Oddziaływania elektromagnetyczne w atmosferze

Cyrkulacja atmosfery

Podobnie jak w przypadku prądów oceanicznych, cyrkulację atmosfery prześledzimy, tak jak gdyby opisany proces przebiegał w podanej kolejności.

Ziemia posiada wypadkowy ładunek elektrostatyczny ujemny. Pod wpływem elektrostatycznego przyciągania ujemnie naładowanej powierzchni Ziemi, z otaczającej przestrzeni kosmicznej, do atmosfery sprowadzane są ładunki dodatnie - w efekcie, atmosfera posiada wypadkowy ładunek dodatni.

Załóżmy, że na początku atmosfera naładowana jest w całej objętości ładunkiem o jednorodnej gęstości i nie wykonuje żadnych ruchów względem powierzchni Ziemi - wiruje razem z Ziemią. Podczas ruchu obrotowego wykonywanego razem z Ziemią, na każdą cząstkę powietrza - również na cząstki posiadające ładunki elektryczne - działa przyspieszenie dośrodkowe.    Oddziaływanie przyspieszanych dośrodkowo ładunków z polem magnetycznym Ziemi (oddziaływanie styczne) wywołuje pierwotną równoleżnikową cyrkulację atmosfery, a ponieważ wypadkowy ładunek atmosfery jest dodatni, to na początku o cyrkulacji atmosfery decyduje oddziaływanie styczne ładunków dodatnich.

Rj - odległość ładunku od osi obrotu Ziemi    B||   - składowa poosiowa pola magnetycznego Pod wpływem oddziaływania stycznego w atmosferze powstają trzy pierwotne prądy cyrkulacyjne - dwa podbiegunowe wschodnie i jeden równikowy zachodni.    Równocześnie pojawia się oddziaływanie poprzeczne ponieważ ruch naładowanych elektrycznie cząstek względem pola magnetycznego planety wywołuje efekt poprzecznego oddziaływania magnetycznego.    V - względna prędkość obwodowa.

Poprzeczne oddziaływanie magnetyczne wynosi dodatnio naładowane cząstki w górne warstwy atmosfery i w stronę biegunów tworząc na wysokości 11 do 14 km n.p.m., w pobliżu szerokości geograficznych j+ i  j- dwa główne ośrodki wiatrów zachodnich - centra "W". Centra te nazywane są prądami strumieniowymi, a ich położenie w tym miejscu stabilizowane jest malejącą funkcją wielkości oddziaływania stycznego przy zbliżaniu się od strony równika do szerokości geograficznych j+ i  j-. Zmiana wartości oddziaływania stycznego wzdłuż południka Ziemi W atmosferze, oprócz cząstek powietrza naładowanych dodatnio, znajdują się cząstki posiadające ujemny ładunek elektryczny. Pod wpływem oddziaływania poprzecznego, cząstki ujemne w prądach wiatrów wschodnich wypychane są w kierunku biegunów w górne warstwy atmosfery, a poruszające się z prądami wiatrów zachodnich przemieszczane są do powierzchni Ziemi. W ten sposób, wokół biegunów nad strefą wiatrów wschodnich, oraz przy powierzchni Ziemi pod strefą wiatrów zachodnich, utrzymują się przestrzenie w których przeważa ładunek ujemny, najwięcej w pobliżu równika. Oddziaływanie styczne działające w tych strefach na ujemnie naładowane cząstki powietrza, tworzy w strefie międzyzwrotnikowej wiatry wiejące ze wschodu na zachód - pasaty, a wokół biegunów w górnych warstwach atmosfery podbiegunowe wiatry zachodnie. Podbiegunowe wiatry zachodnie wspólnie z zachodnimi wiatrami zwrotnikowymi tworzą jednolitą zachodnią cyrkulację górnych warstw atmosfery. W strefie średnich szerokości geograficznych, wiatry zachodnie sięgają do powierzchni Ziemi.

