Введение

Постоянная область низкого давления с холодным ядром, которая окружает один из полюсов. Роман Шани Муту.

Циркумполярный вихрь, или просто полярный вихрь, – это обширный регион холодного, вращающегося воздуха; полярные вихри окружают оба полярных региона Земли. Полярные вихри также существуют на других вращающихся планетарных телах с небольшой осью вращения. Термин «полярный вихрь» может использоваться для описания двух различных явлений: стратосферного полярного вихря и тропосферного полярного вихря. Стратосферный и тропосферный полярные вихри вращаются в направлении вращения Земли, но это различные явления, обладающие разными размерами, структурой, сезонными циклами и влиянием на погоду. Стратосферный полярный вихрь – это область с высокими скоростями, циклонически вращающимися ветрами на высоте от 15 до 50 км, к северу от 50° широты, и он наиболее силен зимой. Он формируется осенью, когда температуры в Арктике или Антарктике быстро понижаются с началом полярной ночи. Увеличение разницы температур между полюсом и тропиками вызывает сильные ветры, а эффект Кориолиса заставляет вихрь усиливаться. Стратосферный полярный вихрь разрушается весной, когда заканчивается полярная ночь. Внезапное стратосферное потепление (ВСП) – это событие, которое происходит при разрушении стратосферного вихря зимой и может оказывать значительное влияние на погоду на поверхности. Тропосферный полярный вихрь часто определяется как область, расположенная к полюсу от тропосферного струйного течения. Его южная граница находится примерно на 40–50° широты, и он простирается от поверхности до высоты около 10–15 км. Его годовой цикл отличается от стратосферного вихря, поскольку тропосферный вихрь существует круглый год, но схож со стратосферным вихрем, так как он также наиболее силен зимой, когда полярные регионы наиболее холодны. Тропосферный полярный вихрь был впервые описан еще в 1853 году. ВСП стратосферного вихря были обнаружены в 1952 году с помощью радиозондирования на высотах более 20 км. Тропосферный полярный вихрь часто упоминался в новостях и метеорологических репортажах во время холодной североамериканской зимы 2013–2014 годов, что способствовало популяризации этого термина как объяснения очень низких температур. В 2021 году тропосферный вихрь привлек больше внимания общественности из-за экстремально низких температур в центральных Соединенных Штатах, и эксперты связывают его влияние с изменением климата. Наиболее значительное истощение озонового слоя происходит внутри полярных вихрей – особенно над Южным полушарием, достигая максимума весной.

Северное полушарие

Когда тропосферный вихрь Арктики силен, он имеет четко выраженную и почти округлую форму. Существует единый вихрь с струйным течением, хорошо ограниченным вблизи полярного фронта, и арктический воздух надежно удерживается. Когда этот северный тропосферный вихрь ослабевает, он распадается на два или более мелких вихря, наиболее мощный из которых располагается в районе острова Баффина (Нунавут), а остальные – над северо-восточной Сибирью. При его сильном ослаблении поток арктического воздуха становится более неупорядоченным, и массы холодного арктического воздуха могут продвигаться к экватору, вызывая быстрое и резкое понижение температуры. Сильные морозы, охватившие большую часть Соединенных Штатов и Канады в конце января 2019 года, были связаны с «полярным вихрем». Это не является научно корректным использованием термина «полярный вихрь», а скорее относится к выбросам холодного арктического воздуха, вызванным ослаблением полярного вихря. Национальная метеорологическая служба США предупредила о возможности обморожения всего за 10 минут пребывания на улице при таких экстремальных температурах, и сотни школ, колледжей и университетов в пострадавших районах были закрыты. В США около 21 человек умерли из-за тяжелых обморожений. В штатах Среднего Запада США ощущались ветровые охлаждения, превышающие 45 °C. Считается, что полярный вихрь оказал влияние и на Европу. Например, зимние наводнения в Великобритании в 2013–2014 годах были связаны с принесением полярным вихрем сильных холодов в Соединенные Штаты и Канаду. Аналогично, сильные морозы в Великобритании зимой 2009–2010 и 2010–2011 годов также связывались с полярным вихрем.

Южное полушарие

Антарктический вихрь Южного полушария – это единая зона низкого давления, расположенная вблизи кромки шельфового ледника Росса, около 160° западной долготы. Когда полярный вихрь силён, западные ветры умеренных широт (ветры на уровне поверхности между 30° и 60° широты, дующие с запада) усиливаются и становятся устойчивыми. Когда полярный вихрь слаб, области высокого давления умеренных широт могут продвигаться к полюсу, смещая полярный вихрь, струйное течение и полярный фронт к экватору. Струйное течение при этом «изгибается» и отклоняется к югу. Это быстро приводит к контакту холодного сухого воздуха с тёплым влажным воздухом умеренных широт, что вызывает резкое и значительное изменение погоды, известное как «холодный всплеск». В Австралии полярный вихрь, известный там как «полярный шторм» или «полярное вторжение», представляет собой холодный фронт, затягивающий воздух из Антарктиды, который приносит дожди, снег (обычно во внутренних районах, с метелями в горных районах), порывистые ледяные ветры и град в юго-восточных частях страны, таких как Виктория, Тасмания, юго-восточное побережье Южной Австралии и южная половина Нового Южного Уэльса (но только на наветренной стороне Большого Водораздельного хребта, в то время как на подветренной стороне ощущается влияние ветров фёна).

