2.1
Inleiding
De atmosfeer is voortdurend in beweging. Op het eerste gezicht
lijkt dat bewegingspatroon een totale chaos, maar toch blijkt
het te voldoen aan bepaalde regels. Beweging in de atmosfeer is
namelijk nauw verbonden met temperatuurverschillen en daarover
is heel wat bekend.
De
atmosfeer is voortdurend in beweging,
zoals onder andere satellietbeelden
dagelijks tonen. Vooral op het laatste
beeld (8 september 2003) is de tropische
cycloon Isabel goed zichtbaar. Isabel is
onderweg naar de Verenigde Staten.
Om te beginnen is de temperatuur op
aarde sterk afhankelijk van de warmte
die de zon levert. De zon geldt als
belangrijkste warmtebron voor de aarde
en haar atmosfeer, maar verwarmt de
aarde niet gelijkmatig.
Bij
de polen is het het hele jaar door beduidend kouder dan
bij de evenaar.
Op veel plaatsen op aarde verandert de
gemiddelde temperatuur bovendien van maand op maand, wat
leidt tot de verschillende seizoenen.
De genoemde
temperatuurverschillen en temperatuurveranderingen zijn
een gevolg van verschillen in hoeveelheid invallende
zonnestraling die kan worden benut.
Een tweede
oorzaak van temperatuurverschillen op aarde is de
verdeling van land en water. Water heeft een grotere
warmtecapaciteit dan land zodat het minder snel opwarmt
(bij een gelijke hoeveelheid binnenkomende
zonne-energie) en minder snel afkoelt.
Naast de zon speelt ook de aarde zelf een belangrijke
rol in de totale warmtehuishouding van aarde en
atmosfeer; ze verliest door uitstraling warmte, wat
vooral aan het eind van een heldere nacht goed te merken
is.
De temperatuurverschillen tussen verschillende gebieden
op aarde brengen
een transport van lucht op gang dat die
temperatuurverschillen ook weer vereffent. We noemen het
geheel van luchtstromingen waaruit dit transportsysteem
is opgebouwd, de 'algemene circulatie'.
2.2 Warme evenaar, koude polen.
De bolvorm van de aarde bepaalt mede de hoeveelheid
zonnestraling die op een deel van het aardoppervlak valt. Waar
het aardoppervlak loodrecht staat op de invallende
zonnestraling, - dat is in de buurt van de evenaar, komt
per
vierkante meter veel meer zonne-energie binnen
dan op plaatsen waar het zonlicht langs
het aardoppervlak scheert, zoals in de poolstreken. We kunnen dat
begrijpen door uit te gaan van de situatie waarbij de zon loodrecht
boven de evenaar staat. Het zonlicht valt dan loodrecht in. Een bundel
zonnestraling met een doorsnede van 1 m2 komt ten goede aan 1 m2
aardoppervlak; de instraling is in dat geval op de evenaar maximaal.
Waar het
aardoppervlak loodrecht staat op de invallende
zonnestraling, - dat is in de buurt van de evenaar, -
komt per vierkante meter veel meer zonne-energie binnen
dan op plaatsen waar het zonlicht langs het
aardoppervlak scheert, zoals in de poolstreken.
Binnenkomende straling:
De zon levert energie (kortgovige
straling).
Uitgaande straling: De
aarde straalt zelf
warmte uit (langgolvige
straling)
Op een
andere geografische breedte verwarmt een bundel
zonnestralen met dezelfde doorsnede een deel van het
aardoppervlak dat veel groter is; per vierkante meter
komt er daardoor minder zonnewarmte binnen. Naarmate de
breedte toeneemt, wordt het te verwarmen aardoppervlak
groter. Aan de polen komt zelfs helemaal geen
zonnewarmte binnen. Naast de
warmtewinst door instraling van de zon speelt het
warmteverlies door de uitstraling van het aardoppervlak
en de atmosfeer een rol bij het uiteindelijk
temperatuurverschil dat zich instelt tussen pool en
evenaar. Als de zon niet schijnt, - 's nachts dus, maar
aan de polen ook 'overdag', - treedt er door die
zogeheten nachtelijke uitstraling afkoeling op.
De
verschillen tussen evenaar en pool in de aardse
straling, zoals de uitstraling vaak genoemd wordt, zijn
minder groot dan de verschillen in invallende
zonnestraling. Dat komt doordat de aardse straling
evenredig is met de vierde macht van de absolute
temperatuur, waarvan de waarde in K (Kelvin; de
temperatuur in Kelvin = temperatuur in graden C +273,1)
bij een temperatuurverschil van 30 graden C slechts
ongeveer 10% varieert. In de gebieden
die zich ruwweg ten noorden van 60 graden NB en ten zuiden van
60 graden ZB bevinden, is de dagelijkse uitstraling groter dan
de instraling, zodat in de poolstreken de aarde en de lucht
erboven voortdurend verder afkoelen. In het gebied van de tropen
is er een stralingsoverschot en dus opwarming.
