Циркумполярный вихрь , или просто полярный вихрь , представляет собой большую область холодного вращающегося воздуха; полярные вихри окружают оба полярных региона Земли . Полярные вихри также существуют на других вращающихся планетарных телах с малым наклоном . [1] Термин полярный вихрь может использоваться для описания двух различных явлений: стратосферного полярного вихря и тропосферного полярного вихря. Стратосферные и тропосферные полярные вихри оба вращаются в направлении вращения Земли, но это различные явления, которые имеют разные размеры, структуры, сезонные циклы и влияние на погоду.
Стратосферный полярный вихрь — это область высокоскоростных циклонически вращающихся ветров высотой около 15–50 км, в направлении полюса на 50°, и наиболее сильный зимой. Он образуется осенью, когда арктические или антарктические температуры быстро остывают, когда начинается полярная ночь . Увеличенная разница температур между полюсом и тропиками вызывает сильные ветры, а эффект Кориолиса заставляет вихрь раскручиваться. Стратосферный полярный вихрь разрушается весной, когда заканчивается полярная ночь. Внезапное стратосферное потепление (ВСП) — это событие, которое происходит, когда стратосферный вихрь разрушается зимой, и может оказывать значительное влияние на погоду на поверхности . [ требуется ссылка ]
Тропосферный полярный вихрь часто определяется как область тропосферного струйного течения, расположенная к полюсу . Экваториальный край составляет около 40°-50°, и он простирается от поверхности примерно до 10 км-15 км. Его годовой цикл отличается от стратосферного вихря, поскольку тропосферный вихрь существует круглый год, но похож на стратосферный вихрь, поскольку он также наиболее силен зимой, когда полярные регионы наиболее холодные.
Тропосферный полярный вихрь был впервые описан еще в 1853 году. [2] SSW стратосферного вихря были обнаружены в 1952 году с помощью радиозондовых наблюдений на высотах более 20 км. [3] Тропосферный полярный вихрь часто упоминался в новостях и метеорологических средствах массовой информации холодной североамериканской зимой 2013–2014 годов , популяризируя этот термин как объяснение очень низких температур. Тропосферный вихрь стал более заметным для общественности в 2021 году в результате экстремально низких температур в центральной части Соединенных Штатов , и эксперты связывают его последствия с изменением климата . [4]
Истощение озонового слоя происходит сильнее всего в полярных вихрях, особенно над Южным полушарием, и достигает максимума весной.
Когда тропосферный вихрь Арктики силен, он имеет четко определенную и почти круглую форму. Существует один вихрь со струйным течением , который хорошо ограничен вблизи полярного фронта , и арктический воздух хорошо удерживается. Когда этот северный тропосферный вихрь ослабевает, он распадается на два или более меньших вихря, самые сильные из которых находятся вблизи Баффиновой Земли , Нунавута и других над северо-восточной Сибирью . Когда он очень слаб, поток арктического воздуха становится более дезорганизованным, и массы холодного арктического воздуха могут толкаться к экватору, принося с собой быстрое и резкое падение температуры. [5]
Глубокие заморозки , охватившие большую часть Соединенных Штатов и Канады в конце января 2019 года, были приписаны «полярному вихрю». Это не является научно правильным использованием термина «полярный вихрь», а вместо этого относится к вспышкам холодного арктического воздуха, вызванным ослабленным полярным вихрем. Национальная метеорологическая служба США предупредила, что обморожение возможно всего за 10 минут пребывания на улице при таких экстремальных температурах, и сотни школ, колледжей и университетов в пострадавших районах были закрыты. Около 21 человека погибли в США из-за сильного обморожения. [6] [7] В штатах в регионе Среднего Запада Соединенных Штатов наблюдались ветроохлаждения чуть выше -50 °F (-45 °C). Считается, что полярный вихрь также оказал влияние на Европу. Например, зимние наводнения в Соединенном Королевстве в 2013–14 годах были приписаны полярному вихрю, вызвавшему сильные холода в Соединенных Штатах и Канаде . [8] Аналогичным образом, сильные холода в Соединенном Королевстве зимой 2009–2010 и 2010–2011 годов также были приписаны Полярному вихрю. [9]
