Современные представления о строении и динамике атмосферы, страница 6

Высота тропопаузы зависит от статической устойчивости тропосферы. При переходе через тропопаузу в стратосферу статическая устойчивость резко возрастает. Следовательно, тропопаузе соответствует большая величина градиента статической устойчивости. Поскольку при сохранении всех остальных характеристик потенциальный вихрь пропорционален статической устойчивости,  тропопаузе должен соответствовать большой по величине градиент потенциального вихря на изэнтропических поверхностях, проходящих через нее.  Таким образом мы приходим к еще одному способу определения высоты тропопаузы. На рис. 21.7 показано поле потенциального вихря  на изэнтропической поверхности, соответствующей потенциальной температуре   345 ⁰К. Такая картина типична для января на высоте приблизительно 10 км. Высокие значения потенциального вихря отвечают сильно стратифицированной стратосфере, низкие (меньшие 2 единиц PV) – слабо стратифицированной тропосфере. Видно, что тропопауза в средних широтах служит границей не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Волнистость этой границы отражает бароклинные возмущения и отвечает волновым числам 5-6, как и предсказывает теория бароклинной неустойчивости. Большие значения градиента потенциального вихря возникают в результате столкновения сильно неоднородных по значениям потенциального вихря областей и в то же время являются преградой для перемешивания. В результате значения градиента внутри области смешения понижаются и усиливаются  на ее границах. Это является естественным следствием бароклинной неустойчивости и объясняет поведение тропопаузы в средних широтах.

Как отмечалось ранее, бароклинная неустойчивость создается поверхностными температурными градиентами, и поэтому она становится наиболее интенсивной там, где наблюдаются наибольшие поверхностные градиенты температуры – в средних широтах под струйным течением. Далее, в Северном полушарии, имеется область концентрации бароклинной активности в так называемых «ловушках штормов» - западных участках Атлантического  и Тихого океанов. Эти области возникают в результате действия стационарных планетарных волн. Хотя бароклинная нестабильность есть явление крупномасштабное (соответствующее зональным волновым числам 5-6, или длинам волн порядка 1000 км), она в то же время порождает также и мезомасштабные структуры (с длинами волн порядка десятков и сотен км) – фронты. Фронты подвержены влиянию крупномасштабных течений и приводят к возникновению сильных вертикальных движений, вызывающих конденсацию и осадки. Их значение для химии проявляется в вертикальном перемешивании и выпадении дождей. Последние уносят из атмосферы растворимые химические соединения.

Крупномасштабная циркуляция в тропосфере

В тропиках скрытое тепло высвобождается при конвективных движениях, распространяющихся на большую высоту.   Это происходит в довольно узкой полосе широт внутритропической зоны конвергенции, перемещающейся относительно экватора вслед за Солнцем в ходе его сезонного  цикла. Когда поднимающийся воздух достигает уровня нулевой плавучести, восходящее движение прекращается, и воздух начинает течь в сторону полюсов. Насколько далеко в направлении полюсов он может продвинуться, определяется условием сохранения момента количества движения: по мере движения воздуха в сторону полюса и, следовательно, приближения к земной оси он должен наращивать скорость в восточном направлении. Но  скорость западного зонального ветра наверху ограничена (она определяется уравнением термического ветра) существующим меридиональным градиентом температуры, который, в свою очередь,  определяется условиями радиационного баланса. Течения, возникающие в результате бароклинной неустойчивости, нагревают полярные области и ослабляют температурный градиент. В этом и состоит физика наблюдаемой циркуляции в рамках ячеек Хедли -  двух замкнутых колец циркуляции, достигающих широты 30 градусов и высоты около 10-12 км (границы влажного перемешивания). Таким образом, циркуляция Хедли обеспечивает перенос тепла в сторону полюсов в границах тропиков. Опускающиеся ветви циркуляции Хедли, очевидно, обезвожены и подвержены адиабатическому нагреванию, что  соответствует жарким сухим пустынным районам, находящимся в субтропиках. Напротив, тропические области характеризуются обильными осадками.