Итак, динамика атмосферы влияет на ее состав посредством изменения температуры (что влияет на скорость химических реакций и, следовательно, на состав атмосферы) и переноса отдельных составляющих. В свою очередь, состав атмосферы оказывает влияние на динамику посредством относительно активных компонент (например, озона или углекислого газа). Это наиболее заметно проявляется в случае короткоживущих компонент (озон, вода), распределение которых наиболее чувствительно к динамике. Однако то же применимо и к хорошо перемешанным парниковым газам (СН4, N2O, CFCs), для которых имеются процессы серьезных потерь в атмосфере. Таким образом, динамика и химия оказываются связанными нелинейно. Естественная (внутренняя) изменчивость определяется в общем случае динамикой, но имеет также и химические корни, и также модифицируется за счет химии.
С точки зрения химии и динамики между тропосферой и средней атмосферой (стратосферой и мезосферой) имеются существенные различия. В тропосфере радиационно сбалансированное состояние оказывается нестабильным по отношению к конвективной неустойчивости в тропиках и к бароклинной неустойчивости в экстратропиках. Поэтому движения, обусловленные термическими причинами, имеют относительно малые временные масштабы в тропосфере – обычно воздушные частицы в свободной атмосфере вступают в контакт с пограничным слоем в течение недели или около того. При этом для тропосферы характерны наличие облаков и вымывание растворимых веществ осадками. Средняя атмосфера напротив, динамически устойчива, а слабая меридиональная циркуляция инициируется и поддерживается механически за счет волн, распространяющихся из тропосферы. Воздух в средней атмосфере может «жить» годами и подвергаться фотохимическому старению.
Вместе с тем разница между тропосферой и стратосферой не носит абсолютного характера. Например, существует отдельная область - верхняя тропосфера/нижняя стратосфера, обладающая свойствами и первой и второй. В частности, тропосферная часть этой области (слой тропической тропопаузы) содержит значительную долю массы свободной тропосферы и играет определяющую роль в балансе тропосферного озона (следовательно, определяет окислительную способность тропосферы).
Озон является классическим примером химического соединения, сильно зависимого от динамики. Поэтому понимание произошедших из-за галогенного загрязнения изменений озона невозможно без привлечения динамики. Отдавая центральную роль озону во влиянии на климат (это парниковый газ, который производится непосредственно в атмосфере и влияет на времена жизни других парниковых газов посредством участия в процессах окисления), следует также понимать, что будущие изменения климата определяются химико-динамическими взаимодействиями, которые только-только начинают проясняться.
[1] Здесь речь не идет о термосфере, где наблюдаются очень высокие температуры, основной причиной которых является поглощение коротковолнового солнечного излучения.
[2] Это отдельный вопрос, почему в стратосфере есть озон, а выше, в мезосфере, его очень мало. Ведь там гораздо эффективнее происходит диссоциация молекулярного кислорода. Однако более низкая плотность атмосферы замедляет реакции образования озона, а очень интенсивное разрушающее озон солнечное ультрафиолетовое излучение не позволяет ему даже медленно накапливаться в больших количествах.
[3] По мере приближения к полюсам увеличивается угол падения солнечного излучения на атмосферу, следовательно, на единицу площади приходится все меньшая энергия. Однако при наклонном падении лучей растет оптическая толщина озонового слоя, и, следовательно, все большая доля падающей солнечной энергии поглощается этим слоем и не доходит до поверхности Земли. Этому же способствует известное из экспериментальных наблюдений увеличение содержания озона в высоких широтах по сравнению с тропиками. Оказывается, что изменения солнечного склонения на 23.5 градуса в дни солнцестояния по сравнению с периодом равноденствия достаточно, чтобы второй эффект начал превалировать над первым, и область стратосферы в районе летнего полюса стала самой теплой.
Условие лучистого равновесия может нарушаться вследствие движения воздуха. В частности, это ярко проявляется в тропосфере и обусловлено в основном термической конвекцией, а также в мезосфере, где источником «ненормального» нагрева, являются волновые движения.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.