Тропосфера – найважливіший шар атмосфери Землі

Тропосфера – найважливіший шар атмосфери Землі © Walter Van Bel

У цій статті ми здійснимо віртуальну подорож крізь тропосферу – один із найважливіших шарів земної атмосфери.


На заглавному фото до цієї статті, зробленому з борту пасажирського літака Airbus A319-112 на висоті близько 10 км над Сицилією (Італія), видно купчасті хмари вертикального розвитку - кучеряві «баранчики» і одна велика хмара з плоскою вершиною. «Баранці» виникають на різних висотах і витягуються вгору завдяки вертикальним повітряним потокам. Великі хмари піднімаються вище за інших, їх верх стає плоским, роблячи хмару схожою на ковадло коваля. Хмари-ковадлі (Cumulonimbus incus: cumulus латиною — «купчасті», nimbus — «дощові», incus — «ковадло») візуалізують нижню межу тропопаузи — перехідного шару між тропосферою та стратосферою.

Основні поняття та характеристики.

Щоб розібратися, що таке тропопауза, погляньмо ширше на атмосферу в цілому. Починається вона на поверхні Землі, яка, нагріваючись сонячним теплом, рясно насичує їм атмосферу, заодно наповнюючи її аерозолями та водяною парою, які поглинають та накопичують тепло. Тому приземна атмосфера сповнена теплової енергії. Нагріте повітря має низьку щільність і спливає вгору завдяки архімедовій силі. Різноманітність характеру земної поверхні, різниця широт, безперервно мінливе освітлення вдень і відсутність його вночі призводять до нерівномірного розподілу тепла в атмосфері.

Ця нерівномірність у поєднанні з високою густиною теплової енергії робить атмосферу вкрай динамічною. Потужні конвективні вертикальні потоки перемішують повітряну масу, мусони та пасати створюють тривалі сезонні широтні потоки, циклони та антициклони закручують та переміщують величезні повітряні маси у горизонтальному та вертикальному напрямках. Добові бризи та хаотичні передгрозові шквали і смерчі додають локальні бурління у грандіозну загальну циркуляцію. Тому нижню атмосферу, що вічно змінюється, назвали тропосферою, від давньогрецького τρόπος — «поворот, зміна», подібно до стежки, що змінює напрямок. Висота тропосфери теж мінлива і лежить у межах 8 – 18 км залежно від широти та пори року. У ній зосереджено близько 80% усієї маси земної атмосфери. Середній вертикальний градієнт температури повітря тут становить 0,65 °С/100 м, але може змінюватися у деяких межах на різних висотах.

Піднімаючись цією мінливою вертикальною стежкою повітря розширюється і тому охолоджується. Температура повітря зі зростанням висоти знижується, досягаючи на висоті 10 км близько -56…-60 °С. Архімедова сила спливаючих потоків зникає ще раніше внаслідок охолодження та витрачання отриманого внизу тепла. Але за рахунок придбаного вертикального руху повітряні потоки піднімаються все вище за інерцією, витрачаючи залишки кінетичної енергії, в яку перейшла частина теплової енергії.

Над цією динамічною картиною розкинулося інше царство атмосфери. Воно разюче відрізняється від нижнього, йде вгору втричі далі, до 50 км. У ньому майже не буває хмар та погодних явищ, практично не виникає вертикальних течій. Вертикальне переміщення повітря відбувається там лише дифузійно, дуже поступово, потоки, що породжуються, завжди горизонтальні і не призводять до перемішування нижніх і верхніх шарів повітря. Це царство названо стратосферою, від латинського stratum — шар. Стабільна стратосфера відрізняється від мінливої тропосфери також поведінкою температури: перші 15 кілометрів стратосфери мають постійну температуру близько мінус -57 °C, так званий шар ізотермії, тут також знаходиться озоносфера – область з високою концентрацією озону. Вище за озоносферу температура продовжує знижуватися.

Верхня межа тропосфери – тропопауза, та її властивості.

Між двома такими різними царствами, розділяючи їх, лежить прикордонна смуга - тропопауза. Вона відокремлює вертикальне буяння тропосфери від шаруватої стратосфери. Вертикальні рухи повітря тут загасають, а тропосферне зниження температури різко втричі зменшується з висотою, нагорі тропопаузи зникаючи зовсім. Вертикальні потоки, що охолодилися вгорі тропосфери і втратили архімедову силу, дістаються сюди за інерцією, майже втрачаючи перед цим кордоном і свій запас руху. Вони видихаються на тропосфері і у тепловому, і в кінетичному сенсі. І зупиняються на ній, вже не маючи тут рушійного початку для вторгнення в холодну шарувату стратосферу.