Антарктический вихрь Южного полушария представляет собой единую зону низкого давления, которая находится вблизи края шельфового ледника Росса , около 160° западной долготы. Когда полярный вихрь силен, западные ветры средних широт (ветры на уровне поверхности между 30° и 60° широты с запада) усиливаются и становятся постоянными. Когда полярный вихрь слаб, зоны высокого давления средних широт могут толкать полюса, перемещая полярный вихрь, струйное течение и полярный фронт к экватору. Видно, что струйное течение «выгибается» и отклоняется на юг. Это быстро приводит к контакту холодного сухого воздуха с теплым влажным воздухом средних широт, что приводит к быстрому и резкому изменению погоды, известному как «похолодание » . [10]
В Австралии полярный вихрь, известный там как «полярный взрыв» или «полярное погружение», представляет собой холодный фронт , который увлекает воздух из Антарктиды , принося с собой ливневые дожди, снег (обычно внутри страны, в высокогорьях случаются метели ), 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 с наветренной стороны Большого Водораздельного хребта , тогда как подветренная сторона будет подвержена ветрам-фенам ). [11] [12]
Основания двух полярных вихрей расположены в средней и верхней тропосфере и простираются в стратосферу . Ниже находится большая масса холодного, плотного арктического воздуха. Интерфейс между холодной сухой воздушной массой полюса и теплой влажной воздушной массой южнее определяет местоположение полярного фронта. Полярный фронт центрирован примерно на широте 60°. Полярный вихрь усиливается зимой и ослабевает летом из-за его зависимости от разницы температур между экватором и полюсами. [13] [ самоопубликованный источник? ]
Полярные циклоны представляют собой зоны низкого давления, встроенные в полярные воздушные массы, и существуют круглый год. Стратосферный полярный вихрь развивается на широтах выше субтропического струйного течения . [14] По горизонтали большинство полярных вихрей имеют радиус менее 1000 километров (620 миль). [15] Поскольку полярные вихри существуют от стратосферы вниз в среднюю тропосферу, [5] для обозначения их положения используются различные высоты/уровни давления. Поверхность давления 50 гПа чаще всего используется для определения их стратосферного местоположения. [16] На уровне тропопаузы протяженность замкнутых контуров потенциальной температуры может использоваться для определения ее силы. Другие использовали уровни до уровня давления 500 гПа (около 5460 метров (17910 футов) над уровнем моря зимой) для определения полярного вихря. [17]
Полярные вихри слабее всего летом и сильнее всего зимой. Внетропические циклоны , которые мигрируют в более высокие широты, когда полярный вихрь слаб, могут разрушить одиночный вихрь, создавая меньшие вихри ( холодные центры минимума ) в полярной воздушной массе. [18] Эти отдельные вихри могут сохраняться более месяца. [15]
Извержения вулканов в тропиках могут привести к более сильному полярному вихрю зимой в течение двух лет после этого. [19] Сила и положение полярного вихря формируют картину течения в широкой области вокруг него. Индекс, который используется в северном полушарии для оценки его величины, называется арктическим колебанием . [20]
Когда арктический вихрь наиболее силен, существует один вихрь, но обычно арктический вихрь имеет вытянутую форму с двумя центрами циклонов, один над Баффиновой Землей в Канаде , а другой над северо-восточной Сибирью . Когда арктический узор наиболее слаб, субтропические воздушные массы могут вторгаться в сторону полюса, заставляя арктические воздушные массы двигаться в сторону экватора, как во время зимней арктической вспышки 1985 года . [21] Антарктический полярный вихрь более выражен и постоянен, чем арктический . В Арктике распределение земельных масс в высоких широтах в Северном полушарии приводит к появлению волн Россби , которые способствуют разрушению полярного вихря, тогда как в Южном полушарии вихрь менее нарушен. Разрушение полярного вихря — это экстремальное событие, известное как внезапное стратосферное потепление . В этом случае вихрь полностью разрушается, и может произойти связанное с этим потепление на 30–50 °C (54–90 °F) [ необходимо разъяснение ] в течение нескольких дней.
