Część A: Wzorce cyrkulacji planetarnej

Przeglądanie atmosfery przez chmury

×

Wizualizacja modelu Ziemi przedstawiająca chmury z symulacji z wykorzystaniem modelu Goddard Earth Observing System (GEOS), Version 5.
Źródło: NASA

Przez większość dni atmosfera jest przezroczysta i trudno ją dostrzec gołym okiem. Jednak od czasu do czasu chmury, pył, mgła lub dym pozwalają nam zobaczyć ruch powietrza wokół nas. Rozpocznijcie to laboratorium od obejrzenia animacji wideo zatytułowanej „GEOS 5 modeluje chmury”, do której link znajduje się poniżej. Oglądając ten krótki filmik, zastanów się nad poniższymi pytaniami dotyczącymi chmur i tego, jak pomagają nam one lepiej widzieć i rozumieć atmosferę. (Uwaga: może być konieczne obejrzenie filmu kilka razy, aby zobaczyć wszystkie szczegóły.)

• Gdzie są chmury?
• Dlaczego się poruszają?
• Czy są obszary bez chmur?
• Czy są obszary ekstremalnych chmur?
• Czy chmury poruszają się na wschód i zachód, północ i południe?
• Jakie inne wzorce ruchu obserwujesz?
• Jak chmury pozwalają nam zobaczyć wiatr?

Wideo dzięki uprzejmości NASA/Goddard Space Flight Center.

Skale pogody i klimatu

Atmosfera jest jednym połączonym systemem. Dla wygody badania, naukowcy dzielą cyrkulację atmosferyczną i wzorce pogodowe na kategorie w oparciu o ich wielkość i czas trwania. Ogólnie rzecz biorąc, mniejsze, lokalne wydarzenia pogodowe mają najkrótszą żywotność, podczas gdy wzory w skali globalnej mogą utrzymywać się przez tygodnie lub miesiące. W tym badaniu, zaczniesz od zbadania największej skali, skali planetarnej lub globalnej, a następnie przejdziesz do najmniejszej skali – tej, która ma miejsce w twoim własnym sąsiedztwie, na podwórku szkolnym lub w parku.

×

Źródło wykresu skali czasowej: Weather Studies: Introduction to Atmospheric Science, by Joseph Moran.

1. Ściągnij i wydrukuj mapę oraz wykres organizacyjny, do których odnośniki znajdują się poniżej. W trakcie czytania, użyj mapy i wykresu, którego próbka znajduje się na zdjęciu po prawej stronie, aby zapisać swoje uwagi na temat skali czasowej i przestrzennej pogody i klimatu w całym Lab 3. Wersja do druku skal pogodowych i klimatycznych (Acrobat (PDF) 51kB Apr4 12) w (PDF).
2. Dostęp i wydrukuj mapę World: Climates z kolekcji map świata Education Place (link niedostępny).
3. Użyj kolorowych kredek, aby zapisać lokalizacje globalnych i kontynentalnych czynników wpływających na klimat na mapie World: Climates map.

Wprowadzenie do Moving Heat Interactive

Jak dowiedzieliście się w Laboratorium 2, większość przychodzącego promieniowania słonecznego nie jest bezpośrednio absorbowana przez atmosferę, ale przez powierzchnie Ziemi, włączając w to zarówno lądy jak i oceany. Atmosfera jest więc w dużej mierze ogrzewana pośrednio przez promieniowanie długofalowe emitowane z powierzchni Ziemi. Atmosfera zachowuje się jak płyn gazowy, w którym tworzą się komórki konwekcyjne. Komórki te przenoszą energię cieplną i wilgoć z jednego miejsca do drugiego. W tym laboratorium zbadacie globalne wzorce cyrkulacji w oceanie i atmosferze. Oceany i atmosfera łączą siły, aby przemieszczać materię i energię na całym świecie.

