地球行星/4i. 全球大氣環流
喬治·哈德里 在他哥哥約翰的陰影下長大。兩人都出生於富裕的英國家庭，並在 1600 年代後期接受了數學和科學教育。喬治的哥哥約翰在很小的時候就發明了一種新的科學工具——反射望遠鏡。反射望遠鏡使用鏡子來增強恆星的影像，極大地促進了用於研究天文學的天文工具的發展，最終導致了六分儀的發現。約翰因其發明以及天文和數學工作而於 1717 年被選為皇家學會成員，併成為英國最古老的科學學會的早期活躍成員。
喬治·哈德里，這位弟弟則是一名律師，但在業餘時間繼續研究科學，並且足夠富有可以這樣做。他對研究用於確定緯度的科學儀器特別感興趣，但經常被哥哥的科學工作所掩蓋。1735 年，他最終被選為皇家學會成員，並獲得了來自世界各地科學家和水手進行的氣象記錄的觀測資料。這些氣象記錄包括地點、日期、溫度、氣壓讀數和天氣報告。在 1735 年，這是一個巨大的資訊量，因為英國正在迅速擴大其國際貿易，在美國殖民地、加拿大、貝里斯和印度擁有殖民地和港口。喬治·哈德里注意到，赤道地區的氣壓讀數明顯低於赤道以北和以南 30 度緯度地區的氣壓讀數，後者表現出更高的氣壓讀數。1735 年，他寫了一份簡要的解釋，說明了這種現象的原因，這是由於現在以他的名字命名的全球大氣環流模式。
哈德里環流是地球球形形狀造成的溫度梯度導致的結果。地球赤道附近的區域接收最多的陽光，導致溫度較高。該熱帶地區導致上升的氣團形成地球表面上的低壓區。這條赤道帶被稱為 **赤道輻合帶** (ITCZ)。這條帶上的氣團會上升，其中一些上升是由地球自轉的離心力驅動的，導致向上運動，並在赤道周圍的大氣層中形成隆起。當氣團上升時，空氣會膨脹並冷卻，導致地球上出現強降雨和雲層的區域或帶。地球的熱帶雨林位於赤道輻合帶內，包括中美洲、南美洲北端、西非和剛果盆地、印度南部、東南亞、印度尼西亞和新幾內亞的部分地區。這些地區孕育著茂密的叢林和雨林，並且為幾乎全年持續溼潤的氣候提供集水區。
由於地球相對於其圍繞太陽執行的軌道平面傾斜了 23.5 度，因此赤道輻合帶的位置從夏至到冬至都會發生變化。赤道輻合帶的這種年度變化極大地擴充套件了地球赤道周圍的區域或帶，這些區域或帶位於低壓大氣區內。每年北半球夏至前後，赤道輻合帶向北移動，將雨帶帶到這些北部地區，而在北半球冬至期間，赤道輻合帶向南移動，將雨帶帶到南部地區。這些季節性降雨被稱為 **季風**。季風來自阿拉伯語單詞 mawsim，意思是季節。季風是指任何季節性的降雨量豐富的時期，但與赤道輻合帶季節性運動相關的季風可以使地球上各個區域輪流經歷主要乾旱和溼潤天氣模式。與赤道輻合帶運動相關的最著名的季風發生在印度。
印度位於赤道以北，赤道穿過印度洋，在夏季後期（8 月至 9 月）期間，赤道輻合帶向北移動，為印度次大陸帶來了大量降雨。在冬季後期（2 月至 3 月）期間，赤道輻合帶向南移動，為印度次大陸帶來了乾燥天氣。這些季節性季風降雨影響著東非、馬達加斯加北部、巴西和澳大利亞北部，時間是 2 月和 3 月，而在 8 月和 9 月，這些季節性季風降雨影響著墨西哥南部、非洲尼日三角洲、印度、孟加拉國和東南亞。
