"Godhet utan vishet och utan
gränser är bara en annan
form av ondska."
(John Paterson)

"Det är synd att 99% av
journalisterna skall fördärva
förtroendet för en hel yrkeskår"
(Okänd)

"Ormar äro älskliga varelser,
om man råkar tillhöra samma
giftgrupp"
(Artur Lundkvist)

"När försiktigheten finns överallt,
finns modet ingenstans."
(den belgiske kardinalen Mercier)

"Den som gifter sig med
tidsandan blir snabbt änka."
(Goethe)

"Civiliserade är de kulturer
och individer som respekterar
andra."
(Hört på Axesskanalen)

"Det tragiska med vanligt
sunt förnuft är att det
inte är så vanligt."
(Albert Einstein)

"Halv kristendom tolereras
men föraktas.
Hel kristendom respekteras
men förföljs."
(Okänd)

Senast ändrad: 2023 12 20 00:02

Jordens vind- och strömsystem

(Note: at the top of the page you can choose translation of this article to other languages, but don't expect the translation to be perfect — "Välj språk" means "Choose language")

 

Golfströmsystemet och de andra stora havsströmmarna är till största delen vinddrivna. Strukturen hos jordens vindsystem, och därmed havets strömsystem (och i förlängningen jordens klimatsystem), beror på ett antal olika faktorer (ordningen nedan anger inte faktorernas vikt):

1. Latitudsvariationerna när det gäller atmosfärens uppvärmning.
2. Storleken på atmosfärens avkylning (den är ungefär densamma över hela jordklotet).
3. Uppkomsten av områden med olika lufttryck på grund av differentiell uppvärmning..
4. Dessa områdens rörelse beroende på solens position relativt jorden (årstiderna).
5. Distributionen av kontinenter och oceaner.
6. Jordrotationen, dvs jordens rotation kring jordaxeln (orsakar Corioliskraften).
7. Jordaxelns lutning (f n ca 23,44°) i förhållande till jordens bana runt solen.

Atmosfären och jordytan kommer att ha olika solinstrålning och därmed ta emot olika mängder värmeenergi på olika latituder, dvs vi får temperaturskillnader i marken och atmosfären. Runt ekvatorn har vi den största solinstrålningen vilken sedan avtar när vi går norr- eller söderut för att ha sitt minimum vid polerna. Precis som att en värmemotor (bensin- diesel- eller jetmotor) drivs av temperaturskillnader så drivs vindsystemen av temperaturskillnader.

Den differentiella uppvärmningen av jorden (som påverkas av jordaxelns lutning) ger upphov till vindsystem (och strömsystem) som leder värme från tropikerna till polerna. Genom detta system utjämnas temperaturskillnaderna mellan tropikerna och polerna och den zon inom vilken människor kan bo blir dramatiskt mycket större än utan dessa vindsystem. Jordens vindsystem utgör en del av "klimatmaskineriet", eftersom dessa system utjämnar temperaturskillnaderna mellan olika latituder. Överhuvudtaget är det mer regel än undantag att naturen motverkar skillnader och förändringar. Detta kan man se som en utvidgning av det som inom kemin kallas Le Chateliers princip. Denna säger:

Om ett kemiskt system, där jämvikt råder, påverkas av en förändring i koncentration, temperatur eller totaltryck, kommer jämvikten att ändras så att förändringen motverkas.

Det tycks som att denna princip ofta gäller i naturen, kanske helt enkelt för att naturen (jag talar om planeten jorden) utgör ett jämviktssystem, som under årmiljarder haft tid att hitta sitt jämviktsläge utifrån de förutsättningar som råder på jorden (jorden har den rätta storleken för att ha lagom gravitation plus att jorden har det rätta avståndet till solen så att planeten har den rätta temperaturen för att hysa flytande vatten och tillåta existensen av liv). Hade naturen inte varit så, hade jorden förmodligen för länge sedan rusat iväg mot att vara obeboelig (även om den är lagom stor och har lagom solinstrålning). Det kan därför inte uteslutas att naturen själv kommer att bidra till att motverka den globala uppvärmningen genom olika återkopplingseffekter (några sådana diskuteras i huvudartikeln).

"H" står för högtryck och "L" för lågtryck. Observera att vi här talar om stationära högtryck, som flyttar sig något efter årstiderna, men som i princip hela tiden finns på dessa latituder. Ej att förväxla med de låg- och högtryck, kopplade till kall- och varmfronter, som t ex passerar Skandinavien regelbundet och påverkar vädret lokalt och temporärt. För förklaring av övriga termer och symboler i bilden, se texten nedan.

