تأثير القارات والمحيطات على حركة الهواء في سطح الأرض

الجبهات القطبية والتيار النفاث على سطح الأرض:

في طبقة التروبوسفير عادةً ما يتم تحديد الترسيم بين الهواء القطبي والجو المداري الأكثر دفئاً من خلال الجبهة القطبية، على الجانب القطبي من الأمام، يكون الهواء بارداً وأكثر كثافة؛ لذلك في اتجاه خط الاستواء من الأمام يكون الهواء أكثر دفئاً وطفواً، وخلال فصل الشتاء تقع الجبهة القطبية بشكل عام عند خطوط العرض المنخفضة وتكون أكثر وضوحاً، مما كانت عليه في الصيف.

تحدث الجبهات الباردة عند الحافة الأمامية للهواء القطبي المتحرك باتجاه خط الاستواء، على النقيض من ذلك يتم تحديد الجبهات الدافئة بشكل جيد عند موضع سطح خط الاستواء للهواء القطبي، حيث يتراجع على الجوانب الشرقية للأعاصير المدارية، ويحدث الهواء المتجه نحو خط الاستواء خلف جبهة باردة في برك من الضغط العالي الكثيف المعروف بالارتفاعات القطبية والارتفاعات القطبية، ومصطلح القطب الشمالي المرتفع يستخدم لتعريف الهواء الذي ينشأ بشكل أعمق داخل خطوط العرض العالية من المرتفعات القطبية.

عندما لا يتراجع الهواء القطبي ولا يتقدم، تسمى الجبهة القطبية بالجبهة الثابتة، في المرحلة المغلقة من دورة حياة الإعصار خارج المداري عندما يتقدم الهواء البارد غرب السطح، ويتقدم مركز الضغط المنخفض بسرعة أكبر باتجاه الشرق من الهواء البارد قبل الجبهة الدافئة، كما يتم دفع الهواء الأكثر دفئاً والأقل كثافة عالياً، يسمى هذا التقاطع الأمامي الجبهة المسدودة، بدون استثناء إن الجبهات من جميع الأنواع تتبع حركة الهواء البارد.

تحدث الغيوم وهطول الأمطار في كثير من الأحيان على الجوانب القطبية لكل من الجبهات الدافئة والثابتة، وكلما وصل الهواء الاستوائي إلى خط عرض الجبهة القطبية، يتم إجباره على الصعود فوق الهواء البارد بالقرب من السطح، تُعرف هذه الجبهات بأنها جبهات نشطة، تشكل الأمطار وتساقط الثلوج من الجبهات النشطة جزءاً كبيراً من هطول الأمطار الذي يتم تلقيه في خطوط العرض الوسطى والعليا، يحدث هطول الأمطار في هذه المناطق بشكل أساسي خلال أشهر الشتاء.

ينحدر موضع الجبهة القطبية لأعلى باتجاه الهواء البارد، ويحدث هذا لأن الهواء البارد يميل إلى تقويض الهواء الأكثر دفئاً من أصل استوائي، نظراً لأن الهواء البارد أكثر كثافة، فإن الضغط الجوي يتناقص بسرعة أكبر مع الارتفاع على الجانب القطبي للجبهة القطبية منه على الجانب المداري الأكثر دفئاً، هذا يخلق تبايناً أفقياً كبيراً في درجة الحرارة، وهو في الأساس تدرج ضغط كبير بين الهواء القطبي والاستوائي.

وفي الأجزاء الوسطى والعليا من طبقة التروبوسفير، يكون هذا التدرج في الضغط مسؤولاً عن الرياح الغربية القوية التي تحدث هناك، الرياح المتكونة عالياً تدور حول منطقة كبيرة من الضغط المنخفض المستوى الأعلى بالقرب من كل من القطبين، مركز كل منطقة ضغط منخفض هو إعصار مستمر يعرف باسم الدوامة القطبية.

تسمى منطقة أقوى الرياح والتي تحدث عند منعطف الكتل الهوائية الاستوائية والقطبية بالتيار النفاث، نظراً لأن التباين في درجات الحرارة بين المناطق الاستوائية وخطوط العرض العليا يكون أكبر في الشتاء، يكون التيار النفاث أقوى خلال ذلك الموسم، بالإضافة إلى ذلك نظراً لأن خطوط العرض الوسطى تصبح أيضاً أكثر برودة خلال فصل الشتاء، بينما تظل درجات الحرارة المدارية دون تغيير نسبياً، يقترب التيار النفاث الغربي من خطوط العرض بمقدار 30 درجة خلال الموسم البارد، خلال الموسم الأكثر دفئاً في نصفي الكرة الأرضية، يتحرك التيار النفاث باتجاه القطب ويقع بين خطي عرض 50 درجة و 60 درجة.

