7.3. Polárfront, futóáramlások

A poláris régió cirkulációs viszonyairól keveset tudunk. E térségben a keleties szelek dominálnak, magasabb szélességeken gyakran megjelenik egy ún. arktikus front, de legnagyobb jelentőségű a 60° földrajzi szélesség környezetében mozgó erős, s tartósan jelen lévő frontálzóna (az ún. polárfront), mely a sarki hideg, s a szubtrópusi melegebb légtömegeket választja el egymástól (7.8. ábra).

 

A három cirkulációs cellát tartalmazó modell sematikus rajza

7.8. ábra: A három cirkulációs cellát tartalmazó modell sematikus rajza

 

A trópusi, szubtrópusi és sarki légtömegeket elválasztó fő frontálzónák a hozzájuk kötődő futóáramlásokkal

7.9. ábra: A trópusi, szubtrópusi és sarki légtömegeket elválasztó fő frontálzónák a hozzájuk kötődő futóáramlásokkal

A 30° és 60° földrajzi szélességek által behatárolt mérsékelt öv cirkulációs viszonyai lényegesen bonyolultabbak, mint az Egyenlítő vidékének rendezett, zonálisan szimmetrikus konvektív cellája. Bár a 7.9. ábra az egész hemiszféra légkörének metszetét mutatja, mégis a mérsékelt öv cirkulációs folyamatai vannak a központban. A mérsékelt övben a nyugatias áramlás az uralkodó, melynek magyarázatát a következőképpen adhatjuk meg. Szél mindig a légnyomáskülönbségek kiegyenlítődése érdekében keletkezik. A hideg poláris régiók és a meleg trópusok között légnyomáskülönbség alakul ki, mivel a hideg levegő sűrűbb, mint a meleg, és a két régió fölötti tropopauza magassága is jelentős mértékben eltér egymástól. Az Egyenlítő felől a sarkok felé lejt a tropopauza, s a pólusok fölött az izobárfelületek függőleges menti sűrűsége is lényegesen nagyobb (a magassággal gyorsabban csökken a légnyomás). Ennek megfelelően a nyomási gradiens erő (l. 5. fejezet) a troposzféra felső szintjein az egész félgömbön az Egyenlítő felől a sarkok felé mutat. Amint a légnyomáskülönbségek kiegyenlítődésére elindulnak az áramlások a Hadley-cella felső szintjein a pólusok felé, a Coriolis-erő fokozatosan zonálissá téríti el azokat, azaz mindkét félgömbön jobbra (nyugat-keleti irányúvá). A Hadley-cellák szinte állandó helyzetű, térítő közeli határai éppen ott vannak, ahol az áramlás a Coriolis-erő hatása miatt már teljesen Ny–K irányúvá fordul át, s a lehűlt levegő süllyedni kezd. Így a mérsékelt övek uralkodó széliránya mindkét félgömbön nyugatias, s az áramlás cirkumpoláris.

A Hadley-cellák és a Ferrel-cellák találkozásánál a tropopauza magasságában találjuk az ún. szubtrópusi futóáramlásokat (subtropical jet vagy jet-stream), melyek nagy sebességű, kis átmérőjű szélcsatornák (7.10. ábra). Kialakulásuk az impulzusmomentum megmaradásával magyarázható a következőképpen: A Hadley-cella felső szintjein a sarkok felé áramló levegő egyre közelebb kerül a Föld forgástengelyéhez, ezért a szögsebességének növekednie kell. A szögsebesség olyan mértékben megnő, hogy (az Egyenlítőn a forgó Földhöz képest a súrlódás miatt lemaradó) levegő a térítőkre megérkezve lényegesen gyorsabban forog (áramlik) Ny–K irányban, mint a Föld.

