Подготовил Малахов О.
Опубликовано 16-01-2010
Выше тропопаузы до высоты 50 – 60 км расположен слой атмосферы, называемый
стратосферой,
главной особенностью которой является рост температуры с высотой. В
нижней части стратосферы до высоты порядка 25 км температура постоянна
или медленно растет с высотой. Стоит отметить, что в зимние месяцы в
высоких широтах она даже может слабо падать. Но с высоты 34 – 36 км
температура начинает расти быстрее. Это возрастание продолжается до
верхней границы стратосферы, именуемой
стратопаузой. Здесь стратосфера почти такая же теплая, как и воздух у поверхности Земли.
Возрастание температуры с высотой приводит к большой устойчивости
стратосферы: здесь нет упорядоченных (конвективных) вертикальных
движений воздуха и его активного перемешивания, что свойственно для
тропосферы. Однако очень небольшие по величине вертикальные движения
типа медленного оседания или подъема иногда охватывают слои стратосферы,
занимающие огромные пространства.
Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 22 – 24 км в высоких широтах иногда наблюдаются
перламутровые облака.
Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются
Солнцем, находящимся под горизонтом. Считается, что эти облака состоят
из переохлажденных капель.
Состав воздуха в стратосфере практически такой же, как и в тропосфере,
но есть отличие. В стратосфере наблюдается повышенное содержание озона –
неустойчивого газа, молекула которого состоит из трех атомов кислорода.
Озоновый слой сформировался и поддерживается взаимодействием
ультрафиолетового излучения Солнца с молекулами обычного кислорода и
служит надежным экраном на пути этого губительного для всего живого
излучения. Из-за наличия слоя озона в стратосфере она может быть также
названа
озоносферой.
…Когда-то обнаруженное в тропосфере падение температуры с высотой
ошибочно считалось свойством всей атмосферы, что объяснялось удалением
от нагреваемой Солнцем земной поверхности. Но первые же подъемы
шаров-зондов с инструментами на борту дали неожиданные данные.
Оказалось, что температура понижается примерно до высоты 10 км, после
чего она практически не меняется, а затем начинает даже несколько
повышаться. Эти данные шли вразрез с установившимися представлениями о
вертикальном изменении температуры в атмосфере. Приборы перед запусками
шаров-зондов стали проверять более тщательно, практиковались также
ночные запуски, исключающие нагрев приборов Солнцем. Однако все новые и
новые пуски приносили одни и те же данные о том, что падение температуры
с высотой прекращается. В результате пришлось согласиться с тем фактом,
что законы, действующие в нижней части атмосферы, перестают работать
выше определенной высоты. Таким образом, атмосферу впервые поделили на
слои. Тот слой, в котором температура с высотой понижается, назвали
тропосферой, а слой атмосферы, в котором температура переставала
понижаться с высотой – стратосферой. Учитывая то, что шары-зонды имели
значительные ограничения по высоте подъема, они не могли достичь
следующего слоя атмосферы –
мезосферы, в которой температура
снова начинает понижаться по мере подъема. В результате стратосферой
стали считать всю верхнюю атмосферу.
Стоит отметить, что переход от тропосферы к стратосфере не происходит
резко. Между ними лежит промежуточный слой, толщиной до нескольких
километров, в котором прекращается падение температуры с высотой и
начинается слой изотермии. Этот слой называется
тропопаузой.
Причину роста температуры в стратосфере обнаружили не сразу. Им оказался
обнаруженный еще в 1785 году газ, получивший в 1840 году название –
озон.
В результате поглощения солнечной энергии, происходящей уже в верхней
части слоя озона, температура атмосферы на этих высотах повышается, и
слой озона является своего рода резервуаром тепла в атмосфере.
Содержание озона в нижних слоях атмосферы (до высоты 10 км) ничтожно. А
его набольшее содержание приходится на высоты 20 – 25 км. Молекулы озона
не встречаются на высотах более 60 км. Данные о содержании озона на
высотах получали весьма интересным способом: на шаре-зонде или
метеорологической ракете устанавливался спектрограф, регистрирующий
спектр Солнца. Известно, что при наблюдениях с поверхности Земли спектр
Солнца обрывается в ультрафиолетовой части. Когда стало ясно, что это
связано с поглощением озоном солнечного ультрафиолета, логичным методом
оценки содержания озона на высотах стали запуски зондов и ракет со
спектрографами на борту.
Повышение температуры в стратосфере начинается примерно от 30 км и
продолжается до 40 – 50 км, где находится верхняя часть озонного слоя.
Несмотря на то, что озона здесь меньше, чем на более низких уровнях,
именно эта часть слоя обращена к Солнцу и нагревается сильнее
поглощаемыми ею ультрафиолетовыми лучами.
Установленное по результатам зондирования повышение температуры на
высоте около 40 – 50 км было подтверждено в 1920 году, когда 9 мая в
Москве произошел сильный взрыв артиллерийских складов. Звук от взрыва
был хорошо слышен вблизи Москвы – на расстоянии до 60 км, а затем снова
на большом расстоянии в пунктах, расположенных кольцом вокруг города.
Между этими двумя зонами слышимости имелась «зона молчания» шириной в
100 км, где взрыв совсем не был слышен. Профессор В.И. Виткевич
исследовал это явление и пришел к выводу, что такое распределение
слышимости звука может наблюдаться при условии его отражения от слоев
атмосферы, распложенных на высоте 40 – 50 км. Но при этом температура
отражающих слоев должна быть около плюс 40 – 50 градусов.
