Break-down of Single Hadley Cell into 3 Cells – General Circulation Part 2

Hadley propose ചെയ്ത Equator to pole single cell meridional circulation എങ്ങനെയാണ് break ചെയ്ത് 3 individual cells ആയി മാറിയത് ?

പണ്ടുപണ്ട്, അതായത്, ഏതാണ്ട് പതിനഞ്ചാം നൂറ്റാണ്ടുകളിൽ, കടൽ യാത്രകൾ പൂർണ്ണമായും കാറ്റിന്റെ ഗതിയാനുസരിച്ചായിരുന്നുവല്ലോ. അതിനാൽ, കാറ്റിന്റെ ദിശയെക്കുറിച്ച്‌ യാത്രികർക്ക് കൃത്യമായ ധാരണയുണ്ടായിരുന്നു. പാശ്ചാത്യ രാജ്യങ്ങളിൽനിന്നുള്ളവർ (from mid-latitude region) westerly wind നെ ആശ്രയിച്ചായിരുന്നു യാത്രകൾ ക്രമപ്പെടുതിയിരുന്നത്. പക്ഷെ, അപ്രതീക്ഷിതമായി equatorial region ലേക്ക് യാത്രചെയ്തുവന്ന പാശ്ചാത്യർ ഒന്നമ്പരന്നുപൊയി. കാരണം ? Tropical region ലെ easterly trade winds തന്നെ കാരണം. അവർ ധരിച്ചുവച്ചത്, (mid-latitudes ൽ prevailing wind pattern westerly ആയതിനാൽ ) ഭൂമിയിൽ എല്ലായിടത്തും wind, westerly ആയിരിക്കും എന്നാവും. പക്ഷെ, mid-latitude region ൽ കാറ്റ് കിഴക്കൊട്ടുവീശുമ്പോൾ, equatorial region ൽ പടിഞ്ഞാറേക്ക് വീശുന്നു. ആകെ കണ്‍ഫൂഷനായല്ലോ….. ഇതെന്തടെയ് ഇങ്ങനെ ??

വളരെയധികം കാലം ഇതിന്റെ ചുരുളഴിയാതെ തന്നെ കിടന്നു. പിന്നീടാണ് atmosphere ൽ ഒരു circulation pattern ഉണ്ടെന്നരീതിയിലുള്ള ചിന്തകൾ വന്നുതുടങ്ങിയത്. കൃത്യമായി പറഞ്ഞാൽ, 1676 ൽ എഡ്മണ്ട് ഹാലിയാണ് (Edmund Halley) ഔദ്യോഗികമായി ഇത്തരം പഠനങ്ങൾക്ക് തുടക്കം കുറിച്ചത് എന്ന് പറയപ്പെടുന്നു (ഹാലി എന്നുകേട്ട് സംശയിക്കണ്ടാ, ഹാലിയുടെ വാൽനക്ഷത്രം എന്ന് കേട്ടിട്ടില്ലേ, മൂപ്പരുതന്നെയാണ് ഈ ഹാലിയും 😉 ). അതായത്, ഹാലിയാണ് ഒരു closed – cell type circulation വിഭാവനം ചെയ്തത്. അദ്ദേഹത്തിന്റെ അഭിപ്രായത്തിൽ, tropical region ൽ solar heating കൂടുതലായതിനാൽ, air ന്റെ density കുറയുകയും, മുകളിലേക്ക് പോവുകയും ചെയ്യും. അങ്ങിനെ മുകളിലേക്ക് പോകുന്ന air നെ mid-latitude ൽ നിന്നുള്ള air replace ചെയ്യുന്നു. പക്ഷെ, പുള്ളിക്ക്, പല കാര്യങ്ങളും കൃത്യമായി വിശദീകരിക്കാൻ കഴിയാതെവന്നു (like, existence of easterly trade winds etc.). ഹാലി തുടങ്ങിവച്ച ആശയം, പിന്നീട് ജോർജ്ജ് ഹാഡ്ലി (George Hadley) ഒന്നുമിനുക്കിയെടുത്തു. 1735 ൽ ഹാഡ്ലി, ഹാലിയുടെ പഴയ തിയറി അല്പ്പം പരിഷ്കരിച്ച് അവതരിപ്പിച്ചു. പുള്ളിയും, equator to pole, ഒരൊറ്റ, single cell circulation ആണ് വിഭാവനം ചെയ്തത് (താഴെ ചേർത്തിരിക്കുന്ന ചിത്രം കാണുക).

hadley_cell1                                (Source: http://www.seas.harvard.edu)
പക്ഷെ, ഈ തിയറിയും, mid-latitudes ലെ westerly wind pattern explain ചെയ്യുന്നതിൽ പരാജയപ്പെട്ടു. എങ്കിലും atmospheric circulation ൽ, earth ന്റെ rotation നുള്ള role അദ്ദേഹം തിരിച്ചറിഞ്ഞിരുന്നു.

പിന്നീട്, പത്തൊമ്പതാം നൂറ്റാണ്ടിൽ, ഹാഡ്ലിയുടെ തിയറി കൂടുതൽ പരിഷ്കരിക്കപ്പെട്ടു. അങ്ങനെ, കൂടുതൽ റിയലിസ്റ്റിക്കായ tri-cell തിയറി രൂപപ്പെട്ടു. Hadley വിഭാവനം ചെയ്ത equator to pole, ഒരൊറ്റ, single cell നു പകരം, 3 individual, closed cells ആണുള്ളത് എന്നായിരുന്നു ഈ തിയറി മുന്നോട്ടുവച്ച പ്രധാന ആശയം. എന്താണ് ഈ tri-cell circulation എന്ന് അല്പം വിശദമായി പരിശോധിക്കാം.