8 月和 9 月，赤道輻合帶向北移動也影響著美國降雨和其他天氣模式。這些季風天氣模式導致颶風在 8 月和 9 月出現在大西洋和墨西哥灣，給東南沿海各州帶來了強降雨和風暴。赤道輻合帶僅僅是地球大氣中全球環流模式的開始。當空氣上升，上升氣團中的水分流失時，新的空氣湧入低壓區。地球自轉的運動和科里奧利效應導致這種流入的空氣從東部吹來。這些強烈的盛行風被稱為信風，對穿越海洋的帆船很有用。北半球的東北信風從東北方向吹向赤道附近的低壓赤道輻合帶，而在南半球，東南信風從東南方向吹來。這些信風導致從東向西的相當持續的風，位於赤道以北或以南，對穿越世界大部分海洋的帆船很有用。
赤道輻合帶上方上升的暖氣團到達對流層頂部，然後向北和向南移動到高空。這種高海拔的暖氣團現在很乾燥，水汽壓很低，處於不飽和狀態。這種高空氣流向兩極移動，導致空氣冷卻。隨著氣團冷卻，它會下沉，並且隨著空氣下沉，它會由於絕熱遞減率而壓縮並變暖。這導致了高壓副熱帶地區。這種高壓副熱帶地區出現在赤道以北和以南約 30 度的地方。這種高壓副熱帶地區位於北迴歸線 (北緯 23.5 度) 以北和南迴歸線 (南緯 23.5 度) 以南。與赤道輻合帶一樣，這種高壓副熱帶地區也會隨著季節的變化而變化，因為地球軌道存在傾斜。高壓副熱帶地區導致地球上出現巨大的熱帶沙漠。在北非的這個高壓區，有撒哈拉沙漠，在南非有卡拉哈里沙漠，中東炎熱的阿拉伯沙漠也位於這個高壓副熱帶區，澳大利亞的大維多利亞沙漠也是如此。在美洲，南美洲的巴塔哥尼亞沙漠，以及墨西哥北部的奇瓦瓦沙漠，亞利桑那州的索諾蘭沙漠和加利福尼亞州的莫哈韋沙漠都位於這個高壓大氣區內。這些沙漠都位於由地球大氣環流模式造成的高壓區內。
地球的低壓赤道雨林和叢林區域以及高壓副熱帶熱帶沙漠區域的大氣環流模式統稱為哈德里大氣環流或哈德里環流，這是以 300 多年前首次描述它們的喬治·哈德里命名的。
在加利福尼亞州天堂鎮上方的山丘上，野火蔓延到曾經田園詩般的社群的丘陵林地。由消防車帶領的一支汽車隊伍試圖在燃燒的景觀中開闢一條道路。加利福尼亞州北部從未出現過如此規模的野火吞噬瞭如此多的房屋和建築物。2018 年的野火蔓延到加利福尼亞州 150 萬英畝以上的土地，成為該州有記錄以來最嚴重的火災季，直到 2020 年，超過 300 萬英畝的土地被燒燬。為什麼加利福尼亞州北部曾經溼潤的松樹為主的森林變得如此容易發生火災？2000 年至 2020 年間，加利福尼亞州的野火每年都達到 100 萬英畝以上，而早在 1960 年代，該州的野火很少超過 40 萬英畝。是什麼導致了火災的增加？
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加利福尼亞州和美國西部大部分地區位於一個不穩定的緯度，這是對地球哈德利大氣環流模式近期變化的回應。大氣中二氧化碳濃度不斷上升，導致氣團保留更多太陽熱量，從而導致哈德利環流向新的地理區域擴充套件。在二氧化碳濃度增加的大氣中，對流層高處的暖空氣冷卻和下沉需要更長時間，因此可以向北移動更遠。在太平洋上空，這種高壓副熱帶區域的向北擴張將幹風推向北加州。來自高壓副熱帶區域的這些乾燥暖風導致森林和通常降雨量較多的地區發生野火。加州和其他西部各州野火發生的頻率增加是哈德利環流熱膨脹的結果。現在，高達北緯 40 度的緯度正越來越多地落入高壓副熱帶區域。決定地球沙漠分佈的大氣環流模式現在正在向北發揮作用。這導致這些地區的 8 月和 9 月的夏季晚期異常乾燥和溫暖。加州並非唯一受到這些變化影響的地區。在美國東南部，這些變化導致 8 月和 9 月的氣溫更高、更乾燥，而在歐洲，哈德利環流的更北運動導致地中海以北的夏季氣溫越來越高，法國、西班牙、義大利和希臘出現年度熱浪。它還導致南半球澳大利亞 12 月至 1 月的氣溫越來越高，導致 2018/19 和 2019/20 火災季節發生大規模森林火災。