Межі тропопаузи неоднакові і змінюються залежно від широти, пори року та інших чинників. Товщина становить від кількох сотень метрів до трьох кілометрів. Висота тропопаузи над полюсами Землі найнижча, 8-10 км, у середніх широтах піднімається до 12-13 км і досягає 16-18 км у зоні екватора. Це зрозуміло, адже тропопаузу піднімають вгору вертикальні потоки шаленої тропосфери, а її шаленість залежить від рівня одержуваного тепла, мінімального на полюсах і максимального на екваторі. У середніх широтах і ближче до полюсів сильніше позначаються холодні сезони, зменшуючи надходження сонячного тепла до цих зон Землі. У ці періоди тропопауза опускається там на 1–2 км, а у теплі сезони знову піднімається. При цьому температура тропопаузи теж змінюється: чим вище, тим більший ступінь розширення повітря і тим сильніше воно охолоджується. Тому висока екваторіальна тропопауза завжди холодніша за теплішу (але все одно неабияк морозну) полярну, причому набагато — на кілька десятків градусів.

Прив'язана до локальних великих атмосферних утворень, що лежить на плечах місцевих тропосферних атлантів, тропопауза опускається над циклонами на плечах холодних повітряних мас і піднімається підвищеним тиском антициклонів та теплими повітряними масами. Іноді на межі тропосфери виникають струменеві течії, що у помірних та південних широтах досягають величезної сили та швидкості, більше 100 м/сек. Такі течії можуть зруйнувати, розмити тропопаузу, створити її розрив, який поступово затягується із припиненням струменевої течії.

Термодинамічні особливості тропосфери.

Тропопауза прозора, але завдяки хмарам-ковадлам ми можемо спостерігати її положення. Інерція вертикального руху висхідного потоку у великій хмарі підкачує хмарний конденсат впритул до тропопаузи. Повільно, практично з нульовою швидкістю, волога розповзається горизонтально вздовж тропопаузи, роблячи цю межу видимою і формуючи на її нижній поверхні ковадло з хмарного матеріалу, що розсувається в сторони. Тому розташовані поруч ковадла завжди знаходяться на одній висоті — висоті місцевої тропопаузи.

Наскільки ж абсолютна кришталева грань тропопаузи? Чи існують хмари, здатні пробити цю неприступну небесну твердиню? Так, питання лише у кількості енергії. Для пробивання тропопаузи потрібна дуже висока концентрація теплової енергії у хмарі, що істотно перевищує щільність енергії у звичайних погодних хмарах. І такі хмари є. Енергія в них накачується не атмосферними процесами - це хмари від потужних вулканічних вивержень, у яких щільність тепла може бути в рази вищою, ніж у погодних хмар. Вона виникає внаслідок величезних температур (багато сотень градусів) газів і попелових мас. При дуже потужних виверженнях щільність енергії попелової хмари дозволить їй не лише подолати тропопаузу, а й піднятися в стратосферу, іноді дуже високо, до середньої та верхньої стратосфери.

На фотографії нижче відображено виверження вулкана на острові Райкоку у північній частині Курильських островів. Фото зроблено астронавтами НАСА із борту МКС 22 червня 2019 року. Це приклад неглибокого вторгнення вулканічної хмари у стратосферу. За даними радіозондів, висота тропопаузи тут близько 11 км, тоді як плоска вершина хмари сягає 13 км. Щільність енергії в попеловій хмарі виявилася достатньою для подолання тропопаузи, але мала для підйому високо в стратосферу. Тому, подолавши тропопаузу і потрапивши в нижні шари стратосфери, хмара розтікається там плоскою вершиною. Охолоджуючись і злегка осідаючи, попелова маса уноситься у вигляді шлейфу горизонтальною течією. Фото із сайту nasa.gov.

Таким чином, «кухня погоди» зосереджена на 99% саме у тропосфері. Вона дозволяє нормально існувати мільйонам форм життя як на суходолі, так і в океанах. Саме в тропосфері розвиваються всілякі форми хмар, з яких випадають опади, а також виникають баричні утворення (циклони та атнтициклони), що забезпечують глобальну атмосферну циркуляцію і міжширотний обмін тепла та вологи.

Підготував Ігор Кібальчич, кандидат географічних наук, синоптик.

4,6/5 (8 оцінок)

Погода в Україні

Вінниця
Луцьк
-1°
Дніпро
Донецьк
Житомир
+1°
Ужгород
Запоріжжя
Івано-Франківськ
-2°
Київ
-2°
Кропивницький
Севастополь
+5°
Сімферополь
-2°
Луганськ
-2°
Львів
+2°
Миколаїв
+3°
Одеса
Полтава
Рівне
-1°
Суми
Тернопіль
-2°
Харків
+2°
Херсон
Хмельницький
-2°
Черкаси
-2°
Чернігів
Чернівці

Не пропусти найцікавіше!

Підписуйся на наші канали в месенджерах!

Публикации

Відео