Det globale vindsystemet

Interaktive modeller, quizer og 3D-diagrammer ligger i kapittelet /tema/vindsystemet. Her kan du redigere hele fagteksten.

Motoren: Klodens ujevne strålingsbalanse

I kapittelet om høytrykk og lavtrykk så du at temperaturforskjeller skaper trykkforskjeller, og at trykkforskjeller setter lufta i bevegelse. Nå ser vi på hele planeten: hva holder lufthavet i gang?

Svaret er solas innstråling og jordas kuleform. Ved ekvator står sola høyt året rundt. Strålene treffer nesten loddrett på flaten, så energien samles på et lite areal. Veien gjennom atmosfæren er kort. I geofag kaller vi det ofte 90° innfallsvinkel: vinkelen mot bakken, ikke mot normalen.

Mot polene treffer samme strålebunt på skrå. Energien smøres utover et større areal. Strålene går lengre gjennom atmosfæren, og snø og is kaster mye av lyset tilbake (høy albedo).

Det gir en varig strålingsubalanse (NASA, u.å.):

• Fra ekvator til omkring 35–40°: mer kortbølget solenergi inn enn langbølget stråling ut. Energioverskudd.

• Fra omkring 35–40° til polene: mer energi ut enn inn. Permanent energiunderskudd (NASA, u.å.).

Uten transport ville tropene blitt for varme og polene for kalde. Atmosfæren tar om lag 60 prosent av varmeflukten mot polene, havet resten. Fordelingen skifter med breddegrad: i tropene bærer havet mer enn det globale snittet. Det tar vi opp i kapittelet om havstrømmer .

Strålingsbalanse: Forskjellen mellom innkommende solstråling (kortbølget) og utgående varmestråling (langbølget). Globalt over et år er netto om lag null. Regionalt er det overskudd i tropene og underskudd mot polene. Den ubalansen driver sirkulasjonen.

Figuren viser hvorfor samme solstråle varmer mer ved ekvator enn ved 60°: arealet den treffer, blir større når vinkelen slakner.

Fra én til tre sirkulasjonsceller

I 1735 foreslo George Hadley én stor sløyfe: opp ved ekvator, til polen i høyden, ned, og tilbake langs bakken.

Det ville holdt hvis jorda sto stille. Jorda roterer. Når lufta i høyden går polover, dreier corioliseffekten den — mot høyre på nordlig halvkule, mot venstre på sørlig. Hvorfor den dreier, og hvor sterk dreiningen er, står i kapittelet om corioliseffekten .

Allerede rundt 30° er den polgående lufta dreid så mye at den blåser mot øst. Den tar med seg ekvators høye rotasjonshastighet, blir vestavind, hoper seg opp og synker. Én sløyfe til polen går ikke. Vi får tre celler på hver halvkule (NOAA, u.å.):

1. Hadley-cellen (0°–30°): termisk direkte. Lufta stiger ved ekvator, går polover i høyden, synker rundt 30° og returnerer som passatvinder.

2. Polarcellen (60°–90°): også termisk direkte. Kald luft synker over polene, særlig om vinteren, strømmer mot 60° som polare østavinder og tvinges opp langs polarfronten.

3. Ferrel-cellen (30°–60°): termisk indirekte. Den drives ikke av oppvarming fra bakken, men tvinges rundt som et tannhjul mellom de to andre cellene — av friksjon og vandrende lavtrykk. Lufta synker ved 30° og stiger ved 60° (NOAA, u.å.-a; Store norske leksikon, u.å.-a).

Termisk direkte og termisk indirekte: Direkte (Hadley-cellen og polarcellen): varm luft stiger, kald luft synker. Indirekte (Ferrel-cellen): kjøligere luft tvinges opp ved 60° og varmere luft ned ved 30°, drevet av stormene mellom cellene.

Venstre rute er Hadleys stillestående jord. Høyre rute er tre-celle-modellen etter at corioliseffekten har dreid den øvre strømmen.

Tverrsnittet viser det samme fra siden: lufta stiger ved 0° og 60°, synker ved 30° og over polen.

ITCZ og oppdrift

Den sterkeste motoren sitter i tropene. Der møtes passatene i ITCZ — den intertropiske konvergenssonen (NOAA, u.å.). Navnet forteller fysikken:

• Intertropisk: mellom vendekretsene, i det varme beltet rundt ekvator.

• Konvergens: nordøstpassaten og sørøstpassaten strømmer sammen.

• Sone: ikke en strek, men et belte med skyer og nedbør rundt kloden (NOAA, u.å.-b; Store norske leksikon, u.å.-b).

Når de to fuktige passatene møtes, har lufta bare én vei: opp. Samtidig varmer sola havet, ofte til 28–30 °C. Lufta blir varm, fuktig og lett. Den stiger i dyp konveksjon.