أقصى سرعة للتيار النفاث:

يصل التيار النفاث إلى أقصى سرعته عند التروبوبوز، فوق هذا المستوى يحدث انعكاس في التدرج الأفقي لدرجة الحرارة، مما ينتج عنه انخفاض في سرعات رياح التيار النفاث عند خطوط العرض العالية، هذا يسبب إضعاف الغرب مع زيادة الارتفاع على فترات تتراوح من 20 إلى 40 شهراً، وبمتوسط ​​قيمة 26 شهراً تنعكس الرياح الغربية في الستراتوسفير على خطوط العرض المنخفضة، بحيث يتطور التدفق الشرقي، هذه الميزة تسمى التذبذب شبه كل سنتين (QBO).

بالإضافة إلى ذلك فإن ظاهرة تسمى الاحترار المفاجئ في الستراتوسفير، نتيجة لحركة الهواء القوية نحو الأسفل تحدث أيضاً في أواخر الشتاء والربيع عند خطوط العرض العليا، يمكن للاحترار المفاجئ في الستراتوسفير أن يغير بشكل كبير التفاعلات الكيميائية المعتمدة على درجة الحرارة للأوزون والغازات التفاعلية الأخرى في الستراتوسفير، ويؤثر على تطور ميزات مثل ثقوب الأوزون.

التركيز الرئيسي للتنبؤ بالطقس في خطوط العرض الوسطى والعليا، هو التنبؤ بحركة وتطور الأعاصير خارج المدارية والارتفاعات القطبية والقطبية وموقع وشدة التلال شبه الاستوائية، على سبيل المثال يرتبط صقيع الربيع والخريف بالحركة الاستوائية للارتفاعات القطبية خلف جبهة باردة، بينما ترتبط موجات الجفاف والحرارة في الصيف بحواف شبه استوائية قوية بشكل غير عادي.

تأثير القارات على حركة الهواء:

توجد المواقع الجغرافية المفضلة للتلال شبه الاستوائية ولتطوير وحركة وانحلال الأعاصير خارج المدارية، وخلال أشهر الشتاء في خطوط العرض المتوسطة والعالية، غالباً ما تكون الأجزاء السفلية من طبقة التروبوسفير فوق القارات بمثابة خزانات للهواء البارد، حيث تشع الحرارة في الفضاء طوال الليالي الطويلة، في المقابل تفقد المحيطات الحرارة بسرعة أقل، بسبب السعة الحرارية الكبيرة للمياه وقدرتها على الانقلاب عندما تبرد الأسطح وتصبح عائمة سلباً، وحركة التيارات المحيطية مثل تيار الخليج وتيار كوروشيو.

تنقل التيارات الدافئة الحرارة من خطوط العرض المنخفضة باتجاه القطب وتميل إلى الحدوث على الجوانب الغربية للمحيطات، كما تميل طبقة التروبوسفير السفلى فوق هذه المناطق المحيطية الأكثر دفئاً إلى أن تكون منطقة ذات ضغط منخفض نسبياً، ونتيجة لهذا التجاور بين الهواء البارد والهواء الدافئ، فإن الجوانب الشرقية للقارات والأطراف الغربية للمحيطات في خطوط العرض الوسطى والعالية، هي المواقع المفضلة لتطور العواصف خارج المدارية، في آسيا على وجه الخصوص يكون نظام الضغط العالي البارد دائماً بدرجة كافية، بحيث يحدث تدفق مستمر في الخارج يسمى الرياح الموسمية الشتوية.

يتطور نوع عكسي من التدفق في الصيف حيث تسخن القارات بسرعة أكبر من المناطق المحيطية المجاورة، وتميل المناطق القارية إلى أن تصبح مناطق ذات ضغط منخفض نسبياً، بينما يصبح الضغط المرتفع في طبقة التروبوسفير السفلى أكثر انتشاراً في الخارج، ومع انتقال الرياح من مناطق الضغط العالي إلى مناطق الضغط المنخفض، يتطور تدفق مستمر على اليابسة فوق مساحات كبيرة من اليابسة في الطبقة السفلى من طبقة التروبوسفير.

