Күннің атмосфералық динамикаға әсері
Күн - Жердің негізгі энергия көзі. Ауа райы мен климаттық процестердің барлығы дерлік - бұлттардың пайда болуынан, жаңбыр мен желден бастап, жаһандық ауа айналымына дейін - Жер беті мен атмосферасы қабылдайтын күн энергиясының таралуы мен өзгеруіне негізделген. Бұл энергия әртүрлі физикалық механизмдер арқылы сіңіріліп, шағылысып, тасымалданған кезде атмосфера үздіксіз қозғалыстағы «машинаға» айналады. Бұл мақалада Күннің күнделікті, маусымдық және ұзақ мерзімді ауқымда атмосфералық динамикаға қалай әсер ететіні қарастырылады.
1. Күн радиациясы атмосфераның негізгі қозғаушы күші ретінде
Күн энергиясы Жерге қысқа толқынды сәулелену түрінде, негізінен көрінетін және ультракүлгін диапазондарда жетеді. Бұл сәулеленудің бір бөлігі бұлттармен, аэрозольдермен және мұз сияқты жарқын беттермен ғарышқа қайта шағылысады (бұл шағылысу процесі альбедомен байланысты). Қалған бөлігі құрлық беттерімен, мұхиттармен және атмосфераның белгілі бір компоненттерімен сіңіріліп, жылуға айналады.
Күн радиациясынан жылыну біркелкі емес. Жердің пішіні сфералық, сондықтан тропикалық аймақтар жоғары ендіктерге қарағанда көбірек радиация алады. Сонымен қатар, Жер осінің көлбеуі маусымдық ауытқуларды тудырады: жазда бір жарты шар көбірек энергия алады, ал екіншісі аз алады. Жылудағы бұл теңгерімсіздік атмосфералық қозғалысты күшейтеді: жылы ауа көтерілуге, салқын ауа бату үрдісіне ие, ал қысым айырмашылықтары желдің пайда болуына әкеледі.
2. Дифференциалды қыздыру және қысым градиентінің қалыптасуы
Атмосфералық динамиканың негізгі ұғымдарының бірі - қысым градиенті (аймақтар арасындағы қысым айырмашылығы). Аймақ жылынған кезде ауа кеңейеді, оның тығыздығы төмендейді және берілген биіктіктегі қысым өзгеруі мүмкін. Құрлық пен теңіз арасындағы, тропик пен полюстер арасындағы немесе күн мен түн арасындағы жылудың бұл айырмашылығы ауа ағынын басқаратын қысым градиентін жасайды. Жел - бұл айырмашылықтарды «теңестіруге» атмосфераның жауабы.
Жағалаудағы аймақтарда айқын мысал келтіріледі: күндіз құрлық теңізге қарағанда тезірек қызады, бұл құрлық үстіндегі ауаның көтерілуіне және салыстырмалы қысымның төмендеуіне әкеледі. Теңізден салқын ауа құрлыққа қарай жылжиды, теңіз самалын құрайды. Түнде құрлық тезірек салқындайды, салыстырмалы қысым артады және жел құрлықтан теңізге ауысады (құрлық самалы). Бұл күнделікті цикл күн радиациясының өзгеруі жергілікті ауа динамикасын қалай реттейтінінің қарапайым мысалы болып табылады.
3. Әлемдік айналым: Hadley, Ferrel және Polar жасушалары
Әлемдік ауқымда тропик пен полюстер арасындағы энергия теңгерімсіздігі негізгі айналым жүйесін жасайды. Экватордың айналасындағы жылы ауа көтеріліп, төмен қысымды және қарқынды конвекция аймақтарын қалыптастырады. Бұл көтерілетін ауа тропосфераның жоғарғы ендіктеріндегі жоғары ендіктерге жылжиды, салқындайды және екі жарты шарда да шамамен 30° ендікке төмендейді. Бұл үлгі Хадли жасушасы деп аталады.
Орта ендіктерде дауыл жүйелерінің және реактивті ағынмен өзара әрекеттесуінің әсерінен күрделірек Ferrel жасушасы бар. Жоғары ендіктерде Поляр жасушасы суық ауа полярлық аймақтарға түсіп, бетіне жақын төменгі ендіктерге қарай жылжып, содан кейін полярлық фронтта жылы ауамен кездескенде пайда болады.
Тропикте күннің полюстерге қарағанда көбірек энергиясы болмаса, бұл жаһандық айналым біз білетіндей болмас еді. Бұл жүйе жаһандық жауын-шашынның таралуының негізін де құрайды: экваторлық аймақтар ылғалды және жаңбырлы болады, ал 30° ендік айналасындағы аймақтар көбінесе құрғақ болады (бұл аймақта көптеген ірі шөлдер орналасқан).
4. Жердің айналуының рөлі және Кориолис эффектісі
Күн температура мен қысымның айырмашылығын тудырады, бірақ нәтижесінде пайда болған жел үлгілері жоғарыдан төмен қысымға түзу сызықпен ауыспайды. Жердің айналуы Кориолис эффектісін тудырады, ол ауа массаларын солтүстік жарты шарда оңға, ал оңтүстік жарты шарда солға ығыстырады. Бұл тропикте пассат желдерінің, орта ендіктерде батыс желдерінің және жоғарғы атмосферада ағынды желдердің пайда болуына әкеледі.