Når lufta stiger, faller trykket. Den utvider seg og avkjøles adiabatisk. Ved duggpunktet kondenserer vanndampen. Kondensasjon frigjør latent varme — om lag 2,5 MJ per kilo vann. Lufta i skyen holder seg varmere enn lufta rundt, og oppdriften øker. Det bygger kumulonimbusskyer som i tropene kan nå tropopausen i 16–18 km.

Nede ved havflaten er bevegelsen mest vertikal. Horisontal vind dør nesten ut. Seilere kalte beltet doldrums — det ekvatorielle stillebeltet.

ITCZ og doldrums: ITCZ er lavtrykksbeltet der passatene møtes og lufta tvinges til værs. Doldrums er sjøfolkenes navn på de samme havområdene, der horisontal vind nesten dør ut.

Til venstre: oppdrift, kondensasjon og regn ved ITCZ. Til høyre: tørr luft som har regnet fra seg, synker ved 30° og vender tilbake som passat.

Hvorfor ørken ved 30°

I høyden over ITCZ er lufta tørr. Den har regnet fra seg. Den strømmer polover, taper varme og synker rundt 30° — subsidens.

Når lufta synker, komprimeres den og varmes adiabatisk, om lag 1 °C per 100 m. Relativ fuktighet faller. Skyene fordamper. Ved bakken ligger de subtropiske høytrykkene: skyfri himmel og tørke.

Seilere kalte beltet hestebreddegradene. Navnet forklares ofte med at hester ble kastet over bord i stille, men det er usikker folkeetymologi. I geofag bruker vi 30° breddegrad.

Derfor ligger Sahara, Den arabiske halvøy og Kalahari her (NOAA, u.å.-a). Sahara er ørken fordi lufta synker, ikke fordi det «mangler elver». Atacama ligger også i dette beltet, og blir enda tørrere av kald kyststrøm og Andes som leside.

Subsidens: Storskala nedsynking av luft. Når lufta synker, komprimeres den og varmes adiabatisk. Relativ fuktighet faller, skyer fordamper, og det etableres tørre høytrykk — slik vi ser rundt 30°.

ITCZ flytter seg: monsunen

ITCZ ligger ikke fast på ekvator. Jorda har 23,5° aksehelning, så senit flytter seg mot Krepsens vendekrets i juli og Steinbukkens vendekrets i januar. ITCZ følger den termiske ekvator, med noen ukers etterslep.

Land varmes raskere enn hav. Om sommeren i Asia trekkes ITCZ langt nord, inn over India. Fuktig luft fra Det indiske hav strømmer inn: sommermonsunen (NOAA, u.å.-b; Store norske leksikon, u.å.-d). Mellom 10° og 20° kommer og går ITCZ med årstiden. Det gir savanne: regntid og tørketid.

Bakkevindene: passater, vestavinder og polare øster

Lufta som sank ved 30°, må strømme bort langs bakken. Noe går mot ekvator, noe mot polene. Corioliseffekten dreier begge, og vi får tre permanente vindbelter. Vinden har navn etter retningen den kommer fra.

1. Passatvindene (0°–30°)

Fra høytrykk ved 30° inn mot ITCZ. På nordlig halvkule dreies den sørgående lufta mot høyre og blir nordøstpassat. På sørlig halvkule dreies den mot venstre og blir sørøstpassat (Store norske leksikon, u.å.-c; NOAA, u.å.-a).

2. Vestavindsbeltet (30°–60°)

Fra 30° mot lavtrykket ved 60°. På nordlig halvkule dreies lufta mot høyre, så vinden kommer fra vest og går mot øst. Norge ligger midt i dette beltet.

3. De polare østavindene (60°–90°)

Kald luft synker over polene og strømmer mot 60°. På nordlig halvkule dreies den mot høyre og blir en kald, tørr polar østavind. Polarhøytrykket er sterkest om vinteren, og ikke et like fast belte som de subtropiske høytrykkene.

Fra 30° trekkes lufta både mot 0° og mot 60°. Coriolis dreier begge mot høyre på nordlig halvkule, så passaten og vestavinden får motsatt sonevind.

Klimabeltene

Reiser du fra ekvator til Nordpolen, skifter landskapet i et fast mønster: tropisk regnskog, ørken, temperert skog, så tundra og is. Beltene er lufthavets vertikale bevegelser skrevet på bakken.

• 0° (ITCZ): lufta stiger → kondensasjon og byger → tropisk regnskog (Amazonas, Kongo, Indonesia).

• 10°–20°: ITCZ kommer og går → savanne med regntid og tørketid.

• Rundt 30°: lufta synker → skyfritt og tørke → subtropiske ørkener (Sahara, Kalahari, Arabia).

