Wir

30 grudnia 2014
Blog szalonych naukowców

wielkanoc2013Promienie słoneczne trafiają na Ziemię mniej więcej równoległym strumieniem. W ten sposób na środek sfery ziemskiej padają mniej więcej prostopadle, a na jej wierzchołki – pod kątem 0 stopni.

Z tego też względu taka sama wiązka promieni padająca na okolice równika – a w konsekwencji snop fotonów – „obsługuje” niemal punkt, a na okolice biegunów – dość dużą powierzchnię, a zatem na metr kwadratowy przy równiku pada dużo fotonów i nagrzewa się on znacznie, podczas gdy na metr kwadratowy przy biegunie pada ich mało i nagrzewa się on słabo.

Ogrzane powietrze zmniejsza swoją gęstość i się unosi, a chłodne skupia się przy powierzchni ziemi. Po unoszącym się powietrzu tworzy się luka i podciśnienie, które zasysa gęste, bo chłodne powietrze. (Oczywiście powietrze unosząc się, chłodnieje, a opadając, nagrzewa.) Od miejsca o wysokim ciśnieniu przy ziemi wieją więc wiatry do miejsca o niskim ciśnieniu, a że cykl musi się zamknąć, w górnej warstwie atmosfery płynie strumień w przeciwną stronę. Zatem na naszej półkuli, co każdy może sprawdzić, wyglądając za okno, wciąż wieje zimny, północny wiatr.

No dobra – coś w powyższym opisie się nie zgadza, choć teoretycznie powinno coś takiego zachodzić. Tak wydawało się np. Halleyowi, temu od komety. Żeby lepiej opisać rzeczywisty przebieg stałych wiatrów (zwłaszcza pasatów), zakładał on dodatkowe zjawiska związane z ogrzewaniem Ziemi. Już w czasach Halleya pojawiały się inne pomysły, związane z efektem ruchu obrotowego Ziemi, ale ugruntowały się one dopiero po sformułowaniu opisu efektu Coriolisa.

Coś w miarę zbliżonego do wcześniejszego opisu zachodzi rzeczywiście w strefie równikowej i strefach podbiegunowych. Unoszące się powietrze jednak nie wieje prosto na północ lub południe (w zależności od półkuli), a płożące się przy ziemi nie wieje prosto ku równikowi. Na skutek efektu Coriolisa po naszej stronie równika płynące górą powietrze zakręca w prawo, a więc ku wschodowi, a wracające, zakręcając w prawo, skręca ku zachodowi. W strefie równikowej te północno-wschodnie wiatry to pasaty, ale podobne wiatry wieją też przy biegunach.

To nie są te same masy powietrza – powietrze znad równika zaczyna opadać ku ziemi już przy zwrotnikach. A powietrze płynące górą ku biegunom unosi się w średnich szerokościach geograficznych, a nie nad równikiem. Pomiędzy komórką równikową (Hadleya) a komórkami podbiegunowymi jest jest strefa, w której mieszkam ja i pewnie większość Czytelników tego bloga, tzw. komórka Ferrela, gdzie powietrze krąży w jeszcze inny sposób i przeważają wiatry zachodnie, ale nie są tak stałe, jak te wspomniane wyżej. Do tego dochodzą różnice ciśnień związane z różną bezwładnością cieplną lądów i oceanów – i ich skutki, jak monsuny czy oscylacja El Niño/La Niña itd. Ponieważ zaś Ziemia nie jest ustawiona do Słońca pod stałym kątem, mamy pory roku i strefy nagrzewania i ochładzania przesuwają się w ciągu roku.

Jednym z ważniejszych skutków tych przesunięć jest przesuwanie się strefy opadów i susz. Unoszące się powietrze znad nagrzanego lądu ochładza się, powodując silne opady w strefie równikowej, a kiedy opada nad zwrotnikami, jest już kompletnie wysuszone, co odpowiada za pustynność tych stref. Innym skutkiem istnienia tych komórek jest formowanie się mas powietrza. W naszej komórce są to masy powietrza polarnego. Tak, polarnego w strefie umiarkowanej, podczas gdy w strefie podbiegunowej są już masy powietrza (ant)arktycznego. Jak już wspomniałem, masy te się przesuwają i np. dość powtarzalny przypływ powietrza arktycznego kontynentalnego nad środkową Europę powoduje „zimnych ogrodników”. Jednak zwykle masy te są do pewnego stopnia izolowane.

Jednym z mechanizmów izolujących jest wir polarny. Wir polarny to taki cyklon, który sobie krąży w Arktyce (a właściwie, to nad nią całą wisi). Zwykle zimą się umacnia, przez co w Arktyce robi się coraz mroźniej, ale nas to mało dotyka. Jednak globalne ocieplenie, a konkretnie zmniejszenie pokrywy lodowca arktycznego i nagrzanie wód arktycznych jesienią, powoduje większe parowanie w Arktyce.

To z kolei zmniejsza gradient wilgotności i ciśnień i w konsekwencji osłabia wir polarny, zwłaszcza w drugiej połowie zimy. Nie będę udawał, że dobrze rozumiem szczegóły, ale skoro tak podsumowują to specjaliści od styku hydro- i atmosfery, to to przyjmuję. Mechanizmy tego zjawiska rozpatrywano już od paru lat, a parę miesięcy temu opublikowano w „Nature Communications”.

Co oznacza dla nas osłabienie wiru polarnego? – rozluźnienie barier pomiędzy masami powietrza. Powietrze z szerokości umiarkowanych, nawet podzwrotnikowych, wdziera się do Arktyki. Parę lat temu było takie przedwiośnie, gdy temperatura na Spitsbergenie była taka sama jak w Madrycie – kilkanaście stopni na plusie. Mało kto to zanotował, bo zapamiętaliśmy ten okres jako Wielkanoc ze śniegiem. W atmosferze nie ma próżni – skoro powietrze z Południa dostało się na daleką Północ, powietrze arktyczne musiało gdzieś uciec – wtedy padło na nas.

W zeszłą zimę za to wyjątkowo mroźna i długa zima dotknęła Stany Zjednoczone. Osłabienie wiru polarnego może sprawić, że wydłuża się okres zimny. Może to jednak być tylko przesunięcie zimy z okresu grudzień-luty na okres luty-kwiecień, kiedy termiczna zima sama w sobie nie jest dłuższa, ale wchodzi na taką porę astronomiczną, że przez kontrast z nią wydaje się wyjątkowo długa.

Minione właśnie Boże Narodzenie zapamiętamy jako deszczowe, które dopiero kończąc się, zabielało. Czy nadchodząca Wielkanoc znowu będzie śnieżna? Niekoniecznie, ocieplanie się Arktyki daje różne, ciekawe efekty, które można przewidzieć w skali globu, ale czy padnie na Europę, Daleki Wschód czy Amerykę, przewidzieć trudniej.

Piotr Panek

fot. Dariusz Białkowski, lic. CC BY-NC-ND 2.0  „Wielkanoc 2013. Mazury”

ResearchBlogging.org
Kim, B., Son, S., Min, S., Jeong, J., Kim, S., Zhang, X., Shim, T., & Yoon, J. (2014). Weakening of the stratospheric polar vortex by Arctic sea-ice loss Nature Communications, 5 DOI: 10.1038/ncomms5646