Zacznij tę część laboratorium od poznania cech interaktywnego narzędzia Moving Heat, poniżej. W tej interaktywnej części będziesz badać animacje, grafiki i krótkie filmy wideo stworzone na podstawie danych satelitarnych NASA. Podczas badania będziesz szukał sposobów, w jakie ocean i atmosfera łączą się w celu przemieszczania wilgoci i energii cieplnej na całym świecie. Poświęć kilka minut na poznanie przycisków i warstw tego interaktywnego narzędzia do nauki. Po zakończeniu badania kliknij przycisk Przepływ powietrza, aby powrócić do ekranu początkowego.

*Ten film zastępuje interaktywny film Flash

Kierownicy globalnej pogody i klimatu

W tej części, zostaniesz wprowadzony do każdego z głównych dyrektorów globalnego klimatu i pogody. Zrób notatki na temat każdego „dyrektora” w swoim notatniku lub na karcie organizacyjnej, która znajduje się na początku laboratorium.

Globalne komórki cyrkulacji atmosferycznej

Nierównomierne ogrzewanie powierzchni Ziemi przez Słońce napędza ruchy atmosfery, które odczuwamy jako wiatr. Wokół Ziemi znajdują się trzy główne komórki konwekcyjne znane jako: Hadley, Ferrel i komórki cyrkulacji polarnej. Na poziomie globalnym, pomagają one wyrównać napływające na Ziemię promieniowanie słoneczne poprzez transport nadmiaru energii termicznej (ciepła) z regionów równikowych do biegunów.

Włącz i obejrzyj komórki cyrkulacyjne (kliknij przycisk pokaż pod Komórki cyrkulacyjne), zwróć uwagę jak te komórki pracują zgodnie, aby przemieszczać powietrze i ciepło z dala od równika w kierunku regionów polarnych. Źródłem energii wykorzystywanej do napędzania tych prądów powietrznych jest przychodzące promieniowanie słoneczne. Proces ten można podzielić na następujące etapy, zaczynając od równika.

• Pierwsze, promieniowanie słoneczne ogrzewa powierzchnię Ziemi, która następnie ogrzewa atmosferę.
• Ogrzana paczka powietrza, wyimaginowany odcinek powietrza staje się mniej gęsty i zaczyna się unosić.
• Ogrzane przez Słońce powietrze porusza się w górę, z dala od powierzchni Ziemi, inicjując komórkę konwekcyjną. Być może widziałeś ptaki (lub paralotniarzy) używających lokalnych wersji tego typu „termali”, aby poruszać się bez wysiłku w górę po niebie z niewielkim lub żadnym widocznym ruchem skrzydeł.
• Paczka powietrza chłodzi się w miarę wznoszenia, uwalniając utajone (zmagazynowane) ciepło i wilgoć, tworząc chmury.
• Kiedy paczka powietrza osiąga krawędź troposfery, około 10 kilometrów nad Ziemią, skręca i zaczyna rozprzestrzeniać się w kierunku biegunów.
• Na około 30˚ szerokości geograficznej powietrze zaczyna opadać, lub ustępować. To zapadanie się ma miejsce, ponieważ powietrze stało się chłodniejsze i gęstsze. Zatapiająca się paczka powietrza jest bardziej sucha, ponieważ uwolniła swoją wilgoć, gdy wznosiła się w pobliżu równika.
• Jak cykl konwekcyjny powietrza powraca na ziemię, ogrzewa się i wysusza z powodu kompresji, tworząc obszary wysokiego ciśnienia. Każdy cykl jest zakończony, gdy powietrze powraca do punktu wyjścia i ponownie się wznosi.

Wiatry i ciśnienie

Użyj interaktywnego narzędzia Moving Heat do zbadania zależności pomiędzy wiatrami i ciśnieniem. Zapisz swoje obserwacje w notatniku lub na wykresie i mapie, które znajdują się w linku powyżej.

