Тропосфера – самый нижний и наиболее важный слой атмосферы Земли

Тропосфера – самый нижний и наиболее важный слой атмосферы Земли © Walter Van Bel

В данной статье мы осуществим виртуальное путешествие сквозь тропосферу – один из важнейших слоёв земной атмосферы.


На заглавном фото к данной статье, сделанном с борта пассажирского самолета Airbus A319-112 на высоте около 10 км над Сицилией (Италия), видны кучевые облака вертикального развития — кучерявые «барашки» и одно крупное облако с плоской вершиной. «Барашки» возникают на разных высотах и вытягиваются вверх благодаря вертикальным воздушным потокам. Крупные облака поднимаются выше других, их верх становится плоским, делая облако похожим на наковальню кузнеца. Облака-наковальни (Cumulonimbus incus: cumulus на латыни — «кучевые», nimbus — «дождевые», incus — «наковальня») визуализируют нижнюю границу тропопаузы — переходного слоя между тропосферой и стратосферой.

Основные понятия и характеристики.

Чтобы разобраться, что такое тропопауза, давайте взглянем шире на атмосферу в целом. Начинается она на поверхности Земли, которая, нагреваясь солнечным теплом, обильно насыщает им атмосферу, заодно наполняя ее аэрозолями и водяным паром, которые поглощают и накапливают тепло. Поэтому приземная атмосфера полна тепловой энергии. Нагретый воздух имеет низкую плотность и всплывает вверх, благодаря архимедовой силе. Разнообразие характера земной поверхности, разность широт, непрерывно меняющееся освещение днем и отсутствие его ночью приводят к неравномерному распределению тепла в атмосфере.

Эта неравномерность в сочетании с высокой плотностью тепловой энергии делает атмосферу крайне динамичной. Мощные конвективные вертикальные потоки перемешивают воздушную массу, муссоны и пассаты создают длительные сезонные широтные потоки, циклоны и антициклоны закручивают и перемещают огромные воздушные массы в горизонтальном и вертикальном направлении. Суточные бризы и хаотические предгрозовые шквалы и смерчи добавляют локальные бурления в грандиозную общую циркуляцию. Поэтому вечно меняющуюся нижнюю атмосферу назвали тропосферой, от древнегреческого τρόπος — «поворот, изменение», подобно поворачивающей, меняющей направление тропе. Высота тропосферы тоже изменчива и лежит в пределах 8 – 18 км в зависимости от широты и времени года. В ней сосредоточено порядка 80% всей массы земной атмосферы. Средний вертикальный градиент температуры воздуха здесь составляет 0,65 °С/100 м.

Поднимаясь этой изменчивой вертикальной тропой, воздух расширяется и потому охлаждается. Температура воздуха с ростом высоты снижается, достигая на высоте 10 км -56…-60 °С. Архимедова сила всплывающих потоков исчезает еще раньше из-за охлаждения и расходования полученного внизу тепла. Но за счет приобретённого вертикального движения воздушные потоки поднимаются всё выше, расходуя остатки кинетической энергии, в которую перешла часть энергии тепловой.

Над этой динамичной картиной раскинулось другое царство атмосферы. Оно разительно отличается от нижнего, уходит вверх в три раза дальше, до 50 км. В нем почти не бывает облаков и погодных явлений, практически не возникает вертикальных течений. Вертикальное перемещение воздуха происходит там лишь диффузионно, очень постепенно, порождаемые потоки всегда горизонтальны и не приводят к перемешиванию нижних и верхних слоев воздуха. Это царство слоев названо стратосферой, от латинского stratum — «слой». Стабильная стратосфера отличается от изменчивой тропосферы и поведением температуры: первые 15 километров стратосферы имеют постоянную температуру около минус -57 °C, так называемый слой изотермии, здесь также располагается озоносфера – область с высокой концентрацией озона. Выше озоносферы температура продолжает понижаться.

Верхняя граница тропосферы – тропопауза, и её свойства.

Между двумя столь разными царствами, разделяя их, лежит пограничная полоса — тропопауза. Она отделяет вертикальное буйство тропосферы от слоистой стратосферы. Вертикальные движения воздуха здесь затухают, а тропосферное снижение температуры резко, в три раза, уменьшается с высотой, наверху тропопаузы исчезая совсем. Охладившиеся вверху тропосферы и потерявшие архимедову силу вертикальные потоки добираются сюда по инерции, почти теряя перед этой границей и свой запас движения. Они выдыхаются на тропосфере и в тепловом, и в кинетическом смысле. И останавливаются на ней, уже не имея здесь движущего начала для внедрения в холодную слоистую стратосферу.

