الهيكل الأفقي للغلاف الجوي على سطح الأرض

توزيع الحرارة من الشمس في طبقات الغلاف الجوي:

القوة الدافعة الأساسية للبنية الأفقية للغلاف الجوي للأرض هي كمية وتوزيع الإشعاع الشمسي الذي يلامس الكوكب، ومدار الأرض حول الشمس عبارة عن قطع ناقص، حيث يبلغ الحضيض (أقرب نهج) 147.5 مليون كيلو متر (91.7 مليون ميل) في أوائل يناير وأوج، (أبعد مسافة) 152.6 مليون كيلو متر (94.8 مليون ميل) في أوائل يوليو.

وكنتيجة للمدار الإهليلجي للأرض، فإن الوقت بين الاعتدال الخريفي والاعتدال الربيعي التالي (حوالي 22 سبتمبر إلى حوالي 21 مارس) هو ما يقرب من أسبوع واحد أقصر من الفترة المتبقية من العام في نصف الكرة الشمالي، ينتج عن هذا شتاء فلكي أقصر في نصف الكرة الشمالي منه في نصف الكرة الجنوبي.

تدور الأرض مرة واحدة كل 24 ساعة حول محور مائل بزاوية 23 درجة 30 درجة بالنسبة لمستوى مدارها حول الشمس، نتيجة لهذا الميل خلال موسم الصيف في النصف الشمالي أو الجنوبي من الكرة الأرضية، تكون أشعة الشمس مباشرة في خط عرض معين أكثر مما هي عليه خلال فصل الشتاء، وفي اتجاه قطبي خطوط العرض 66° 30′ شمالاً و 66° 30 جنوباً، يكون ميل الكوكب هكذا ليوم واحد كامل على الأقل (عند 66 درجة 30) وطول ستة أشهر (عند 90 درجة)، تكون الشمس يكون فوق الأفق خلال فصل الصيف وتحت الأفق خلال فصل الشتاء.

نتيجة لهذا التوزيع غير المتماثل للتدفئة الشمسية خلال فصل الشتاء، يصبح التروبوسفير في خطوط العرض العالية شديد البرودة، وعلى النقيض من ذلك ترتفع درجة حرارة طبقة التروبوسفير بشكل ملحوظ خلال فصل الصيف عند خطوط العرض المرتفعة نتيجة ساعات النهار الطويلة؛ ومع ذلك نظراً للزاوية المائلة لأشعة الشمس بالقرب من القطبين، تظل درجات الحرارة هناك باردة نسبياً مقارنة بخطوط العرض الوسطى، وفي اتجاه خط الاستواء 30 درجة شمالاً و30 درجة جنوباً أو نحو ذلك، يحدث تسخين مشع كبير من الشمس خلال فصلي الشتاء والصيف؛ لذلك فإن التروبوسفير الاستوائي لديه اختلاف طفيف نسبياً في درجة الحرارة خلال العام.

الحمل الحراري والدوران وانحراف الهواء:

تتوافق منطقة التسخين الشمسي الأكبر على السطح في المناطق المدارية الرطبة مع مناطق الحمل الحراري الركامي العميق، وتتشكل السحب الركامية بشكل روتيني في المناطق المدارية، حيث تكون الطرود المرتفعة من الهواء أكثر دفئاً من الغلاف الجوي المحيط، وإنها تنقل بخار الماء والحرارة المعقولة وزخم دوران الأرض إلى الجزء العلوي من طبقة التروبوسفير، نتيجة للخلط الحراري القوي للغلاف الجوي، غالباً ما تكون منطقة التروبوبوز في خطوط العرض السفلية عالية جداً، وتقع على ارتفاع 17 إلى 18 كيلو متر (10.5 إلى 11 ميلًا) فوق السطح.