1. Kliknij przycisk, aby wyświetlić wykres Wiatry & Ciśnienie z włączonymi komórkami cyrkulacji. Zwróć uwagę, gdzie układy wysokiego (H) i niskiego (L) ciśnienia znajdują się w stosunku do komórek cyrkulacyjnych. Tam, gdzie powietrze się wznosi, ciśnienie jest niskie, a tam, gdzie opada, jest wysokie. Uwaga: ciśnienie nad równikiem jest również niskie.
2. Ukryj komórki cyrkulacyjne i systemy ciśnienia. Następnie kliknij przycisk Tylko wiatry, aby obserwować przepływ głównych wiatrów globalnych: wiatry handlowe wiatry handlowe: wiatry te wieją ze wschodu na zachód wokół kuli ziemskiej. Są to wiatry powierzchniowe, płynące w dolnej części atmosfery. Znajdują się w szerokościach geograficznych najbliższych równikowi. Wiatry handlowe kierują torami sztormów tropikalnych i przemieszczają duże burze pyłowe z Afryki na Karaiby. Ich położenie, kierunek i trwałość pozwoliły na utworzenie szlaków handlowych na Oceanie Atlantyckim i Spokojnym. i zachodnio-zachodnie: nazwę zawdzięczają swojemu kierunkowi przepływu, z zachodu na wschód. Są to wiatry powierzchniowe, płynące w dolnej części atmosfery. Występują od 30 do 60 stopni szerokości geograficznej północnej i południowej. Kierują burzami w całej Ameryce Północnej. . Pasaty to najtrwalsze wiatry na naszej planecie. Wieją one z tego samego kierunku przez ponad 80 procent czasu! Wiatry zachodnie są ważne dla pogody i klimatu w sąsiednich Stanach Zjednoczonych.
3. Zmień widok Ziemi między temperaturą powierzchni morza (SST) a Blue Marble, aby zbadać związek między tworzeniem się chmur a SST. Zwróć uwagę na wyrównanie chmur i wiatrów wokół równika. Chmury powstały z wilgoci, która wyparowała z oceanu. Poświęć chwilę na powtórzenie animacji GEOS, pokazanej na początku strony, aby potwierdzić tę zależność. Następnie zapisz swoje obserwacje i odpowiedz na poniższe pytania sprawdzające.

Globalne cykle wodne parowania i opadów

1. Kliknij przycisk Odtwórz animacje, aby obejrzeć cztery animacje zdjęć satelitarnych NASA. Przeczytaj tekst nad każdą animacją, aby uzyskać opis danych, które są wyświetlane. (Uwaga: Kontroler wideo znajduje się pod obrazem.) W miarę odtwarzania filmu, okres czasu jest wyświetlany w dniach, abyś mógł zorientować się w szybkości ruchu prądów powietrznych i oceanicznych. Zwróć uwagę na przestrzenne (w przestrzeni) i czasowe (w czasie) wzorce ruchu. W którą stronę poruszają się prądy wodne i powietrzne? Jak dowiedziałeś się w Laboratorium 2A, laboratorium cyklu wodnego, na Ziemi woda generalnie paruje z oceanu, przemieszcza się z prądami powietrznymi i pada deszcz lub śnieg na lądzie.
2. Użyj przycisków Nakładanie i Porównanie, aby poszukać zależności między zestawami danych. Przeczytaj tekst nad animacjami opisujący, co jest odtwarzane w animacji. Może być konieczne odtworzenie tych filmów kilka razy, aby zobaczyć wszystkie szczegóły.

Jak widziałeś w kilku przykładach, wiatry i prądy oceaniczne przenoszą więcej niż tylko ciepło, transportują również znaczne ilości wilgoci na całym świecie. Przeanalizuj obraz po lewej stronie. (Kliknij aby powiększyć obraz w nowym oknie.)

3. Zwróć uwagę na związek pomiędzy schematami cyrkulacji powietrza a suchymi i wilgotnymi regionami. Zwróć uwagę na symetryczne pasmo występowania obszarów mokrych i suchych wokół Ziemi. Oglądając obraz, odpowiedz na poniższe pytania sprawdzające.

