Современные представления о строении и динамике атмосферы, страница 8

Так что же на самом деле вызывает меридиональную циркуляцию в средней атмосфере? Чтобы найти ответ, следует рассмотреть совместно условия термодинамического равновесия и условия сохранения  углового момента (первый закон термодинамики и второй закон Ньютона). Ввиду характерной для средней атмосферы устойчивой стратификации постоянное вертикальное движение требует диабатического (не связанного с нагревом или охлаждением при адиабатическом сжатии или расширении) нагревания или охлаждения воздуха, чтобы позволить воздушной частице переходить с одной  изэнтропической поверхности на другую. Правда, это не является существенным ограничением, поскольку  релаксационный характер процессов радиационного нагрева и охлаждения легко допускает такую ситуацию. Если, например, в каком-то месте вдруг возникло нисходящее движение, немедленно последует адиабатическое нагревание опускающегося воздуха. Такой нагрев повышает температуру выше уровня лучистого равновесия, и это интенсифицирует радиационное охлаждение. В результате устраняются препятствия для продолжения дальнейшего нисходящего движения. Однако когда речь идет о движении вдоль  меридиана, подобное рассмотрение неприменимо. Вследствие вращения Земли постоянное движение в меридиональном направлении требует возможности изменения момента вращения воздушных частиц, чтобы они могли пересекать поверхности постоянного углового момента либо при удалении от оси вращения Земли либо при приближении к ней. А поскольку в атмосфере отсутствуют внешние источники углового момента, момент вращения у воздушных частиц может возникнуть только за счет переноса углового момента атмосферными движениями. Например, если где-то вдруг возникло движение в направлении полюса, немедленной реакцией будет ускорение зонального ветра (на восток). Однако нет никакой особенной причины, чтобы это привело к изменению условий переноса углового момента, которые будут давать правильное значение отрицательного момента вращения, и движение, к сожалению, останется устойчивым.

Приведенные рассуждения  отражают фундаментальное различие в природе термодинамического баланса и баланса углового момента в средней атмосфере и приводят к концепции downward control. (стабилизация опускания?). Хотя диабатический нагрев должен всегда сопутствовать постоянному восходящему движению, а диабатическое охлаждение – постоянному нисходящему движению, это не является причиной такого движения. На самом деле вертикальные движения вызываются волновыми процессами, в ходе которых происходит перенос  углового момента (обычно называемыми волновым сопротивлением – wave drag) в ходе меридиональной циркуляции. Более того, циркуляция, вызванная  wave drag, распространяется вниз в пределе стационарного случая, уводя атмосферу от состояния радиационного равновесия. Таким образом, wave drag определяет циркуляцию в средней атмосфере, в то время как температура является следствием баланса между радиационным равновесием и отклонениями от него, индуцированными циркуляцией. Можно считать, что радиационное воздействие определяет состояние лучистого равновесия, но не определяет результирующие скорости радиационного нагревания или охлаждения.

Описанная картина в ряде аспектов является сильно упрощенной. Во-первых, радиационное охлаждение нелинейно зависит от температуры. Поэтому радиационное демпфирование (поглощение) волны может привести к результирующему локальному нагреву или охлаждению. Во-вторых, существуют также и обратные связи. В частности wave drag зависит от параметров зонального течения, которые определяются температурой (уравнение термического ветра), и таким образом отражают радиационные свойства атмосферы. Например, радиационное возмущение (типа уменьшения концентрации озона) может привести к понижению температуры, и инициированные таким понижением изменения зонального ветра могут привести к изменению wave drag, что может вызвать изменение циркуляции. Эта последняя обратная связь является эффектом второго порядка и в отличие от обсуждавшейся в предыдущем разделе причинной последовательности практически непредсказуема. Поэтому представляется разумным игнорировать подобные обратные связи в ходе первоначального анализа. В отличие от этого зависящая от времени циркуляция, обусловленная изменением радиационного баланса в ходе годового цикла, должна рассматриваться как эффект первого порядка.