Реактивті ағындар атмосфералық динамика үшін өте маңызды, себебі олар дауыл жолдарын бағыттайды және төмен және жоғары қысымды жүйелердің қозғалысына әсер етеді. Кориолис эффектісі Жердің айналуынан туындағанымен, реактивті ағындардың күші мен орналасуы температура градиенттерімен тығыз байланысты, олар сайып келгенде күн энергиясының таралуымен анықталады.
5. Су буы, бұлттар және жасырын жылу бөлінуі
Күн энергиясымен жылыту гидрологиялық циклді де басқарады. Мұхиттар мен ылғалды беттер энергияны сіңірген кезде су буланып кетеді. Көтеріліп жатқан су буы конденсацияланып, бұлттар мен жаңбыр түзеді. Бұл конденсация процесі атмосфераға жасырын жылуды бөліп шығарады, конвекцияны күшейтеді және дауылдың пайда болуына себеп болуы мүмкін.
Тропикте Күн энергиясының көп бөлігі булануға жұмсалады, содан кейін жауын-шашын кезінде жасырын жылу ретінде бөлінеді. Тропикалық дауылдар мен үлкен конвективті жүйелердің соншалықты күшті болуының бір себебі осы: Күн жүйені жылы мұхиттар арқылы «зарядтайды», ал атмосфера конденсация кезінде энергияны «қайтарады».
Бұлттар екі жақты рөл атқарады: олар күн радиациясын шағылыстырады, осылайша бетін салқындатады және бетінен инфрақызыл сәулеленуді ұстап қалады, осылайша атмосфераны жылытады (парниктік эффект). Бұл өзара әрекеттесу Күннің атмосфераға әсерін күрделендіреді, себебі бұлттар түріне, биіктігіне және қалыңдығына байланысты жылуды күшейте немесе бәсеңдете алады.
6. Күн энергиясының өзгергіштігі және оның атмосфераға әсері
Жердің геометриясына байланысты күнделікті және маусымдық өзгерістерден басқа, Күннің өзі де энергия шығаруда өзгереді, бірақ салыстырмалы түрде аз. Күн белсенділігі шамамен 11 жылдық циклді ұстанады, бұл күн дақтарының саны мен ультракүлгін сәулелер ағынының өзгеруімен сипатталады. Бұл өзгерістер атмосфераның жоғарғы қабаттарына (стратосфера және термосфера) жер бетіне қарағанда айтарлықтай әсер етуі мүмкін, себебі ультракүлгін сәулелену озон және басқа газдармен жоғары биіктікте жұтылады.
Стратосфералық жылынудағы өзгерістер атмосфералық жел мен толқын үлгілеріне әсер етуі мүмкін, содан кейін олар белгілі бір жағдайларда тропосфераға «тамшылайды». Дегенмен, қазіргі климаттың өзгеруі жағдайында күн энергиясының өзгеруінің ұзақ мерзімді жаһандық жылыну үрдісіне қосқан үлесі антропогендік парниктік газдардың әсерінен аз деп саналады. Соған қарамастан, күн энергиясының өзгеруі табиғи климаттың ауытқулары мен жоғарғы атмосфералық динамиканы түсіну үшін маңызды болып қала береді.
7. Күннің магнитосферамен және ғарыштық ауа райымен өзара әрекеттесуі
Күн тек жарық пен жылуды ғана емес, сонымен қатар Жердің магнитосферасымен әрекеттесетін күн желі мен зарядталған бөлшектерді де шығарады. Геомагниттік дауылдар сияқты оқиғалар ионосфераға, радиобайланысқа, спутниктік навигацияға және жер бетіндегі индукцияланған электр токтарына әсер етуі мүмкін. Олардың тропосферадағы күнделікті ауа райына әсері жанама және күрделі зерттеу саласы болып қала берсе де, олардың жоғарғы атмосфера динамикасына әсері айқын.
Геомагниттік белсенділік кезінде термосферадағы қыздыру жоғарғы атмосфераның тығыздығын өзгертуі мүмкін, бұл спутниктік кедергіге әсер етеді. Бұл «атмосфералық динамика» тек жер бетіндегі ауа райына ғана емес, сонымен қатар атмосфераның жоғары қабаттарындағы жағдайларға да қатысты екенін көрсетеді.
8. Кесімпулан
Атмосфералық динамика - бұл негізінен Жердің ауа жүйесінің күн энергиясына реакциясы. Жылу теңгерімсіздігі қысым градиенттерін тудырады, жел мен жаһандық айналымды тудырады, конвекцияны күшейтеді, су айналымын басқарады және бұлт пен дауылдың пайда болуына әсер етеді. Жердің айналуы ауа ағынын бұрып, жел үлгілерін күрделендіреді, ал күн белсенділігінің өзгеруі атмосфералық жағдайларды, әсіресе атмосфераның жоғарғы қабаттарында, модуляциялайды.
Күннің атмосфераға әсерін түсіну бізге ауа райының заңдылықтарын оқуға, климаттың өзгеруін түсіндіруге және тіпті ғарыштық ауа райының заманауи технологияларға әсеріне дайындалуға көмектеседі. Басқаша айтқанда, жел, жаңбыр және дауылдар туралы айтқан кезде, біз атмосфераның күн сайын Жерге түсетін күн энергиясын қалай «өңдейтінін» талқылаймыз.
