УДК 551.528/.53(215-13-062.5)
Мезомасштабная структура полей метеорологических величин в слое тропопаузы и в нижней стратосфере над тропической зоной Южного полушария (Бразилия)
Г. Н. Шур*, Н. М. Ситников*, А. В. Дрынков**
Приведены некоторые результаты исследований термодинамики слоя тропической тропопаузы и нижней стратосферы, выполненных на стратосферной летающей лаборатории М-55 "Геофизика" в международном эксперименте TROCCINOX в 2005 г. в Бразилии. Получены новые данные о мезомасштабной структуре полей ветра, температуры и влажности над континентальными районами тропической зоны.
1. Введение
В январе — феврале 2005 г. в Бразилии проводился международный эксперимент TROCCINOX, являющийся частью научной программы глобального исследования эволюции озонового слоя атмосферы Земли. Одной из составных задач эксперимента являлось изучение механизмов тропо-сферно-стратосферного обмена в слое тропической тропопаузы.
В эксперименте принимала участие российская стратосферная летающая лаборатория М-55 "Геофизика", оборудованная измерительными комплексами стран-участниц. Для высокоточных измерений основных термодинамических параметров атмосферы на уровне полета в Центральной аэрологической обсерватории был разработан автономный термодинамический комплекс для самолета М-55 "Геофизика" ТДК [5], а для измерения содержания водяного пара на уровне полета самолета, в том числе в стратосфере, в условиях низкой температуры — приборный комплекс FLASH [2].
Данные о температуре, ветре и содержании водяного пара на уровне полета самолета, а также о структуре неоднородностей их полей необходимы для изучения механизмов тропосферно-стратосферного обмена, структуры термодинамических процессов, происходящих в слое тропической тропопаузы. Кроме того, установленные на борту российского стратосферного самолета-лаборатории М-55 "Геофизика" контактные и дистанционные измерительные комплексы зарубежных стран — участниц международных экспериментов обеспечивают измерение концентраций аэрозольных и газовых примесей, как активных, так и консервативных, и их пере-
* Центральная аэрологическая обсерватория.
** Экспериментальный машиностроительный завод им. В. М. Мясищева.
носа в ходе тропосферно-стратосферного обмена. Собственно говоря, эти примеси и определяют химические процессы в стратосфере, влияющие на экологию и климат Земли.
2. Измерение основных термодинамических параметров на самолете М-55 "Геофизика"
Для измерения in situ на уровне полета статического атмосферного давления, температуры наружного воздуха, скорости и направления ветра с высокой точностью, позволяющей измерять также с высоким разрешением их временные (пространственные) пульсации, в ЦАО был разработан, а затем на Экспериментальном машиностроительном заводе им. В. М. Мяси-щева изготовлен автономный термодинамический комплекс ТДК. В комплекс входят высокоточные датчики и преобразователи фирмы "Rosemount" и блок сбора, обработки и регистрации информации, работающий в интерактивном режиме со штатными измерительными и навигационными системами самолета и хранящий информацию об измеренных и рассчитанных термодинамических параметрах в энергонезависимой памяти. Подробнее данные о ТДК приведены в работе [5].
В стратосферном гигрометре FLASH (Fluorescent Airborne Stratospheric Hygrometer) использован флуоресцентный метод. В основе метода лежит реакция распада молекул воды при облучении их ультрафиолетовым светом с длиной волны X =121,6 нм (La — излучение водорода, часто называемое Лайман-альфа излучением) с образованием возбужденных ОН-ради-калов и последующим переизлучением в диапазоне длин волн от 305 до 325 нм. В качестве источника ультрафиолетового излучения использована газоразрядная водородная лампа. Излучение флуоресценции фокусируется через интерференционный светофильтр с полосой пропускания 308—315 нм на окно фотоэлектронного умножителя, работающего в режиме счета фотонов. В качестве приемника излучения флуоресценции используется фотоэлектронный умножитель с высокой чувствительностью. Для измерений, проводимых в верхней тропосфере и нижней стратосфере, используется тот факт, что интенсивность излучения флуоресценции прямо пропорциональна относительной концентрации водяного пара. Для того, чтобы исключить влияние влажности в тропосфере, на начальном участке полета предварительно высушенный прибор герметично закрывается и вскрывается после взлета на высоте 8 км. Прибор FLASH работает в диапазоне температур 40...-95°С с постоянной времени 1 с. Подробно прибор описан в [2].
3. Тропосферно-стратосферный обмен в тропической и субтропической зонах
Тропосферно-стратосферный обмен играет большую роль не только в формировании структуры и химического состава стратосферы, но и в глобальных изменениях климата Земли. Яркий пример таких изменений — озоновая дыра, одной из основных причин возникновения которой является антропогенное загрязнение атмосферы соединениями хлора и брома и проникновение этих загрязнений в стратосферу в результате тропосферно-стратосферного обмена [7]. Другим важным примером является непрерыв-
ное увеличение влажности стратосферы и концентрации в ней парниковых газов, что также может привести к глобальным изменениям климата на Земле.
