Путешествие воздушного потока через стратосферу
Editors’ Vox — это блог отдела публикаций Американского геофизического союза (AGU).
Стратосфера, один из слоёв атмосферы Земли, имеет важное значение для понимания глобального климатического системы. Поскольку на состав стратосферы сильно влияет воздушный транспорт и циркуляция, учёные разработали показатель под названием «возраст воздуха», чтобы количественно оценить, как долго воздух находится в движении.
Новая статья в журнале Reviews of Geophysics исследует разработку и использование этого показателя стратосферного возраста воздуха. Здесь мы попросили ведущего автора дать обзор стратосферы, рассказать, как учёные используют показатель возраста воздуха, и какие вопросы остаются открытыми.
Что такое стратосфера и что делает её особенно интересным слоем атмосферы для изучения?
Стратосфера — это второй слой атмосферы от поверхности Земли, расположенный на высоте примерно от 20 до 50 километров. Ниже, в тропосфере, температура уменьшается с высотой, но в стратосфере становится теплее с увеличением высоты. Это происходит в основном из-за стратосферного озонового слоя, который поглощает солнечный свет высокой энергии, нагревая стратосферу, и в то же время защищает нас от вредного ультрафиолетового излучения.
Динамика стратосферы очень интересна: стабильная стратификация (то есть повышение температуры с высотой) препятствует образованию «погоды», как мы её знаем в тропосфере. Тем не менее стратосфера не лишена динамики. Определённые атмосферные волны, образующиеся в тропосфере, могут распространяться вверх и приводить в действие гигантский тепловой насос в стратосфере, перенося воздух вверх в тропиках, к полюсам и вниз над полюсами. Существование такой циркуляции было впервые постулировано в 1940-х и 1950-х годах и получило название циркуляция Брюера — Добсона в честь её авторов.
Как циркуляция Брюера — Добсона помогает нам понять состав стратосферы?
Циркуляция на уровне полушария важна для понимания распределения trace gases (малоконцентрированных газов) в стратосфере. Например, озон образуется в результате фотохимических процессов, преимущественно в тропиках, где доступно наибольшее количество солнечного света. Однако максимальная концентрация озона наблюдается в средних и высоких широтах, и это благодаря транспортировке посредством циркуляции Брюера — Добсона.
Что такое «возраст воздуха» и как его можно наблюдать и измерять?
Один из способов количественной оценки общей транспортной циркуляции — это измерение среднего времени транспортировки, то есть определение, сколько времени требуется воздуху, чтобы переместиться от входа в стратосферу в тропиках до другой точки в стратосфере. Это время транспортировки широко известно как «возраст стратосферного воздуха».
Преимущество показателя возраста воздуха заключается в том, что его можно вывести на основе определённых наблюдаемых trace gases. В частности, если концентрация trace gas постоянно растёт в тропосфере, можно измерить задержку концентраций в тропосфере по сравнению со стратосферой. Эта задержка равна возрасту воздуха, но только в том случае, если trace gas обладает идеальными свойствами линейного увеличения концентрации и не имеет химических поглотителей или источников. В реальном мире у нас есть некоторые индикаторы, которые почти соответствуют этим условиям, но не совсем, например, углекислый газ. Корректировка на неидеальные свойства индикаторов при определении возраста воздуха на основе наблюдений возможна, но это своего рода искусство, о котором мы рассказываем в нашей новой обзорной статье.
Как данные о возрасте воздуха продвинули понимание процессов в стратосфере?
За последние несколько десятилетий было собрано множество данных о trace gases с помощью самолётов, баллонов или спутников, и мы можем использовать их для определения возраста стратосферного воздуха. Это позволяет нам иметь хорошую базу наблюдательных данных о том, насколько «старым» является воздух в стратосфере в среднем.
Как теория возраста применяется за пределами стратосферы?
Концепция возраста воздуха как меры времени транспортировки от определённой поверхности до определённой точки в жидкости может быть использована для многих геофизических систем циркуляции. Например, океанографы обычно используют её для измерения времени последнего контакта водяного объёма с поверхностью — в этом случае возраст значительно больше, порядка столетий или даже тысячелетий, по сравнению с несколькими годами для воздуха в стратосфере.
Почему понимание стратосферной циркуляции важно для прогнозирования последствий изменения климата?
Изменения концентрации trace gases в тропосфере в условиях изменения климата, такие как углекислый газ, метан или оксиды азота, будут передаваться в стратосферу через транспортную циркуляцию. Там эти trace gases могут влиять на температуру стратосферы посредством излучения, а также на химию, что приведёт к изменениям в стратосферном озоновом слое или стратосферном водяном паре.
Стратосферная циркуляция и её изменения важны для понимания того, как стратосферный озоновый слой будет влиять на изменение климата, напрямую воздействуя на наш щит от ультрафиолетового излучения. Кроме того, изменения концентрации озона и водяного пара, особенно в нижней стратосфере, приводят к изменениям общего излучения, напрямую влияя на изменение климата на поверхности.
Какие вопросы остаются открытыми и требуют дополнительных усилий в области моделирования, сбора данных или исследований?
Тема оживлённых дебатов за последние десятилетия — можно ли обнаружить в наблюдениях ускорение циркуляции Брюера — Добсона, смоделированное климатическими моделями. Проблема здесь заключается в том, что тенденции составляют порядка нескольких процентов за десятилетие, поэтому нам нужны данные очень высокой точности за многие десятилетия, чтобы обнаружить тенденцию. Учитывая множество неопределённостей при определении возраста воздуха на основе измерений trace gases, на данный момент мы должны заключить, что наша база данных недостаточно хороша для определения долгосрочных тенденций в возрасте воздуха, по крайней мере в средней стратосфере. Таким образом, непрерывный сбор высококачественных данных о стратосферных trace gases будет необходим для достижения прогресса в обнаружении долгосрочных изменений в стратосферной циркуляции.