Binnenkomende
zonnestraling, gemiddeld per maand.
Uitgaande langgolvige
straling, gemiddeld per maand.
Verschil
tussen binnenkomende en uitgaande straling, gem. maand.
Gemiddelde temperatuur per maand.
2.3 Een
evenwichtssysteem Om te begrijpen wat de gevolgen zijn van het
temperatuurverschil tussen pool en evenaar, bekijken we
het proefje van de figuur hieronder (links):
Stroming in
vloeistof door verwarming
Een eencellige circulatie zoals hier
afgebeeld, wordt op aarde níet waargenomen.
Een gasvlam verwarmt het rechterdeel van een bak met
water, waardoor de temperatuur rechts
onderin
hoger is dan elders in de bak. Het warme water stijgt
op; kouder en daardoor 'zwaarder' water, schuift onder
het warmere water en er ontstaat een stroming. In de
praktijk blijkt lucht in de atmosfeer vergelijkbaar
gedrag te vertonen; dat komt doordat bij lucht de
dichtheid op een zelfde manier van de temperatuur
afhangt als bij water. Denk bijvoorbeeld maar aan de
opstijgende warme lucht boven een warme kachel of
radiator.
Wanneer we dit doortrekken naar de atmosfeer, dan
verwachten we de volgende situatie:
- aan de evenaar opstijgende lucht,
- aan de pool dalende lucht,
- aan het aardoppervlak een luchtstroming rechtstreeks
van pool naar evenaar en
- in de bovenlucht een luchtbeweging van evenaar naar
pool. (zie fig. boven).
In dat geval zouden er op het noordelijk halfrond
uitsluitend noordenwinden waaien. Uit onze dagelijkse
ervaring weten we dat dit niet het geval is. Door
rekening te houden met de draaiing van de aarde kunnen
we de werkelijkheid wat beter benaderen.
2.4 De
draaiing van de aarde
Zoals bekend draait de aarde in 24 uur eenmaal om haar
eigen as. Bij het beschrijven van de luchtstromingen in
de vorige paragraaf hebben we daarmee geen rekening
gehouden. Terwijl
de 'noordenwind' uit de vorige paragraaf van de Noorse
westkust onderweg is naar De Bilt, verplaatst De Bilt
zich met de van west naar oost draaiende aarde mee naar
een plek die eerst nog in Oost-Polen of Wit-Rusland lag.
De wind
in die gebieden is volgens de redenering uit de vorige
paragraaf afkomstig uit Finland, dat ten noordoosten van
Nederland ligt. Op het noordelijk halfrond van een
draaiende aarde is de wind dus niet noord, maar
noordoost; de luchtstroming heeft als het ware een
afbuiging ondergaan naar rechts. Het is
alsof er een kracht naar rechts aan het werk is; deze
zogeheten 'schijnkracht' staat bekend als Corioliskracht
of afbuigende kracht van de aardrotatie (zie verder
hoofdstuk 5).
Een
dergelijke eencellige circulatie wordt Hadley-circulatie
genoemd. Hadley
was de eerste die een 'model' maakte van de
luchtstromingen in de atmosfeer, rekening houdend met
temperatuurverschillen tussen evenaar en pool en de
draaiing van de aarde.
In de
praktijk gaat het Hadley-circulatiemodel niet op voor
het noordelijk halfrond als geheel. Nederland en andere
locaties op gematigde breedten bevinden zich namelijk in
een 'gordel van westenwinden' (zie figuur hieronder). In de
overige gebieden op aarde is de overeenkomst tussen
model en werkelijkheid aanzienlijk beter. Met name voor
wat betreft de passaatwinden (tussen de subtropen en de
evenaar) voldoet het model goed: we hebben dan een
temperatuurverschil tussen de tropen en subtropen dat
onder invloed van de draaiing van de aarde aanleiding
geeft tot een noordoostelijke luchtbeweging: de
noordoostpassaat.
De straalstromen.
Op de gematigde breedten
bevindt zich een zone
met westenwinden. Bij de
evenaar vind je de
noordoostpassaat
(noordelijk halfrond) en
de zuidoost-passaat. Aan
de poolzijde van de
gordels met westenwinden
is de wind eveneens
oostelijk
Een
eencellige circulatie zoals hier afgebeeld, wordt op
aarde níet waargenomen.
