الدوران الجوي

كان نمط دوران الغلاف الجوي الذي وصفه جورج هادلي محاولةً لتفسير الرياح التجارية . خلية هادلي عبارة عن حلقة دوران مغلقة تبدأ من خط الاستواء. هناك، يسخن الهواء الرطب بفعل سطح الأرض، فيقلّ تركيزه ويرتفع. وتجبر كتلة هوائية مماثلة ترتفع على الجانب الآخر من خط الاستواء تلك الكتل الهوائية الصاعدة على التحرك نحو القطبين. يُنشئ الهواء الصاعد منطقة ضغط منخفض بالقرب من خط الاستواء. ومع تحرك الهواء نحو القطبين، يبرد، ويزداد تركيزه، ويهبط عند خط العرض 30 تقريبًا ، مُنشئًا منطقة ضغط مرتفع . ثم ينتقل الهواء الهابط نحو خط الاستواء على طول السطح، ليحل محل الهواء الذي صعد من المنطقة الاستوائية، مُغلقًا بذلك حلقة خلية هادلي. ^{[ 3 ]}

ينحرف مسار الهواء المتجه نحو القطب في الجزء العلوي من طبقة التروبوسفير باتجاه الشرق، نتيجةً لتسارع كوريوليس . أما على مستوى سطح الأرض، فينحرف مسار الهواء المتجه نحو خط الاستواء في الجزء السفلي من طبقة التروبوسفير باتجاه الغرب، مما يُنتج رياحًا شرقية. تُسمى الرياح التي تهب غربًا (من الشرق، الرياح الشرقية) على مستوى سطح الأرض في خلية هادلي بالرياح التجارية.

على الرغم من أن خلية هادلي تُوصف بأنها تقع عند خط الاستواء، إلا أنها تتحرك شمالًا في يونيو ويوليو وجنوبًا في ديسمبر ويناير، نتيجةً لتسخين الشمس لسطح الأرض. تُسمى المنطقة التي يحدث فيها أكبر قدر من التسخين " خط الاستواء الحراري ". وبما أن فصل الصيف في نصف الكرة الجنوبي يمتد من ديسمبر إلى مارس، فإن حركة خط الاستواء الحراري نحو خطوط العرض الجنوبية الأعلى تحدث خلال هذه الفترة.

يُعد نظام هادلي مثالاً على الدوران الحراري المباشر. تُقدّر قدرة نظام هادلي، باعتباره محركًا حراريًا، بنحو 200 تيراواط . ^{[ 4 ]}

الخلية القطبية نظام بسيط ذو محركات حمل حراري قوية. على الرغم من برودة وجفاف الكتل الهوائية عند خط العرض 60 مقارنةً بالهواء الاستوائي، إلا أنها لا تزال دافئة ورطبة بما يكفي لحدوث الحمل الحراري وتكوين حلقة حرارية . عند خط العرض 60، يرتفع الهواء إلى التروبوبوز (حوالي 8  كيلومترات عند هذا الخط) ويتجه نحو القطب. أثناء ذلك، تنحرف كتلة الهواء العلوية شرقًا. عندما يصل الهواء إلى المناطق القطبية، يكون قد برد بفعل الإشعاع إلى الفضاء، ويصبح أكثر كثافة بكثير من الهواء الذي تحته. يهبط الهواء، مكونًا منطقة ضغط مرتفع باردة وجافة. عند مستوى سطح القطب، تُدفع كتلة الهواء بعيدًا عن القطب باتجاه خط العرض 60، لتحل محل الهواء الذي ارتفع هناك، وبذلك تكتمل خلية الدوران القطبي. عندما يتحرك الهواء على السطح نحو خط الاستواء، ينحرف غربًا، مرة أخرى نتيجة لتأثير كوريوليس . تُسمى تيارات الهواء على السطح بالرياح القطبية الشرقية، وهي تتدفق من الشمال الشرقي إلى الجنوب الغربي بالقرب من القطب الشمالي ومن الجنوب الشرقي إلى الشمال الغربي بالقرب من القطب الجنوبي.

