Механика глобальной атмосферной циркуляции

Модели циркуляции атмосферы служат двигателем, приводящим в движение разнообразные климатические зоны Земли, причем пустыни выделяются как некоторые из самых экстремальных проявлений этих глобальных воздушных движений. Атмосфера функционирует как огромный тепловой двигатель, перераспределяющий тепловую энергию от экваториальных тропиков к более холодным полярным областям. Это перераспределение происходит через сложное взаимодействие трех основных циркуляционных клеток в каждом полушарии: Клетка Хэдли , Ячейка Ферреля и Полярная ячейка . Каждая из этих ячеек устанавливает различные полосы поднимающегося и опускающегося воздуха, которые, в свою очередь, регулируют закономерности осадков и засушливости во всем мире.

Клетка Хедли является наиболее влиятельным драйвером формирования многих пустынь мира. Возле экватора интенсивное солнечное излучение нагревает поверхность Земли, вызывая теплый, влажный воздух, поднимающийся в процессе, известном как конвекция. По мере того, как этот воздух поднимается, он охлаждается и конденсируется, что приводит к сильным осадкам и развитию пышных тропических тропических лесов в экваториальных регионах. Сейчас более сухие воздушные массы движутся в сторону полюса на больших высотах, постепенно охлаждаясь и становясь более плотными, пока они не спускаются примерно на 30° северной и южной широт. Этот падающий воздух производит устойчивые субтропические зоны высокого давления, характеризующиеся потеплением и сжатием, которые препятствуют образованию облаков и осадков. Эти зоны соответствуют основным поясам засушливости на планете, где расположены многие из крупнейших в мире горячих пустынь.

В то время как ячейка Хэдли преимущественно формирует субтропические пустыни, ячейка Феррела, ячейка Феррела и ячейка Феррела способствуют образованию пустынь в других контекстах. Клетка Феррела, расположенная в средних широтах между примерно 30° и 60°, обусловлена взаимодействием между ячейками Хэдли и Полярными ячейками и связана с преобладающими западными ветрами. Она не постоянно производит сухие зоны, но может влиять на региональную изменчивость климата. Полярная ячейка работает вблизи полюсов, производя нисходящий холодный воздух, который приводит к полярным пустыням, таким как Антарктида и части Арктики. Хотя эти холодные пустыни отличаются от горячих пустынь, образованных циркуляцией Хэдли, они демонстрируют, как атмосферная циркуляция влияет на сухость по спектру температур. Вместе эти три ячейки обеспечивают всеобъемлющую основу для понимания глобального распределения пустынь и засушливых земель.

Формирование субтропических пустынь клетками Хэдли

Классические, обширные пустыни, которые большинство людей признают, включая Sahara, Arabian, Kalahari и Австралийская глубинная часть, в основном, сформирована нисходящими ветвями циркуляции Хэдли. Субтропические пустыни обычно занимают широтные полосы между 15° и 35° в обоих полушариях. Утихающий воздух в этих регионах создает стабильные атмосферные условия, которые подавляют движение вверх и развитие облаков, которые необходимы для осадков. В результате эти пустыни получают минимальное количество осадков, часто менее 250 миллиметров в год, а некоторые районы испытывают почти нулевые осадки.

Пустыня Сахара, самая большая горячая пустыня на Земле, простирается по большей части Северной Африки между приблизительно 15°N и 30°N широты. Она находится прямо под нисходящей конечностью ячейки Хэдли в течение большей части года, положение, усиленное обширной континентальной сушей, которая значительно нагревается в летние месяцы.Это нагревание усиливает региональную систему высокого давления, поддерживая длительные сухие периоды. Аналогично, арабская пустыня испытывает постоянную засушливость из-за ее местоположения в субтропическом сухом поясе.

В Южном полушарии австралийские пустыни — включая Великую Сэнди, Гибсон и Симпсон — огибают внутреннюю часть континента примерно между 20°S и 30°S. Нисходящая ветвь ячейки Хэдли сочетается с обширной равниной Австралии, чтобы позволить сухим условиям проникать глубоко внутрь страны. Калахари и Намибские пустыни в южной Африке также обязаны своей засушливостью системе высокого давления Южной Атлантики, региональному выражению циркуляции Хэдли. Эти пустыни извлекают выгоду из взаимодействия между атмосферной циркуляцией и местной географией, создавая некоторые из самых знаковых сухих ландшафтов на планете.

Спутниковый мониторинг со стороны таких учреждений, как Обсерватория Земли НАСА, предлагает яркие изображения и анимации, которые показывают, как клетки Хэдли мигрируют сезонно, влияя на смещающиеся границы пустынных зон. Эта динамическая циркуляция подчеркивает сложную, но предсказуемую природу климатической системы Земли, где крупномасштабные атмосферные модели диктуют распределение влаги и сухости.