Рост и убывание полярного вихря обусловлены движением массы и переносом тепла в полярном регионе. Осенью циркумполярные ветры увеличиваются в скорости, и полярный вихрь поднимается в стратосферу . В результате полярный воздух образует когерентную вращающуюся воздушную массу: полярный вихрь. По мере приближения зимы ядро вихря охлаждается, ветры ослабевают, а энергия вихря снижается. С приближением поздней зимы и ранней весны вихрь становится самым слабым. В результате в конце зимы большие фрагменты вихревого воздуха могут быть перенаправлены в более низкие широты более сильными погодными системами, вторгающимися из этих широт. В самом нижнем уровне стратосферы сохраняются сильные потенциальные градиенты вихреобразования , и большая часть этого воздуха остается заключенной в полярной воздушной массе до декабря в Южном полушарии и апреля в Северном полушарии, значительно позже распада вихря в средней стратосфере. [22]
Распад северного полярного вихря происходит между серединой марта и серединой мая. Это событие знаменует переход от зимы к весне и оказывает влияние на гидрологический цикл , вегетационные периоды растительности и общую продуктивность экосистемы. Время перехода также влияет на изменения морского льда, озона, температуры воздуха и облачности. Ранние и поздние эпизоды распада полюсов произошли из-за изменений в структуре стратосферного потока и распространения планетарных волн из тропосферы вверх. [ необходимо уточнение ] В результате увеличения волн в вихре вихрь испытывает более быстрое нагревание, чем обычно, что приводит к более раннему распаду и весне. Когда распад происходит рано, он характеризуется [ необходимо уточнение ] сохранением остатков вихря. Когда распад происходит поздно, остатки быстро рассеиваются. Когда распад происходит рано, существует один период потепления с конца февраля до середины марта. Когда распад происходит поздно, существует два периода потепления: один в январе и один в марте. Зональная средняя температура, ветер и геопотенциальная высота демонстрируют различные отклонения от своих нормальных значений до и после ранних разрывов, в то время как отклонения остаются постоянными до и после поздних разрывов. Ученые связывают задержку распада арктического вихря с уменьшением активности планетарных волн, небольшим количеством стратосферных внезапных потеплений и истощением озона. [23] [24] [ требуется разъяснение ]
Внезапные стратосферные потепления связаны с ослаблением полярных вихрей. Это потепление стратосферного воздуха может изменить циркуляцию в арктическом полярном вихре с против часовой стрелки на по часовой стрелке. [25] Эти изменения наверху вызывают изменения в тропосфере внизу. [26] Примером воздействия на тропосферу является изменение скорости циркуляции Атлантического океана. Мягкое пятно к югу от Гренландии — это место, где происходит начальный этап даунвеллинга , прозванное «ахиллесовой пятой Северной Атлантики». Небольшое количество тепла или охлаждения, идущее от полярного вихря, может вызвать или задержать даунвеллинг , изменяя течение Гольфстрим в Атлантике и скорость других океанских течений. Поскольку все другие океаны зависят от движения тепловой энергии Атлантического океана, климат по всей планете может быть существенно затронут. Ослабление или усиление полярного вихря может изменить циркуляцию моря более чем на милю под волнами. [27] Усиление штормовых систем в тропосфере, которые охлаждают полюса, усиливает полярный вихрь. Климатические аномалии, связанные с Ла-Нинья , значительно усиливают полярный вихрь. [28] Усиление полярного вихря приводит к изменению относительной влажности, поскольку нисходящие вторжения сухого стратосферного воздуха входят в ядро вихря. С усилением вихря наступает длинноволновое охлаждение из-за уменьшения концентрации водяного пара вблизи вихря. Уменьшение содержания воды является результатом более низкой тропопаузы внутри вихря, которая помещает сухой стратосферный воздух выше влажного тропосферного воздуха. [29] Нестабильность возникает, когда вихревая трубка, линия концентрированной завихренности , смещается. Когда это происходит, вихревые кольца становятся более нестабильными и склонными к смещению планетарными волнами. Активность планетарных волн в обоих полушариях меняется из года в год, вызывая соответствующую реакцию в силе и температуре полярного вихря. [30] Количество волн по периметру вихря связано с размером ядра; по мере уменьшения ядра вихря количество волн увеличивается. [31]