Идентификация

Основания двух полярных вихрей расположены в средней и верхней тропосфере и простираются в стратосферу. Под ними находится большая масса холодного, плотного арктического воздуха. Граница между холодной сухой воздушной массой полюса и теплой влажной воздушной массой, расположенной южнее, определяет местоположение полярного фронта. Полярный фронт сосредоточен приблизительно на 60° широты. Полярный вихрь усиливается зимой и ослабевает летом из-за зависимости от разницы температур между экватором и полюсами. Полярные циклоны – это области низкого давления, находящиеся внутри полярных воздушных масс, и существуют круглый год. Стратосферный полярный вихрь развивается на широтах, расположенных выше субтропического струйного течения. В горизонтальной плоскости большинство полярных вихрей имеют радиус менее чем на уровне тропопаузы, для определения его силы можно использовать степень замкнутости контуров потенциальной температуры. Другие исследователи использовали уровни вплоть до 500 гПа (примерно над уровнем моря зимой) для идентификации полярного вихря.

Продолжительность и сила

Полярные вихри наиболее слабы летом и наиболее сильны зимой. Внетропические циклоны, перемещающиеся в более высокие широты при ослаблении полярного вихря, могут нарушить его целостность, формируя внутри полярной воздушной массы более мелкие вихри (холодные ядра низкого давления). Эти отдельные вихри могут сохраняться более месяца. Сила и положение полярного вихря определяют картину воздушных потоков в обширной прилегающей области. Арктическое колебание – индекс, используемый в Северном полушарии для оценки его величины. В состоянии максимальной силы арктический вихрь представляет собой единую структуру, однако обычно он имеет вытянутую форму с двумя центрами циклонов: один над островом Баффина в Канаде и другой над северо-восточной Сибирью. При минимальной силе арктического вихря субтропические воздушные массы могут проникать к полюсу, вызывая перемещение арктических воздушных масс к экватору, как это произошло во время арктической вспышки зимы 1985 года. Антарктический полярный вихрь более выражен и устойчив, чем арктический. В Арктике распределение суши на высоких широтах Северного полушария порождает волны Россби, способствующие разрушению полярного вихря, в то время как в Южном полушарии вихрь менее подвержен возмущениям. Разрушение полярного вихря – это экстремальное явление, известное как внезапное стратосферное потепление, при котором вихрь полностью распадается и за несколько дней происходит сопутствующее потепление на 30–50 °C. Формирование и ослабление полярного вихря обусловлено перемещением масс и переносом тепла в полярной области. Осенью скорость циркумполярных ветров возрастает, и полярный вихрь поднимается в стратосферу, формируя когерентную вращающуюся воздушную массу – полярный вихрь. С приближением зимы ядро вихря охлаждается, ветры ослабевают, а энергия вихря уменьшается. К концу зимы и началу весны вихрь достигает своей минимальной силы. В результате в конце зимы крупные фрагменты вихревого воздуха могут отклоняться в более низкие широты под воздействием сильных погодных систем, проникающих с этих широт. В нижних слоях стратосферы сохраняются сильные градиенты потенциальной вихревой активности, и большая часть этого воздуха остается заключенной в пределах полярной воздушной массы до декабря в Южном полушарии и апреля в Северном полушарии, даже после разрушения вихря в средней стратосфере. Разрушение северного полярного вихря происходит с середины марта по середину мая. Это событие знаменует переход от зимы к весне и оказывает влияние на гидрологический цикл, вегетационные сезоны и общую продуктивность экосистем. Время этого перехода также влияет на изменения в морском льду, озоне, температуре воздуха и облачности. Эпизоды раннего и позднего разрушения полярного вихря происходили из-за изменений в структуре стратосферного потока и распространения вверх планетарных волн из тропосферы. Увеличение волн, проникающих в вихрь, приводит к более быстрому, чем обычно, потеплению, что вызывает более раннее разрушение и наступление весны. Раннее разрушение характеризуется сохранением остатков вихря, а позднее – быстрым рассеиванием этих остатков. При раннем разрушении наблюдается один период потепления с конца февраля по середину марта, а при позднем – два периода: один в январе и один в марте. Зональная средняя температура, ветер и геопотенциальная высота демонстрируют различные отклонения от своих нормальных значений до и после раннего разрушения, в то время как при позднем разрушении отклонения остаются постоянными. Ученые связывают задержку разрушения арктического вихря с уменьшением активности планетарных волн, редкими случаями