Подібно тому як берегові й морські бризи виникають через розходження температури суши й моря, що породжує горизонтальний градієнт тиску, так і основні планетарні особливості в розподілі вітру обумовлені розходженням у температурі повітря в низьких і високих широтах. Якби Земля не оберталася, а такі характеристики, як альбедо, теплоємність, теплопровідність поверхні й прозорість атмосфери, не змінювалися б по горизонталі, то можна було б очікувати утворення в тропосфері по одному конвективному осередку в кожній півкулі. Обертання ж Землі й неоднорідність її поверхні роблять реальну картину циркуляції значно більше складної.
Розподіл тиску й вітру в поверхні
Якщо провести осереднення по широтних колах з метою усунути зональні розходження, пов'язані з розподілом материків і океанів, то в результаті ми одержимо ряд зональних поясів тиску й вітри. Така картина мала б місце за умови однорідності поверхні Землі. Осереднене поле вітру над Атлантичним і Тихим океанами дуже нагадує цю ідеалізовану картину. Поряд з поясом низького тиску на екваторі й областю високого тиску на полюсах - особливостями, характерними для найпростішої циркуляційної комірки, додатково з'являються субтропічний пояс високого тиску й пояс низького тиску на широті близько 60°. Ці останні, таким чином, повинні мати не термічне, а скоріше динамічне походження, у результаті чого відсутня прямий зв'язок між вітрами помірних широт і термічних умов.
Тут можна відзначити, що якби мав місце градієнт тиску на всім протязі від полюса до екватора, то вітер у поверхні обертової Землі мав би східний, тобто був би спрямований проти обертання Землі на всіх широтах. Атмосфера й Земля зв'язані між собою фрикційною взаємодією, і якщо швидкість обертання Землі не міняється, то повинне існувати така рівновага між східними й західними вітрами на поверхні Землі, що сумарний фрикційний момент крутіння дорівнює нулю. У помірних широтах цей перенос можуть забезпечувати два механізми, у яких вітер не зв'язаний безпосередньо з термічними умовами. Один - це горизонтальні рухи у вихрах великого масштабу, іншій - хвильові рухи в зональному потоці. В обох випадках тридцятимільйонні плини, спрямовані до полюса, переносять тепле повітря, а спрямовані до екватора - холодний. Завдяки цьому й відбувається обмін теплом з повітрям, що прилягає до полярної й екваторіальної границь потоку.
Експерименти в баку й комірка циркуляції Гадлея
Найпростіший конвективний осередок, можна отримати в наступному експерименті. У циліндричну судину (бак) налита рідина. Дно бака нагрівається на периферії (що відповідає екватору) і прохолоджується в центрі (полюс). Якщо тепер обертати бак навколо вертикальної осі, то можна одержати різноманітні складні картини руху рідини щодо бака. Характер руху залежить від різниці температур у центрі бака й на його стінках і від швидкості його обертання. У міру збільшення швидкості обертання рух здобуває усе більше зональний характер. При подальшому збільшенні обертання утвориться ряд петель, розділених замкнутими лініями токовища. На сферичній Землі тридцятилітній кутової швидкості обертання навколо локальної вертикальної осі тим менше, чим менше широта; подібно силі Коріолиса, вона пропорційна синусу широти. Тому появи комірки термічної конвекції варто очікувати в низьких широтах. Саме це й спостерігається в атмосфері, де ця комірка називається коміркою Гадлея. У нижніх шарах атмосфери уздовж термічного екватора тиск знижений, і обумовлена цим конвергенція приводить до підйому повітря. У субтропіках повітря, опускаючись, створює область підвищеного тиску. У результаті встановлюється меридіональний градієнт тиску. Обумовлені ним вітри відхиляються до заходу завдяки силі Коріолиса, здійснюючи стійку систему пасатів: північно-східних у північній півкулі й південно-східних - у південній.
Західні вітри, струминні плини й хвилі Россбі
У помірних і високих широтах вітри у верхній тропосфері мають переважно західний напрямок. Тому що в тропосфері температура повітря убуває в напрямку полюсів, термічний вітер спрямований із заходу на схід в обох півкулях, а його швидкість зростає з висотою. Найбільшої сили термічний вітер досягає в тих областях, де меридіональний градієнт температури максимальний. У районах фронтів, що розділяють повітряні маси, де горизонтальні градієнти температури на деяких рівнях можуть досягати 1° на 10 км, ці вітри особливо сильні. У зимовий період їхня швидкість іноді перевищує 100 м/сек (близько 195 вузлів). Такі сильні вітри концентруються у вузьких струменях безпосередньо під тропопаузою й відомі за назвою струминних плинів. Їхнє існування можна виявити, спостерігаючи за рухом пір'ястих хмар. Основні особливості цих плинів стали відомі після того, як під час другої світової війни літаки почали літати на більших висотах. Картина зонального розподілу швидкості вітру в тропосфері показує, що струминні плини зосереджені на висотах 10-15 км. Струминні плини, середня швидкість яких досягає 50 м/сек, оперізують Землю.