De circulatiecel tussen
subtropen en evenaar, waarvan de
passaatwinden deel uitmaken,
wordt nog steeds aangeduid als
hadleycel. Ook in de buurt van
de pool gaat het model op, zodat
er twee cellen zijn die vanuit
de voorgaande theorie begrepen
kunnen worden. De
tussenliggende, in de
waarnemingen minder duidelijk
terug te vinden, cel met
overheersend westenwinden
gedraagt zich echter anders;
hij wordt ferrelcel genoemd.
William Ferrel beschreef in 1856 als
eerste een circulatiemodel voor een
draaiende aarde met aan weerszijden van
de evenaar drie afzonderlijke cellen,
zoals afgebeld in bijgaande figuren. In
de figuren is ook te zien dat aan de
evenaar de noordoostpassaat van het
noordelijk halfrond en de
zuidoostpassaat van het zuidelijk
halfrond samenkomen; men spreekt van de
intertopische convergentiezone (ITCZ).
de samenstromende lucht wordt gedwongen
op te stijgen, wat gewoonlijk aanleiding
geeft tot talrijke onweersbuien.
2.5 Beperkingen van het model
Er zijn verscheidene oorzaken te bedenken waarom de
werkelijkheid toch ingewikkelder is dan het model uit de
voorgaande paragrafen suggereert.
1. De aarde heeft geen homogeen oppervlak, maar kent
landoppervlakken en wateropppevlakken, die zich heel anders
gedragen.
Landoppervlakken kunnen bijvoorbeeld bestaan uit bij zonnig
weer snel in temperatuur veranderende zand en rotsbodems of
worden gekenmerkt doorluchtstromingen afremmende bossen en
gebergten. Wateroppervlakken warmen slechts langzaam op
en
koelen traag af; ze veroorzaken minder wrijving dan het land..
2. De aardas staat scheef, het equatorvlak van de aarde maakt
een hoek van 23,5 graad met het vlak van draaiing rond de zon,
het eclipticavlak. Hierdoor ontstaan de seizoenen, waarbij
beurtelings het noordelijk en zuidelijk halfrond meer wordt
verwarmd,
hetgeen van zeer grote invloed is op de algemene circulatie.
3. De verticale afmetingen van het gedeelte van de atmosfeer
waarin de circulatie plaatsvindt (zeg ongeveer 12 km vanaf het
aardoppervlak) zijn te klein ten opzichte van de horizontale
afmetingen (ongeveer 10 000 km tussen evenaar en pool) om een
'mooie', eencellige circulatie toe te laten.
4. De uniforme oostenwinden zouden de draaiing van de aarde
steeds verder afremmen; een effect dat in de praktijk niet wordt
waargenomen. We concluderen dat de circulatie, zoals die door ons gemeten kan
worden een driecellige circulatie is en dat
een groot aantal factoren een rol blijkt te spelen.
2.6 De
algemene circulatie
In het voorgaande zagen we dat temperatuurverschillen
tussen evenaar en pool de lucht in de dampkring op een
zodanige manier in beweging brengen dat de
temperatuurtegenstellingen afvlakken. Dit systeem van
luchtstromingen wordt de algemene circulatie genoemd. Ze
omvat de grootschalige luchtbewegingen, de passaten, de
sterke westelijke winden op enige hoogte op gematigde
breedten, ook wel bekend als straalstroom, depressies
die in de straalstromen worden meegevoerd en allerlei
andere weersystemen. De motor achter de algemene
circulatie is de zon, die de door ongelijke opwarming
van het aardoppervlak alles in gang zet. Zonder algemene
circulatie zouden de tegenstellingen tussen polen en
evenaar zich verscherpen; het deel van het aardoppervlak
dat geschikt is voor menselijke bewoning zou zonder de
algemene circulatie veel kleiner zijn.
Algemene circulatie
(aarde draait niet, geen
corioliseffect
Algemene circulatie
(draaiende aarde; met
corioliseffect)
De
diagrammen waarin de algemene circulatie werd weergeven,
zijn uiteraard schematisch. Onderstaande figuren geven
maandgemiddelden van de luchtdrukvedeling en het
circulatiepatroon voor januari en juni.
Het
beeld is grilliger dan de eerder getoonde schema's, maar
toch al weer gelijkmatiger dan op een dagelijkse
weerkaart, zoals we later zullen zien. Voor de
dagelijkse weersverwachting werkt men onder andere met
een indeling circulatietypen die gebaseerd is op de
luchtstroming boven een kleiner gebied, namelijk het
Europese vasteland en het aansluitend gedeelte van de
Atlantische Oceaan; deze komt aan bod in
hoofdstuk 11.
De
algemene circulatie zoals deze in werkelijkheid wordt
waargenomen in januari (boven) en juli (onder). Het
patroon is grilliger dan in de schema's, maar
gelijkmatiger dan in de dagelijkse weerkaarten.
