Современные представления о строении и динамике атмосферы, страница 16

[4] Вид циркуляции атмосферы, характерный для экваториальных регионов и возникающий вследствие поверхностных градиентов температуры океана. Над экваториальной областью Тихого океана воздушное течение направлено на запад из холодных восточных областей к теплым западным. Тут,  воздух набирает тепло и влагу и поднимается вверх. Возвратное верхнее течение  и опускание воздуха в восточной части Тихого океана замыкает ячейку циркуляции Уолкера (Walker cell).

[5] Инерционная неустойчивость. Динамическая нестабильность воздуха, обусловленная вращением Земли. Возникающие устойчивые зональные течения удовлетворяют геострофическому соотношению. Если воздушная частица смещается в направлении экватора при сохранении своего углового момента, относительный зональный ветер u должен ослабнуть, поскольку его абсолютная скорость сохраняется, а абсолютная линейная скорость земной поверхности при приближении к экватору возрастает. Однако новое значение относительной скорости зонального ветра обуславливает другое значение силы Кориолиса, которая уже неспособна сбалансировать меридиональный градиент давления, существующий в данной области. В результате возникает положительная обратная связь, и движение становится неустойчивым. Эта ситуация известна под названием «инерционная неустойчивость». Это же можно иначе сформулировать на языке потенциального вихря. Инерционная устойчивость требует, чтобы в Северном полушарии потенциальный вихрь имел положительное значение, а в Южном - отрицательное. В то же время воздушные частицы сохраняют потенциальный вихрь при адиабатическом движении.  Поэтому, как только воздушная частица пересечет экватор (за достаточно короткий временной интервал, чтобы можно было считать движение адиабатическим), сразу же проявится инерционная нестабильность и движение прекратится. Это динамическое ограничение является серьезным препятствием для возникновения течений, пересекающих экватор.

[6] Химическое старение. Постоянное преобразование химических соединений за счет фотохимических процессов или процессов окисления. К этим процессам можно отнести и фотолиз под действием солнечного излучения. Воздух, входящий в стратосферу через тропическую тропопаузу, остается там некоторое время. Поскольку весь воздух в средней и верхней стратосфере должен был пройти через тропопаузу, можно определить возраст стратосферного воздуха в заданном месте как время с момента пересечения тропической тропопаузы. Конечно, следует учитывать возможность смешивания, поэтому нужно говорить о вероятностном распределении возраста в данной точке пространства. Тогда среднее значение этого распределения будет характеризовать средний возраст воздуха в данной воздушной частице. В верхней стратосфере возраст воздуха измеряется годами. Фотохимические и окислительные процессы могут длительное время воздействовать на такой воздух, и возраст воздуха будет обратно пропорционален концентрациям долгоживущих компонент, основные потери которых происходят в средней стратосфере. Иными словами, пространственные распределения концентраций таких компонент и их возраста должны коррелировать друг с другом.

Основная часть воздуха, попавшего в стратосферу из тропической тропосферы, распространяется по нижней и средней стратосфере, где попадает в нисходящую ветвь ячейки Брюэра-Добсона. Воздух, который попадает к верхней границе стратосферы подвергается энергичному перемешиванию в мезосфере посредством циркуляции, существующей там. Эта циркуляция инициируется разрушением гравитационных волн.

Требуется от 4.5 до 5 лет для транспортировки воздуха от поверхности Земли в нижнюю мезосферу. Воздух возвращается в стратосферу в ходе зимнего опускания в средних и высоких широтах. Тропический воздух в нижней стратосфере относительно “молодой”, поскольку он поднят из тропосферы непосредственно циркуляцией Брюэра-Добсона. Он отличается по составу от воздуха нижней стратосферы средних и высоких широт, где возраст превышает 5 лет. “Старый” воздух содержит значительное количество радикалов хлора и малое количество хлорфторуглеродов, поскольку у него было больше времени для разрушения хлорфторуглеродов в ходе фотолиза.

Только небольшая порция тропосферного воздуха достигает верхней стратосферы. Поэтому время, требуемое, чтобы пропустить весь тропосферный воздух через верхнюю стратосферу составляет несколько десятилетий.