Jet Streams

Jet Streams to obszary szybko poruszających się rzek powietrza, które okrążają Ziemię. Mogą one osiągać prędkości ponad 160 km na godzinę (100 mph). Znajdują się na granicach komórek Hadleya, Ferrela i Polarnych, opisanych powyżej. Wpływają na ruch większych mas powietrza, które zalegają nad kontynentami i oceanami. Strumienie odrzutowe znajdują się od 6 do 15 kilometrów nad powierzchnią Ziemi, na granicy troposfery i stratosfery. Podążają one za meandrującymi granicami pomiędzy masami powietrza polarnego i średniego. Polarny Prąd Odrzutowy, który przepływa nad Ameryką Północną, jest zazwyczaj silniejszy w Stanach Zjednoczonych w miesiącach zimowych. Kieruje on tak znanymi zimowymi zjawiskami pogodowymi jak „Alberta Clipper” i „Wir Polarny” nad Wielkimi Jeziorami i Nową Anglią. Z reguły, gdy Polarny Prąd Odrzutowy znajduje się na południe od Twojej lokalizacji, pogoda jest stosunkowo zimna.

Kliknij ten link, aby wyświetlić mapę dzisiejszych Prądów Odrzutowych w lokalizacji globu. Na kuli ziemskiej należy szukać regionu najszybszego przepływu powietrza, oznaczonego kolorem czerwonym. Informacje o danych można znaleźć, klikając słowo „ziemia” poniżej grafiki. Obejrzyj globus, aby zobaczyć, jak Jet Streams meandrują w czasie. Zapisz swoje obserwacje dotyczące ogólnego położenia Jet Streamów na wydrukowanej mapie świata.

Thermohaline Ocean Circulation Patterns

Wiatry i sztormy łączą się, aby przenieść większość ciepła wokół Ziemi. Według naukowców z Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych (NCAR), 78% transportu ciepła w kierunku biegunów na półkuli północnej i 92% na półkuli południowej jest spowodowane procesami atmosferycznymi. Aby to zrozumieć, zastanówmy się na przykład, ile energii słonecznej potrzeba było do napędzania obiegu wody w laboratorium 2A. Gdy woda zmieniała stan skupienia z ciekłego na gazowy, energia była pochłaniana, tworząc „chmurę” pary wodnej. W atmosferze chmury są transporterami zarówno wilgoci, jak i energii cieplnej.

×

Schemat cyrkulacji termohalinowej. Źródło: NOAA

Prądy oceaniczne transportują pozostałą część ciepła. Prądy te obejmują zarówno prądy powierzchniowe, czyli napędzane wiatrem, jak i prądy termohalinowe (thermo=ciepło; haline=sól) lub prądy gęstościowe. Prosty schemat tych prądów pokazano na rysunku po lewej. Szacuje się, że woda w tych prądach może potrzebować tysiąca lub więcej lat, aby okrążyć kulę ziemską! Obejrzyj krótki film z Narodowej Fundacji Nauki (NSF), aby dowiedzieć się więcej o tym ważnym globalnym przenośniku ciepła. Podczas oglądania zaobserwuj, jak ciepło jest rozprowadzane po świecie przez prądy oceaniczne. o obejrzeniu filmu odpowiedz na poniższe pytania sprawdzające. (Uwaga: kliknij strzałkę, poniżej ekranu obrazu, aby rozpocząć film.) Earth’s Heat Balance jest jednym z serii filmów na Science 360.

Checking In

Zgodnie z filmem:

• Jaka część Ziemi otrzymuje najwięcej energii słonecznej (insolacji) przez cały rok?

Tropiki.

Globalne wzorce opadów i temperatury łączą się z innymi regionalnymi i lokalnymi wpływami, takimi jak geografia, aby określić klimat danego obszaru, a ostatecznie wzorce wegetacji. W laboratorium 4: Wzorce klimatyczne i życie, dokładniej zbadamy wpływ klimatu na przestrzenne rozmieszczenie życia roślin i zwierząt.

Opcjonalne rozszerzenia

Aplikacja MeteoEarth na iPada i tablety z systemem Android, to zabawny sposób na zbadanie zależności pomiędzy czynnikami pogodowymi, takimi jak układy ciśnienia i wzorce wiatru.
Ciekawi Cię ostatnie lub historyczne wzorce pogodowe? Sprawdź tę niesamowitą stronę Climate Reanalyzer, aby zobaczyć wiele fascynujących map w skali od globalnej do regionalnej.

Ta zawartość jest dostępna tylko w formacie flash.
Proszę zapoznać się z instrukcjami dotyczącymi włączania Flasha w przeglądarce internetowej.

.