La circolazione generale dell’atmosfera è dovuta essenzialmente ad un effetto radiativo per cui il sole riscalda maggiormente le basse latitudini piuttosto che le alte. Se tale surplus energetico non venisse in qualche modo bilanciato, la temperatura sulle zone equatoriali sarebbe molto maggiore e contrariamente, molto inferiore sulle zone polari rispetto alle medie osservate.

Il primo che cercò di spiegare come avvenisse tale bilancio energetico fu Hadley. Con un modello terrestre semplificato, privo di rotazione e con una superficie omogenea senza discontinuità tra oceani e terre emerse, egli dedusse che il forte riscaldamento equatoriale dovesse sollevare in tali zone grandi masse d’aria mentre il progressivo raffreddamento verso le zone polari, inibire tali moti convettivi ed anzi favorire moti discendenti.

Questi processi convettivi danno luogo alla formazione di una bassa pressione al suolo nelle regioni equatoriali sede di convergenza dei flussi, mentre in quota la divergenza che si verifica per il principio di continuità, da origine ad una zona anticiclonica. Sulle regioni polari il meccanismo si inverte così i flussi al suolo hanno una componente meridionale verso l’equatore mentre in quota verso i poli, instaurando una circolazione su scala globale.

Solo successivamente Hadley  scoprì che la direzione dei flussi medi presentava una deviazione verso ovest nell’emisfero nord e verso est nell’emisfero opposto, deviazione causata dalla forza di Coriolis e battezzò tali correnti atmosferiche con il nome di Alisei.

La teoria presentata però presentava delle lacune: infatti non riusciva a spiegare l’interruzione della cella nelle zone tropicali e la presenza di venti occidentali o westerlies alle medie latitudini.

Fisicamente il trasporto di calore può essere spiegato dalla prima legge della termodinamica, in quanto tale calore può essere convertito in energia interna e lavoro che conseguentemente, a causa del campo gravitazionale terrestre, è convertito in energia potenziale. Da stime eseguite  e assumendo che il 70 % della radiazione proveniente dal sole sia assorbita dal sistema terrestre, solo il 20 % è convertito in energia potenziale mentre il restante 50% in energia interna. Nella circolazione media l’energia dissipata dalle correnti deve bilanciare la conversione di energia potenziale in energia cinetica ma solo il 3% dell’energia potenziale viene utilizzato nella forzatura della circolazione globale.

Il surplus di energia deve essere eliminato con altri meccanismi e per mantenere la temperatura media del pianeta  costante le energie potenziali ed interne sono riemesse verso lo spazio tramite radiazioni infrarosso senza nessuna conversione in energia cinetica

La differenza di densità tra l’aria delle zone equatoriali e l’aria delle zone polari è la causa dei moti alle medie latitudini ma la stessa densità è funzione della temperatura e pressione, grandezze fortemente variabili nella verticale. Per arginare il problema occorre introdurre la temperatura potenziale, definita come temperatura che avrebbe una particella d’aria portata adiabaticamente ad una pressione di riferimento di 1000 hPa.

Spesso negli spostamenti orizzontali e verticali di una particella d’aria gli scambi di calore sono trascurabili allora la temperatura potenziale tende a conservarsi ed è un ottimo tracciante per l’osservare la traiettoria di una massa d’aria  su lunghi percorsi.

Il valore assunto della temperatura potenziale al variare della quota è di nota rilevanza negli scambi di calore tra i diversi strati atmosferici in quanto l’avvezione di calore è possibile solo se l’atmosfera è stratificata ossia con temperatura potenziale differente per strati successivi.

Il gradiente orizzontale di temperatura potenziale è dovuto al differente riscaldamento tra polo ed equatore, dove avviene nei bassi strati, al contrario dei poli dove avviene a quote maggiori. Ciò fa si che il gradiente sia massimo alle medie latitudini.
 

Sulla verticale dell’equatore i grandi processi convettivi trasportano masse d’aria in alta quota per poi dirigersi  verso le regioni polari ma tali flussi si interrompono intorno ai 30°  a causa della progressiva deviazione indotta dalla forza di Coriolis  Tale massa non può essere distrutta e quindi deve avere una via di fuga che si traduce in moti discendenti per poi dirigersi verso l’equatore come Alisei. In prossimità dell’equatore esiste una zone di convergenza di tali flussi, detta ITCZ (inter tropical convergence zone) che ha posizione variabile tra inverno ed estate a causa della differente direttrice dei raggi solari nei due periodi.

Schema della circolazione globale a tre celle