Czytaj…
Poprzednio, kiedy badaliśmy cyklony na średnich szerokościach geograficznych, mówiliśmy trochę o strumieniu odrzutowym, który jest kanałem szybkich wiatrów w pobliżu górnej części troposfery. Ale, jet stream, o którym mówiliśmy jest naprawdę mid-latitude jet stream, który regularnie wpływa na pogodę w średnich szerokościach geograficznych. W naszej dyskusji na temat wyżów podzwrotnikowych, zignorowaliśmy rotację Ziemi i siłę Coriolisa, kiedy omawialiśmy wysoko położony, biegunowy przepływ w Komórce Hadleya. Ponieważ nasza planeta się obraca, powietrze nie płynie bezpośrednio w kierunku biegunów na dużych wysokościach. W rzeczywistości przyjmuje ono znacznie bardziej zawirowaną drogę. Ponieważ powietrze płynie w kierunku biegunów w górnej gałęzi Komórki Hadleya, ostatecznie zakrzywia się w kierunku wschodnim (na półkuli północnej). W efekcie końcowym paczki powietrza w górnych gałęziach komórek Hadleya okrążają Ziemię podczas swoich wzniosłych wędrówek z regionów równikowych do subtropikalnych. Ta biegunowa spirala kulminuje w podzwrotnikowym strumieniu jetowym („STJ”, w skrócie) w pobliżu 30 stopni szerokości geograficznej.
StJ był faktycznie jednym z ostatnich głównych cech troposfery, które zostały odkryte przez bezpośrednią obserwację człowieka. Podczas II wojny światowej, amerykańscy piloci, lecąc na zachód w pobliżu Japonii i innych wysp na Pacyfiku, zgłaszali prędkości na ziemi dramatycznie niższe niż wskazywana przez samolot prędkość lotu. Lot z bardzo niską prędkością względem ziemi mógł oznaczać tylko jedno – bardzo silny wiatr! Spójrz na poniższy obrazek, który pokazuje długoterminowe średnie prędkości wiatru (w metrach na sekundę) i kierunki w pobliżu 40 000 stóp nad Azją i zachodnim Pacyfikiem podczas meteorologicznej zimy (grudzień, styczeń i luty). Wąska wstęga szybkich wiatrów w pobliżu 30 stopni szerokości geograficznej wyznacza średnie położenie STJ. Mimo, że piloci mogli zrobić niewiele postępów w niektórych swoich misjach, dokonali ważnego odkrycia!
W rzeczywistości STJ jest silniejszy nad zachodnim Pacyfikiem, średnio, niż w jakimkolwiek innym miejscu na świecie. To przede wszystkim dlatego, że Himalaje i Tybetańska wysoka ziemia przerywają i zmieniają kierunek ogólnie zachodniego przepływu powietrza w górnej troposferze. Dalej na wschód, przekierowane gałęzie powietrza płyną z powrotem razem i przyspieszają w pobliżu Japonii. Dla odniesienia, powyższy obrazek pokazuje, że średnie prędkości w STJ w pobliżu Japonii mogą przekraczać 70 metrów na sekundę (około 157 mil na godzinę) podczas meteorologicznej zimy.
Ogólny mechanizm utrzymywania STJ w pobliżu 30 stopni szerokości geograficznej, jednakże, jest tendencją dla paczek powietrza do zachowania ich pędu w górnych gałęziach Komórek Hadleya. Przypomnijmy, że zachowanie momentu pędu jest koncepcją, która wyjaśnia, jak łyżwiarze figurowi obracają się o wiele szybciej, gdy wyciągają ramiona do wewnątrz (zmniejszając ich odległość od osi obrotu). W miarę jak paczki w górnych gałęziach komórek Hadleya wirują w kierunku biegunowym, ich odległość od osi obrotu Ziemi maleje, co skutkuje większymi prędkościami. W teorii, powietrze startujące ze stanu spoczynku (względem powierzchni Ziemi) wysoko nad równikiem osiągnie szerokość geograficzną 30 stopni z prędkością 134 metrów na sekundę (około 260 węzłów, lub 300 mph) zakładając, że doskonale zachowuje swój moment pędu wzdłuż swojej trasy.
Ale w rzeczywistości STJ nie osiąga takich prędkości. To dlatego, że paczki nie zachowują całkowicie swojego momentu pędu. Wysokie góry i strzeliste chmury cumulonimbus, na przykład, wywierają pewien opór na paczki powietrza poruszające się w kierunku biegunowym w górnych gałęziach komórek Hadleya. Niezależnie od tych i innych przeszkód w zachowaniu momentu pędu, można powiedzieć, że paczki powietrza mają tendencję do zachowywania momentu pędu, gdy spiralnie kierują się do wewnątrz w stronę osi obrotu Ziemi, wrzucając swój moment pędu „do mieszanki”, którą nazywamy STJ.
Więc, w przeważającej części, STJ jest zasadniczo konsekwencją zachowania momentu pędu (w przeciwieństwie do strumienia jet stream na średniej szerokości geograficznej, który zawdzięcza swoje powstanie hemisferycznym gradientom temperatury). Mając na uwadze ideę zachowania pędu, dodam, że tempo obrotu Ziemi w dużej mierze determinuje średnią lokalizację STJ, ponieważ tempo obrotu Ziemi częściowo reguluje wielkość siły Coriolisa. Jeśli tempo obrotu Ziemi zwiększyłoby się (dzięki czemu siła Coriolisa byłaby silniejsza), STJ rozwijałby się bliżej równika. Jeśli obrót Ziemi zwolniłby, siła Coriolisa byłaby słabsza, a STJ powstałby dalej od równika niż 30 stopni szerokości geograficznej.
