Ячейка Феррела

Ячейка Феррела — это элемент глобальной циркуляции атмосферы, представляющий собой замкнутую конвективную ячейку, расположенную в средних широтах (примерно между 30° и 60° северной и южной широты). Она является промежуточным звеном между тропической ячейкой Хэдли и полярной ячейкой и характеризуется преобладанием западного переноса воздушных масс. В отличие от ячеек Хэдли и полярной, ячейка Феррела не является термически прямой (то есть не возникает непосредственно из-за разницы температур у экватора и полюса), а представляет собой вихревую структуру, индуцированную соседними ячейками.

История открытия и название

Ячейка названа в честь американского метеоролога Уильяма Феррела (1817–1891), который в 1856 году первым предложил математическую модель, объясняющую отклонение воздушных потоков в средних широтах под действием силы Кориолиса. Феррел развил идеи Джорджа Хэдли, описавшего тропическую циркуляцию, и показал, что в средних широтах возникает дополнительная циркуляция, направленная в противоположную сторону. До работ Феррела господствовало представление о единой глобальной ячейке (модель Хэдли), однако наблюдения за ветрами и давлением в умеренных широтах не укладывались в эту схему. Феррел впервые корректно учёл влияние вращения Земли на крупномасштабные движения воздуха, что позволило объяснить существование западных ветров умеренных широт.

Механизм формирования

Термодинамические предпосылки

Ячейка Феррела не является первичной конвективной ячейкой. Её существование обусловлено динамическим взаимодействием между ячейкой Хэдли (тропической) и полярной ячейкой. Основные движущие силы:

Восходящие потоки у полярного фронта (около 60° широты). Здесь тёплый влажный воздух из средних широт встречается с холодным полярным воздухом, в результате чего возникает зона циклогенеза — область пониженного давления, где воздух поднимается вверх.
Нисходящие потоки в субтропиках (около 30° широты). В зоне субтропического пояса высокого давления (конец ячейки Хэдли) воздух опускается, нагревается и иссушается.

Таким образом, в ячейке Феррела воздух движется:

У поверхности Земли — от субтропиков (30°) к полярному фронту (60°), отклоняясь вправо в Северном полушарии (влево — в Южном) под действием силы Кориолиса, что формирует западные ветры умеренных широт.
На высоте (в верхней тропосфере, около 8–12 км) — от полярного фронта обратно к субтропикам, где воздух опускается и замыкает цикл.

Роль силы Кориолиса

Сила Кориолиса является ключевым фактором, определяющим направление ветров в ячейке Феррела. В Северном полушарии:

Ветры у поверхности, дующие с юга на север, отклоняются к востоку (становятся юго-западными или западными).
Ветры в верхней тропосфере, дующие с севера на юг, отклоняются к западу (становятся северо-восточными).

Это создаёт характерную картину: в средних широтах преобладает западный перенос воздушных масс, который является важнейшим фактором климата умеренного пояса.

Географическое положение и границы

Ячейка Феррела занимает широтный пояс от 30° до 60° в каждом полушарии. Границы не являются строго фиксированными и смещаются в зависимости от сезона, времени суток и крупномасштабных климатических колебаний (например, Эль-Ниньо).

Южная граница (30°): субтропический пояс высокого давления. Здесь воздух опускается, формируются пустыни (Сахара, Аравийский полуостров, пустыни Австралии).
Северная граница (60°): полярный фронт — зона встречи тёплых и холодных воздушных масс, где возникают циклоны умеренных широт.

В Северном полушарии ячейка Феррела наиболее выражена над океанами (Атлантический, Тихий) и менее чётко — над континентами из-за влияния муссонной циркуляции и орографии.

Связь с другими ячейками циркуляции

Ячейка Феррела является частью трёхъячеистой модели глобальной циркуляции атмосферы:

Ячейка Хэдли (0–30°): тёплый воздух поднимается у экватора, движется к полюсам в верхней тропосфере, опускается в субтропиках.
Ячейка Феррела (30–60°): обратное направление движения — у поверхности воздух движется к полюсу, на высоте — к экватору.
Полярная ячейка (60–90°): холодный воздух опускается у полюса, движется к средним широтам у поверхности, поднимается у полярного фронта.