喬治·哈德利提出大氣運動的想法一個世紀後，一位名叫威廉·費雷爾的年輕美國人在 1856 年完善了這一想法。特別是，哈德利關於大氣運動的想法是基於氣團保持其線性運動的想法，而費雷爾則提出了一個更準確的評估，即氣團的運動遵循相對於地球軸的角動量。換句話說，它們受到地球自轉運動的影響。這導致高壓副熱帶區域以北的氣團從西向東吹出（西風）。這些較高緯度的氣流模式統稱為費雷爾環流，以威廉·費雷爾的名字命名。哈德利環流的聯合運動（將風從東部吹入低壓赤道輻合帶）和費雷爾環流的運動（將風從西部吹離高壓副熱帶區域）產生了螺旋或複雜的圓周運動。這些西風吹入極地附近最冷的氣團。環繞極地區域的氣團下沉，導致對流層頂部在極地上方較低。這些西風強烈地吹向圍繞極地頂部旋轉的冷空氣帽。這種熱梯度導致形成一條強大的風道，稱為急流。
急流在對流層頂附近，即對流層和平流層之間的邊界附近，提供近乎連續的高風。這些高度在大多數商用飛機的巡航高度內，因此被稱為急流。這些西風會影響飛機，顯著加快順風向東飛行的飛機速度，並減慢逆風向西飛行的飛機速度。
大氣中二氧化碳的增加也影響了地球極地附近的費雷爾大氣環流模式，並導致急流強度發生變化。通常，急流的強風速來自北極極地冷空氣與南邊圍繞地球的溫暖空氣（約 50 度緯度）之間的強熱梯度。極地上的冷空氣阻止了來自南部的空氣團向北移動，然而，隨著地球保留了更多太陽能，極地空氣顯著變暖。極地上空，特別是北極上空的更溫暖的大氣導致急流變弱。這種較弱的急流使暖氣團能夠向上推入北極，將冷空氣向南推移。有時，北極極地空氣會向南漂移，導致冷氣團漂移到 50 度緯度，使北極上空的氣溫升高。這些天氣事件被稱為極地渦旋。
在冬季，極地渦旋會導致北極冷空氣向南移動，特別是在北美東部和亞洲北部，因為它與西風急流相互作用。這些寒流給美國東北部、加拿大東部和大湖區帶來寒冷天氣，而阿拉斯加州、育空地區和不列顛哥倫比亞省等西海岸地區則以溫暖天氣為主。
在費雷爾之後一個世紀，在哈德利之後兩個世紀，一位名叫卡爾-古斯塔夫·羅斯貝的瑞典科學家描述了急流運動與西風運動的複雜關係。羅斯貝在 1939 年識別出急流中的大氣波，並繼續解釋其運動的科學原理。如今，這些波被稱為羅斯貝波。大氣羅斯貝波源於地球運動產生的潛在自旋力的守恆，即科里奧利力和由緯度溫度差異產生的壓力梯度。這些波導致極地冷空氣像波浪一樣形成波峰，波峰指向西南方向，而冷空氣的廣闊極地鋒面向東移動。地球大氣中的羅斯貝波會導致地球急流出現 4 到 6 個大型蜿蜒。當這些偏差變得非常明顯時，冷空氣團會分離，形成低強度風暴，並導致許多中緯度（40 到 50 度）的日常天氣模式。羅斯貝波的作用有助於解釋為什麼北半球大陸東海岸，如美國東北部和加拿大東部，與西歐處於相同緯度但氣溫要低得多。它們還解釋了北美西北海岸變暖的近期天氣現象，而北美東北海岸則遭遇更多冬季寒潮風暴。在南半球，羅斯貝波的作用有助於解釋南極冰蓋的近期天氣變化，最近，阿蒙森海的西南極冰架變暖和融化，而東部南極冰蓋保持穩定，天氣更涼爽。
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