Структура и механизмы стратосферной циркуляции
Стратосфера охватывает слой атмосферы от тропопаузы (примерно 10–18 км в зависимости от широты и сезона) до стратипаузы (около 50 км). Характерной особенностью стратосферы является температурная инверсия: с высотой температура возрастает за счёт поглощения ультрафиолетового излучения озоном. Эта особенность приводит к существенному снижению турбулентности и вертикального перемешивания, что формирует устойчивые условия для развития специфических циркуляционных систем.
Циркуляция в стратосфере кардинально отличается от тропосферной: здесь доминируют планетарные волны, значительную роль играют приливные возмущения и инерционные волны, а горизонтальные градиенты температуры и давления имеют глобальный масштаб.
Одним из центральных понятий в динамике стратосферы является циркуляция Брюэра–Добсона, отражающая среднюю меридиональную транспортную систему. Эта циркуляция включает:
В отличие от тропосферы, где доминируют ячейки Хэдли и Феррела, циркуляция в стратосфере обусловлена не столько термальными контрастами, сколько взаимодействием между средним потоком и планетарными возмущениями.
Планетарные (или Россби) волны в стратосфере играют ведущую роль в формировании циркуляции. Их возбуждение связано с топографией поверхности, контрастами температуры и крупномасштабной циркуляцией в тропосфере. Эти волны могут проникать в стратосферу при определённых условиях:
В процессе поглощения планетарных волн происходит передача импульса и энергии среднему потоку, что способствует усилению нисходящего движения воздуха в полярных областях и приводит к нагреву полярной стратосферы.
Поглощение волн нарушает геострофический баланс и инициирует перераспределение углового момента атмосферы, что напрямую связано с усилением циркуляции Брюэра–Добсона.
На экваторе в стратосфере (высоты ~16–50 км) наблюдается квазидвухлетнее колебание ветра (QBO), проявляющееся в чередовании восточного и западного ветра с периодом около 26–30 месяцев. Это одно из ключевых проявлений внутренней динамики стратосферы.
Основной механизм формирования QBO заключается во взаимодействии волн малой амплитуды (гравитационные и инерционно-гравитационные) с основным течением. В зависимости от направления фазовой скорости и частоты волны происходит её поглощение в слоях, где скорость ветра близка к фазовой, что вызывает отложение импульса и перестройку циркуляции.
QBO влияет на глобальную циркуляцию, включая:
Внезапные стратосферные потепления — это резкие повышения температуры в полярной стратосфере зимой, сопровождающиеся ослаблением или даже сменой направления полярного вихря. Они классифицируются на два типа:
Физический механизм возникновения SSW включает:
Эти явления имеют важные последствия:
Полярные вихри — это долговременные области пониженного давления и сильного западного ветра, формирующиеся в полярных широтах стратосферы в зимний период. Они представляют собой устойчивую циркуляционную структуру, внутри которой происходят:
Полярный вихрь может быть дестабилизирован под действием планетарных волн, что приводит к вышеописанным стратосферным потеплениям.
В южном полушарии вихрь более симметричен и устойчив из-за слабого волнового возбуждения, что способствует ежегодному формированию антарктической озоновой дыры.
Гравитационные волны (в том числе возмущения от горных цепей, грозовых систем и струйных течений) вносят важный вклад в перенос импульса и энергии. Они могут:
Хотя вклад гравитационных волн в крупномасштабную циркуляцию уступает планетарным волнам, их роль возрастает на границе стратосферы и мезосферы, особенно при моделировании атмосферной динамики в глобальных численных моделях.
Стратосферная циркуляция тесно связана с химическим составом атмосферы. Особенно важным является перенос озона, основной массы которого сосредоточено в стратосфере. Через механизмы Брюэра–Добсона осуществляется:
Химико-динамическое взаимодействие проявляется и в других аспектах, включая:
Стратосферная циркуляция подвержена значительной сезонной и межгодовой изменчивости. Основные аспекты:
Изменения в структуре стратосферы могут проявляться в тропосфере через так называемое “стратосферно-тропосферное взаимодействие”, влияя на климатические аномалии и погодные паттерны.
Стратосферная циркуляция оказывает системное влияние на климат, атмосферную химию и динамику нижних слоёв атмосферы. Она регулирует:
Современные численные модели климата всё чаще включают в себя динамику стратосферы, признавая её критически важную роль в глобальном балансе атмосферы.