Тропосферно-стратосферный обмен может быть обусловлен как вертикальными, так и горизонтальными перемещениями воздушных масс. Наиболее интенсивные восходящие потоки воздуха наблюдаются в тропических областях земного шара [8]. Высота уровня с минимальной температурой составляет 15—18 км, что значительно выше высоты тропопаузы в средних и высоких широтах. Минимум температуры может достигать значений -85...-90оС. Адиабатическое охлаждение воздушной массы при ее подъеме приводит к вымораживанию водяного пара до отношения смеси 2—4 млн_1.
Экваториальная область характеризуется высокими (17—18 км) и примерно совпадающими по высоте тропопаузой и гидропаузой (область с минимальным отношением смеси водяного пара). Из экваториальной стратосферы воздушные массы распространяются в направлении высоких широт. При этом высота тропопаузы значительно уменьшается и к полярным областям достигает 10—12 км. Гидропауза вне тропической зоны располагается, как правило, выше тропопаузы. Область средних широт характеризуется промежуточными значениями высот тропопаузы и гидропаузы, при этом высота тропопаузы имеет явно выраженную широтную зависимость в области широт 20—45°. Разрыв или наклон тропопаузы приводит к повышению ее проницаемости, что значительно увеличивает тропосферно-стратосферный обмен в области средних широт. Можно выделить три вероятных способа переноса воздушных масс. Во-первых, воздушные массы могут проникать из стратосферы в тропосферу в средних широтах в результате вертикального оседания. В этом случае пришедший в тропосферу стратосферный воздух характеризуется малой влажностью. Во-вторых, возможно вертикальное проникновение тропосферного воздуха в стратосферу, обусловленное различными возмущающими факторами, такими как горные и внутренние гравитационные волны, мезомасштабные когерентные структуры и турбулентность. И, наконец, может быть реализована возможность тропосферно-стратосферного обмена в результате горизонтальных движений воздуха.
Во время эксперимента ТЯОССШОХ изучалось влияние разных процессов переноса на состав воздушных масс в области верхней тропосферы — нижней стратосферы.
С помощью траекторного анализа для полета самолета 8 февраля 2005 г. было спрогнозировано явление вторжения воздушных масс из субтропиков в область тропической тропопаузы [9]. Это вторжение было полностью подтверждено измерениями концентраций малых газовых составляющих и метеовеличин при полете высотного самолета 8 февраля 2005 г., во время которого траектория самолета пересекла предполагаемую область вторжения. Анализ данных измерений с борта высотного самолета показал существование горизонтального переноса воздушных масс из субтропической стратосферы в область тропической тропопаузы. Область проникновения характеризовалась некоторым увеличением отношения смеси водяного пара, которое было близко к отношению смеси насыщения. Подробно
явление горизонтального переноса воздушных масс рассмотрено в [9]. В дополнение к сказанному выше воздухообмен между тропосферой и стратосферой через тропопаузу может происходить путем прорыва тропопаузы мощными конвективными потоками (так называемыми "горячими башнями") в мощных кучевых облаках, а также, как уже указывалось, в результате турбулентности, в том числе и мезомасштабной, в слое тропической тропопаузы. Таким образом, области тропических и субтропических широт являются наиболее интересными с точки зрения изучения тропосфер-но-стратосферного обмена.
Каким бы ни был механизм тропосферно-стратосферного обмена, при нем всегда осуществляется перенос газовых и аэрозольных примесей. Что касается аэрозольных и консервативных химических примесей, то если в тропосфере время их пребывания ограничено вымыванием и выпадением с осадками, то в стратосфере они сохраняются достаточно долго и переносятся воздушными потоками на большие расстояния.
4. Структура слоя тропической тропопаузы в период эксперимента ТЯОССШОХ
Слой тропической тропопаузы имеет ряд особенностей [3]. По данным многолетних радиозондовых измерений, слой тропической тропопаузы располагается на высотах от 14 до 18 км. Его нижняя граница характеризуется резким изменением градиента температуры, что определяет "запирающие" свойства слоя, ограничивающие конвективный подъем воздушных масс.
В вопросе об определении верхней границы тропической тропопаузы такой ясности нет. Можно, например, определять ее как уровень начала характерной для стратосферы температурной инверсии. В фундаментальной работе Холтона и др. [7] при определении места тропосферно-стра-тосферного обмена в рамках общей циркуляции атмосферы предлагается принять за верхнюю границу слоя тропической тропопаузы уровень 380 К, отчетливо разделяющий стратосферу на верхнюю и внетропическую нижнюю. Для того, чтобы через этот слой все-таки осуществлялся воздухообмен, и необходимы описанные выше
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.