Saulės energija ir bendroji atmosferos cirkuliacija

Ar kada nors susimąstėte, kodėl pasaulio žemėlapis yra toks kontrastingas? Kodėl ties pusiauju plyti vešlūs, drėgni atogrąžų miškai, o šiek tiek toliau į šiaurę ir pietus driekiasi didžiausios pasaulio dykumos? Kodėl Lietuvoje vasarą keičia žiema, o ties pusiauju visus metus karšta? Atsakymas į visus šiuos klausimus prasideda nuo vieno šaltinio – Saulės.

Saulė yra galingas variklis, varantis visą mūsų planetos orų ir klimato sistemą. Tačiau jos teikiama energija Žemės paviršių pasiekia ir pasiskirsto labai netolygiai. Būtent šis netolygumas sukuria energijos perteklių vienur ir trūkumą kitur, o gamta, siekdama pusiausvyros, paleidžia galingus globalius oro ir vandens srautus. Tai – bendroji atmosferos cirkuliacija.

Šioje pamokoje leisimės į kelionę nuo Saulės spindulių, pasiekiančių mūsų atmosferą, iki galingų vėjų sistemų, apjuosiančių visą Žemės rutulį. Išsiaiškinsime, kodėl atsiranda slėgio juostos, kaip Žemės sukimasis iškreipia oro srovių kelius ir kaip visa ši sudėtinga sistema, tarsi nematomas architektas, sukuria mums gerai pažįstamus klimato ir gamtos paveikslus: nuo Sacharos smėlynų iki Amazonijos džiunglių. Suprasdami šiuos fundamentalius principus, įgysime raktą į sudėtingų orų ir klimato mechanizmų pažinimą.

Viskas prasideda nuo Saulės spinduliuotės, dar vadinamos insoliacija. Tai yra energijos kiekis, pasiekiantis Žemės paviršių. Tačiau ne visa energija, atkeliavusi iki atmosferos viršutinių sluoksnių, pasiekia mus. Dalis jos yra atspindima atgal į kosmosą, dalis sugeriama atmosferos, o likusi dalis įšildo Žemės paviršių.

Albedas – Žemės veidrodis

Gebėjimas atspindėti Saulės spindulius vadinamas albedu. Tai vienas svarbiausių veiksnių, lemiančių, kiek energijos bus sugerta. Įsivaizduokite, kad vasarą vilkite juodus arba baltus marškinėlius. Su juodais bus kur kas karščiau, nes tamsi spalva sugeria daugiau spindulių, o balta – daugiau atspindi. Lygiai tas pats vyksta ir su Žemės paviršiais.

Kodėl Žemė įšyla netolygiai?

Net jei visa Žemė būtų padengta vienodu paviršiumi, ji vis tiek įšiltų nevienodai. Tam yra dvi pagrindinės astronominės priežastys.

1. Žemės rutulio forma

Kadangi Žemė yra sferos formos, Saulės spinduliai į skirtingas platumas krenta skirtingu kampu.

• Pusiaujo srityje spinduliai krenta beveik statmenai (90° kampu). Tas pats energijos kiekis koncentruojasi mažame plote, todėl įšilimas yra didžiausias.
• Ašigalių srityse spinduliai krenta labai smailiu kampu. Tas pats energijos kiekis pasiskirsto daug didesniame plote, todėl kiekvienas kvadratinis metras gauna gerokai mažiau energijos. Be to, spinduliai turi įveikti ilgesnį kelią atmosferoje, todėl daugiau jų išsisklaido ir atspindima.

Įsivaizduokite, kad šviečiate prožektoriumi: nukreipus jį statmenai į sieną, šviesos ratas bus mažas ir ryškus; pašvietus kampu – didelis ir išblukęs.

2. Žemės ašies posvyris ir metų laikai

Žemės sukimosi ašis yra pasvirusi 23,5° kampu orbitos plokštumos atžvilgiu. Dėl šio posvyrio, Žemei skriejant aplink Saulę, skirtingi pusrutuliai pakaitomis gauna daugiau tiesioginių Saulės spindulių. Tai ir yra metų laikų priežastis.

• Vasaros saulėgrįža (birželio 21 d.): Šiaurės pusrutulis yra palinkęs į Saulę. Saulė zenite atsiduria virš Šiaurės atogrąžos (Vėžio atogrąžos). Šiaurės pusrutulyje – ilgiausios dienos ir daugiausiai gaunama Saulės energijos. Tai – vasaros pradžia.
• Žiemos saulėgrįža (gruodžio 21 d.): Šiaurės pusrutulis yra nusviręs nuo Saulės. Saulė zenite – virš Pietų atogrąžos (Ožiaragio atogrąžos). Šiaurės pusrutulyje – trumpiausios dienos, mažiausias Saulės spindulių kampas ir žiemos pradžia. Pietų pusrutulyje tuo metu – vasara.
• Pavasario ir rudens lygiadieniai (kovo 20 d. ir rugsėjo 22 d.): Abu pusrutuliai Saulės atžvilgiu yra neutralioje padėtyje. Saulė zenite šviečia tiesiai virš pusiaujo. Diena ir naktis visoje Žemėje yra maždaug vienodo ilgio.