Мы уже упоминали о важной роли озонового слоя в сохранении жизни на
Земле. Но в 1985 году ученые обнародовали сенсационное известие: над
Антарктидой обнаружена
озоновая дыра диаметром свыше 1000 км!
Ежегодно она появлялась здесь в августе, а к декабрю – январю
прекращался свое существование. Меньших размеров озоновая дыра была
обнаружена и над Арктикой. Стоит отметить, что изменения озонового слоя,
его уменьшение, вызвано не только влиянием антропогенных факторов.
Существующие естественные изменения волновой активности и динамики
стратосферы значительно влияют на вариации озона во времени. Межгодовые
вариации общего содержания озона (ОСО) в глобальном масштабе являются
индикаторами изменений климата. Например, заметное уменьшение содержания
озона в период между 1979 – 1994 гг. над Западной Европой, Восточной
Сибирью и востоком США связаны с потеплением климата в этих районах, в
увеличение содержания озона в области Лабрадора – с похолоданием в
Гренландии и Западной Атлантике.
Существуют также связи между вариациями ОСО в одних географических
районах и приземными температурными аномалиями – в других. Например,
анализ межгодовых вариаций ОСО в январе и приземной температуры в
феврале 1979 – 1994 гг. показал, что для того, чтобы предсказать какая
погода (холодная или теплая) будет в феврале в Западной Сибири, нужно
смотреть на содержание озона в точке к западу от Англии (50° с.ш., 10°
з.д.).
Первые подъемы шаров-зондов до достигавшейся ими предельной высоты
опказали, что общий ход температуры выше тропопаузы был достаточно
постоянным. Отсюда был сделан вывод о том, что на этих высотах
отсутствует (или почти отсутствует) вертикальное перемешивание воздуха.
Более поздние высокие радиозондовые подъемы позволили обнаружить
значительные сезонные (муссонные) изменения градиента температуры
экватор – полюс и связанные с ними изменения режима давления и ветра.
Другое важное открытие связано с обнаруженным в стратосфере, прежде
всего в зимней стратосфере, значительные внутрисезонные изменения
температуры, ветра и содержания озона. Особенно ярко эти внутрисезонные
изменения проявляются в так называемых взрывных потеплениях в
стратосфере высоких широт.
Первые важные данные о ветрах в нижней стратосфере в ее экваториальной
части дало извержение вулкана Кракатао 27 августа 1883г., в результате
которого в атмосферу было выброшено огромное количество вулканической
пыли. Это обстоятельство позволило получить начальные сведения о
некоторых особенностях стратосферы низких широт.
Движение вулканической пыли показало, что в экваториальной зоне не
только на уровне моря, но и в нижней стратосфере зональная составляющая
ветра направлена с востока на запад, причем скорость этих восточных
потоков в нижней стратосфере достигает значительных величин (25 – 50
м/сек). Эти стратосферные восточные ветры получили название
ветров Кракатао. Ветры Кракатао огибают весь земной шар в экваториальных (15° с.ш. – 15° ю.ш.) широтах на высотах 25 – 40 км.
В 1909 году экспедицией Ван-Берсона в Центральной Африке впервые были
обнаружены западные ветры в тропической стратосфере. Последующие
наблюдения показали как наличие восточных ветров Кракатао в тропической
стратосфере, так и появление под ними западных
ветров Берсона.
Западные ветры Берсона также были обнаружены при серии атомных испытаний
на Маршалловых островах. Последующие исследования показали, что ветры в
нижней тропической стратосфере меняют направление между восточным и
западным с периодом около 26 – 27 месяцев. Так была установлена
квазидвухлетняя цикличность,
когда в слое тропической стратосферы от 18 – 20 км до 35 км в течение
примерно одного года господствуют ветры восточных направлений, а в
течение следующего года – западных. Квазидвухлетняя цикличность особенно
отчетливо выражена в зоне 8 – 10° по обе стороны от экватора и имеет
наибольшую амплитуду на уровне около 23 км, где средняя
продолжительность цикла составляет около 26 месяцев. Каждый из зональных
переносов появляется раньше всего в верхних слоях, на уровне около 35
км, и постепенно со скоростью 1 – 1,5 км в месяц распространяется вниз.
В верхней тропической стратосфере позднее была обнаружена шестимесячная
цикличность, которая находится в определенной связи с двухлетней.
Новейшие исследования стратосферы, как было отмечено выше, обнаруживают
значительную взаимосвязь между ней и тропосферой. Например, некоторые
работы показали, что распространение климатического сигнала из
тропосферы в стратосферу происходит довольно быстро – в течение 3 – 10
суток. После этого в стратосфере аномальный сигнал существует намного
дольше (15 – 40 суток), что дает основания для долгосрочного прогноза
погоды по параметрам стратосферы.
Литература:
П.Н. Тверской. Курс метеорологии. Гидрометеоиздат, 1962.
Атмосфера Земли. Сборник. Москва, 1953.
А.Л. Кац. Циркуляция в стратосфере и мезосфере. Гидрометеоиздат, 1968.
Использованы также материалы журналов «Метеорология и гидрология» и «Наука и жизнь».
Ссылки:
Режим ветра в экваториальной стратосфере. Квазидвухлетняя цикличность (КДЦ)
Стратосфера и ее связь с тропосферой. Часть вторая. Стратосферные потепления.
Стратосфера и ее связь с тропосферой. Часть первая.
Об истории исследования верхних слоев атмосферы Земли
Строение атмосферы Земли