внезапного стратосферного потепления и истощением озона. Внезапное стратосферное потепление связано с ослаблением полярных вихрей. Это потепление стратосферного воздуха может изменить направление циркуляции в Арктическом полярном вихре с против часовой стрелки на по часовой стрелке. Эти изменения в верхних слоях атмосферы вызывают изменения в тропосфере ниже. Примером влияния на тропосферу является изменение скорости циркуляции Атлантического океана. "Ахиллесова пята" Североатлантического океана – область чуть южнее Гренландии, где происходит начальный этап опускания. Небольшие изменения температуры, распространяющиеся от полярного вихря, могут спровоцировать или задержать опускание, изменяя течение Гольфстрим и скорость других океанических течений. Поскольку все остальные океаны зависят от движения тепловой энергии в Атлантическом океане, климат на всей планете может быть значительно затронут. Ослабление или усиление полярного вихря может изменять океаническую циркуляцию на глубине более полутора километров. Усиление штормовых систем в тропосфере, охлаждающих полюса, усиливает полярный вихрь. Климатические аномалии, связанные с Ла-Нинья, значительно усиливают полярный вихрь. Интенсификация полярного вихря вызывает изменения относительной влажности из-за нисходящих потоков сухого стратосферного воздуха, попадающего в ядро вихря. Усиление вихря приводит к долговолновому охлаждению из-за снижения концентрации водяного пара вблизи вихря. Снижение содержания воды является результатом более низкой тропопаузы внутри вихря, которая помещает сухой стратосферный воздух над влажным тропосферным воздухом. Нестабильность возникает, когда вихревая трубка, линия концентрированной вихревой активности, смещается. В этом случае вихревые кольца становятся более нестабильными и подвержены смещению под воздействием планетарных волн. Активность планетарных волн в обоих полушариях меняется год от года, что приводит к соответствующему изменению силы и температуры полярного вихря. Количество волн по периметру вихря связано с размером его ядра: по мере уменьшения ядра вихря количество волн увеличивается. Степень смешения полярного и умеренного воздуха зависит от эволюции и положения полярного ночного струйного течения. В целом, смешение внутри вихря меньше, чем снаружи. Смешение происходит с неустойчивыми планетарными волнами, характерными для средней и верхней стратосферы зимой. Перед разрушением вихря транспортировка воздуха из Арктического полярного вихря ограничена из-за сильных барьеров выше 420 км. Полярное ночное струйное течение, существующее ниже этого уровня, слабое в начале зимы и поэтому не отклоняет опускающийся полярный воздух, который смешивается с воздухом умеренных широт. В конце зимы воздушные массы опускаются меньше, что снижает смешение. После разрушения вихря воздух, ранее находившийся в его пределах, рассеивается в умеренных широтах в течение месяца. Иногда высокое давление, известное как Гренландский блок, может заставить полярный вихрь отклониться к югу, вместо того чтобы следовать своему обычному пути над Северной Атлантикой.

Экстремальные погодные условия

Исследование, проведенное в 2001 году, показало, что стратосферная циркуляция способна оказывать аномальное воздействие на погодные условия.

Озоновое разрушение

Химия антарктического полярного вихря привела к сильному истощению озона, хотя этот эффект ослабевает с 2000-х годов. Ожидается, что уровень озона восстановится до значений 1980 года примерно к 2075 году. Азотная кислота, содержащаяся в полярных стратосферных облаках, реагирует с хлорфторуглеродами, образуя хлор, который катализирует фотохимическое разрушение озона. Концентрация хлора нарастает в течение полярной зимы, а разрушение озона наиболее интенсивно происходит с возвращением солнечного света весной. Образование этих облаков возможно только при температурах ниже примерно 80 °C (112 °F). Вследствие более активного обмена воздуха между Арктикой и умеренными широтами, истощение озона над Северным полюсом значительно менее выражено, чем над Южным. Соответственно, сезонное уменьшение уровня озона над Арктикой обычно описывается как "озоновый провал", в то время как более сильное истощение озона над Антарктикой рассматривается как "озоновая дыра". Однако, химическое разрушение озона в арктическом полярном вихре в 2011 году впервые достигло уровня, который можно однозначно идентифицировать как арктическую "озоновую дыру".

За пределами Земли

Известно, что другие астрономические объекты также имеют полярные вихри, включая Венеру (двойной вихрь – то есть два полярных вихря у полюса), Марс, Юпитер, Сатурн и спутник Сатурна Титан. Южный полюс Сатурна – единственный известный горячий полярный вихрь в Солнечной системе.