Tropopauza

Tropické oblasti

Tropická tropopauza (nachází se přibližně při 380 K) se nachází ve vzestupné větvi Brewer-Dobsonovy cirkulace (obrázek 1) při tlaku přibližně 100 hPa a teplotě přibližně -70 až -80 °C. Složky vynesené přes izentropickou hladinu 400 K (přibližně 90 hPa) po překročení tropické tropopauzy budou pravděpodobně transportovány do střední a horní stratosféry velkoplošnou Brewer-Dobsonovou cirkulací. Tam mohou ovlivňovat složení stratosféry po několik let. Mezi tropopauzou a teplotou 400 K teoretické výpočty a měření vodní páry i trosek atomových bomb (z výbuchů v 50. a 60. letech 20. století) naznačují značný přenos stopových složek směrem k pólům. To naznačuje, že část složek, které překračují tropickou tropopauzu, se nad 400 K příliš nepřenáší, ale je rychle transportována do nejnižší extratropické stratosféry, a to převážně izentropickým transportem.

STE v tropech se řídí složitou a málo pochopenou souhrou mezi konvekcí a velkorozměrovou Brewer-Dobsonovou cirkulací. Balíky, které překračují tropopauzu, jsou zpočátku transportovány vzhůru v hlubokých konvektivních oblacích. Nad určitou výškou však Brewerova-Dobsonova cirkulace řídí následný vzestup balíků. Přechodná výška mezi konvekcí a velkoplošnou cirkulací není pevně stanovena. Přinejmenším tropopauza není často jasně ohraničena. Místo toho je možná přesnější považovat tropickou tropopauzu za poměrně hlubokou přechodovou oblast mezi troposférou a stratosférou.

Je stále otevřenou otázkou, zda přechod mezi konvekcí a velkoplošnou cirkulací obvykle probíhá nad nebo pod definovanou tropickou tropopauzou. Konvektivní věže skutečně občas pronikají do tropopauzy, jak bylo pozorováno například v indonéské oblasti. Existují však určité pochybnosti o tom, zda se tyto velmi hluboké konvektivní události vyskytují dostatečně často na to, aby poskytly potřebný vzestupný tok hmoty. V takovém případě by vzestupný pohyb přes tropopauzu mohl mít velký rozsah a v takovém případě by se očekávala častá vysoká oblačnost v blízkosti tropopauzy. Během zimy na severní polokouli jsou nad teplým bazénem západního Pacifiku ve více než 90 % případů pozorovány subviditelné cirrové mraky, ale příčina této oblačnosti není dosud určena. Na druhou stranu, pokud konvekce dodává více než potřebný tok hmoty nad tropopauzou, mohou stratosféru nakonec ovlivnit pouze nejvyšší a nejchladnější konvektivní události. V takovém případě se mimo konvektivní vzestupné proudy nachází rovníková tropopauza v oblasti sestupného proudění.

Suchost vzduchu vstupujícího do rovníkové stratosféry (přibližně 3 ppm objemu během zimy na severní polokouli a 4,2 ppm objemu během léta na severní polokouli) pevně omezuje možné cesty, kterými může tropický vzduch vstupovat do stratosféry. Jelikož je tento poměr mnohem sušší než průměrný troposférický vzduch a typicky sušší než směšovací poměr nasycených vodních par v tropopauze, musí jakákoli teorie tropické STE počítat s dehydratací balíků vzduchu vstupujících do stratosféry.

Možným mechanismem tak nízkého směšovacího poměru vodních par je, že vzduch, který vstupuje do stratosféry, byl zpracován přes mrak. Jak totiž balík putuje vzhůru a ochlazuje se, voda přesahující tlak nasycených par kondenzuje. Účinná dehydratace vyžaduje, aby balík zůstal při dostatečně nízkých teplotách, aby ledové krystalky narostly do dostatečné velikosti pro rychlou sedimentaci. V opačném případě, jak balík stoupá do stratosféry, se krystalky ledu mohou znovu vypařit. Vzduch s nízkým stratosférickým směšovacím poměrem vodní páry byl někdy naměřen ve spojení s hlubokými konvektivními mraky. Při dehydrataci vzduchu však mohou hrát roli i jiné procesy než konvekce. Například gravitační vlny šířící se v blízkosti tropopauzy mohou zajistit dostatečný vztlak, který umožní další kondenzaci a ztrátu vodní páry. Zpracování mraků také ovlivní STE chemických druhů prostřednictvím doprovodné ztráty rozpustných druhů.

Zonálně zprůměrované teploty tropopauzy neodpovídají extrémní suchosti stratosféry. To naznačuje hypotézu, že existují preferované oblasti, v nichž vzduch vstupuje do stratosféry; vzduch prochází lokálně vzhůru tropopauzou pouze tam, kde je tlak nasycených par dostatečně nízký (z velmi nízkých teplot), aby umožnil dostatečnou dehydrataci vzduchových partikulí, jak je popsáno výše. Jedna taková oblast se vyskytuje v západním Pacifiku (většinou v okolí Indonésie) během zimy na severní polokouli, což je v souladu s myšlenkou lokální stratosférické „fontány“, kterou vzduch vstupuje do stratosféry. Během léta na severní polokouli však rozložení teplot z velkoplošných meteorologických analýz nenaznačuje žádnou oblast s dostatečně trvale nízkými teplotami, které by vysvětlovaly záznam vodní páry. V tomto ročním období se nízké teploty a dehydratace musí vyskytovat pouze sporadicky v souvislosti s prostorově a časově omezenými událostmi, které nejsou zachyceny v rozsáhlých meteorologických analýzách. Další hypotéza, představená nedávno a stále rozvíjená, je založena na existenci hluboké přechodové vrstvy tropopauzy. K dehydrataci vzduchu dochází v konvektivních systémech, ale k transportu dehydratovaného vzduchu do stratosféry dochází pomalým stoupáním v důsledku celkového čistého radiačního ohřevu v této části atmosféry. Z tohoto pohledu dochází k dehydrataci a transportu do stratosféry v různých časech a na různých místech. Tento pohled na tropickou STE je dynamičtější než stratosférická „fontána“ a zahrnuje vertikální a horizontální procesy ve velmi odlišném měřítku. Žádná z výše popsaných hypotéz zatím nedokázala plně a konzistentně vysvětlit pozorované rozložení vodní páry v tropické stratosféře.

Podélné rozdíly ve výšce tropopauzy a teplotě, a tedy i preferovaná místa rovníkové STE, lze připsat celé řadě málo pochopených lokálních procesů. Nejchladnější výšky tropopauzy jsou spojeny s teplým bazénem západního Pacifiku a monzunem severní polokoule. To odpovídá tomu, že konvekce hraje aktivní roli při utváření morfologie tropopauzy. Vztah mezi konvekcí a výškou tropopauzy však není jednoznačný. Zejména existují náznaky, že minimální teploty v tropopauze v lednu jsou soustředěny na rovníku, zatímco konvekce má maximum mírně jižněji. Radiační účinky konvektivních mraků a vlnové pohyby vynucené jejich diabatickým ohřevem zastírají jakýkoli přímočarý vztah mezi konvekcí, výškou a teplotou tropopauzy a polohou STE.