Современные представления о строении и динамике атмосферы, страница 9

Хотя меридиональная циркуляция уводит атмосферу от состояния лучистого равновесия, этот процесс не носит глобального характера. Причиной  является то, что на заданной высоте нагревание, происходящее в областях опускания воздуха, уравновешивается  охлаждением в областях, где воздух в среднем участвует в восходящем движении. Наличие такого восходящего движения обусловлено требованием сохранения массы (уравнением неразрывности). Ситуация меняется в тропосфере, где вертикальные потоки тепла, вызванные конвекцией и бароклинной нестабильностью, играют роль эффекта первого порядка в энергетическом балансе и вызывают отклонения глобального характера от радиационного равновесия.

В экстратропической  стратосфере wave drag возникает в основном за счет волн Россби планетарного масштаба, распространяющихся из тропосферы и разрушающихся в стратосфере. Эти волны всегда вызывают отрицательный wave drag в областях, где происходит их диссипация. Таким образом, волны Россби приводят к возникновению циркуляции в стратосфере в направлении полюсов, а требование сохранения массы диктует нисходящее движение в экстратропиках и восходящее движение в тропиках. Это и является основой известной циркуляции Брюэра-Добсона. Повторимся: восходящее движение в тропиках происходит не потому, что «горячий воздух поднимается», как иногда ошибочно утверждают. На самом деле в тропической тропопаузе это уже холодный воздух, и далее поднимается холодный воздух! Восходящее движение здесь обусловлено механическими причинами как результат стратосферного wave drag.

Как уже отмечалось, стратосферные волны Россби возможны только в зимнем полушарии, где ветры направлены на восток. Следовательно, циркуляция Брюэра-Добсона  - в основном зимнее явление. Боле того, она сильнее северной зимой, чем в случае зимы в Южном полушарии, поскольку распределение суши таково, что более сильные волны генерируются именно в Северном полушарии. Поскольку более интенсивное опускание воздуха обуславливает более высокие температуры (за счет адиабатического нагревания), постольку арктическая зимняя стратосфера должна быть более теплой и иметь более слабые циркумполярные ветры, чем антарктическая. Более сильные динамические возмущения в Арктике часто приводят к внезапным стратосферным потеплениям, когда опускание воздуха происходит настолько интенсивно, что в течение нескольких дней температура увеличивается на десятки градусов. Поздним летом и в начале осени оба полушария относительно спокойны и характеризуются почти одинаковыми температурами. Однако зимой Арктика намного теплее и намного активнее, чем Антарктика. Только в один 2002 год наблюдалось исключение в Антарктике: весьма высокие температуры от середины августа до конца октября. В этот год озонная антарктическая дыра в конце сентября разделилась на две в ходе впервые наблюдавшегося внезапного потепления в Антарктике (см. рис. 21.10).

В мезосфере  wave drag  порождается преимущественно гравитационными волнами, которые также распространяются из тропосферы и затем диссипируют. В отличие от волн Россби, эти могут вызывать как положительный так и отрицательный wave drag, но в любом случае он стремится противостоять зональным течениям в мезосфере. Так, зональное течение в восточном направлении в зимней мезосфере приводит к отрицательному wave drag и меридиональному течению в сторону полюса, в то время как зональное течение в западном направлении в летнем полушарии индуцирует положительный wave drag  и меридиональное течение  в направлении экватора. Вместе эти две ситуации означают межполюсную циркуляцию в периоды солнцестояний, когда законы сохранения массы приводят  к  восходящему движению (и более низким температурам) над летним полюсом и нисходящему движению (и более высоким температурам) над зимним полюсом. Индуцированная волновыми процессами циркуляция оказывается настолько интенсивной, что температура мезопаузы над зимним полюсом действительно оказывается выше, чем над летним полюсом.

Меридиональная циркуляция не может наблюдаться непосредственно с использованием современных приборов; ее можно получить только на основе детальных расчетов по моделированию климата.