การหมุนเวียนทั่วไปของบรรยากาศ

เมื่อเฉลี่ยตลอดสภาพอากาศและฤดูกาล บรรยากาศจะคงอยู่ในรูปแบบการหมุนเวียนทั่วโลกที่เกิดขึ้นซ้ำๆ ซึ่งประกอบด้วยเซลล์การหมุนเวียน ลมค้า และกระแสลมกรด ที่กระจายความร้อนจากเขตร้อนไปยังขั้วโลก

Definition

การหมุนเวียนทั่วไปของบรรยากาศ คือการไหลขนาดใหญ่ของบรรยากาศโลกที่เฉลี่ยทางสถิติ ซึ่งครอบคลุมเซลล์เมริเดียนเฉลี่ย ลมพื้นผิวที่พัดประจำ และกระแสลมกรดระดับบน ที่ทำงานร่วมกันเพื่อขนส่งพลังงานและโมเมนตัมเชิงมุมข้ามละติจูด

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโครงสร้างของบรรยากาศโลกที่เฉลี่ยตามเวลาและตามโซน รวมถึงเซลล์แฮดลีย์ เฟอร์เรล และเซลล์ขั้วโลก ลมค้าและลมตะวันตกในละติจูดกลาง กระแสลมกรดกึ่งเขตร้อนและกระแสลมกรดแนวปะทะขั้วโลก และบทบาทของกระแสปั่นป่วน (eddies) ในการขนส่งความร้อนและโมเมนตัม

Core questions

• อะไรเป็นสาเหตุของลมค้า ลมตะวันตก และลมตะวันออกขั้วโลก?
• เซลล์แฮดลีย์ เฟอร์เรล และเซลล์ขั้วโลก ทำให้บรรยากาศหมุนเวียนได้อย่างไร?
• เซลล์เฉลี่ยและกระแสปั่นป่วนชั่วคราวแบ่งหน้าที่ในการขนส่งความร้อนไปยังขั้วโลกอย่างไร?
• อะไรเป็นตัวกำหนดตำแหน่งและความแรงของกระแสลมกรด?

Key theories

การหมุนเวียนแบบแฮดลีย์

ความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่รุนแรงใกล้เส้นศูนย์สูตรขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ขึ้นและเซลล์การหมุนเวียนที่ขับเคลื่อนด้วยความร้อนโดยตรง ซึ่งแขนงบนที่เคลื่อนที่ไปยังขั้วโลกและถูกเบี่ยงเบนโดยการหมุน ทำให้เกิดกระแสลมกรดกึ่งเขตร้อนและลมค้าที่พื้นผิว

การหมุนเวียนที่ขับเคลื่อนด้วยกระแสปั่นป่วนในละติจูดกลาง

ในเขตนอกเขตร้อน กระแสปั่นป่วนแบบบารอคลินิก (baroclinic eddies) แทนที่จะเป็นเซลล์การหมุนเวียนแบบง่ายๆ ทำหน้าที่ขนส่งความร้อนและโมเมนตัมไปยังขั้วโลกส่วนใหญ่ โดยรักษากระแสลมตะวันตกบนพื้นผิวและกระแสลมกรดแนวปะทะขั้วโลกที่ขับเคลื่อนด้วยกระแสปั่นป่วน

Mechanisms

การได้รับความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่ไม่สม่ำเสมอทำให้เขตร้อนอุ่นกว่าขั้วโลก และบรรยากาศจะตอบสนองโดยการขนส่งพลังงานไปยังขั้วโลก ในเขตร้อน สิ่งนี้เกิดขึ้นผ่านเซลล์แฮดลีย์ที่ขับเคลื่อนด้วยความร้อนโดยตรง ซึ่งแขนงบนจะรักษาโมเมนตัมเชิงมุมเพื่อสร้างกระแสลมกรดกึ่งเขตร้อน และแขนงที่ลดระดับลงจะสร้างทะเลทรายกึ่งเขตร้อน ในละติจูดกลาง กระแสปั่นป่วนแบบบารอคลินิก (baroclinic eddies) ทำหน้าที่ขนส่งส่วนใหญ่ โดยรักษากระแสลมตะวันตกบนพื้นผิว เซลล์เฟอร์เรล และกระแสลมกรดแนวปะทะขั้วโลก ในขณะที่เซลล์ขั้วโลกที่อ่อนแอจะทำให้รูปแบบสมบูรณ์

Clinical relevance

การหมุนเวียนทั่วไปของบรรยากาศกำหนดเขตภูมิอากาศของโลก ตำแหน่งของทะเลทรายและแถบฝน ลมประจำที่ส่งผลต่อการค้าและการบิน และเส้นทางพายุที่ระบบสภาพอากาศเคลื่อนที่ไป ทำให้เป็นฉากหลังที่ใช้ทำความเข้าใจสภาพอากาศและภูมิอากาศระดับภูมิภาคทั้งหมด

History

จอร์จ แฮดลีย์ เสนอเซลล์การหมุนเวียนเขตร้อนเดี่ยวในปี 1735 เพื่ออธิบายลมค้า; วิลเลียม เฟอร์เรล เพิ่มเซลล์ละติจูดกลางในศตวรรษที่สิบเก้า และงานวิจัยเชิงสังเกตการณ์และทฤษฎีในศตวรรษที่ยี่สิบ รวมถึงการสังเคราะห์ของลอเรนซ์และการวิเคราะห์ฟลักซ์กระแสปั่นป่วนของสตาร์ ได้สร้างภาพที่ทันสมัยและคำนึงถึงกระแสปั่นป่วนของการหมุนเวียนทั่วไปของบรรยากาศ

Key figures

• George Hadley
• William Ferrel
• Edward Lorenz
• Victor Starr

Seminal works

• wallace2006
• vallis2017

Frequently asked questions

ทำไมจึงมีทะเลทรายอยู่รอบละติจูด 30 องศา?

แขนงที่ลดระดับลงของเซลล์แฮดลีย์จะจมลงใกล้ละติจูด 30 องศา ทำให้เกิดการอุ่นขึ้นและแห้งของอากาศ ซึ่งจะยับยั้งการเกิดเมฆและฝน และทำให้เกิดแถบทะเลทรายกึ่งเขตร้อนขนาดใหญ่

อะไรเป็นตัวขับเคลื่อนลมตะวันตกที่พัดประจำในละติจูดกลาง?

กระแสปั่นป่วนแบบบารอคลินิก (baroclinic eddies) ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ขึ้นและลงของสภาพอากาศในละติจูดกลาง จะขนส่งโมเมนตัมที่รักษากระแสลมตะวันตกบนพื้นผิวและกระแสลมกรดที่ขับเคลื่อนด้วยกระแสปั่นป่วน ดังนั้นลมตะวันตกจึงได้รับการรักษาโดยระบบสภาพอากาศเอง