У кожний даний момент часу, однак, картина може значно відрізнятися від середньої. Можна, наприклад, виділити субтропічний струминний плин і струминний плин полярного фронту, а також і інші плини, пов'язані із фронтальними зонами (з арктичним фронтом, наприклад).
Для розуміння механізму формування хвиль Россбі в потоці західних вітрів необхідно звернутися до поняття завихренності або вихру. Під завихренністю мають на увазі тенденцію до обертання навколо осі. Ми будемо розглядати завихренність щодо вертикальної осі, причому, як звичайно, за позитивне приймемо напрямок обертання проти годинникової стрілки, а за негативне - за годинниковою стрілкою.
Усюди, крім екватора, рідина, що перебуває на поверхні Землі, володіє завихренністю щодо вертикальної осі. Це так звана планетарна завихренність, величина якої дорівнює параметру Коріолиса. Вона негативна в південній півкулі й позитивна-у північному.
Західні вітри середніх широт
Розглянемо тепер докладніше вітер середніх широт і причини виникнення субтропічного пояса високого тиску й полярної області низького тиску, з якими цей вітер зв'язаний. Істотною його особливістю, в основному в північній півкулі, є мінливість. На Британських островах спостерігаються вітри всіх напрямків, і потрібний досить великий проміжок часу вимірів, щоб виявити пануючу роль західних або південно-західних вітрів. Причина полягає в тім, що розподіл тиску на цих широтах сильно варіює. Зокрема, області низького тиску на широті близько 60° виникають у результаті проходження одиночних депресій, що випливають переважно в східному напрямку. Ці депресії можуть зміщатися до півдня або до півночі й часом навіть заміщатися системами високого тиску.
Вони виникають звичайно в результаті дивергенції або конвергенції в потоці західних вітрів у верхній тропосфері. Антициклонічний їхній рух у гребені хвилі Россбі приводить до перевищення градієнтної швидкості над геострофичною. У балці, де кривизна має протилежний знак, градієнтна швидкість менше геострофичної. Існують і інші фактори, що визначають прискорення й уповільнення потоку західних вітрів, але в цілому можна сказати, що швидкість вітру зростає в напрямку від балки до гребеня й навпаки.
Збільшення швидкості в напрямку потоку викликає дивергенцію. Це у свою чергу змушує повітря підніматися з поверхні й створювати область зниженого тиску, або депресії, у поверхні. Навпаки, там, де швидкість потоку зменшується в напрямку руху, конвергенція змушує повітря опускатися й створювати антициклон з високим тиском у поверхні. Наступний рух цих систем визначається в основному висотним західним переносом, тому депресії рухаються на схід і до полюса (до гребенів хвиль Россбі), у той час як антициклони рухаються на схід і до екватора, де поглинаються субтропічною областю високого тиску.
Вплив материків; мусони
Материки можуть порушувати картину, за рахунок ефектів як динамічного, так і термічного походження. Динамічні ефекти максимальні в тих випадках, коли на материках є гірські хребти. Західний потік повітря, що перетинає Скелясті гори, при підйомі відхиляється до полюса, а при опусканні - до екватора, у результаті чого утвориться балка хвилі. Тому Скелясті гори почасти є причиною утворення депресій над Атлантичним океаном і області низького тиску навколо Ісландії.
Більше очевидний механізм впливу материків на атмосферну циркуляцію - це тепловий контраст між сушею й морем. Улітку повітря над материками більше теплий і менш щільний, чим над океанами, тому області низького тиску мають тенденцію розташовуватися над материками, а області високого тиску - над океанами. Узимку, коли над материками повітря більше холодний і більше щільний, чим над океанами, спостерігається зворотна ситуація. Розходження між літніми й зимовими умовами особливо помітно в північній півкулі, де два сектори відповідають сухіше, а два - океани.
Із сезонними змінами розподілу тиски зв'язані мусони - вітри, що міняють напрямок від сезону до сезону. Причини їхнього виникнення в основному ті ж, що й у берегових і морських бризів, однак мусони мають більші просторово-тимчасові масштаби й взаємодіють із вітрами верхньої тропосфери. Серед них найбільше виділяється район Індійського субконтиненту й прилягаючих областей Індійського океану. Ми будемо говорити про мусон цього району нижче. Існують і інші райони мусонів: уздовж західного берега Африки від 5° до 15° північ.ш., Південно-Китайське море, район Північної Австралії. Розвиток мусонів супроводжується й змінами вітрів у верхній тропосфері й переміщеннями струминних плинів, однак ми розглянемо тільки вітер, розподіл тиску й погодні умови, пов'язані з мусоном Індійського океану.
Узимку над Азіатським континентом встановлюється високий тиск, тому над Індією й Індійським океаном виникає горизонтальний градієнт тиску з півночі на південь до широт близько 10° півден.ш. До півночі від екватора вітри мають переважно північно-східний напрямок-напрямок пасатів у комірці циркуляції Гадлея. При перетинанні екватора вони відхиляються вліво під дією сили Коріолиса й назад до північно-західного напрямку. Ці вітри, що переносять із півночі континентальне повітря, несуть із собою суху прохолодну погоду.