 

A szubtópusi jet (futóáramlás) cirkumpoláris pályája az északi félgömbön

7.10. ábra: A szubtópusi jet (futóáramlás) cirkumpoláris pályája az északi félgömbön

Ez a jelenség koncentrálódik a futóáramlások zónájában, melyek hatalmas mozgási energiája Ny–K irányba sodorja a mérsékelt övek teljes légtömegét. Ez egyben az előbbiekben leírt mérsékeltövi zonális áramlások kialakulásának részletes magyarázata is.

A félgömbök három cirkulációs cellájának elválasztó felületei a 30° szélesség mentén elhelyezkedő szubtrópusi-, illetve az 50–60° szélességek közötti poláris frontálzóna, melyek mindegyike fölött egy-egy futóáramlás jelenik meg. A szubtrópusi frontok nem különösebben markánsak, bár választófelületet képeznek a térítők közelében lesüllyedő légtömeg számára, amelynek egy része a felszín közelében ismét az Egyenlítő felé fordul, létrehozva a passzátokat, míg másik része a mérsékelt égövekbe áramlik tovább (lásd 7.9. ábra). Annál markánsabbak – mint említettük – a mérsékletövi polárfrontok, vagy egyszerűen polárfrontok.

A velük kapcsolatos poláris futóáramlások (polár jet vagy jet-sream, 7.11. ábra) horizontális kiterjedése a szélirányra merőlegesen 100–500 km között változik, míg vertikálisan csupán néhány kilométer átmérőjű. A futóáramlások tengelyében a szélsebesség gyakran meghaladja a 200 km/h-t, de néha akár a 400 km/h sebességet is eléri. A repülőgépek pontos jet-előrejelző térképek alapján használják ezeket az áramlásokat, s ezzel jelentősen csökkentik üzemanyag-fogyasztásukat.

 

A poláris jet szerkezete, vertikális metszete

7.11. ábra: A poláris jet szerkezete, vertikális metszete

Jogos a kérdés, hogy mi az eredete ezeknek a nagy energiát hordozó szélcsatornáknak. (A szubtrópusi futóáramlásokra vonatkozó magyarázat itt csak kis részben helytálló, mert a Ferrel-cella átlagban ellentétes forgásirányú, mint a Hadley-cella.) Itt az elsődleges ok az a nagy hőmérsékleti kontraszt, amely a polárfront zónák két oldalán elhelyezkedő légtömegek között van a magasabb szinteken. Ez nagyon erős nyomási gradiens erőt eredményez, mely felgyorsítja a magas légköri áramlásokat. A polárfrontok és a futóáramlások iránya sok helyen eltér a nyugat-keleti iránytól, hullámoznak, ún. meanderező mozgást végeznek, néha szakadások is képződnek bennük. Jelentős évszakos változás, eltolódás figyelhető meg pályájukban: a nyári időszakban északabbra tolódnak, télen délebbre. A meanderező hullámmozgás elmélyülésével keletkeznek, s szakadnak le a polárfrontról a mérsékeltövi ciklonok (lásd 9. fejezet). Ezt a folyamatot illusztrálja a 7.12a. és 7.12b. ábra, ahol két nyomási szint két különböző időponthoz tartozó hőmérsékleti, illetve geopotenciál (magassági) mezejét láthatjuk az északi félgömbre.

A 700 hPa-os szint 7.12a. ábrán bemutatott hőmérsékleti térképén a 2 °C-onként kihúzott izotermák közül helyenként akár öt–hét darab is szinte együtt fut. A sok egymáshoz nagyon közeli vonal élesen kirajzolja a polárfront helyzetét. A polárfront két oldalán nagy a hőmérsékleti gradiens, melyet kis földrajzi távolságon belül esetenként akár 10–14 °C-os különbség jelez. Az 500 hPa-os szint 7.12b. ábrán lévő geopotenciál (magasság) előrejelzési térképén a polráfrontról leszakadt mérsékeltövi ciklonok is megjelennek. (Megjegyezzük, hogy a meteorológiában lejátszódó folyamatokat többnyire a nyomási szintekhez kötődően írják le, illetve jelzik előre.)