Степень смешивания полярного и среднеширотного воздуха зависит от эволюции и положения струи полярной ночи . В целом, смешивание меньше внутри вихря, чем снаружи. Смешивание происходит с нестабильными планетарными волнами, которые характерны для средней и верхней стратосферы зимой. До распада вихря транспорт воздуха из Арктического полярного вихря невелик из-за сильных барьеров выше 420 км (261 мили). Струя полярной ночи, которая существует ниже, слаба в начале зимы. В результате она не отклоняет нисходящий полярный воздух, который затем смешивается с воздухом в средних широтах. В конце зимы воздушные пакеты не так сильно опускаются, что снижает смешивание. [32] После распада вихря воздух из бывшего вихря рассеивается в средних широтах в течение месяца. [33]
Иногда масса полярного вихря отрывается до окончания периода окончательного потепления. Если она достаточно большая, часть может переместиться в Канаду и Средний Запад, Центральную, Южную и Северо-Восточную часть США. Это отклонение полярного вихря может произойти из-за смещения полярного струйного течения; например, значительное северо-западное направление полярного струйного течения в западной части США зимой 2013–2014 и 2014–2015 годов. Это вызвало теплые, сухие условия на западе и холодные, снежные условия в северо-центральной и северо-восточной части. [34] Иногда воздушная масса высокого давления, называемая Гренландским блоком, может заставить полярный вихрь отклониться на юг, а не следовать своему обычному пути над Северной Атлантикой. [35]
Исследование, проведенное в 2001 году, показало, что стратосферная циркуляция может оказывать аномальное воздействие на погодные режимы. [36] В том же году исследователи обнаружили статистическую корреляцию между слабым полярным вихрем и вспышками сильных холодов в Северном полушарии. [37] [38] В последующие годы ученые выявили взаимодействия с сокращением арктического морского льда , уменьшением снежного покрова, моделями эвапотранспирации , аномалиями NAO или погодными аномалиями, которые связаны с полярным вихрем и конфигурацией струйного течения . [36] [38]
С начала 2000-х годов климатические модели последовательно определяли, что глобальное потепление будет постепенно подталкивать струйные течения к полюсам. В 2008 году это было подтверждено данными наблюдений, которые доказали, что с 1979 по 2001 год северное струйное течение двигалось на север со средней скоростью 2,01 километра (1,25 мили) в год, с аналогичной тенденцией в струйном течении Южного полушария . [39] [40] Климатологи выдвинули гипотезу, что струйное течение также будет постепенно ослабевать в результате глобального потепления . Такие тенденции, как сокращение площади арктического морского льда , сокращение снежного покрова, закономерности эвапотранспирации и другие погодные аномалии, привели к тому, что Арктика нагревалась быстрее, чем другие части земного шара, в так называемом арктическом усилении . В 2021–2022 годах было обнаружено, что с 1979 года потепление в пределах Полярного круга происходило почти в четыре раза быстрее, чем в среднем по миру, [41] [42], а некоторые горячие точки в районе Баренцева моря нагревались в семь раз быстрее, чем в среднем по миру. [43] [44] Хотя Арктика остается одним из самых холодных мест на Земле сегодня, температурный градиент между ней и более теплыми частями земного шара будет продолжать уменьшаться с каждым десятилетием глобального потепления в результате этого усиления. Если этот градиент оказывает сильное влияние на струйное течение, то оно в конечном итоге станет слабее и более изменчивым в своем течении, что позволит большему количеству холодного воздуха из полярного вихря просочиться в средние широты и замедлить прогрессирование волн Россби , что приведет к более устойчивой и более экстремальной погоде .
