Тропопауза: Граница между тропосферой и стратосферой

Введение

Тропопауза — это граница в атмосфере, разделяющая тропосферу и стратосферу, являющиеся двумя нижними слоями из пяти основных слоев атмосферы Земли. Тропопауза представляет собой слой термодинамического градиента стратификации, отмечающий конец тропосферы, и располагается на высоте примерно над экваториальными регионами и примерно над полярными регионами.

Определение

Поднимаясь от поверхности Земли, тропопауза — это атмосферный уровень, на котором воздух перестает охлаждаться с увеличением высоты и становится сухим, лишенным водяного пара. Тропопауза является границей между тропосферой, расположенной ниже, и стратосферой, расположенной выше, и представляет собой часть атмосферы, где происходит резкое изменение вертикального градиента температуры окружающей среды (ELR) – от положительного градиента (уменьшения температуры с высотой) в тропосфере до отрицательного градиента в стратосфере. Тропопауза определяется как самый нижний уровень, на котором вертикальный градиент температуры снижается до 2°C/км или менее, при условии, что средний вертикальный градиент температуры между этим уровнем и всеми более высокими уровнями в пределах 2,0 км не превышает 2°C/км. Тропопауза представляет собой поверхность первого рода разрыва, в которой температура как функция высоты изменяется непрерывно по всей атмосфере, в то время как градиент температуры испытывает скачок.

Местоположение

Тропосфера — это самый нижний слой атмосферы Земли; она начинается с планетарного пограничного слоя и является слоем, в котором происходит большинство погодных явлений. Тропосфера содержит пограничный слой и изменяется по высоте от в среднем на полюсах до на экваторе. При отсутствии инверсий и без учета влажности, вертикальный градиент температуры для этого слоя составляет в среднем 6,5 °C на километр, согласно Стандартной атмосфере США. Измерение вертикального градиента температуры в тропосфере и стратосфере помогает определить местоположение тропопаузы, поскольку температура возрастает с высотой в стратосфере, и, следовательно, градиент температуры становится отрицательным. Местоположение тропопаузы совпадает с самой низкой точкой, в которой градиент температуры меньше заданного порогового значения. Поскольку тропопауза реагирует на среднюю температуру всего слоя, расположенного под ней, она достигает максимальных высот над экватором и минимальных — над полюсами. В связи с этим самый холодный слой в атмосфере находится примерно в 17 км над экватором. Из-за изменения высоты основания тропопаузы, её крайние значения называют экваториальной тропопаузой и полярной тропопаузой. Поскольку градиент температуры не является сохраняющейся величиной при рассмотрении тропопаузы в исследованиях обмена между тропосферой и стратосферой, существует альтернативное определение, называемое динамической тропопаузой. Она формируется с использованием потенциальной вихревости, которая определяется как произведение изэнтропической плотности, то есть плотности, измеряемой с использованием потенциальной температуры в качестве вертикальной координаты, и абсолютной вихревости, учитывая, что эта величина принимает существенно различные значения для тропосферы и стратосферы. Вместо использования вертикального температурного градиента в качестве определяющей переменной, поверхность динамической тропопаузы выражается в единицах потенциальной вихревости (PVU, 1 PVU = 10 K м кг с). Это теперь известно как циркуляция Брюэра — Добсона. Поскольку газы в основном поступают в стратосферу, проходя через тропопаузу в тропиках, где тропопауза наиболее холодная, водяной пар конденсируется из воздуха, поступающего в стратосферу. Эта теория «холодной ловушки тропической тропопаузы» получила широкое признание. Эта холодная ловушка ограничивает содержание водяного пара в стратосфере до 3–4 частей на миллион. Исследователи из Гарварда предположили, что влияние глобального потепления на схемы циркуляции воздуха ослабит холодную ловушку тропического слоя тропопаузы. Водяной пар, способный пройти через холодную ловушку, в конечном итоге поднимается к вершине стратосферы, где он подвергается фотодиссоциации на кислород и водород или гидроксид-ионы и водород. Этот водород затем может покинуть атмосферу. Таким образом, в определенном смысле холодная ловушка тропического слоя тропопаузы предотвращает потерю воды Землей в космос. Джеймс Кастинг предсказал, что через 1–2 миллиарда лет, по мере увеличения светимости Солнца, температура Земли повысится настолько, что холодная ловушка перестанет быть эффективной, и Земля высохнет.

The troposphere is the lowest layer of the Earth's atmosphere; it starts at the planetary boundary layer, and is the layer in which most weather phenomena occur. The troposphere contains the boundary layer, and ranges in height from an average of at the poles, to at the Equator. In the absence of inversions and not considering moisture, the temperature lapse rate for this layer is 6.5 °C per kilometer, on average, according to the U. S. Standard Atmosphere. A measurement of the tropospheric and the stratospheric lapse rates helps identify the location of the tropopause, since temperature increases with height in the stratosphere, and hence the lapse rate becomes negative. The tropopause location coincides with the lowest point at which the lapse rate is less than a prescribed threshold. Since the tropopause responds to the average temperature of the entire layer that lies underneath it, it is at its maximum levels over the Equator, and reaches minimum heights over the poles. On account of this, the coolest layer in the atmosphere lies at about 17 km over the equator. Due to the variation in starting height, the tropopause extremes are referred to as the equatorial tropopause and the polar tropopause. Given that the lapse rate is not a conservative quantity when the tropopause is considered for stratosphere troposphere exchanges studies, there exists an alternative definition named dynamic tropopause. It is formed with the aid of potential vorticity, which is defined as the product of the isentropic density, i. e. the density that is measurable by using potential temperature as the vertical coordinate, and the absolute vorticity, given that this quantity attains quite different values for the troposphere and the stratosphere. Instead of using the vertical temperature gradient as the defining variable, the dynamic tropopause surface is expressed in potential vorticity units (PVU, 1 PVU = 10 K m kg s
This is now known as Brewer Dobson circulation. Because gases primarily enter the stratosphere by passing through the tropopause in the tropics where the tropopause is coldest, water vapor is condensed out of the air that is entering the stratosphere. This ″tropical tropopause layer cold trap″ theory has become widely accepted. This cold trap limits stratospheric water vapor to 3 to 4 parts per million. Researchers at Harvard have suggested that the effects of Global Warming on air circulation patterns will weaken the tropical tropopause layer cold trap. Water vapor that is able to make it through the cold trap eventually rises to the top of the stratosphere, where it undergoes photodissociation into oxygen and hydrogen or hydroxide ions and hydrogen. This hydrogen is then able to escape the atmosphere. Thus, in some sense, the tropical tropopause layer cold trap is what prevents Earth from losing its water to space. James Kasting has predicted that in 1 to 2 billion years, as the Sun increases in luminosity, the temperature of the Earth will rise enough that the cold trap will no longer be effective, and so the Earth will dry out.

Явления

Тропопауза – это не фиксированная граница. Мощные грозы, например, особенно тропического происхождения, могут проникать в нижнюю стратосферу и испытывать кратковременные (порядка часа или меньше) низкочастотные вертикальные колебания. Эти колебания генерируют низкочастотную атмосферную гравитационную волну, способную оказывать влияние на атмосферные и океанические течения в данном регионе. Большинство коммерческих самолетов во время крейсерского полета летают в нижней стратосфере, непосредственно над тропопаузой, где обычно отсутствуют облака и значительные погодные возмущения, характерные для тропосферы.