Okazuje się, że STJ jest silniejszy zimą niż latem, pomimo większego zasięgu w kierunku biegunów górnej gałęzi cyrkulacji Hadleya na półkuli letniej. To może wydawać się dziwne, biorąc pod uwagę, że głównym mechanizmem napędowym STJ jest tendencja działek do zachowania pędu (co skutkowałoby większymi prędkościami, gdy STJ znajduje się na wyższych szerokościach geograficznych). Tak więc, dlaczego wyniosłe paczki powietrza podróżujące dalej w kierunku biegunowym w lecie nie przyspieszają znacznie, ponieważ spiralnie zbliżają się jeszcze bardziej do osi obrotu Ziemi?
Jak się okazuje, intensywne ogrzewanie słoneczne nad masami lądowymi w podzwrotnikowym regionie półkuli północnej zakłóca działanie cyrkulacji Hadleya. W skrócie, zasadniczo robi się znacznie cieplej na szerokościach geograficznych w pobliżu 30 stopni na północ (głównie nad lądem) niż nad regionami równikowymi, tym samym odwracając typowy gradient temperatury północ-południe. Aby potwierdzić tę obserwację, sprawdź długoterminowe średnie temperatury nad tropikami i subtropikami dla czerwca, lipca i sierpnia. Biorąc pod uwagę, że nasz prototypowy model Komórki Hadleya jest zakorzeniony w założeniu, że pas maksymalnego ogrzewania występuje nad regionami równikowymi, nie powinno dziwić, że kiedy ten pas przesuwa się w kierunku podzwrotnikowym, nasz model wyidealizowanej cyrkulacji Hadleya załamuje się. W rezultacie, siła STJ uderza, a STJ nie odgrywa tak ważnej roli w ogólnym wzorcu pogodowym podczas lata.
Aby zobaczyć zmianę w sile STJ pomiędzy latem a zimą, porównaj średnie wiatry w pobliżu 40 000 stóp nad Ameryką Północną i przyległymi oceanami podczas lata i zimy (powyżej). Na początek można zauważyć sygnaturę szybkich wiatrów nad środkowymi i północnymi Stanami Zjednoczonymi. To jest ślad strumienia jetowego na średniej szerokości geograficznej. Aby zaznaczyć STJ, użyłem grubych czarnych strzałek na każdym obrazie. W lecie (lewy obrazek powyżej), istnieją dwie stosunkowo słabe smugi wiatrów związane ze średnim położeniem letniego STJ. Jedna rozciąga się od Hawajów w kierunku południowo-zachodnich Stanów Zjednoczonych, a druga kieruje się od środkowego Atlantyku w kierunku północno-zachodniej Afryki. Te „smugi” wiatrów bledną w porównaniu do solidnego zimowego STJ (prawy obrazek powyżej).
Podczas zimy, solidny STJ może przyczynić się do powstania głównych burz zimowych nad średnimi szerokościami geograficznymi. STJ jest cechą półtrwałą i należy pamiętać, że jego średnia lokalizacja jest w dużej mierze ustalona przez tempo obrotu Ziemi. Jednakże, lokalne zmiany temperatury i gradientów ciśnienia mogą powodować, że część STJ od czasu do czasu wybrzusza się nieco dalej w kierunku biegunowym lub zwisa nieco dalej w kierunku południowym. Ogólnie rzecz biorąc, najbardziej na północ wysunięty zasięg STJ odpowiada najbardziej na południe wysuniętemu zasięgowi bardziej nomadycznego strumienia jet stream na średniej szerokości geograficznej. Można więc bezpiecznie założyć, że te dwa strumienie czasami wchodzą ze sobą w interakcję, a czasami scena może być ustawiona na szybki rozwój cyklonów średnich szerokości geograficznych, szczególnie nad wybrzeżem Atlantyku, gdzie naturalne kontrasty temperatury między lądem a morzem zapewniają korzystne warunki do rozmnażania się.
Jedna z takich pamiętnych interakcji zaowocowała burzą śnieżną z okazji Dnia Prezydenta w 1979 roku, która zaskoczyła Waszyngton i otaczające go stany Środkowego Atlantyku i Południowego Wschodu. W tym przypadku, STJ został przyciągnięty na północ w kierunku południowo-zachodnim przed silną rynnę w strumieniu jetowym na średniej szerokości geograficznej (czasami określanym jako „polarny” strumień jetowy, zaznaczony na niebiesko). Taka konfiguracja pozwoliła STJ zadziałać jako katalizator burzy z okazji Dnia Prezydenta w 1979 roku. Dalej na wschód, nad Oceanem Atlantyckim, STJ skręca bardziej na wschód i ostatecznie na południe (na zdjęciu po prawej), gdy zaczyna powracać w kierunku swojej średniej pozycji.
W jej następstwie, burza z okazji Dnia Prezydentów pozostawiła po sobie ciężki śnieg od Georgii do Pensylwanii, jak widać na tym obrazie satelitarnym z godziny 19:00 19 lutego. W istocie, wiele dużych burz zimowych na średnich szerokościach geograficznych korzysta z tego, że STJ jest przyciągany na północ, tak jak w tym przypadku. Tak więc, podczas gdy Komórki Hadleya regularnie kontrolują aspekty pogody tropikalnej, z pewnością mogą mieć również wpływ na pogodę na średnich szerokościach geograficznych!
W odniesieniu do Komórek Hadleya, omówiliśmy już gałąź wstępującą w ITCZ, gałąź górną (która kulminuje w STJ), oraz gałąź zstępującą, która tworzy wyż podzwrotnikowy w pobliżu 30 stopni szerokości geograficznej. Następnie zajmiemy się ostatnią gałęzią cyrkulacji – wiatrami handlowymi: przepływem powierzchniowym, który powraca w kierunku ITCZ z obszarów podzwrotnikowych. Czytaj dalej!