Jordens vindsystem är översiktligt uppdelat i tre celler på varje halvklot; den tropiska cellen (Hadleycellen), mellanlatitudcellen (Ferrelcellen) och polarcellen (se figuren ovan). Detta är en ideliserad modell som stämmer bättre över oceaner än över land. Orsaken till att vi får tre celler är mycket komplicerad (den viktigaste faktor är jordens rotationshastighet). Vi återkommer strax till detta. Teoretiska studier visar att om jorden inte hade haft någon rotation eller roterat väldigt långsamt kring sin axel, hade vi bara haft en enda cell mellan ekvator och pol.

Exempel: Planeten Venus roterar ett varv runt sin axel på 243 jordiska dygn medan Venusåret är 225 jordiska dygn, dvs Venusdygnet är längre än Venusåret! Venus långsamma rotationshastighet ger en nästan försumbar Corioliskraft (denna kraft diskuteras nedan). Teoretiska modeller ger att Venus bara har en enda cell i sin atmosfär.

Vid ekvatorn värms atmosfären således upp som mest. Där stiger luften uppåt (varm luft har lägre densitet än kall), vilket leder till att vi får ett lågtrycksområde runt ekvatorn.

Det är dock inte riktigt så enkelt. Solen står i zenit över ekvatorn vid vår- och höstdagjämning. Då stämmer föregående stycke. Vid midsommar på norra halvklotet står emellertid solen i zenit på latitud 23° nord. Vid midvinter på norra halvklotet står solen i stället i zenit på latitud 23° syd. Det "ekvatoriella" lågtrycksbältet rör sig därför norr- och söderut runt ekvatorn, dvs vandrar långsamt upp och ned några latitudsgrader i takt med årstiderna.

En viktig faktor när det gäller att förstå havsströmmar och vindar är den latitudsberoende Corioliskraften. Denna, som genereras av jordens rotation, är noll vid ekvatorn och ökar sedan med latituden när vi rör oss mot polerna. Corioliskraften påverkar alla föremål som rör sig, med en kraft som är propotionell mot föremålets hastighet och vinkelrät mot rörelsen. På norra halvklotet är denna kraft riktad 90° till höger om rörelsens riktning medan den på södra halvklotet är riktad 90° åt vänster. Vid ekvatorn är Corioliskraften som sagt noll. Corioliskraften är relativt svag och påverkar bara storskaliga system som havsströmmar och vindsystem. Virveln i handfatet och tromber är för små för att påverkas av Corioliskraften. Se närmare förklaring i huvudartikeln i avsnittet "Världshavet".

Luften, som på grund av uppvärmningen stiger över ekvatorn, rör sig sedan högt upp i atmosfären mot polerna. Denna luft kyls långsamt ner och får högre densitet. Samtidigt vrider sig på norra halvklotet denna luftström åt höger (österut) på grund av Corioliskraften (och analogt på södra halvklotet). Vid 30° till 40° nord/syd sjunker en del av denna luft ned mot jordytan på grund av sin ökande densitet plus att den nu rör sig nästan helt åt öster. Ackumulationen av luft leder till att vi får ett högtryck (kallat det subtropiska högtrycket), vilket är stabilt och ger relativt svaga vindar under större delen av året. Bältet runt 30° till 40 ° nord/syd har fått namnet Hästlatituderna (Horse latitudes).

Namnet Hästlatituderna kommer sig av att när spanjorer och portugiser (som var pionjärer när det gällde oceanseglingar) korsade Atlanten, så förde de med sig hästar (före den europeiska kolonisationen av den amerikanska kontinenten fanns inga hästar där). Eftersom vindarna på Hästlatituderna är svaga, kunde det ta lång tid att passera detta område och hästar dricker som bekant väldigt mycket vatten. Ibland blev man liggande i stilje, väntande på vind, under så lång tid att vattnet började ta slut och för att rädda sina egna liv slängde besättningen hästarna överbord. Så när man passerade detta området stötte man inte sällan på uppblåsta, ruttnande hästkadaver som flöt omkring. Därav namnet Hästlatituderna.