نظراً لأن الحركة إلى أعلى في الستراتوسفير يتم تثبيتها بواسطة طبقات حرارية مستقرة جداً، فإن الهواء المنقول إلى أعلى عن طريق الحمل الحراري يتباعد نحو القطبين في طبقة التروبوسفير العليا، (ينتج عن هذا الاختلاف عالياً قطاعاً عريضاً من الضغط الجوي المنخفض على السطح في المناطق المدارية، ويحدث في منطقة تسمى الحوض الاستوائي)، وعندما يتحرك الهواء المحول في طبقة التروبوسفير نحو القطبين، فإنه يميل إلى الاحتفاظ بالزخم الزاوي للمنطقة شبه الاستوائية، والتي تكون كبيرة نتيجة دوران الأرض، نتيجة لذلك ينحرف الهواء المتجه نحو القطب نحو اليمين في نصف الكرة الشمالي ونحو اليسار في نصف الكرة الجنوبي.

عند الوصول إلى حوالي 30 درجة من خط العرض إلى القطب من منطقته الأصلية، ينتقل هواء المستوى العلوي بشكل أساسي نحو القطبين ويميل نحو الشرق، ونظراً لأن الستراتوسفير تقيد الحركة لأعلى، يجب أن ينزل هواء التبريد ببطء، يؤدي الاحترار الانضغاطي الذي يحدث أثناء نزول الهواء إلى خلق مناطق شاسعة من الضغط العالي شبه الاستوائي، وتتمركز هذه المناطق فوق المحيطات وتتميز باستقرار ديناميكي حراري قوي، يرتبط هطول الأمطار المتناثر في هذه المناطق، نتيجة للاستقرار والهبوط بمناطق قاحلة كبيرة من العالم مثل الصحراء الكبرى، أتاكاما، كالاهاري وصحراء سونوران.

يؤدي تراكم الهواء نتيجة التقارب في طبقة التروبوسفير العليا إلى تكوين أنظمة ضغط مرتفع عميقة، تُعرف باسم التلال شبه الاستوائية في هذه المناطق. ومحلياً يتم إعطاء هذه التلال أسماء مثل (Bermuda High أو Azores High أو North Pacific High).

إن الهواء الهابط المشار إليه أعلاه عند وصوله إلى الطبقة السفلى من التروبوسفير، يضطر إلى التباعد بسبب وجود سطح الأرض، يتحرك بعض الهواء باتجاه القطب، بينما يتحرك الباقي باتجاه خط الاستواء، وفي كلا الاتجاهين ينحرف الهواء إلى اليمين في نصف الكرة الشمالي وإلى اليسار في نصف الكرة الجنوبي، يحدث الانحراف لأنه وفقاً لقانون نيوتن الأول للحركة، سيحتفظ الطرد الذي يتحرك في اتجاه معين بنفس الحركة ما لم يتم التصرف به بواسطة قوة خارجية.

وفيما يتعلق بالأرض الدوارة فإن الطرد المتحرك الذي يحافظ على زخمه (أي أنه لم يتم تشغيله بواسطة قوة خارجية) سيبدو منحرفاً فيما يتعلق بالنقاط الثابتة على الأرض الدوارة، وكما يتضح من نقطة ثابتة في الفضاء، فإن مثل هذا الطرد سوف يتحرك في خط مستقيم، تسمى هذه القوة الظاهرة على حركة السائل (في هذه الحالة الهواء) بتأثير كوريوليس، نتيجة لتأثير كوريوليس يميل الهواء إلى الدوران عكس اتجاه عقارب الساعة حول أنظمة الضغط المنخفض واسعة النطاق، وفي اتجاه عقارب الساعة حول أنظمة الضغط العالي واسعة النطاق في نصف الكرة الشمالي، في نصف الكرة الجنوبي ينعكس اتجاه التدفق.

في التدفق المتجه نحو خط الاستواء ينتج عن هذا الانحراف رياح شمالية شمالية شمال خط العرض 0 درجة والرياح الجنوبية الشرقية جنوب خط العرض هذا، وسميت هذه الرياح منخفضة المستوى بالرياح التجارية، منذ أن استخدمتها السفن الشراعية في القرن السابع عشر للسفر إلى الأمريكتين، تسمى منطقة التقارب للرياح التجارية الشمالية الشرقية والجنوبية الشرقية ذات المستوى المنخفض منطقة التقارب بين المناطق المدارية (ITCZ).

ويتوافق (ITCZ) ​​مع الحوض الاستوائي وهو الآلية التي تساعد في توليد السحب الركامية العميقة من خلال الحمل الحراري، والسحب الركامية هي القناة الرئيسية التي تنقل التدفئة الاستوائية إلى طبقة التروبوسفير العليا.

