Тропопауза — это граница атмосферы, отделяющая тропосферу от стратосферы , которые являются двумя нижними из пяти слоев атмосферы Земли . Тропопауза представляет собой слой термодинамической градиентной стратификации, который отмечает конец тропосферы и находится примерно на 17 километров (11 миль) над экваториальными областями и примерно на 9 километров (5,6 миль) над полярными областями .
Поднимаясь от планетарной поверхности Земли, тропопауза — уровень атмосферы, на котором воздух с увеличением высоты перестает охлаждаться и становится сухим, лишенным водяного пара. Тропопауза — это граница, которая отделяет тропосферу внизу от стратосферы выше, и является частью атмосферы, где происходит резкое изменение скорости изменения температуры в окружающей среде (ELR) от положительной скорости (уменьшения) в тропосфере до отрицательная скорость в стратосфере. Тропопауза определяется как самый низкий уровень, на котором скорость градиента снижается до 2°C/км или менее, при условии, что средний градиент 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 в зависимости от высоты непрерывно меняется в атмосфере, а температурный градиент имеет разрыв. [2]
Тропосфера — самый нижний слой атмосферы Земли; он начинается в планетарном пограничном слое и является слоем, в котором происходит большинство погодных явлений. Тропосфера содержит пограничный слой, а ее высота колеблется 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] В отсутствие инверсий и без учета влажности градиент температуры для этого слоя составляет в среднем 6,5 °C на километр, согласно Стандартной атмосфере США . [5] Измерение градиента тропосферы и стратосферы помогает определить местоположение тропопаузы, поскольку температура в стратосфере увеличивается с высотой, и, следовательно, градиент становится отрицательным. Местоположение тропопаузы совпадает с самой низкой точкой, в которой скорость градиента меньше заданного порога.
Поскольку тропопауза реагирует на среднюю температуру всего слоя, лежащего под ней, она находится на максимальных уровнях над экватором и достигает минимальных высот над полюсами. По этой причине самый холодный слой атмосферы находится на высоте около 17 км над экватором. Из-за изменения начальной высоты крайние точки тропопаузы называются экваториальной тропопаузой и полярной тропопаузой.
Учитывая, что градиент не является консервативной величиной, когда тропопауза рассматривается для исследований стратосферно-тропосферного обмена, существует альтернативное определение, называемое динамической тропопаузой . [6] Он формируется с помощью потенциальной завихренности , которая определяется как произведение изэнтропической плотности , т. е. плотности, которую можно измерить, используя потенциальную температуру в качестве вертикальной координаты, и абсолютной завихренности , при условии, что эта величина достигает вполне разные значения 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 К м 2 кг -1 с -1 [8] ). Учитывая, что абсолютная завихренность положительна в Северном полушарии и отрицательна в Южном , пороговое значение следует считать положительным к северу от экватора и отрицательным к югу от него. [9] Теоретически, чтобы таким образом определить глобальную тропопаузу, две поверхности, возникающие из положительного и отрицательного порогов, должны быть сопоставлены вблизи экватора, используя другой тип поверхности, такой как поверхность с постоянной потенциальной температурой . 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 возможно определить тропопаузу по химическому составу. [11] Например, нижняя стратосфера имеет гораздо более высокие концентрации озона , чем верхняя тропосфера, но гораздо более низкие концентрации 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 опускается в тропосферу.[12] Сейчас это известно как циркуляция Брюера-Добсона . Поскольку газы в основном попадают в стратосферу, проходя через тропопаузу в тропиках, где тропопауза самая холодная, водяной пар конденсируется из воздуха, поступающего в стратосферу. Эта теория « холодной ловушки тропического слоя тропопаузы » получила широкое признание.[13] Эта холодная ловушка ограничивает содержание водяного пара в стратосфере до 3–4 частей на миллион.[14] Исследователи из Гарварда предположили, что воздействие глобального потепления на характер циркуляции воздуха ослабит холодную ловушку слоя тропической тропопаузы.[15]
Водяной пар, способный пройти через холодную ловушку, в конечном итоге поднимается в верхнюю часть стратосферы, где подвергается фотодиссоциации на кислород и водород или гидроксид -ионы и водород. [16] [17] Этот водород затем может покинуть атмосферу. Таким образом, в некотором смысле холодная ловушка слоя тропической тропопаузы — это то, что не позволяет Земле терять воду в космос.Джеймс Кастинг предсказал, что через 1–2 миллиарда лет , когда светимость Солнца увеличится, температура Земли повысится настолько, что холодная ловушка перестанет действовать, и Земля высохнет. [18]
Тропопауза не является фиксированной границей. Например, сильные грозы , особенно тропического происхождения, прорываются в нижнюю стратосферу и подвергаются кратковременным (около часа или меньше) низкочастотным вертикальным колебаниям . [19] Такие колебания приводят к возникновению низкочастотной атмосферной гравитационной волны , способной влиять как на атмосферные, так и на океанические течения в регионе. [ нужна цитата ]
Большинство коммерческих самолетов летают в нижних слоях стратосферы, чуть выше тропопаузы, на крейсерском этапе своих полетов; в этом регионе обычно отсутствуют облачность и существенные погодные возмущения, характерные для тропосферы. [20]