Pasaulinis šilumos balansas

Dėl šių priežasčių susidaro nuolatinis energijos disbalansas: tarp maždaug 35° šiaurės ir pietų platumų Žemė gauna daugiau energijos, nei išspinduliuoja į kosmosą (šilumos perteklius), o aukštesnėse platumose – atvirkščiai (šilumos trūkumas). Jei gamtoje nevyktų jokie kompensaciniai mechanizmai, pusiaujas nuolat kaistų, o ašigaliai – šaltų. Tačiau taip nenutinka, nes šį šilumos skirtumą išlygina du galingi mechanizmai: atmosferos cirkuliacija (vėjai) ir vandenynų srovės. Būtent atmosferos cirkuliaciją ir nagrinėsime toliau.

Netolygus Žemės įšilimas sukuria globalias atmosferos slėgio juostas. Slėgis – tai oro stulpo svoris, slegiantis paviršių. Pagrindinis principas paprastas: šiltas oras yra retesnis ir lengvesnis, todėl kyla aukštyn, sudarydamas žemo slėgio sritį. Šaltas oras yra tankesnis ir sunkesnis, todėl leidžiasi žemyn, sudarydamas aukšto slėgio sritį. Oras visada juda iš aukštesnio slėgio srities į žemesnio slėgio sritį – taip atsiranda vėjas.

Pasaulinė oro slėgio juostų sistema

Dėl netolygaus įšilimo ir oro judėjimo aplink Žemę susidaro keturios pagrindinės slėgio juostos kiekviename pusrutulyje.

Koriolio efektas – Žemės sukimosi „magija“

Jei Žemė nesisuktų, vėjai pūstų tiesiai iš aukšto slėgio sričių į žemo. Tačiau Žemės sukimasis aplink savo ašį priverčia judančius objektus (tarp jų ir orą) nukrypti nuo pradinės krypties. Šis reiškinys vadinamas Koriolio efektu.

• Šiaurės pusrutulyje judantys objektai nukrypsta į dešinę.
• Pietų pusrutulyje judantys objektai nukrypsta į kairę.

Koriolio efektas yra stipriausias ties ašigaliais ir silpniausias (beveik lygus nuliui) ties pusiauju. Būtent dėl šio efekto vėjai nepučia tiesiai, o juda spirale aplink slėgio centrus ir formuoja stabilias, vyraujančias vėjų sistemas.

Slėgio juostų ir Koriolio efekto sąveika sukuria tris dideles, uždaras oro cirkuliacijos sistemas, vadinamas celėmis, kiekviename pusrutulyje. Jos veikia kaip milžiniški konvejerio takeliai, pernešantys šilumą nuo pusiaujo link ašigalių.

Hadlio celė (0°–30° platumos)

Tai pati galingiausia ir aiškiausiai išreikšta celė, veikianti tropinėse platumose.

1. Oras kyla: Prie pusiaujo (žemo slėgio juostoje) įkaitintas, drėgnas oras kyla aukštyn. Kildamas jis vėsta, vandens garai kondensuojasi, susidaro debesys ir iškrenta gausūs krituliai. Taip formuojasi atogrąžų miškų zonos.
2. Juda link ašigalių (antipasatai): Pasiekęs maždaug 10–15 km aukštį, oras nebegali kilti, todėl pasuka link ašigalių (tiek šiaurės, tiek pietų). Šis aukštybinis oro srautas, judantis priešinga kryptimi nei pasatai, vadinamas antipasatu. Dėl Koriolio efekto poveikio Šiaurės pusrutulyje antipasatas nukrypsta į dešinę ir tampa pietvakarių vėju, o Pietų pusrutulyje – į kairę, tapdamas šiaurės vakarų vėju. Būtent antipasatai perneša šilumos energiją iš pusiaujo link vidutinių platumų.
3. Oras leidžiasi: Apie 30° platumą oras jau būna pakankamai atvėsęs ir tankus, todėl pradeda leistis žemyn. Leisdamasis jis šyla ir sausėja, suformuodamas atogrąžų aukšto slėgio juostą. Tai yra dykumų formavimosi regionas.
4. Grįžta link pusiaujo (pasatai): Nusileidęs prie Žemės paviršiaus, oras juda atgal link pusiaujo, iš aukšto slėgio į žemą. Dėl Koriolio efekto šis vėjas nukrypsta: Šiaurės pusrutulyje jis pučia iš šiaurės rytų, Pietų pusrutulyje – iš pietryčių. Šie pastovūs vėjai vadinami pasatais. Senovėje burinių laivų kapitonai juos naudojo kelionėms per vandenynus.