De två cirkulationscellerna närmast och på var sin sida om ekvatorn (norr och söder om denna) kallas alltså Hadleyceller. I dessa celler rör sig markvindarna från det subtropiska området (högtryck) till ekvatorn (lågtryck), dvs transporterar kyligare luft mot ekvatorn samtidigt som den varma luften från ekvatorn transporteras norrut på norra halvklotet respektive söderut på södra halvklotet på hög höjd. Lågtrycksområdet runt ekvatorn utgör en konvergenszon (vindarna vid ekvatorn "går ihop", dvs luften från norra och södra halvkloten möts). När luften stiger över ekvatorn kyls den av och när fuktigheten i luften då kondenserar, förlöses enorma kvantiteter värme och det bildas därför energirika åskmoln i ekvatorsområdet. Dessa moln når ibland väldigt högt upp och utgör ett problem för flygtrafiken över ekvatorsområdet (t ex mellan Brasilien och Europa, om vi talar om Nordatlanten). Åskmolnen är ibland så höga att det är omöjligt för planen att flyga över dem. Och att flyga igenom åskmoln undviker man om det går, eftersom turbulensen i dessa kan äventyra flygplanets hållfasthet (i extrema fall) och skada passagerare och kabinpersonal. Plus att flygningen blir allmänt obehaglig. Området runt det ekvatoriella lågtrycket (som alltså flyttar sig med årstiderna) kallas Doldrums (ibland säger man Ekvatoriella Stiltjebältet). Detta var ett besvärligt och fruktat område på segelfartygens tid. Där möter man långa perioder av stilje blandat med intensiva, plötsliga åskstormar där vindarna kan blåsa med orkanstyrka och regnet vräker ned (det senare kunde ju vara en fördel om man hade ont om vatten ombord). Att segla genom Doldrums innebär ofta segelexercis i den högre skolan. Upp med segel, ned med segel, minska segel, öka segel... Jag vet av egen erfarenhet för jag har själv seglat genom Doldrums med min egen segelbåt på väg mellan KapVerdeöarna och Belém i Brasilien.

Lågtrycksbältet vid ekvatorn suger till sig luft norr- och söderifrån, dvs vindarna borde blåsa rakt söder- eller norrut runt ekvatorn. På grund av Corioliskraften får vi emellertid det som kallas nordost- respektive sydostpassaden (norr om ekvatorn vrids den sydgående luften åt höger och kommer då att röra sig åt sydväst, dvs vindriktningen blir då nordost och motsvarande på södra halvklotet). Observera att vindriktning anger den riktning från vilken vinden kommer, dvs vid västliga vindar rör sig luften österut. Högtrycken vid 30° till 40° nord/syd och lågtrycket vid ekvatorn driver dessa vindar. När luften som strömmar på hög höjd från ekvatorn sjunker ned vid 30° till 40° nord/syd latitud har den, som nämnts ovan, vridit sig så mycket åt höger på norra halvklotet respektive åt vänster på södra halvklotet (på grund av Corioliskraften) så att den nu blåser från väster (dvs i detta område har vi förhärskande västliga vindar — området kallas därför västvindsbältet).

I Ferellcellen transporterar markvindarna relativt varm (jämfört med polarluften) subtropisk luft norrut på norra halvklotet (eller söderut på södra halvklotet) mot polarfronten, som ligger på latitud 60° nord eller syd. Värme transporteras således här av markvindarna från hästlatituderna norr- eller söderut mot polarfronterna. Hästlatituderna utgör en divergenszon när det gäller markvindarna, dvs i detta område blåser luften utåt, från denna zon, norr-respektive söderut. Detta kännetecknar högtryck. Vindriktningen runt ett högtryck är utåt och vindriktningen runt ett lågtryck är inåt.

När Ferellcellens ljumma markvindar möter den kalla polarluften vid Polarfronten blandas inte dessa luftmassor utan de nordgående markvindarna tvingas uppåt (varm luft har ju lägre densitet än kall luft) för att sedan blåsa tillbaka mot Hästlatituderna på hög höjd.

I Polarcellen, uppe vid polerna, sjunker den kalla luften högt uppe i atmosfären nedåt och skapar ett högtryck. Markvinden från polerna rör sig därför mot polarfronten (dvs söderut på norra halvklotet och vice versa på södra). Denna cell kallas Polarcell och dess markvindar transporterar kall luft söderut medan dess höjdvindar transporterar relativt varm luft norrut (och vice versa på södra halvklotet). Polarfrontens markvindar är i likhet med ekvatorn en konvergenszon (luften norrifrån och luften söderifrån möts), och utgör därmed ett lågtryck.

Den totala effekten av de tre cellerna är att varm luft från ekvatorsområdet transporteras norrut mot polerna medan kall luft från polerna transporteras söderut mot ekvatorn (på norra halvklotet och vice versa på södra). I Hadley- och Polarcellerna sker denna värmestransport med vindarna på hög höjd, medan den i Farellcellen sker med markvindarna och tvärtom när det gäller transporten av kall luft. Farellcellen roterar således åt motsatta hållet som de två övriga cellerna. Man kan se dessa tre celler som tre kugghjul i en maskin (har vi tre kugghjul kopplade till varandra "i rad", kommer de två yttre hjulen att rotera åt samma håll medan mellankugghjulet roterar åt motsatta hållet mot de andra).