• 45°–60°: polarfront og vestavind → vandrende lavtrykk → temperert skog og taiga.

• Polene: kald luft synker → lav fuktighet → tundra og polarørken. Antarktis-innlandet får så lite nedbør at det teller som ørken.

Der lufta i gjennomsnitt stiger (0° og 60°), blir det skyer og liv. Der den synker (30° og polene), tørker landskapet ut.

Klimabeltene sett fra rommet — Satellittbildet viser de samme ringene: grønt ved ekvator, tørt rundt 30°, stormbaner mot Norge, is mot polen.

Polarfronten og været over Norge

Rundt 60° møtes mild, fuktig vestavind og kald, tørr polarluft. De blander seg ikke med en gang. Grenseflaten er polarfronten.

Over den ligger polarfrontjeten (NOAA, u.å.-c). Den bukter seg i Rossby-bølger — rygger og tråg — som styrer hvor lavtrykkene får gå. Den fysikken, og hvorfor en rygg kan bli stående som blocking, eier kapittelet om jetstrømmer .

Norge ligger mellom 58° og 71° N, midt i vestavindsbeltet. Lavtrykk som dannes over Atlanteren, følger jeten inn mot kysten. På veien har lufta tatt opp mye vanndamp.

Når vestavinden treffer Langfjella, tvinges lufta opp på Vestlandet (loside) og synker på Østlandet (leside). Brekke i Gulen får over 3500 mm i året. Skjåk i Ottadalen, like øst for Jotunheimen, får under 300 mm. Det er samme vestavind, med og uten fjell (Store norske leksikon, u.å.-e; Store norske leksikon, u.å.-f; Store norske leksikon, u.å.-g). Full føn-regning — 0,6 °C og 1,0 °C per 100 m — står i kapitlene om høytrykk og lavtrykk og lokale værsystemer .

Polarfronten er kollisjonssonen. Langfjella avgjør hvor den fuktige vestavinden slipper regnet.

Utforsk: Interaktiv modell av det globale vindsystemet

Bruk modellen til å koble breddegrad, trykk, vindretning og vertikal luftstrøm i tre-celle-systemet.

Eksamensfokus: Den røde tråden

Når du skal forklare det globale vindsystemet, bygg svaret i fire trinn:

1. Energikilden: ujevn innstråling gir overskudd i tropene og underskudd ved polene.

2. Coriolis-oppsplittingen: jordrotasjonen gjør at én celle ikke holder; vi får tre celler per halvkule.

3. Klimabeltene: stigende luft gir lavtrykk og regn (0° og 60°); synkende luft gir høytrykk og ørken (rundt 30° og ved polene).

4. Norges plassering: vestavindsbeltet og polarfronten sender fuktige lavtrykk mot kysten. Langfjella gir orografisk nedbør på Vestlandet og regnskygge østafjells.

Vanlige misforståelser

• Misforståelse: «Hadley-, Ferrel- og polarcellen er tre lukkede rør som går hver dag.» Faktum: Cellene er et tidsmiddel. Over Norge ser du sjelden jevn Ferrel-sirkulasjon. Her dominerer vandrende lavtrykk.

• Misforståelse: «Sahara er ørken fordi det ikke er vann i bakken.» Faktum: Ørkenen skyldes subsidens rundt 30°. Synkende luft tørker ut skyene.

• Misforståelse: «ITCZ ligger alltid på ekvatorlinjen.» Faktum: ITCZ følger senit mot nord i juli og mot sør i januar, og trekker ekstra langt inn over varme kontinenter (monsun).

Nøkkelbegreper til repetisjon

Strålingsbalanse: Forskjellen mellom absorbert solinnstråling og utgående varmestråling. Overskudd i tropene, underskudd ved polene.

ITCZ: Lavtrykksbeltet rundt ekvator der passatene møtes og fuktig luft tvinges til værs.

Subsidens ved 30°: Nedsynking i subtropene. Lufta varmes adiabatisk, skyer fordamper, og de store ørkenene ligger her.

Passatvinder: Stødige overflatevinder mot ITCZ: nordøstpassat i nord og sørøstpassat i sør.

Vestavindsbeltet: Vindbeltet mellom 30° og 60° der coriolis dreier lufta slik at den kommer fra vest. Her ligger Norge.

Polarfronten: Kollisjonssonen rundt 60° mellom mild subtropisk luft og kald polarluft. Her dannes lavtrykk.

Rossby-bølger: Store buktninger i polarfrontjeten. Rygg og tråg styrer lavtrykk og høytrykk. Mer i kapittelet om jetstrømmer.

Orografisk nedbør: Nedbør når fuktig vind tvinges opp av fjell (loside). På lesiden: regnskygge og føn.

Test deg selv