يُحدث تدفق كتلة الهواء الخارجة من الخلية موجات توافقية في الغلاف الجوي تُعرف بموجات روسبي . تُحدد هذه الموجات فائقة الطول مسار التيار النفاث القطبي ، الذي يسير ضمن المنطقة الانتقالية بين التروبوبوز وخلية فيريل . وباعتبارها بمثابة مُشتت حراري، تنقل الخلية القطبية الحرارة الوفيرة من خط الاستواء نحو المناطق القطبية.

يمكن أن تخلق الخلية القطبية والتضاريس والرياح الكاتاباتية في القارة القطبية الجنوبية ظروفًا شديدة البرودة على السطح، على سبيل المثال أدنى درجة حرارة مسجلة على الأرض : -89.2  درجة مئوية في محطة فوستوك في القارة القطبية الجنوبية، والتي تم قياسها في عام 1983. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

يتجه جزء من الهواء الصاعد عند خط عرض 60° نحو القطبين على ارتفاعات عالية، مُشكلاً الخلية القطبية. أما الجزء المتبقي فيتحرك نحو خط الاستواء، حيث يصطدم عند خط عرض 30° بالهواء العلوي لخلية هادلي. هناك، يهبط هذا الهواء، مُعززًا بذلك مرتفعات الضغط الجوي أسفله. ويُستمد جزء كبير من الطاقة المُحركة لخلية فيريل من الخليتين القطبية وهادلي اللتين تدوران على جانبيها، جاذبتين هواء خلية فيريل معهما. ^{[ 8 ]} ولذلك، تُعد خلية فيريل، التي وضعها ويليام فيريل (1817-1891) كنظرية، ظاهرة دوران ثانوية، يعتمد وجودها على خليتي هادلي والقطبية على جانبيها. ويمكن اعتبارها دوامة ناتجة عن هاتين الخليتين.

يعود هواء خلية فيريل، الذي يهبط عند خط عرض 30 درجة، باتجاه القطب عند مستوى سطح الأرض، وينحرف أثناء ذلك نحو الشرق. وفي الغلاف الجوي العلوي لخلية فيريل، ينحرف الهواء المتجه نحو خط الاستواء نحو الغرب. وكلا هذين الانحرافين، كما هو الحال في خليتي هادلي والقطبية، مدفوعان بقانون حفظ الزخم الزاوي. ونتيجة لذلك، وكما توجد الرياح التجارية الشرقية أسفل خلية هادلي، توجد الرياح الغربية أسفل خلية فيريل.

تُعدّ خلية فيريل ضعيفة، لافتقارها إلى مصدر حرارة قوي أو مُستَقبِل قوي، لذا فإن تدفق الهواء ودرجات الحرارة داخلها متغيرة. ولهذا السبب، تُعرف خطوط العرض المتوسطة أحيانًا باسم "منطقة الاختلاط". تُشكّل خليتا هادلي والقطبية حلقات مغلقة تمامًا، بينما خلية فيريل ليست كذلك، ويكمن الفرق الجوهري في الرياح الغربية، التي تُعرف رسميًا باسم "الرياح الغربية السائدة". لا يوجد ما يُسيطر على الرياح التجارية الشرقية والرياح الشرقية القطبية، لأن خلايا الدوران الأم لها قوية بما يكفي ولا تواجه سوى القليل من العوائق، سواءً كانت تضاريس وعرة أو مناطق ضغط جوي مرتفع. مع ذلك، يُمكن أن تتعرض الرياح الغربية الأضعف في خلية فيريل للاضطراب. قد يُغيّر مرور جبهة باردة محلية هذا الوضع في غضون دقائق، وهو ما يحدث غالبًا. ونتيجةً لذلك، يُمكن أن تتغير اتجاهات الرياح على السطح فجأة. أما الرياح فوق السطح، حيث تكون أقل تأثرًا بالتضاريس، فهي غربية في الأساس. ستؤدي منطقة ضغط منخفض عند خط عرض 60 درجة تتحرك باتجاه خط الاستواء، أو منطقة ضغط مرتفع عند خط عرض 30 درجة تتحرك باتجاه القطب، إلى تسريع الرياح الغربية في خلية فيريل. وقد تجلب منطقة ضغط مرتفع قوية تتحرك باتجاه القطب رياحًا غربية لعدة أيام.