Varför har vi då tre celler? Varför inte en eller två eller fyra? Att luften stiger vid ekvatorn är inte svårt att förstå, men varför går gränsen mellan cellerna vid ca 30° N/S respektive 60° N/S latitud? Vi har ovan sett Corioliskraftens betydelse för vindarna. Och eftersom denna genereras av jordrotationen är det ytterst sett jordens rotation som bestämmer Corioliskraftens storlek. Om jorden inte roterade, eller roterade väldigt långsamt, skulle vi, som nämts ovan, bara ha en enda cell, där varm luft stiger upp vid ekvatorn och rör sig på hög höjd ända upp till respektive pol medan kall luft rör sig på marknivån från polen till ekvatorn. Hur många celler som bildas och var gränserna mellan dessa uppstår, bestäms till största delen av Corioliskraftens styrka (dvs ytterst sett av jordens rotationshastighet). Om vi tittar på norra halvklotet (motsvarande gäller för södra halvklotet) så rör sig luften från ekvatorn på hög höjd norrut samtidigt som den på grund av Corioliskraften vrider sig åt höger. Detta innebär att den så småningom kommer att röra sig mer eller mindre rakt österut, dvs den kommer inte mycket längre norrut än så. Detta inträffar således på ca 30° nordlig latitud och förklarar varför Hadelycellen ligger mellan ekvatorn och denna latitud. På grund av att luften på hög höjd kyls av ökar dess densitet varför den börjar sjunka ned mot marken. Hade jorden roterat långsammare (och Corioliskraften varit svagare), hade luften hunnit mycket längre norrut innan det slutat röra sig norrut. Då hade vi haft kanske två celler. Och om jorden inte roterat alls, ja då hade luften rört sig ända upp till polen utan att böjas av.

Ferellcellen fungerar på analogt sätt som Hadleycellen och förklaringen att den sträcker sig upp till ca 60° N/S är motsvarande. Även Polarcellen kan förklaras analogt.

I praktiken är det mer komplicerat än så och bl a landmassornas fördelning kommer att påverka vindsystemen. Och vindsystemen påverkar strömsystemen (som till största delen är vinddrivna), vilka också transporterar stora mängder värmeenergi norrut (t ex Golfströmsystemet). Strömmarna kommer därför att i sin tur påverka vindsystemen. Observera att ovanstående är en modell för att förklara jordens vindsystem. Modellen stämmer ganska bra med verkligheten, men en modell är bara en modell och är inte lika med verkligheten själv. En modell är ett sätt att förklara det vi observerar. Det finns andra modeller som också försöker förklara ovanstående, där man arbetar med andra mekanismer, t ex vandringsvågor (travelling waves), om jag inte minns fel. Ibland kan modeller som ser ganska olika ut i själva varket vara samma grundläggande modell och förklaringen till de skenbara olikheterna i modellerna ligger i att man anlägger olika perspektiv på det man studerar. Och ibland är det inte så.

Sammanfattningsvis så är jordens ström- och vindsystem resultatet av en kombination av ett antal olika faktorer (vilka räknas upp i inledningen till denna artikel), där Corioliskraften (dvs ytterst sett jordens rotation) är den viktigaste. Skulle någon eller några av dessa faktorer förändras, kommer jordens ström- och vindsystem att förändras motsvarande.

Dessa system har under årmiljoner uppnått ett stabilt jämviktstillstånd (vilket sker med de flesta system vars olika delar växelverkar med varandra) och att mänsklig påverkan av den globala medeltemperaturen några grader skulle påverka dessa system så att de skenar iväg dramtiskt och oåterkalleligt, verkar föga troligt för att inte säga uteslutet. Som framgår av artikel 4 i min klimatserie så har jordens temperatur varierat ganska mycket under vår planets historia utan att att ström- och vindsystemen blivit instabila. När medeltemperaturen ökar eller minskar så förändras givetvis ström- och vindsystemenen något för att sedan gå tillbaka till tillståndet före förändringen. För att dessa system skulle "balla ur" helt krävs nog dramatiskt mycket större förändringar av de olika parametrarna än de förändringar vi kan se idag eller prognosticera för överskådlig framtid.

Av texten ovan framgår hur komplicerade mekanismerna bakom vindar och strömmar är. Eftersom klimatet beror inte bara på atmosfären utan på många fler faktorer (som diskuteras i huvudartikeln; astronomiska faktorer, geologiska faktorer etc, etc) så behöver man varken vara speciellt intelligent eller högutbildad för att inse svårigheten när det gäller att modellera och förutsäga jordens klimat.

Och här två länkar med fördjupande texter om jordens vindsystem:

Met Office College
En mer ingående text, hämtad från en lärobok

Tillbaka till huvudartikeln "Klimatmodeller och nyanseringar."

© Krister Renard