Tri-cell model ഉം അടിസ്ഥാനപരമായി, Hadley യുടെ തിയറിയിൽ നിന്നുതന്നെയാണല്ലോ വരുന്നത്. Hadley യുടെ model അനുസരിച്ച്, tropical region ൽ solar heating കൂടുതൽ ആയതിനാൽ, അവിടെയുള്ള air parcel, temperature കൂടി, density കുറഞ്ഞ് മുകളിലേക്ക് പോകുന്നു. ഇങ്ങനെ മുകളിലേക്ക് പോകുന്ന air, നേരെ polar region ലേക്ക് പോയി, അവിടെ descend ചെയ്യുന്നു, ie, an ascending branch near the equator and a descending branch near the poles (ചിത്രം കാണുക).

hadley_cell2

(Source: www.geog.ucsb.edu)

രണ്ടു hemisphere ൽ നിന്നും tropics ലേക്ക് converge ചെയ്യുന്ന air mass, ഭൂമിയുടെ rotation മൂലമുള്ള കൊറിയോലിസ് ഫോഴ്സ് കാരണം deflect ചെയ്യപ്പെടുന്നു. Northern hemisphere ൽ equator ലേക്ക് നീങ്ങുന്ന surface winds, right ലേക്ക് deflect ചെയ്ത് north-easterly യും southern hemisphere ൽ surface winds left ലേക്ക് deflect ചെയ്ത് south-easterly യും ആയി മാറുന്നു. ഭൂമിയുടെ Rotation കാരണം air massന് ഉണ്ടാകുന്ന ഈ deflection ആണ് easterly trade winds ഉണ്ടാവാൻ കാരണമെന്ന് Hadley വിശദീകരിച്ചിരുന്നു (which is true). ഇങ്ങനെ രണ്ടു hemisphere ൽ നിന്നും വരുന്ന air mass മുകളിൽ ചെന്ന് diverge ചെയ്യുന്നു.

hadley_vertical

ഈ diverging ബ്രാഞ്ച് നേരെ pole ലേക്ക് നീങ്ങുകയും, അവിടെ descend ചെയ്യുമെന്നാണല്ലോ Hadley പറഞ്ഞത്. പക്ഷെ ഇവിടെ, അതായത് equator to pole ഒരൊറ്റ സെൽ എന്ന ആശയത്തിന്, ചില പ്രശ്നങ്ങളുണ്ട്. നമ്മുടെ ഭൂമി rotate ചെയ്യുകയാണല്ലോ. അതിനാൽ തന്നെ, earth ൽ ഉള്ള എല്ലാവിധ വസ്തുക്കൾക്കും ഒരു കൃത്യമായ angular momentum ഉണ്ട് (which increase towards equator, ie, with radius of rotation). ഈ angular momentum ഒരു conserved quantity ആണ്. Angular momentum conservation നെക്കുറിച്ചും, കൊറിയോലിസ് ഫോഴ്സ് നെക്കുറിച്ചും വളരെ വിശദമായി ഇതിനു മുന്പ് എഴുതിയിരുന്നത് ഓർക്കുമല്ലോ (ഇവിടെ ക്ലിക്ക് ചെയ്യുക). Angular momentum conservation പ്രകാരം, equator ൽ വളരെ സാവധാനം rotate ചെയ്യുന്ന ഒരു air parcel ന് 10 യൂണിറ്റ് angular momentum ഉണ്ടെന്നു കരുതുക. ഈ air parcel ന് ഭൂമിയിൽ എവിടെ പോയാലും ഇതേ angular momentum conserve ചെയ്യേണ്ടതുണ്ട്. Recall that, angular momentum is a function of square of radius of rotation and angular velocity. അപ്പോൾ, pole ലേക്ക് പോകുന്ന ഒരു air mass ന്‌, radius of rotation കുറയുന്നതുകൊണ്ട് angular momentum conserve ചെയ്യാൻ വേണ്ടി velocity കൂട്ടേണ്ടിവരും. ഈ velocity pole എത്തുമ്പോഴേക്കും unrealistically high value ആയി മാറും. ഇത് dynamically അനുവദനീയമല്ല. അതുകൊണ്ട്, mid latitude ൽ എത്തുമ്പോൾ first dynamical breakdown സംഭവിക്കുന്നു. ഇതേ രീതിയിൽ, mid-latitude ൽ നിന്ന് pole ലേക്ക് പോകുന്ന air parcel ന്‌ ഏതാണ്ട്, 60 ഡിഗ്രി എത്തുമ്പോൾ അടുത്ത break down സംഭവിക്കും. അങ്ങനെ, ഹാഡ്ലി വിഭാവനം ചെയ്ത equator-pole സിംഗിൾ സെൽ break ചെയ്ത് 3 separate സെൽ ആയി മാറുന്നു (Hadley, Ferrel and polar cell).

circulationSource: Essentials of Meteorology – Donald Ahrens

അതായത്, ഭൂമിയുടെ rate of rotation ആണ് Hadley പറഞ്ഞതുപോലെ ഒരു ഒറ്റ equator-pole cell നിലനില്ക്കാൻ അനുവദിക്കാത്തത്. എന്നാൽ Venus ന്റെ rate of rotation നമ്മുടെതിലും കുറവാണ് അതുകൊണ്ട് ഇത്തരം ഒരു dynamical break-down അവിടെ സംഭവിക്കുന്നില്ല. അതുകൊണ്ടാണ് Venus ന്റെ meridional circulation, equator-pole, ഒരു single cell ആയി നില്ക്കുന്നത്.

Bibliography

Atmospheric Science – Wallace and Hobbs

An Introduction to Dynamic Meteorolgy – J R Holton

Atmosphere Ocean Dynamics – A E Gill

 

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s