Введение

Тропосфера — самый низкий слой атмосферы Земли. Она содержит 80% общей массы планетарной атмосферы и 99% общей массы водяного пара и аэрозолей, и именно в ней происходят большинство погодных явлений. От поверхности Земли средняя высота тропосферы составляет в тропиках; в умеренных широтах; и в высоких широтах полярных регионов зимой; таким образом, средняя высота тропосферы составляет. Термин «тропосфера» происходит от греческих слов tropos (вращающийся) и sphaira (сфера), указывающих на то, что вращающаяся турбулентность перемешивает слои воздуха, определяя тем самым структуру и явления тропосферы. Вращательное трение тропосферы о поверхность планеты влияет на движение воздуха, формируя планетарный пограничный слой (ПБЛ), высота которого варьируется от сотен метров до. Параметры ПБЛ меняются в зависимости от широты, рельефа и времени суток, когда проводятся метеорологические измерения. Над тропосферой располагается тропопауза — функциональная атмосферная граница, отделяющая тропосферу от стратосферы. Поскольку тропопауза является слоем инверсии, в котором температура воздуха повышается с высотой, температура тропопаузы остается постоянной.

Температура

Планетарная поверхность Земли нагревает тропосферу посредством скрытой теплоты, теплового излучения и явной теплоты. Газовые слои тропосферы менее плотны у географических полюсов и более плотны на экваторе, где средняя высота тропической тропосферы составляет 13 км, что примерно на 7,0 км больше средней высоты полярной тропосферы в 6,0 км у географических полюсов; следовательно, избыточное нагревание и вертикальное расширение тропосферы происходят в тропических широтах. На средних широтах температура в тропосфере снижается от средней температуры 15 °C (59 °F) на уровне моря до примерно −55 °C (−67 °F) в тропопаузе. На экваторе температура в тропосфере снижается от средней температуры 20 °C (68 °F) на уровне моря до примерно −70 °C – −75 °C (−94 °F – −103 °F) в тропопаузе. У географических полюсов, в Арктике и Антарктике, температура в тропосфере снижается от средней температуры 0 °C (32 °F) на уровне моря до примерно −45 °C (−45 °F) в тропопаузе.

Высота

Температура тропосферы снижается с увеличением высоты, а скорость снижения температуры воздуха измеряется экологическим градиентом температуры (Environmental Lapse Rate – ELR), который представляет собой числовую разницу между температурой поверхности планеты и температурой тропопаузы, деленную на высоту. Функционально, уравнение ELR исходит из предположения, что атмосфера планеты статична и отсутствует перемешивание слоев воздуха посредством вертикальной атмосферной конвекции или ветров, способных создавать турбулентность. Разница в температуре обусловлена тем, что планетарная поверхность поглощает большую часть энергии солнца, которая затем излучается наружу, нагревая тропосферу (первый слой атмосферы Земли), в то время как излучение тепла с поверхности в верхние слои атмосферы приводит к их охлаждению. Уравнение ELR также предполагает статичность атмосферы, однако нагретый воздух становится легче, расширяется и поднимается вверх. Сухой адиабатический градиент температуры (Dry Adiabatic Lapse Rate – DALR) учитывает эффект расширения сухого воздуха при подъеме в атмосфере, а влажный адиабатический градиент температуры (Wet Adiabatic Lapse Rate – WALR) включает в себя влияние скорости конденсации водяного пара на экологический градиент температуры. + Экологический градиент температуры (ELR) Высота Регион Градиент температуры Градиент температуры (м) (°C/км) (°F/1000 футов) 0,0 – 11 000 6,50 3,57 11 000 – 20 000 0,0 0,0 20 000 – 32 000 −1,0 −0,55 32 000 – 47 000 −2,8 −1,54 47 000 – 51 000 0,0 0,0 51 000 – 71 000 2,80 1,54 71 000 – 85 000 2,00 1,09

Сжатие и расширение

В результате понижения атмосферного давления на больших высотах воздушная масса поднимается и расширяется. Расширение воздушной массы оказывает давление на окружающий воздух и передает энергию (в виде работы) из воздушной массы в атмосферу. Передача энергии воздушной массе посредством нагрева – медленный и неэффективный обмен энергией с окружающей средой, что соответствует адиабатическому процессу (отсутствие передачи энергии посредством нагрева). Поскольку поднимающаяся воздушная масса теряет энергию, действуя на окружающую атмосферу, компенсации теплопотерь за счет поступления тепла из атмосферы не происходит. По мере подъема воздушная масса теряет энергию, что проявляется в понижении температуры воздушной массы. Аналогичный обратный процесс происходит с холодной воздушной массой, которая сжимается и опускается к поверхности планеты.

Окружающая среда

Скорость изменения температуры с высотой, при которой температура понижается с увеличением высоты, обычно не равна адиабатическому градиенту температуры. Если температура на большей высоте выше, чем предсказывает адиабатический градиент, то поднимающийся и расширяющийся воздушный пакет достигнет новой высоты при температуре ниже, чем у окружающего воздуха. В этом случае воздушный пакет плотнее окружающего воздуха и поэтому опустится обратно к исходной высоте, формируя устойчивую воздушную массу, сопротивляющуюся подъему. Если температура на большей высоте ниже, чем предсказывает адиабатический градиент, то при подъеме воздушного пакета на новую высоту воздушная масса будет иметь более высокую температуру и меньшую плотность, чем окружающий воздух, и продолжит ускоряться и подниматься. Самый холодный слой атмосферы, где градиент температуры меняется с положительного (в тропосфере) на отрицательный (в стратосфере), определяет и идентифицирует тропопаузу как инверсионный слой, в котором смешивание воздушных слоев между тропосферой и стратосферой ограничено.

Зональный поток

Зональный режим течения – это метеорологический термин, обозначающий преобладающий поток воздуха с запада на восток вдоль линий широты Земли, в котором присутствуют слабые коротковолновые возмущения. Использование слова "зона" указывает на то, что поток направлен вдоль широтных "зон" Земли. Этот режим может деформироваться и переходить в меридиональный поток.

Южный поток

Когда зональный поток искривляется, атмосфера может течь в более продольном (или меридиональном) направлении, и таким образом возникает термин "меридиональный поток". Для меридиональных потоков характерны выраженные, усиленные ложбины низкого давления и гребни высокого давления, при которых в общей картине преобладает движение с севера на юг, а не с запада на восток.