نمط الدوران الموصوف أعلاه (الصعود في الحوض الاستوائي، والحركة القطبية في طبقة التروبوسفير العليا، والنزول في التلال شبه الاستوائية والحركة باتجاه خط الاستواء في الرياح التجارية)، هو في الواقع محرك حراري مباشر يسميه علماء الأرصاد بخلية هادلي، وتعمل آلية الدوران المستمرة هذه على نقل الحرارة من خطوط العرض لأكبر تشمس شمسي إلى خطوط عرض التلال شبه الاستوائية، ثم يتحرك الموقع الجغرافي لدوران هادلي شمالاً وجنوباً مع المواسم.

ومع ذلك فإن الحوض الاستوائي يتخلف عن الركب لمدة شهرين تقريباً بسبب القصور الذاتي الحراري لسطح الأرض، (بالنسبة إلى موقع معين على سطح الأرض يتم تحقيق أعلى درجات الحرارة اليومية بعد فترة التشمس الأقصى، نظراً لأن الوقت مطلوب لتسخين مياه سطح المحيط والتربة).

الأعاصير خارج المدارية:

تميل الرياح في منطقة التلال شبه الاستوائية في اتجاه الجنوب الغربي في نصف الكرة الشمالي والشمالية الغربية في نصف الكرة الجنوبي، مرة أخرى بسبب تأثير كوريوليس، ونظراً لأنه يتم نقل الهواء الدافئ إلى القطب على ارتفاعات منخفضة، لم يعد تدفق الرياح مرتبطاً بالمحرك الحراري المباشر لخلية هادلي، بدلاً من ذلك يتم تسهيل النقل المستمر للحرارة من الحوض الاستوائي باتجاه القطبين بواسطة دوامات كبيرة ذات ضغط منخفض تسمى الأعاصير المدارية.

تتطور هذه الظواهر على طول الجبهة القطبية، التي تفصل الهواء القطبي البارد عن الهواء المداري الأكثر دفئاً، عندما تحدث اختلافات كبيرة بدرجة كافية في درجة الحرارة عبر الحدود الأمامية في طبقة التروبوسفير السفلى، ويشار إلى شدة هذا التدرج الحراري على أنه باروكلينيكيتي في المقدمة.

للأعاصير الحلزونية خارج المدارية ثلاث مراحل من التوسع، وهي: مرحلة التطور حيث تتطور الموجة المتموجة على طول الجبهة، مرحلة النضج حيث يكتسح الهواء البارد الغارق باتجاه خط الاستواء غرب مركز الضغط المنخفض السطحي ويتحرك الهواء الدافئ الصاعد باتجاه القطب الشرقي للإعصار، والمرحلة المسدودة، حيث يتم حبس الهواء الدافئ داخل الهواء القطبي وتحريكه فوق الهواء القطبي، ثم يتم فصله عن منطقة مصدر الهواء الاستوائي.

ويشار إلى الأعاصير التي لا تتقدم أبعد من مرحلة التطور باسم الأعاصير الموجية، بينما تسمى القيعان خارج المدارية التي تصل إلى المراحل الناضجة والمغطاة بالموجات غير المستقرة الباروكلينيكي، يشار إلى تطور العاصفة خارج المدارية باسم (cyclogenesis)، وغالباً ما يرتبط التطور السريع للأعاصير خارج المداري، والذي يُطلق عليه التكوّن الحلقي المتفجر، بالعواصف الشتوية الكبرى ويحدث عندما ينخفض ​​الضغط السطحي بأكثر من 24 مليبار يومياً.

أظهر التحليل النظري أن حدوث الموجات غير المستقرة الباروكلينيكي يتناسب طردياً مع حجم التدرج الحراري، مع أقصى نمو لأطوال موجية من 3000 إلى 5000 كم (1865 إلى 3100 ميل)، إن الأطوال الموجية الأقصر تخمد بالخلط الأفقي، الطول الموجي 3000 إلى 5000 كيلو متر هو الفصل النموذجي بين أنظمة الطقس السينوبتيكي ذات الضغط العالي والمنخفض في خطوط العرض الوسطى والعليا.