ถ่ายโอนพลังงานข้ามละติจูดกลาง และกระแสน้ำในมหาสมุทรเคลื่อนย้ายน้ำอุ่นไปยังขั้วโลกและน้ำเย็นไปยังเส้นศูนย์สูตร ซึ่งทั้งหมดนี้ส่งมอบความร้อนที่จำเป็นเพื่อรักษาสมดุลการขาดดุลรังสีในละติจูดสูง

Clinical relevance

การถ่ายโอนความร้อนกำหนดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเส้นศูนย์สูตรและขั้วโลก รวมถึงตำแหน่งของเส้นทางพายุและเขตแห้งแล้ง ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงในการถ่ายโอนความร้อนภายใต้ภาวะโลกร้อนจึงปรับเปลี่ยนภูมิอากาศระดับภูมิภาคและสภาพอากาศสุดขั้ว

History

ความเข้าใจเกี่ยวกับการหมุนเวียนทั่วไปได้พัฒนาจากการแนวคิดของแฮดลีย์และเฟอร์เรลเกี่ยวกับเซลล์การพลิกกลับ ไปสู่การรับรู้ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ผ่านผลงานของสตาร์ ลอเรนซ์ และคนอื่นๆ ว่ากระแสลมวนในละติจูดกลางมีบทบาทสำคัญในการถ่ายโอนความร้อนในชั้นบรรยากาศ; ข้อมูลรังสีจากดาวเทียมและการสังเกตการณ์มหาสมุทรในภายหลังได้ระบุปริมาณสัดส่วนระหว่างชั้นบรรยากาศและมหาสมุทร

Debates

สัดส่วนของชั้นบรรยากาศเทียบกับมหาสมุทรในการถ่ายโอนความร้อนในเขตร้อน

การมีส่วนร่วมสัมพัทธ์ของมหาสมุทรในการถ่ายโอนพลังงานไปยังขั้วโลก โดยเฉพาะในเขตร้อน ได้รับการปรับปรุงให้แม่นยำขึ้นเมื่อการวัดมหาสมุทรโดยตรงและค่าคงเหลือของงบประมาณรังสีดีขึ้น

Key figures

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

Seminal works

• peixotooort1992
• trenberthcaron2001

Frequently asked questions

เหตุใดภูมิอากาศจึงจำเป็นต้องถ่ายโอนความร้อน?

เขตร้อนดูดซับแสงอาทิตย์ได้มากกว่าที่ปล่อยออกมามาก ในขณะที่ขั้วโลกปล่อยออกมามากกว่าที่ดูดซับ ดังนั้นหากไม่มีการถ่ายโอนไปยังขั้วโลก เขตร้อนก็จะร้อนขึ้นเรื่อยๆ และขั้วโลกก็จะเย็นลงเรื่อยๆ

มหาสมุทรหรือชั้นบรรยากาศนำพาความร้อนไปยังขั้วโลกมากกว่ากัน?

ชั้นบรรยากาศนำพาความร้อนส่วนใหญ่ในละติจูดกลางและสูง ในขณะที่มหาสมุทรนำพาสัดส่วนที่เทียบเท่าหรือมากกว่าในเขตร้อน