Z całej przestrzeni wiatrów zachodnich, pod wpływem oddziaływania poprzecznego, dodatnio naładowane cząstki powietrza przemieszczane są w kierunku biegunów, tworząc wokół biegunów na styku z ujemnie naładowanymi podbiegunowymi wiatrami zachodnimi "front polarny". Na równiku w przestrzeni wiatrów wschodnich, oddziaływanie poprzeczne, działając na naładowane cząstki powietrza unoszone przez wiatr wschodni, wynosi ujemnie naładowane cząstki w górne warstwy atmosfery tworząc po obu stronach równika równikowe prądy wznoszące oraz nad równikiem strefę obniżonego ciśnienia - niż równikowy. Do strefy tej, z północy i z południa, zasysane jest powietrze z przypowierzchniowej warstwy ujemnie naładowanych wiatrów wschodnich. W ten sposób po obu stronach równika wiatry wschodnie uzyskują odchylenie w kierunku równika co jest charakterystyczną cechą pasatów. Intensywny, wspomagany konwekcją termiczną, pionowy ruch do góry ujemnie naładowanych cząstek w równikowych prądach wznoszących w oddziaływaniu z ziemskim polem magnetycznym (oddziaływanie poprzeczne) wyhamowuje na równiku wiatr wschodni i w ten sposób powstaje "równikowa strefa ciszy" w której wiatry wschodnie posiadają bardzo małą prędkość. Wiatry w atmosferze - wg Encykl. Fizyki Współczesnej PWN 1983 "Pionowo-południkowy przekrój przez troposferę półkuli północnej przedstawiający średnią cyrkulację równoleżnikową w zimie. Prędkość cyrkulacji scharakteryzowano za pomocą izotach (linie jednakowej prędkości zachodniej) - w m/s." Do pełnego opisu cyrkulacji atmosfery potrzebne jest jeszcze wyjaśnienie istoty "frontu polarnego" i zjawiska trwałego wyżu polarnego utrzymującego się nad biegunami.    Strumienie naładowanych elektrycznie cząstek tworzą wokół siebie pola magnetyczne, takie jakie powstają wokół przewodników z prądem. Wokół strumieni z przeciwnymi ładunkami ("+" i "-"), poruszającymi się w tym samym kierunku (wiatry zachodnie), powstają przeciwne pola magnetyczne - o przeciwnych zwrotach, które się wzajemnie odpychają, utrudniając mieszanie się ładunków - istota "frontu polarnego". Natomiast, zaciskanie wokół biegunów strumienia ujemnie naładowanych wiatrów przez dodatnio naładowane wiatry zachodnie wywołuje efekt sprężania nad biegunem ujemnie naładowanego powietrza - zjawisko wyżu polarnego.    W rzeczywistości, fronty wokół biegunów nie tworzą ciągłej (szczelnej) struktury - są poprzerywane, co umożliwia wymianę powietrza o przeciwnych ładunkach elektrycznych znajdujących się po obu stronach frontu.

Główne stacjonarne fronty atmosferyczne - wg Encyklopedia Fizyki PWN 1972

W - wyż atmosferyczny, N - niż atmosferyczny, I - pacyficzny front polarny, II - pacyficzny front arktyczny, III - atlantycki front polarny, IV - atlantycki front arktyczny, V - front śródziemnomorski, VI - kontynentalne fronty polarne - zachodni i wschodni.

Wzdłuż linii frontów atmosferycznych powstają, na przemian, pogodowe wyże i niże atmosferyczne, decydyjące o pogodzie na obszarze występowania. Te układy wyżowe i niżowe przemieszczają się z zachodu na wschód zgodnie z ogólną cyrkulacją atmosfery, jednak w obszarze wyżu lub niżu powietrze wykonuje dodatkowy ruch wirowy, wokół centrum wyżu w prawo - zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, a wokół centrum niżu w lewo - przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara. Oczywiście, na półkuli południowej kierunki wirowania wyżów i niżów są dokładnie odwrotne! Nie wnikając w mechanizm powstawania naprzemiennie ośrodków wyżowych i niżowych, zjawisko ich wirowania można bardzo prosto wyjaśnić oddziaływaniem ujemnych ładunków elektrycznych znajdujących się w atmosferze z polem magnetycznym planety.

W niżu występuje zjawisko zasysania powietrza do centrum niżu. Zasysane powietrze pochodzi z przypowierzchniowej warstwy (z nad powierzchni Ziemi) i posiada ujemny ładunek elektryczny, - jeżeli niż utworzył się w strefie wiatrów zachodnich. Oddziaływanie ujemnych ładunków elektrycznych, dopływających do centrum niżu, z polem magnetycznym planety (oddziaływanie poprzeczne), wywołuje ruch wirowy powietrza wokół centrum niżu - w lewo na półkuli północnej i w prawo na półkuli południowej. O kierunku wirowania decyduje zwrot linii sił pola magnetycznego. W wyżu, jeżeli powstał w strefie podbiegunowych wiatrów zachodnich, powietrze dopływające do powierzchni Ziemi posiada ujemny ładunek elektryczny który rozprzestrzeniając się od centrum wyżu, oddziaływuje z polem magnetycznym planety wywołując ruch wirowy powietrza wokół centrum wyżu - w prawo na półkuli północnej i w lewo na półkuli południowej. Nakreślony obraz cyrkulacji atmosfery i wyjaśnienia zjawisk atmosferycznych nie uwzględniają wpływu konwekcji termicznej. Założono że zasadniczą rolę w cyrkulacji atmosfery odgrywają oddziaływania elektromagnetyczne, a Słońce jedynie przesuwa cały układ, zależnie od pory roku, trochę na północ lub na południe. Mimo to obraz jest bardzo zbliżony, a często zgodny z obserwacjami, pomimo że żadne dotychczas obserwacje atmosfery nie były prowadzone z uwzględnieniem oddziaływań elektromagnetycznych.