Schemat ogólnej cyrkulacji atmosfery

Krążenie powietrza atmosferycznego w skali globalnej, a więc ogólna cyrkulacja atmosfery wywołana jest przez różnice w ogrzaniu powierzchni Ziemi w poszczególnych strefach oświetleniowych Ziemi. W niskich szerokościach geograficznych bilans radiacyjny jest dodatni (powierzchnia pochłania więcej energii niż emituje), a w wysokich ujemny (powierzchnia emituje więcej energii niż pochłania). Gdyby promieniowanie było jedyną formą rozchodu energii, temperatura powietrza w szerokościach międzyzwrotnikowych stale by rosła, a w szerokościach polarnych spadała. Nie dzieje się tak, gdyż ciepło odpływa z niskich szerokości geograficznych do wysokich przenoszone przez prądy powietrzne (cyrkulację atmosferyczną) i prądy morskie.

Cyrkulacja powietrza
Schemat cyrkulacji globalnej w atmosferze ziemskiej; autor: NASA
tłum. westerlies - wiatry zachodnie; northeasterly trades - północno-wschodnie pasaty;
southeasterly trades - północno-wschodnie pasaty
A - tropopauza w strefie arktycznej, B - tropopauza w strefie umiarkowanej

 

W silnie nagrzanej strefie równikowej (Słońce góruje w zenicie) rozwija się konwekcja unosząca ku górze gorące i wilgotne powietrze. Powstają w efekcie wypiętrzone chmury konwekcyjne, z których wypadają intensywne opady (deszcze zenitalne). Unoszące się powietrze napotyka przeszkodę w postaci tropopauzy i rozpływa się na boki, odpływając ku biegunom. Siła Coriolisa powoduje, że skierowane ku biegunom prądy powietrzne skręcają nieco ku wschodowi. W połączeniu z coraz mniejszym promieniem Ziemi i mniejszą wysokością troposfery powoduje to zbieżność prądów atmosferycznych i osiadanie (ruch w dół) powietrza w okolicach równoleżników 30° szerokości geograficznej północnej i południowej. O ile w równikowej strefie unoszenia się powietrza przy powierzchni ziemi tworzy się niż, o tyle w strefie zwrotnikowego osiadania powietrza tworzą się wyże. Stałe wyże w szerokościach zwrotnikowych występują nad oceanami. Na północnym Atlantyku jest to Wyż Azorski, który zwłaszcza latem często wpływa na pogodę w Polsce. Z obszarem wyży zwrotnikowych wiąże się brak opadów, co w połączeniu z wysokimi temperaturami powietrza typowymi dla szerokości międzyzwrotnikowych czyni te regiony jednymi z największych i najgorętszych pustyń na świecie (m.in. Sahara w płn. Afryce, pustynia Thar w Indiach, pustynie Południowego Zachodu USA, pustynie wnętrza Australii, czy Kalahari w płd. Afryce). Osiadające w strefach zwrotnikowych powietrze rozpływa się przy powierzchni ziemi ku równikowi i ku biegunom. Wiatry wiejące od zwrotników w kierunku równika noszą nazwę pasatów. Są to wiatry stałe (wiejące przez cały rok), o umiarkowanej prędkości (średnio 5-8 m/s). Odchylający wpływ siły Coriolisa powoduje, że na półkuli północnej mają one kierunek północno-wschodni, a na półkuli południowej – południowo-wschodni. Opisany powyżej schemat krążenia powietrza w strefie międzyzwrotnikowej nosi nazwę komórki Hadleya.

Część powietrza osiadająca w szerokościach zwrotnikowych odpływa przy powierzchni ziemi w kierunku biegunów. Siła Coriolisa powoduje, że skręca ono nieco ku wschodowi. W efekcie o cyrkulacji atmosferycznej w strefie umiarkowanych szerokości mówimy, że jest to strefa wiatrów zachodnich. Duży kontrast termiczny w tej strefie powoduje powstawanie wędrownych niżów i wyży, kształtujących pogodę w strefie umiarkowanych szerokości. Nad biegunami wyziębione, a więc gęste powietrze osiada tworząc wyże biegunowe. Powietrze przy powierzchni ziemi odpływa w kierunku niższych szerokości geograficznych, a prądy powietrzne dzięki sile Coriolisa mają w szerokościach okołobiegunowych składową wschodnią. Wiatry wiejące znad biegunów i znad zwrotników spotykają się w około równoleżnika 60° szerokości geograficznej północnej i południowej. Powietrze unosi się tam w strefie frontu polarnego tworząc niże szerokości umiarkowanych (np. Niż Islandzki na północnym Atlantyku). Unoszące się na froncie polarnym powietrze w górnej troposferze rozdziela się na dwa ramiona, jedno skierowane ku zwrotnikowi a drugie ku biegunowi. W ten sposób tworzą się 2 pozostałe komórki ogólnej cyrkulacji atmosfery – komórka Ferrela w szerokościach umiarkowanych i komórka polarna.

W szerokościach umiarkowanych półkuli północnej, nad wychłodzonymi kontynentami tworzą się sezonowe wyże, które latem zastępowane są przez ośrodki niskiego ciśnienia. Jednym z nich jest Wyż Syberyjski. Jego sezonowe pojawianie się i zanik jest jedną z przyczyn powstawania cyrkulacji monsunowej (przede wszystkim w obszarach pozazwrotnikowych). Monsuny to wiatry, które latem wieją znad oceanu nad ląd, a w zimie znad lądu w stronę oceanu. Najbardziej klasyczny obszar występowania monsunów to Azja Południowa i Azja Wschodnia. W Indiach zmiana monsunu z zimowego na letni ma duże znaczenie, gdyż ten drugi przynosi bardzo wysokie deszcze monsunowe zapewniające wodę dla indyjskiego rolnictwa. Drugą przyczyną powstawania monsunów (tzw. monsunów międzyzwrotnikowych) jest przemieszczanie się w cyklu rocznym strefy zbieżności pasatów daleko na północ i południe od równika.