За пределами клеток Хэдли: другие механизмы формирования климата пустынь

В то время как глобальные циркуляционные клетки устанавливают широкие модели засушливости, региональные и местные факторы играют решающую роль в уточнении, где развиваются пустыни и насколько экстремальными становятся их условия. Ключевые дополнительные механизмы включают эффекты тени дождя , , прибрежные холодные токи, обитающие в воде и , континентальную внутреннюю изоляцию от источников океанической влаги. Эти процессы могут создавать пустыни в неожиданных местах, часто изменяя или усиливая сухость, налагаемую глобальной циркуляцией.

Дождь теневых пустынь

Дождевые тени пустынь возникают, когда влажные воздушные массы вынуждены подниматься над горными хребтами. По мере того, как воздух поднимается, он охлаждается и конденсируется, что приводит к осадкам на наветренных склонах. После пересечения вершин воздух опускается на подветренную сторону, нагреваясь адиабатически и становясь намного суше. Это создает зону пониженных осадков, известную как дождевая тень, способствующая условиям пустыни.

  • Долина смерти, Калифорния: Расположенная к востоку от Сьерра-Невады, эта пустыня испытывает крайнюю сухость из-за дождевой тени, созданной высоким горным хребтом, блокирующим тихоокеанскую влагу.
  • Патагонская пустыня, Аргентина: Расположенная в Лие Андских гор, это одна из крупнейших холодных пустынь в Южном полушарии, с сухостью, усиленной эффектом дождевой тени.
  • Пустыня Такламакан, Центральная Азия: Расположенная между возвышающимися Гималаями и Тибетским плато, эта пустыня защищена от муссонной влаги Индийского океана, что приводит к сильной засушливости.

Дождевые тени пустынь могут образовываться даже в средних широтах, которые в противном случае могли бы получать умеренные осадки, подчеркивая важность топографии в формировании местного климата.Эти пустыни часто демонстрируют значительные колебания температуры и уникальные экосистемы, адаптированные к их сухим, защищенным средам.

Прибрежные пустыни и холодные океанские течения

Вопреки интуиции, многие пустыни расположены рядом с океанами, несмотря на потенциал обильной влаги. Эти прибрежные пустыни обычно образуются там, где холодные океанские течения текут вдоль береговых линий, охлаждая воздух выше и стабилизируя атмосферу. Эта стабилизация подавляет конвекцию и осадки, что приводит к чрезвычайно сухим условиям на суше.

  • Пустыня Атакама, Чили:] Часто упоминается как самое сухое место на Земле, она граничит с Тихим океаном, где холодное течение Гумбольдта течет на север. Это течение охлаждает нижнюю атмосферу, создавая тепловую инверсию, которая предотвращает образование облаков и дождь. Несмотря на незначительные осадки, Атакама получает частый туман, который поддерживает специализированную флору и фауну, адаптированную для сбора влаги из воздуха.
  • Намибская пустыня, юго-западная Африка:] Под влиянием холодного течения Бенгела эта пустыня испытывает аналогичные атмосферные условия. Туман является критическим источником влаги здесь, что позволяет уникальным экосистемам процветать, несмотря на почти полное отсутствие измеримых осадков.

Эти прибрежные пустыни иллюстрируют, как океанические процессы, такие как , обитание холодной воды, могут резко изменить местные погодные условия.Стабильность, вызванная холодными течениями, резко контрастирует с влажными, дождливыми прибрежными зонами, на которые влияют теплые течения в других местах, подчеркивая сложность атмосферно-океанических взаимодействий.

Континентальные внутренние пустыни

Пустыни, расположенные глубоко в крупных континентальных массивах суши, вдали от океанических источников влаги, классифицируются как континентальные внутренние пустыни. Их сухость является результатом того, что влага на большие расстояния должна перемещаться, чтобы достичь их, в сочетании с топографическими барьерами и атмосферной динамикой.

  • Пустыня Гоби:] Расположенная в Монголии и северном Китае на широте около 40 ° с.ш., засушливость Гоби обусловлена его удаленностью от моря, а также эффектом дождевой тени окружающих горных хребтов, включая Гималаи. Эта пустыня испытывает резкие перепады температуры, с палящим летом и горько холодными зимами, из-за ее континентального климата.
  • Пустыня Такламакан: Окруженная некоторыми из самых высоких гор мира, Такламакан фактически закрыт, ограничивая приток влаги. Его положение относительно ячейки Хэдли означает, что он получает мало осадков, с экстремальной изменчивостью температуры, характерной для континентальных пустынь.

Континентальные пустыни часто имеют более высокие сезонные и суточные температурные диапазоны, чем субтропические прибрежные пустыни, что отражает их изоляцию от умеренного влияния океанов. Их ландшафты и экосистемы уникально адаптированы для выживания как в условиях дефицита влаги, так и в условиях экстремальных температур.

Сезонная и межгодовая изменчивость в пустынной циркуляции

Хотя пустыни определяются стойким дефицитом воды, их климат динамичен и подвержен сезонным и межгодовым колебаниям, обусловленным сдвигами в атмосферной циркуляции, позиции клеток Хэдли и субтропических поясов высокого давления мигрируют с сезонами, влияя на степень и интенсивность условий пустыни.

