Законы сохранения. Уравнение Бернулли. Абсолютный и потенциальный вихри. Теорема Эртеля, страница 5

Очень важным моментом является то, что потенциальный вихрь сохраняется только на изэнтропической поверхности. Иными словами, частица воздуха будет сохранять величину потенциального вихря, если в процессе движения ее состояние изменяется адиабатически, то есть, без обмена теплом с окружающей средой.

Рассмотрим теперь усредненное по времени и зонально движение атмосферы вдоль кругов широты. В такой ситуации относительный вихрь в результате усреднения исчезает, и потенциальный вихрь будет равен произведению параметра Кориолиса на статическую устойчивость. Параметр Кориолиса по мере увеличения широты растет. Что касается статической устойчивости, то высоко в стратосфере она велика, поскольку потенциальная температура в стратосфере растет с высотой. Кроме того, стратосфера понижается по мере приближения к полюсам, поскольку понижается тропопауза. Таким образом, на большой высоте статическая устойчивость  растет с широтой. Следовательно, увеличивается и потенциальный вихрь в целом. Таким образом, если рассматривать усредненное во времени и зонально поле потенциального вихря в стратосфере, мы обнаружим рост в направлении полюсов.

Заметьте, что на меньших высотах (в тропосфере) потенциальный вихрь весьма слабо растет при приближении к полюсам в основном за счет увеличения параметра Кориолиса.

Ранее отмечалось (см. разд. 11), что содержание озона в воздухе слабо меняется при его перемещении. Иными словами, озон является трассером движения воздушных масс. Очевидно, то же можно сказать и о потенциальном вихре. Отсюда следует вывод, что потенциальный вихрь и содержание озона должны коррелировать друг с другом. Эта корреляция действительно имеет место. Так, малому общему содержанию озона в средних широтах в большинстве случаев соответствуют и малые значения потенциального вихря на высотах нижней стратосферы, а это указывает на тропическое происхождение воздуха, вторгающегося в средние широты.  В качестве примера на рис. 19.2[11] показано изменение общего содержания озона в атмосфере с 16 февраля по 10 марта 1987 г. над бассейном Средиземного моря и проинтегрированного по высоте потенциального вихря [65]. Изменения обеих величин обусловлены прохождением двух циклонов (16-26 февраля - первый и 23  февраля – 10 марта – второй) над местом наблюдений. Оба события сопровождались формированием складки тропопаузы над регионом.

Еще более интересные результаты, основывающиеся на корреляции общего содержания озона и потенциального вихря, получены в [66]. Основная идея исследования заключалась в декомпозиции поля глобального содержания озона на области, отвечающие трем метеорологическим режимам. Последние определяются присущими им специфическими значениями общего содержания озона, характерными для трех областей, разделенных субтропическим и полярным струйными течениями: полярной, среднеширотной и тропической. Ясно, что подобное разделение на три области естественным образом связано с изменением потенциального вихря при движении от экватора к полюсу. Ярким примером оправданности такого подхода является рисунок 19.3, где представлена гистограмма   данных, полученных спутниковой аппаратурой TOMS в декабре 1990 г. в полосе от 35 до 45 градусов северной широты. Разделение всей совокупности данных на три группы, отвечающие различным режимам, проявляется очень четко.

Аналогичная гистограмма была построена для декабря 1992 г. (рис. 19.4). Среднее значение для всех данных понизилось с 308.1 ДЕ до 290.6 ДЕ в 1992 г., то есть приблизительно на 6%. Это соответствует результатам других исследований, связывавших понижение с последствиями извержения вулкана Пинатубо. Однако средние значения для каждого из режимов практически не изменились. Видно, что причиной падения общего содержания озона в средних широтах явилось изменение вкладов каждого из режимов в итоговую гистограмму. В частности, существенно понизился вклад от полярного режима, а вклад тропического увеличился. Это убедительно показывает, что как полярный, так и субтропический фронты переместились севернее к 1992 г. Следовательно, падение содержания озона было обусловлено исключительно динамическими причинами (возможно связанными с вулканическим извержением), но никак не химическими эффектами извержения.