Гипотеза выше тесно связана с Дженнифер Фрэнсис , которая впервые предложила ее в статье 2012 года, написанной в соавторстве со Стивеном Дж. Ваврусом. [45] Хотя некоторые палеоклиматические реконструкции предполагали, что полярный вихрь становится более изменчивым и вызывает более нестабильную погоду в периоды потепления еще в 1997 году, [46] это противоречило климатическому моделированию, при этом моделирование PMIP2 обнаружило в 2010 году, что арктическое колебание было намного слабее и более отрицательным во время последнего ледникового максимума , и предполагало, что более теплые периоды имеют более сильную положительную фазу AO и, таким образом, менее частые утечки воздуха полярного вихря. [47] Однако в обзоре 2012 года в журнале Journal of the Atmospheric Sciences отмечалось, что «в среднем состоянии вихря за двадцать первый век [произошло] значительное изменение, что привело к более слабому, более возмущенному вихрю» [48] , что противоречило результатам моделирования, но соответствовало гипотезе Фрэнсиса-Вавруса. Кроме того, исследование 2013 года отметило, что действующий на тот момент CMIP5, как правило, сильно недооценивал тенденции зимнего блокирования [49] , а другие исследования 2012 года предположили связь между сокращением площади арктического морского льда и сильными снегопадами во время зим в средних широтах [50] .
В 2013 году дальнейшее исследование Фрэнсиса связало сокращение арктического морского льда с экстремальной летней погодой в северных средних широтах, [51] в то время как другие исследования того года выявили потенциальные связи между тенденциями арктического морского льда и более экстремальными осадками летом в Европе. [52] В то время также предполагалось, что эта связь между усилением Арктики и моделями струйных течений была связана с образованием урагана Сэнди [53] и сыграла роль в начале 2014 года в североамериканской холодной волне . [54] [55] В 2015 году следующее исследование Фрэнсиса пришло к выводу, что сильно усиленные модели струйных течений происходят чаще в последние два десятилетия. Следовательно, продолжающиеся выбросы, удерживающие тепло, способствуют увеличению образования экстремальных событий, вызванных продолжительными погодными условиями. [56]
Исследования, опубликованные в 2017 и 2018 годах, выявили закономерности срыва волн Россби в струйном течении северного полушария как виновника других почти стационарных экстремальных погодных явлений, таких как европейская волна тепла 2018 года , европейская волна тепла 2003 года , российская волна тепла 2010 года или наводнения в Пакистане 2010 года , и предположили, что все эти закономерности связаны с усилением Арктики. [57] [58] Дальнейшие работы Фрэнсиса и Вавруса в том году предположили, что усиленное потепление в Арктике наблюдается сильнее в нижних атмосферных областях, поскольку процесс расширения более теплого воздуха увеличивает уровни давления, что снижает градиенты высоты геопотенциала в направлении полюса. Поскольку эти градиенты являются причиной того, что ветры с запада на восток возникают через термическую связь ветра, снижение скорости обычно наблюдается к югу от областей с увеличением геопотенциала. [59] В 2017 году Фрэнсис объяснила свои выводы журналу Scientific American : «Гораздо больше водяного пара переносится на север из-за больших колебаний в струйном течении. Это важно, потому что водяной пар является парниковым газом, таким же, как углекислый газ и метан. Он удерживает тепло в атмосфере. Этот пар также конденсируется в виде капель, которые мы знаем как облака, которые сами по себе удерживают больше тепла. Пар играет большую роль в истории усиления — это главная причина, по которой Арктика нагревается быстрее, чем где-либо еще». [60]
В исследовании 2017 года, проведенном климатологом Джудой Коэном и несколькими его научными сотрудниками, Коэн написал, что «[это] изменение в состояниях полярных вихрей может объяснить большинство недавних тенденций зимнего похолодания в средних широтах Евразии». [61] В статье 2018 года Вавруса и других была установлена связь усиления Арктики с более устойчивыми экстремально жаркими и сухими погодными условиями летом в средних широтах, а также с зимним континентальным похолоданием в средних широтах. [62] В другой статье 2017 года подсчитано, что когда в Арктике происходит аномальное потепление, первичная продукция в Северной Америке снижается в среднем на 1–4 %, а некоторые штаты несут потери до 20 %. [63] Исследование 2021 года показало, что нарушение стратосферного полярного вихря связано с экстремально холодной зимней погодой в некоторых частях Азии и Северной Америки, включая североамериканскую волну холода в феврале 2021 года . [64] [65] Другое исследование 2021 года выявило связь между потерей арктического морского льда и увеличением масштабов лесных пожаров на западе США . [66]