Границы тропопаузы неодинаковы и меняются в зависимости от широты, времени года и других факторов. Толщина составляет от нескольких сот метров до трех километров. Высота тропопаузы над полюсами Земли самая низкая, 8–10 км, в средних широтах поднимается до 12–13 км и достигает 16–18 км в зоне экватора. Это понятно, ведь тропопаузу вздымают вверх вертикальные потоки неистовой тропосферы, а неистовость ее зависит от уровня получаемого тепла, минимального на полюсах и максимального на экваторе. В средних широтах и ближе к полюсам сильнее сказываются холодные сезоны, уменьшая поступление солнечного тепла в эти зоны Земли. В эти периоды тропопауза опускается там на 1–2 км, а в теплые сезоны снова поднимается. При этом температура тропопаузы тоже меняется: чем выше, тем больше степень расширения воздуха и тем сильнее он охлаждается. Поэтому высокая экваториальная тропопауза всегда холоднее более теплой (но всё равно изрядно морозной) полярной, причем намного — на несколько десятков градусов.

Привязанная к локальным крупным атмосферным образованиям, возлежащая на плечах местных тропосферных атлантов, тропопауза опускается над циклонами и слабыми плечами холодных воздушных масс и приподнимается повышенным давлением антициклонов и теплыми воздушными массами. Иногда на границе тропосферы возникают струйные течения, в южных широтах достигающие огромной силы и скорости, больше 100 м/сек. Такие течения могут разрушить, размыть тропопаузу, создать ее разрыв, который постепенно затягивается с прекращением струйного течения.

Термодинамические особенности тропосферы.

Тропопауза прозрачна, но благодаря облакам-наковальням мы можем наблюдать ее положение. Инерция вертикального движения восходящего потока в большом облаке подкачивает облачный конденсат вплотную к тропопаузе. Медленно, практически с нулевой скоростью, влага расползается горизонтально вдоль тропопаузы, делая эту границу видимой и формируя на ее нижней поверхности наковальню из раздвигающегося в стороны облачного материала. Поэтому расположенные рядом наковальни всегда находятся на одной высоте — высоте местной тропопаузы.

Насколько же абсолютна хрустальная грань тропопаузы? Существуют ли облака, способные пробить эту неприступную небесную твердь? Да, вопрос только в количестве энергии. Для пробивания тропопаузы нужна очень высокая концентрация тепловой энергии в облаке, существенно превышающая плотность энергии в обычных погодных облаках. И такие облака существуют. Энергия в них накачивается не атмосферными процессами — это облака от мощных вулканических извержений, у которых плотность тепла может быть на порядки выше, чем у погодных облаков. Она возникает из-за огромной температуры (многие сотни градусов) газов и пепловых масс. При очень мощных извержениях плотность энергии пеплового облака позволит ему не только преодолеть тропопаузу, но и подняться в стратосферу, иногда очень высоко, до средней и верхней стратосферы.

На фотографии ниже запечатлено извержение вулкана на острове Райкоке в северной части Курильских островов. Фото сделано астронавтами НАСА с борта МКС 22 июня 2019 года. Это пример неглубокого внедрения вулканического облака в стратосферу. По данным радиозондов, высота тропопаузы здесь около 11 км, в то время как плоская вершина облака достигает 13 км. Плотность энергии в пепловой туче оказалась достаточной для преодоления тропопаузы, но была мала для подъема высоко в стратосферу. Поэтому, преодолев тропопаузу и попав в самые нижние слои стратосферы, облако растекается там плоской вершиной. Охлаждаясь и слегка оседая, пепловая масса уносится в виде шлейфа горизонтальным течением. Фото с сайта nasa.gov.

Таким образом, «кухня погоды» сосредоточена на 99% именно в тропосфере. Она позволяет нормально существовать миллионам формам жизни как на суше, так и в океанах. Именно в тропосфере развиваются всевозможные формы облаков, из которых выпадают осадки, а также возникают барические образования (циклоны и атнтициклоны), обеспечивающие глобальную атмосферную циркуляцию и межширотный обмен тепла и влаги.

Подготовил Игорь Кибальчич, кандидат географических наук, синоптик.

4,1/5 (12 оценок)

Погода в Украине

Винница
+1°
Луцк
+1°
Днепр
Донецк
Житомир
+3°
Ужгород
Запорожье
Ивано-Франковск
Киев
Кропивницкий
Севастополь
+1°
Симферополь
+1°
Луганск
+1°
Львов
+1°
Николаев
-2°
Одесса
Полтава
Ровно
-1°
Сумы
Тернополь
Харьков
+2°
Херсон
Хмельницкий
Черкассы
Чернигов
Черновцы

Не пропусти самое интересное!

Подписывайся на наши каналы в мессенджерах!

Публикации

Видео