يعمل نظام فيريل كمضخة حرارية بمعامل أداء يبلغ 12.1، ويستهلك الطاقة الحركية من نظامي هادلي والقطبي بمعدل تقريبي يبلغ 275 تيراواط. ^{[ 4 ]}

تتشابه خلية هادلي والخلية القطبية في كونهما ذات تأثير حراري مباشر؛ أي أنهما تنشأان كنتيجة مباشرة لدرجات حرارة السطح. وتؤثر خصائصهما الحرارية على الطقس في نطاقهما. ويضمن حجم الطاقة الهائل الذي تنقله خلية هادلي، وعمق منطقة امتصاص الحرارة داخل الخلية القطبية، أن الظواهر الجوية العابرة لا يكون لها تأثير يُذكر على النظامين ككل فحسب، بل إنها - باستثناء الظروف الاستثنائية - لا تتشكل أصلاً. أما سلسلة المرتفعات والمنخفضات الجوية المتواصلة، والتي تُعد جزءًا من الحياة اليومية لسكان خطوط العرض المتوسطة، تحت تأثير خلية فيريل عند خطوط العرض بين 30 و60 درجة، فهي غير معروفة فوق خط العرض 60 وتحت خط العرض 30. وهناك بعض الاستثناءات الملحوظة لهذه القاعدة؛ ففي أوروبا، يمتد الطقس غير المستقر إلى خط العرض 70 شمالًا على الأقل .

تُعدّ خلية المحيط الهادئ ذات أهمية بالغة لدرجة أنها سُمّيت بدورة ووكر نسبةً إلى السير جيلبرت ووكر ، مدير المراصد البريطانية في الهند في أوائل القرن العشرين ، والذي سعى إلى إيجاد وسيلة للتنبؤ بموعد انقطاع رياح موسم الرياح الموسمية في الهند. ورغم أنه لم يُوفّق في ذلك، إلا أن عمله قاده إلى اكتشاف صلة بين التغيرات الدورية في الضغط الجوي في المحيط الهندي ، وتلك الموجودة بين شرق وغرب المحيط الهادئ، والتي أطلق عليها اسم " التذبذب الجنوبي ".

تؤثر حركة الهواء في دورة ووكر على الحلقات على جانبيها. في الظروف العادية، يتصرف الطقس كما هو متوقع. ولكن كل بضع سنوات، تصبح فصول الشتاء دافئة أو باردة بشكل غير معتاد، أو يزداد أو ينقص تواتر الأعاصير ، ويستقر هذا النمط لفترة غير محددة.

تلعب خلية ووكر دورًا محوريًا في هذه الظاهرة وفي ظاهرة النينيو . إذا تباطأ النشاط الحراري في غرب المحيط الهادئ لسبب ما (لا يُعرف هذا السبب حاليًا)، فإن مناخ المناطق المجاورة له يتأثر. أولًا، تتوقف الرياح الغربية في الطبقات العليا من الغلاف الجوي، مما يقطع مصدر الهواء البارد العائد الذي كان يهبط عادةً عند خط عرض 30 درجة جنوبًا، وبالتالي يتوقف الهواء العائد على شكل رياح شرقية سطحية. ويترتب على ذلك نتيجتان: أولًا، يتوقف تدفق المياه الدافئة إلى شرق المحيط الهادئ من الغرب (التي تراكمت بفعل الرياح الشرقية السابقة) لعدم وجود رياح سطحية تدفعها إلى منطقة شرق المحيط الهادئ. ثانيًا، يؤدي هذا، بالإضافة إلى تأثيرات التذبذب الجنوبي، إلى درجات حرارة وأنماط هطول أمطار غير موسمية على المدى الطويل في أمريكا الشمالية والجنوبية وأستراليا وجنوب شرق أفريقيا، فضلًا عن اضطراب التيارات المحيطية.

في غضون ذلك، تتشكل في المحيط الأطلسي رياح غربية علوية سريعة الرياح ضمن خلية هادلي، والتي عادةً ما تُحجب بفعل دوران ووكر، فلا تصل إلى هذه الشدة. تُعطّل هذه الرياح قمم الأعاصير الناشئة، وتقلل بشكل كبير من عدد الأعاصير القادرة على بلوغ قوتها الكاملة. ^{[ 13 ]}