Однако, поскольку конкретные наблюдения считаются краткосрочными, в выводах существует значительная неопределенность. Климатологическим наблюдениям требуется несколько десятилетий, чтобы окончательно отличить различные формы естественной изменчивости от климатических тенденций. [67] Этот момент подчеркивался в обзорах 2013 [68] и 2017 годов . [69] Исследование 2014 года пришло к выводу, что арктическое усиление значительно снизило изменчивость температуры холодного сезона в Северном полушарии за последние десятилетия. Холодный арктический воздух вторгается в более теплые низкие широты сегодня быстрее осенью и зимой, и эта тенденция, как прогнозируется, сохранится в будущем, за исключением лета, что ставит под вопрос, принесут ли зимы больше холодных экстремальных значений. [70] Анализ набора данных, собранных в 2019 году с 35 182 метеостанций по всему миру, включая 9116, записи которых выходят за рамки 50 лет, обнаружил резкое снижение холодных волн в северных средних широтах с 1980-х годов. [71]
Более того, ряд долгосрочных наблюдательных данных, собранных в 2010-х годах и опубликованных в 2020 году, свидетельствует о том, что усиление арктического усиления с начала 2010-х годов не было связано со значительными изменениями в атмосферных моделях средних широт. [72] [73] Современные исследования моделирования PAMIP (Проект сравнения моделей полярного усиления) улучшили результаты PMIP2 2010 года; они обнаружили, что сокращение морского льда ослабит струйное течение и увеличит вероятность блокировки атмосферы, но связь была очень незначительной и, как правило, незначительной по сравнению с межгодовой изменчивостью. [74] [75] В 2022 году последующее исследование показало, что, хотя среднее значение PAMIP, вероятно, недооценило ослабление, вызванное сокращением морского льда, в 1,2–3 раза, даже скорректированная связь по-прежнему составляет всего 10% от естественной изменчивости струйного течения. [76]
Кроме того, исследование 2021 года показало, что, хотя струйные течения действительно медленно двигались к полюсам с 1960 года, как и предсказывалось моделями, они не ослабли, несмотря на небольшое увеличение волнистости. [77] Повторный анализ данных наблюдений с самолетов, собранных в 2002–2020 годах, проведенный в 2022 году, показал, что североатлантическое струйное течение на самом деле усилилось. [78] Наконец, исследование 2021 года смогло реконструировать модели струйных течений за последние 1250 лет на основе ледяных кернов Гренландии и обнаружило, что все недавно наблюдаемые изменения остаются в пределах естественной изменчивости: самое раннее вероятное время расхождения приходится на 2060 год в соответствии с репрезентативным концентрационным путем 8.5, который подразумевает постоянное ускорение выбросов парниковых газов. [79]Химия антарктического полярного вихря привела к серьезному истощению озонового слоя , хотя эффект ослабевает с 2000-х годов. Ожидается, что он вернется к уровню 1980 года примерно в 2075 году. [80] Азотная кислота в полярных стратосферных облаках реагирует с хлорфторуглеродами , образуя хлор , который катализирует фотохимическое разрушение озона . [81] Концентрация хлора увеличивается во время полярной зимы, и последующее разрушение озона происходит сильнее всего, когда солнечный свет возвращается весной. [82] Эти облака могут образовываться только при температурах ниже примерно -80 °C (-112 °F).
Поскольку между Арктикой и средними широтами наблюдается более интенсивный воздухообмен, истощение озонового слоя на северном полюсе гораздо менее выражено, чем на юге. [83] Соответственно, сезонное сокращение уровня озона над Арктикой обычно характеризуется как «озоновая вмятина», тогда как более серьезное истощение озонового слоя над Антарктикой считается «озоновой дырой». При этом химическое разрушение озона в арктическом полярном вихре 2011 года впервые достигло уровня, четко определяемого как арктическая « озоновая дыра ». [84]
Известно, что полярные вихри имеются и у других астрономических тел, включая Венеру (двойной вихрь, то есть два полярных вихря на полюсе), [85] Марс , Юпитер , Сатурн и спутник Сатурна Титан .
Южный полюс Сатурна — единственный известный горячий полярный вихрь в Солнечной системе. [86]