В летние месяцы клетки Хэдли расширяются в сторону полюса, распространяя засушливые условия на более высокие широты и иногда посягают на регионы, которые обычно более умеренны. И наоборот, зимой клетки отступают на экватор, позволяя более влажным условиям преобладать в некоторых маргинальных пустынных районах. Эта сезонная миграция особенно очевидна в Западной Африке, где она приводит к западноафриканскому муссону. Муссон приносит летние дожди в Сахель - полузасушливую переходную зону между пустыней Сахара на север и более влажными саваннами на юг. изменчивость осадков Сахеля тесно связана с силой и положением циркуляции Хэдли, с длительными засухами, происходящими, когда субтропическая система высокого давления остается необычайно сильной и устойчивой.

В более длительных временных рамках крупномасштабные климатические колебания модулируют количество осадков в пустыне и засушливость во всем мире:

  • Эль-Ниньо — Южное колебание (ENSO): Во время Эль-Ниньо более высокие температуры Тихого океана часто приводят к увеличению количества осадков в типично засушливых регионах, таких как пустыня Атакама и части юго-запада Соединенных Штатов.
  • Североатлантическое колебание (NAO): Изменения в NAO влияют на силу и положение субтропических максимумов над Атлантикой, влияя на перенос влаги и характер осадков в Северной Африке и Южной Европе.
  • Тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO): Это многодекадальное колебание влияет на температуру поверхности Тихого океана и циркуляцию атмосферы, тем самым модулируя засушливость и частоту засухи в западной части Северной Америки и некоторых частях Азии.

Понимание этих колебаний имеет важное значение для прогнозирования циклов засухи, управления водными ресурсами и прогнозирования потенциального расширения пустынь. Для дальнейшего понимания включение в энциклопедию National Geographic по пустыням предлагает всеобъемлющий обзор того, как эти крупномасштабные модели взаимодействуют с местной географией для формирования климата пустыни.

Изменение климата и смещение границ пустынь

Ожидается, что глобальное изменение климата изменит характер циркуляции атмосферы, что будет иметь значительные последствия для пустынных регионов во всем мире. Климатические модели прогнозируют расширение клеток Хэдли на полюс, что приведет к смещению субтропических сухих зон в сторону более высоких широт. Этот сдвиг может привести к расширению существующих пустынь и появлению новых засушливых регионов в районах, в настоящее время классифицируемых как полузасушливые.

Регионы, такие как Средиземноморский бассейн, части Австралии и юго-западные Соединенные Штаты, особенно уязвимы для будущего засушливости, вызванной этими изменениями циркуляции.Однако потепление температуры океана может также усилить муссонных систем в некоторых районах, потенциально увеличивая количество осадков на окраинах пустынь, таких как Сахара. Чистый эффект зависит от баланса между усиленным испарением, потребностью в атмосферной влаге и изменениями в характере осадков.

Исследования, использующие спутниковые данные, такие как те, что выделены в статье ScienceDaily о расширении пустыни, указывают на то, что пустыня Сахара расширилась примерно на 10% с начала 20-го века. Это расширение является результатом сочетания естественной изменчивости и антропогенного изменения климата. Рост пустыни угрожает экосистемам, сельскому хозяйству и населенным пунктам по ее краям.

Деятельность человека усугубляет эти климатические эффекты. Такие практики, как чрезмерный выпас, обезлесение и неустойчивое орошение, могут ускорить обезлесение — деградацию земель в засушливых и полузасушливых регионах. Эти изменения в землепользовании усугубляют сухость за счет сокращения растительности, которая стабилизирует почвы и сохраняет влагу. Взаимодействие между естественной атмосферной циркуляцией и воздействием человека усложняет усилия по отличию климатической экспансии пустыни от антропогенной деградации земель. Тем не менее, фундаментальное ограничение, налагаемое сухим воздухом в субтропических максимумах, означает, что без достаточного влажного ввода одни только местные вмешательства не могут полностью обратить вспять тенденции опустынивания.

Понимание динамики пустыни в будущем

Пустыни возникают из сложного взаимодействия глобальной атмосферной циркуляции, местной географии, океанических влияний и изменчивости климата. От обширных песчаных морей Сахары до туманозависимой экосистемы Атакамы пустыни воплощают путь воздушных масс, потерявших влагу, а затем спускаются обратно на поверхность, создавая засушливые среды.Эти динамики чувствительны к сдвигам в климатических драйверах, делая пустыни как индикаторами, так и агентами изменения окружающей среды.

По мере того, как климат продолжает развиваться, мониторинг крупномасштабных моделей циркуляции наряду с региональными факторами будет иметь решающее значение для прогнозирования изменений в границах пустынь и управления связанными с ними экологическими и социальными последствиями. На дефицит воды, потерю биоразнообразия и средства к существованию людей на окраинах пустыни будут особенно влиять эти сдвиги. Углубляя наше понимание атмосферных процессов, которые управляют сухостью, политики, ученые и сообщества могут лучше подготовиться к будущему, где пустыни могут расширяться или сокращаться в ответ на природные и антропогенные силы.