HOOFDSTUK 2 
ALGEMENE CIRCULATIE


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.

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 temperatuur-verschillen en temperatuur-veranderingen zijn een gevolg van verschillen in hoeveelheid invallende zonnestraling die kan worden benut. Een tweede oorzaak van temperatuur-verschillen 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.

Figuur: 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





















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'.

Warme evenaar, koude polen


Figuur: 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.










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.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 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, - n's nachts dus, maar aan de polen ook 'overdag', - treedt er door die zogeheten achtelijke uitstraling afkoeling op. 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.

Figuur: Verschil tussen binnenkomende zonne-straling en uitgezonden warmte-straling.Oranje, rood en vooral paars duiden op het binnenkomen van meer warmte dan er weggaat; bij groen en blauw komt er minder warmte binnen dan er wordt uitgezonden.









Binnenkomende zonnestraling gemiddeld per maand

Verschil tussen binnenkomende en uitgaande straling gemiddeld per maand

Uitgaande langgolvige straling, gemiddeld per maand

Gemiddelde temperatuur per maand
 


Een evenwichtssysteem

Stroming in vloeistof door verwarming

Om te begrijpen wat de gevolgen zijn van het temperatuurverschil tussen pool en evenaar, bekijken we het proefje van de figuur hiernaast.

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. onder).

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.

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.


Een eencellige circulatie zoals hier afgebeeld, wordt op aarde níet waargenomen


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. 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 onder). 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 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 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.


Op de gematigde breedten bevindt zich een zone met westenwinden. Bij de evenaar vind je de noordoostpassaat (noordelijk halfrond) en de zuidoostpassaat. Aan de poolzijde van de gordels met westenwinden is de wind eveneens oostelijk




















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.

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.

De diagrammen waarin de algemene circulatie werd weergeven, zijn uiteraard schematisch. Onderstaande figuren geven maandgemiddelden van de luchtdruk-verdeling 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.