 

700 hPa-os nyomási szint hőmérsékleti térképe és az 500 hPa-os nyomási szint magasságának előrejelzési térképe

7.12. ábra: (a): A 700 hPa-os nyomási szint hőmérsékleti térképe 1951. február 6-án (Forrás: Czelnai et al., 1983), (b): Az 500 hPa-os nyomási szint magasságának előrejelzési térképe 1997. október 17-re (Forrás: ECMWF).

Fultz 1951-es forgómedencés kísérletében a földi légkör áramlási viszonyait szimulálta (7.13. ábra). A termikus vezérlést úgy valósította meg, hogy a medence peremét melegítette és a közepét hűtötte. Előbbi a földi Egyenlítő körzetét, utóbbi a pólusokat reprezentálta. A rendszert forgatva a Föld tengely körüli forgását is szimulálta. A folyadékban a forgás szögsebességének és a hőmérsékleti gradiensnek a függvényében állóhullámok jelentek meg, mely jelzi a kísérlet földi légköri analógiáját, s egyben lehetőséget ad a polárfront kisfrekvenciás hullámainak és a mérsékelt övi ciklonok leszakadási folyamatának kísérleti vizsgálatára. Az Eötvös Loránd Tudományegyetem Áramlástani Laboratóriumában időről-időre rekonstruálják e kísérletet, s a hallgatók megnézhetik e demonstrációt.

 

Forgómedencés légkör-szimulációs kísérlet

7.13. ábra: Forgómedencés légkör-szimulációs kísérlet (Forrás: D.H. Fultz, University of Chicago, Hydrodynamics Laboratory, 1951)

A 7.14. ábrán a polárfront egyre nagyobb mértékű meanderezése, majd több ágra történő szétválása is követhető. Ez a folyamat vezet a mérsékeltövi ciklonok keletkezéséhez, s a polárfrontról való leválásához, melyet majd a 9. fejezet tárgyal bővebben.

 

Az északi félgömbön nyomon követhető a polárfront cirkumpoláris áramlása

7.14. ábra: Az északi félgömbön nyomon követhető a polárfront cirkumpoláris áramlása. Az egyre mélyülő hullámok örvényekké alakulnak, s idővel leszakadnak a fő frontálzónáról.

Az északi félgömb két futóáramlásának (poláris jet és szubtrópusi jet) átlagos helyzetét a 7.15. ábra szemlélteti. A poláris jet nem szabályos átlagos útvonalát az óceánok és kontinensek elhelyezkedésével magyarázzuk.

 

A három áramlási cella két találkozási területénél található futóáramlások átlagos földrajzi elhelyezkedése

7.15. ábra: A három áramlási cella két találkozási területénél található futóáramlások átlagos földrajzi elhelyezkedése

A pólusok és az Egyenlítő közötti éves besugárzás jelentős mértékben eltér egymástól, ezek kiegyenlítődését szolgálja a földrajzi szélességek közötti meridionális irányú energiaszállítás, melyet a 7.16. ábra szemléltet. Az ábrán külön-külön görbe jelzi a légköri energiaszállítást, az óceánok energiaszállítását, és ezek eredőjét. Az óceáni energiaszállítás maximuma az alacsonyabb földrajzi szélességekre tehető (20°-nál van a maximum, 60°-nál magasabb szélességeken pedig egyáltalán nincs óceáni szállítás), míg az általános cirkuláció által lebonyolított légköri szállítás maximuma a mérsékelt földrajzi szélességekre esik (30°–60° közé). A légköri energiatranszport legjelentősebb szereplői a mérsékeltövi ciklonok.

 

A földrajzi szélességek szerinti besugárzási eltéréseket kiegyenlítő energiaszállítás a légkörben és az óceánban

7.16. ábra: A földrajzi szélességek szerinti besugárzási eltéréseket kiegyenlítő energiaszállítás a légkörben és az óceánban