Современные представления о строении и динамике атмосферы, страница 12

Тропопауза сама по себе также представляет барьер для перемешивания. Это подтверждается измерениями многих химических компонент, обнаруживающих сильные различия в концентрациях при переходе через тропопаузу. (Хотя это и не препятствует значительному переносу через тропопаузу). Примером является озон. Ранее было отмечено, что экстратропическая тропопауза является областью повышенных горизонтальных градиентов потенциального вихря на изэнтропических поверхностях (рис.  8). Это результат негомогенного перемешивания, порождаемого бароклинными возмущениями. Поле скоростей, приводящее к размыванию потенциального вихря, одновременно перемешивает и химические компоненты. Поэтому следует ожидать также и повышенных значений горизонтального градиента на изэнтропических поверхностях любых долгоживущих химических составляющих в области тропопаузы.

Нижняя стратосфера и тропическая тропопауза

Из рис. 21.4 видно, что существует отдельная область стратосферы (нижняя стратосфера), связанная с тропопаузой вдоль изэнтропических поверхностей. Выше этой области (приблизительно 17 км или 380 К потенциальной температуры) воздух хорошо изолирован от тропосферы; более того, вследствие стабильного опускания воздуха в экстратропиках он может глубоко проникать в стратосферу только через тропическую тропопаузу. С другой стороны, воздух может попадать в нижнюю стратосферу либо посредством опускания из более высоких ее слоев, либо посредством горизонтального перемешивания из тропосферы. Но тропосферный воздух, проникающий в нижнюю стратосферу, не может подняться высоко и со временем будет «смыт» (вытолкнут) в тропосферу. Нисходящие движения доминируют в зимнее время вследствие  зимнего drag планетарных волн. Поэтому в течение этого периода года нижняя стратосфера имеет определенно стратосферный характер. Летом, однако, тропосферный воздух часто обнаруживается в нижней стратосфере.

Точно так, как нижняя стратосфера является особой областью стратосферы, верхняя тропосфера является особой областью тропосферы. Особенности в обоих случаях обусловлены переносом. Однако в последнем случае определяющей характеристикой является не столько возможность быстрого обмена со стратосферой, сколько довольно малая вероятность быстрого обмена с пограничным слоем. Как отмечалось ранее, тропическая конвекция устанавливает состояние влажного конвективного равновесия приблизительно до высоты 11-12 км. Это высота максимума потока в ячейке Хедли и существенно отличается от высоты тропической тропопаузы, составляющей около 16-17 км. Реалистичные модели радиационно-конвективного уравновешивания дают такую же картину, в которой нагрев углекислого газа длинноволновым излучением приводит к четкому разделению между областью конвективного уравновешивания и высотой температурного минимума (рис. 2). Между двумя этими уровнями наблюдается быстро убывающая с высотой вероятность конвекции и быстро растущее восходящее движение, генерируемое стратосферой. В областях ясного неба переход от нисходящего движения к восходящему происходит на высотах 14-16 км.

К этой переходной зоне, известной под названием «слой тропической тропопаузы», проявляется значительный интерес. Совместно с нижней стратосферой область называется «верхняя тропосфера/нижняя стратосфера» (UTLS). Слой тропической тропопаузы  представляет огромный интерес с точки зрения химических процессов, так как  воздух в пределах этого слоя подвержен химическому старению. С точки зрения радиационных и химических процессов он во многом схож со стратосферой. Однако конвекция все-таки проникает на эти высоты и доставляет сюда воздух из планетарного пограничного слоя. Существует также горизонтальное перемешивание с субтропическим воздухом, имеющим стратосферный характер. Баланс между этими процессами перемешивания и фотохимического старения определяет химические граничные условия для стратосферы.  Представляется, что одномерные простые модели, учитывающие конвективные процессы, восходящие течения в безоблачном небе и химическое старение, способны объяснить значительную долю наблюдаемых в этой зоне характеристик атмосферы и определяющих их процессов. Профили озона в тропиках имеют протяженную переходную зону от низких концентраций тропосферного озона к высоким концентрациям стратосферного без каких-либо специфических особенностей в области тропической тропопаузы.