Тропопауза — это атмосферная граница, которая разграничивает тропосферу от стратосферы , которые являются двумя нижними из пяти слоев атмосферы Земли . Тропопауза — это термодинамический градиентно-стратификационный слой, который отмечает конец тропосферы и находится примерно в 17 километрах (11 миль) над экваториальными областями и примерно в 9 километрах (5,6 миль) над полярными областями .
Поднимаясь от поверхности планеты Земля, тропопауза представляет собой уровень атмосферы, где воздух перестает охлаждаться с увеличением высоты и становится сухим, лишенным водяного пара. Тропопауза представляет собой границу, которая разграничивает тропосферу ниже от стратосферы выше, и является частью атмосферы, где происходит резкое изменение скорости изменения температуры окружающей среды (ELR) от положительной скорости (снижения) в тропосфере до отрицательной скорости в стратосфере. Тропопауза определяется как самый низкий уровень, на котором скорость изменения температуры уменьшается до 2°C/км или менее, при условии, что средняя скорость изменения температуры между этим уровнем и всеми другими более высокими уровнями в пределах 2,0 км не превышает 2°C/км. [1] Тропопауза представляет собой поверхность разрыва первого порядка , на которой температура как функция высоты непрерывно изменяется в атмосфере, в то время как градиент температуры имеет разрыв. [2]
Тропосфера — 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 имеет высоту в среднем от 9 км (5,6 миль; 30 000 футов) на полюсах до 17 км (11 миль; 56 000 футов) на экваторе . [3] [4] 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 . [5] Измерение вертикальных градиентов температуры в тропосфере и стратосфере помогает определить местоположение тропопаузы, поскольку температура в стратосфере увеличивается с высотой, и, следовательно, вертикальный градиент становится отрицательным. Местоположение тропопаузы совпадает с самой низкой точкой, в которой вертикальный градиент меньше заданного порогового значения.
Поскольку тропопауза реагирует на среднюю температуру всего слоя, который находится под ней, она достигает максимальных значений над экватором и минимальных высот над полюсами. В связи с этим самый холодный слой в атмосфере находится на высоте около 17 км над экватором. Из-за разницы в начальной высоте крайние точки тропопаузы называются экваториальной тропопаузой и полярной тропопаузой.
Учитывая, что вертикальный градиент не является консервативной величиной, когда тропопауза рассматривается для исследований стратосферно-тропосферных обменов, существует альтернативное определение, называемое динамической тропопаузой . [6] Она формируется с помощью потенциальной завихренности , которая определяется как произведение изэнтропической плотности , т. е. плотности, которая измеряется с использованием потенциальной температуры в качестве вертикальной координаты, и абсолютной завихренности , учитывая, что эта величина достигает совершенно разных значений для тропосферы и стратосферы. [7] Вместо использования вертикального градиента температуры в качестве определяющей переменной, динамическая поверхность тропопаузы выражается в единицах потенциальной завихренности (PVU, 1 PVU = 10-6 K ·м2 · кг -1· с -1 [8] ). Учитывая, что абсолютная завихренность положительна в Северном полушарии и отрицательна в Южном полушарии , пороговое значение следует считать положительным к северу от экватора и отрицательным к югу от него. [9] Теоретически, чтобы определить глобальную тропопаузу таким образом, две поверхности, возникающие из положительных и отрицательных порогов, должны быть сопоставлены вблизи экватора с использованием другого типа поверхности, например, поверхности постоянной потенциальной температуры . Тем не менее, динамическая тропопауза бесполезна в экваториальных широтах, поскольку изэнтропы почти вертикальны. [8] Для внетропической тропопаузы в Северном полушарии ВМО установила значение 1,6 PVU, [8] : 152, но традиционно использовались более высокие значения в диапазоне от 2 до 3,5 PVU. [10]
Также можно определить тропопаузу с точки зрения химического состава. [11] Например, нижняя стратосфера имеет гораздо более высокую концентрацию озона , чем верхняя тропосфера, но гораздо более низкую концентрацию водяного пара , поэтому можно определить соответствующую границу.
В 1949 году Алан Уэст Брюэр предположил, что тропосферный воздух проходит через тропопаузу в стратосферу вблизи экватора, затем проходит через стратосферу в умеренные и полярные регионы, где он погружается в тропосферу. [12] Сейчас это известно как циркуляция Брюэра-Добсона . Поскольку газы в основном попадают в стратосферу, проходя через тропопаузу в тропиках, где тропопауза самая холодная, водяной пар конденсируется из воздуха, который поступает в стратосферу. Эта теория « холодной ловушки тропического слоя тропопаузы » стала широко принятой. [13] Эта холодная ловушка ограничивает стратосферный водяной пар до 3–4 частей на миллион. [14] Исследователи из Гарварда предположили, что влияние глобального потепления на модели циркуляции воздуха ослабит холодную ловушку тропического слоя тропопаузы. [15]
Водяной пар, который способен пройти через холодную ловушку, в конечном итоге поднимается в верхнюю часть стратосферы, где он подвергается фотодиссоциации на кислород и водород или гидроксид- ионы и водород. [16] [17] Затем этот водород может покинуть атмосферу. Таким образом, в некотором смысле, холодная ловушка тропического слоя тропопаузы — это то, что не дает Земле терять воду в космосе. Джеймс Кастинг предсказал, что через 1–2 миллиарда лет , по мере того как Солнце будет увеличивать свою светимость, температура Земли поднимется настолько, что холодная ловушка перестанет быть эффективной, и поэтому Земля высохнет. [18]
Тропопауза не является фиксированной границей. Например, сильные грозы , особенно тропического происхождения, будут проскакивать в нижнюю стратосферу и испытывать кратковременные (порядка часа или меньше) низкочастотные вертикальные колебания . [19] Такие колебания приводят к низкочастотным атмосферным гравитационным волнам, способным влиять как на атмосферные, так и на океанические течения в регионе. [ требуется ссылка ]
Большинство коммерческих самолетов летают в нижней стратосфере, чуть выше тропопаузы, во время крейсерской фазы полета; в этом регионе облака и существенные погодные возмущения, характерные для тропосферы, обычно отсутствуют. [20]