Ašigalinė (poliarinė) celė (60°–90° platumos)

Tai Hadlio celės „veidrodinis atspindys“ poliarinėse srityse, tik varomas šalčio, o ne karščio.

1. Oras leidžiasi: Ties ašigaliais (aukšto slėgio juostoje) labai šaltas ir tankus oras leidžiasi žemyn.
2. Juda link pusiaujo: Prie paviršiaus oras juda link žemesnių platumų.
3. Oras kyla: Apie 60° platumą šis šaltas oras susiduria su šiltesniu oru, atkeliaujančiu iš vidutinių platumų. Būdamas tankesnis, jis priverčia šiltesnį orą kilti aukštyn, suformuodamas vidutinių platumų žemo slėgio juostą.
4. Grįžta link ašigalių: Pakilęs oras atmosferos viršumi grįžta link ašigalio, kur vėl atvėsta ir leidžiasi. Prie paviršiaus pučiantys vėjai, dėl Koriolio efekto nukrypę, vadinami poliariniais rytų vėjais.

Ferelio celė (30°–60° platumos)

Ši celė yra sudėtingiausia. Ji nėra tiesiogiai varoma nei karščio, nei šalčio, o veikia kaip krumpliaratis, įsisukęs tarp galingų Hadlio ir Ašigalinės celių.

1. Oras juda link ašigalių: Dalis oro, nusileidusio ties 30° platuma, pasuka ne link pusiaujo, o link ašigalių.
2. Koriolio efektas: Dėl Koriolio efekto šios oro srovės yra nukreipiamos į rytus. Taip susidaro vakarų vėjų pernaša – vyraujantys vėjai, pučiantys iš vakarų į rytus. Būtent jie lemia, kad ciklonai virš Atlanto dažniausiai keliauja link Europos, nešdami drėgnus ir nepastovius orus.
3. Oras kyla: Apie 60° platumą šis šiltesnis oras susiduria su šaltu poliariniu oru ir yra priverstas kilti.
4. Grįžta link atogrąžų: Dalis pakilusio oro atmosferos viršumi grįžta link 30° platumos, kur leidžiasi ir uždaro ciklą.

Grįžkime prie pradinio klausimo: kodėl Sachara yra dykuma, o Amazonija – drėgnasis atogrąžų miškas? Dabar, išnagrinėję visą grandinę nuo Saulės iki vėjų, galime aiškiai atsakyti.

• Amazonija (ir kiti atogrąžų miškai) klesti ties pusiaujo žemo slėgio juosta. Čia, Hadlio celės pradžioje, nuolat kylančios karštos ir drėgnos oro masės garantuoja gausius kritulius ištisus metus. Tai idealios sąlygos vešliai augmenijai.

• Sachara (ir kitos karštosios dykumos) yra ties atogrąžų aukšto slėgio juosta (apie 30° š. pl.). Čia, toje pačioje Hadlio celėje, oras leidžiasi žemyn. Leisdamasis jis įšyla, o santykinis drėgnumas krinta. Debesys negali susidaryti, lietaus tikimybė menka. Metų metus trunkantis „giedras dangus“ ir kritulių stygius sukuria dykumą.

• Lietuva (ir didžioji Europos dalis) yra Ferelio celės įtakoje, maždaug ties vidutinių platumų žemo slėgio juosta. Čia susiduria šiltas atogrąžų ir šaltas poliarinis oras. Ši nuolatinė kova, kartu su vyraujančiais vakarų vėjais, atnešančiais drėgmę nuo Atlanto vandenyno, lemia mūsų regionui būdingus nepastovius, permainingus ir dažnai lietingus orus.

Taigi, globali atmosferos cirkuliacija yra pagrindinis veiksnys, lemiantis stambaus masto klimato pasiskirstymą Žemėje. Tai sistema, kuri nuolat perneša energiją, palaiko planetos šilumos balansą ir formuoja sąlygas gyvybei klestėti pačiose įvairiausiose formose.

Žvilgsnis į priekį

Išsiaiškinome bendruosius, globalius dėsningumus. Tačiau kasdien mus veikia ne globalūs vėjai, o konkretūs orai – slenkantys ciklonai ir anticiklonai, atnešantys lietų ar saulėtas dienas. Kitoje pamokoje panagrinėsime būtent šiuos, mažesnio masto, tačiau mums kur kas geriau juntamus atmosferos reiškinius, kurie vyksta bendrosios cirkuliacijos fone.