Ячейка Феррела является «пассивной» — она не генерирует собственную энергию, а существует за счёт переноса тепла и импульса от ячейки Хэдли и полярной ячейки. В верхней тропосфере над ячейкой Феррела формируются субтропические струйные течения (на границе с ячейкой Хэдли) и полярные фронтальные струйные течения (на границе с полярной ячейкой).

Климатическое значение

Формирование западных ветров

Ячейка Феррела является основной причиной преобладания западных ветров в умеренных широтах. Эти ветры играют ключевую роль в:

Переносе влаги с океанов на западные побережья континентов (например, западные ветры обеспечивают влажный климат Западной Европы, северо-запада США, Чили).
Формировании океанических течений (Гольфстрим, Северо-Атлантическое течение, Куросио).
Распространении воздушных масс, влияющих на погоду в России, Европе, Северной Америке.

Циклогенез

На границе ячейки Феррела и полярной ячейки (полярный фронт, около 60° широты) возникают внетропические циклоны — основные погодные системы умеренных широт. Они приносят осадки, смену погоды и являются важным фактором климата России, Скандинавии, Канады.

Осадки и засухи

В зоне восходящих потоков (полярный фронт) — повышенное количество осадков (до 1000–2000 мм/год).
В зоне нисходящих потоков (субтропики) — засушливый климат (пустыни, степи).

Сезонные и межгодовые вариации

Положение и интенсивность ячейки Феррела меняются в течение года:

Летом ячейка смещается к полюсу (до 50–55° с.ш.), а зимой — к экватору (до 35–40° с.ш.). Это связано с изменением температуры поверхности океана и суши.
Эль-Ниньо (колебание температуры поверхности Тихого океана) ослабляет ячейку Феррела в тропической зоне, что приводит к смещению струйных течений и изменению погоды в Северной Америке и Евразии.
Арктическое усиление (потепление Арктики) может ослаблять полярную ячейку и смещать ячейку Феррела к северу, что влияет на траектории циклонов в России.

Моделирование и изучение

Современное понимание ячейки Феррела основано на:

Данных метеорологических спутников (радиозонды, спутниковые снимки облачности).
Численных моделях общей циркуляции атмосферы (GCM).
Аэрологических наблюдениях (радиозонды, самолётные измерения).

В климатических моделях ячейка Феррела воспроизводится достаточно хорошо, однако её точное описание осложнено нелинейными взаимодействиями с океаном, рельефом и ледовым покровом. Исследования показывают, что в условиях глобального потепления ячейка Феррела может расширяться к полюсам, что приведёт к смещению зон засух и увлажнения.

Критика и уточнения

Трёхъячеистая модель, включающая ячейку Феррела, является упрощением реальной циркуляции. В действительности:

Ячейка Феррела не является полностью замкнутой — часть воздуха из неё может проникать в ячейку Хэдли или полярную ячейку.
Над континентами (особенно в Евразии) циркуляция сильно искажена горными хребтами (Гималаи, Альпы, Урал) и муссонными процессами.
В Южном полушарии ячейка Феррела более симметрична из-за меньшей площади суши.

Тем не менее, модель Феррела остаётся базовой для объяснения крупномасштабных атмосферных процессов в средних широтах и широко используется в учебной и научной литературе.

Источники

Феррел У. «О влиянии вращения Земли на движение воздуха» (1856).
Лоренц Э. Н. «Природа и теория общей циркуляции атмосферы» (1967).
Холтон Дж. Р. «Введение в динамическую метеорологию» (4-е издание, 2004).
Пальмен Э., Ньютон Ч. «Циркуляция атмосферы» (1969).
IPCC (Межправительственная группа экспертов по изменению климата). «Изменение климата 2021: основы физической науки» (2021).
Матвеев Л. Т. «Курс общей метеорологии. Физика атмосферы» (1984).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →