Современные представления о строении и динамике атмосферы, страница 7

Сцепленные с циркуляцией Хедли, ячейки циркуляции по долготе (ячейка Уолкера[4]) возникают в результате  вариаций температуры поверхности моря и суши. Эти ячейки оказывают модулирующее влияние на циркуляцию Хедли. Частицы воздуха не столько следуют движению в пределах отдельной ячейки Уолкера, сколько совершают хаотическое движение в пределах тропиков. Имеется также существенное препятствие  для движения через экватор. Оно обусловлено инерционной неустойчивостью[5], стремящейся разрушить поток, пересекающий экватор. Результатом является заметное различие в составе атмосферы, например, в концентрации углекислого газа, в обоих полушариях. И это, несмотря на большое время жизни углекислого газа. Время горизонтального перемешивания в тропосфере составляет несколько недель в каждом полушарии, в то время как по отношению к глобальному перемешиванию оно увеличивается до года и более.

В экстратропиках бароклинная неустойчивость приводит к возникновению меридиональной циркуляции с течением в направлении полюсов в верхней тропосфере и возвратным течением в нижнем слое тропосферы. Это относится к результирующему Лагранжеву переносу жидких частиц; усредненная по времени (Эйлерова) меридиональная скорость  на самом деле противоположна по направлению (так называемая «ячейка Феррела), однако она подавляется переносом, обусловленным бароклинными возмущениями. Такая циркуляция приводит в результате к переносу тепла в направлении полюсов в пределах экстратропиков и, совместно с циркуляцией Хедли в тропиках охлаждает тропики ниже температуры радиационного равновесия и нагревает экстратропики выше темепературы радиационного равновесия. Как следствие, результирующее радиационное воздействие положительно в тропиках, где и так тепло, и отрицательно в экстратропиках, где и так холодно. Соответственно, тропики отдают в космическое пространство меньше тепла, чем получают, а экстратропики – больше (рис. 21.8). Таким образом, тропосфера, содержащая до 80% массы атмосферы, представляет собой классическую тепловую машину: температурные градиенты вызывают циркуляцию, стремящуюся их уничтожить.

Циркуляция средней атмосферы

   В то время как циркуляция в тропосфере имеет термическое происхождение, в средней атмосфере (стратосфере и мезосфере) совсем другие причины инициируют циркуляцию. Как отмечалось, состояние лучистого равновесия в средней атмосфере динамически устойчиво. Другими словами, нет необходимости в появлении какого-то другого движения помимо зонального течения, определяемого уравнением термического ветра, и зависящей от времени меридиональной циркуляции, возникающей как результат слабого радиационного дисбаланса в течение годового цикла (такой дисбаланс есть следствие конечного времени, требуемого для установления лучистого равновесия). Тем не менее, в средней атмосфере существует определенная меридиональная циркуляция даже во время солнцестояния, когда условия облучения Земли очень медленно меняются во времени и радиационный дисбаланс минимален. Это подтверждается, в частности, распределением долгоживущих химических компонент, например, СН₄. Метан имеет источник на поверхности Земли, а в средней атмосфере его концентрация падает в результате окисления. Таким образом, метан подвержен химическому старению[6] в стратосфере. Поэтому высокие его концентрации в стратосфере указывают на то, что воздух только что поступил сюда из тропосферы. По наблюдаемому распределению метана можно заключить о существовании постоянного притока воздуха в стратосферу в тропиках и его опускания в экстратропиках (рис. 21.9). Причиной подобной циркуляции не могут быть радиационные процессы.