يشار إلى نتيجة هذا التسخين بالرياح الموسمية الصيفية، وترتبط الحافة الأمامية لهذه الرياح الموسمية بخاصية تسمى حوض الرياح الموسمية، وهي منطقة ذات ضغط جوي منخفض عند مستوى سطح البحر، غالباً ما تؤدي الرطوبة الاستوائية التي تحملها الرياح الموسمية الصيفية إلى هطول أمطار غزيرة، سجلت قرية (Cherrapunji) في شمال شرق الهند، على سبيل المثال أكثر من 9 أمتار (حوالي 30 قدم) من الأمطار في شهر واحد (يوليو 1861) بسبب الرياح الموسمية الصيفية الهندية.

نتيجة للتأثير القاري يتم تجزئة التلال شبه الاستوائية إلى خلايا سطحية عالية الضغط. في الصيف، تميل كتل اليابسة الكبيرة في المناطق شبه الاستوائية، إلى أن تكون مراكز ضغط منخفض نسبياً نتيجة للتسخين الشمسي القوي، نتيجة لذلك تحدث خلايا الضغط العالي المستمرة، مثل مرتفعات برمودا وجزر الأزور فوق المحيطات، يخلق الشكل البيضاوي لخلايا الضغط العالي هذه بنية حرارية على جوانبها الشرقية تختلف عن التركيب الحراري على جوانبها الغربية في طبقة التروبوسفير السفلى، على الجانب الشرقي يتعزز الهبوط من دوران هادلي بميل الهواء للحفاظ على زخمه الزاوي على الأرض الدوارة.

وبسبب الهبوط المعزز للهواء فوق الأجزاء الشرقية من المحيطات، تميل الكتل الأرضية المجاورة لهذه المناطق (عادةً الجوانب الغربية من القارات) إلى أن تكون صحاري، مثل تلك الموجودة في شمال غرب وجنوب غرب إفريقيا وعلى طول الساحل الغربي للمكسيك.

تأثير المحيطات على حركة الهواء:

تم تعزيز الظروف القاحلة الموجودة على طول السواحل الغربية للقارات في خطوط العرض شبه الاستوائية، من خلال تأثير تدفق الهواء السطحي باتجاه خط الاستواء على تيارات المحيط، يؤدي هذا التدفق إلى إجهاد القص على سطح المحيط، مما يؤدي إلى انحراف الطبقة العليا من الماء فوق الخط الحراري إلى اليمين في نصف الكرة الشمالي وإلى اليسار في نصف الكرة الجنوبي، (هذا الانحراف هو أيضاً نتيجة لتأثير كوريوليس، أي الماء من كلا نصفي الكرة الأرضية يتحرك غرباً عند إزاحته نحو خط الاستواء).

نظراً لأن المياه السطحية الأكثر دفئاً يتم حملها بعيداً عن طريق تدفق هواء المحيط البحري، يرتفع الماء البارد من أسفل الخط الحراري إلى السطح في عملية تسمى (upwelling)، تخلق الموجات المتصاعدة مناطق من المياه السطحية الساحلية الباردة، التي تعمل على استقرار طبقة التروبوسفير السفلى وتقلل من فرص الحمل الحراري، ويقلل الحمل الحراري المنخفض بدوره من احتمالية هطول الأمطار، على الرغم من شيوع الضباب والسحب الطبقية المنخفضة، ترتبط مناطق ارتفاع منسوب المياه أيضاً بالحياة البحرية الغنية، حيث يتم نقل الأكسجين والمغذيات العضوية إلى أعلى من الأعماق باتجاه سطح المحيط.

خلال الفترات التي تقع فيها منطقة التقارب بين المناطق المدارية (ITCZ) بالقرب من خط الاستواء، تتقارب الرياح التجارية من الشمال الشرقي والجنوب الشرقي هناك، تتسبب الرياح المتجهة غرباً في إزاحة مياه المحيط السطحية بعيداً عن خط الاستواء بحيث تتحرك المياه الأعمق والأبرد إلى السطح، وفي وسط وشرق المحيط الهادئ بالقرب من خط الاستواء، عندما يكون هذا التدفق أقوى من المتوسط ​ يُطلق على الحدث اسم (La Niña).