大氣環流的秘密:地球如何把熱能重新分配到各個角落?

大氣環流是空氣的大規模運動,與海洋環流共同作用,成為地球表面熱能重新分配的重要手段。儘管地球的大氣環流每年會有所變化,但大規模的環流結構卻保持相對穩定。小規模的天氣系統,如中緯度低壓與熱帶對流細胞,則是隨機發生的,實際上在十天之外就難以進行長期的天氣預測。

地球的氣候現象是受到太陽照射及熱力學法則的影響,形成了一種以太陽能為動力的熱引擎,最終將能量釋放到外太空。

這個熱引擎所產生的功率使空氣的質量運動,並在此過程中將熱量從熱帶地區重新分配到靠近極地的緯度,最後再向外太空釋放。地球的氣候模型與大氣環流「細胞」在氣候變化時會向極地移動,但其根本性質則是地球的大小、旋轉速度、加熱和大氣深度的產物。

緯度環流特徵

環繞地球的風帶組織成以緯度為單位的三個主要細胞:哈德利細胞、費雷爾細胞和極細胞,這些細胞在南北半球均存在。其中,大多數的氣流運動發生在哈德利細胞中。

馬上離開赤道的高壓系統與其他低壓系統間的平衡,形成了對地球表面的力的平衡。

哈德利細胞

這種大氣環流模式是由喬治·哈德利描述的,旨在解釋貿易風的形成。哈德利細胞是一個封閉的運行循環,起始於赤道。在這裡,潮濕的空氣因為地面加熱而變暖,密度降低,上升。

隨著空氣向北或南移動並降溫,最終在約30°的緯度處下降,形成高壓區。

費雷爾細胞

位於60°緯度的部分空氣被攫住後朝向極地移動,形成極細胞。其餘部分則朝向赤道移動,並於30°緯度與哈德利細胞的高層空氣相撞,下降並增強下側的高壓條件。

極細胞

極細胞系統較為簡單,由強烈的對流驅動。雖然相對於赤道空氣,60°緯度的空氣較為涼爽和乾燥,但仍然能夠發生對流。

在極地,高壓區的空氣向外流動,形成極地東風,進一步影響氣候變遷及現象。

經度環流特徵

隨著哈德利、費雷爾和極細胞的存在,全球的熱量也不斷運輸,這些細胞的運行也受到經度環流的驅動,即所謂的緯向翻轉環流。當地面有差異的溫度時,造成空氣的上升或下降,形成不同的氣候模式。

沃克環流

太平洋環流被命名為沃克環流,以表彰早期氣象學者吉爾伯特·沃克的貢獻。沃克環流受到太平洋西部和東部之間的氣壓變化影響,進而影響到周圍氣候系統。

厄爾尼諾與拉尼娜現象

這兩種現象是南太平洋表面溫度的對立,皆對全球氣候有重大影響。在厄爾尼諾期間,暖水向南美洲岸邊推進,抑制了深水的向上湧升,導致漁業損失;而拉尼娜則會帶來更冷的冬季氣候。

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