Tropopauza

Trópusi régiók

A trópusi tropopauza (körülbelül 380 K-en) a Brewer-Dobson-cirkuláció felfelé irányuló ágában található (1. ábra), körülbelül 100 hPa nyomáson és körülbelül -70 és -80 °C hőmérsékleten. A trópusi tropopauza átlépése után a 400 K izentrópikus felszínen (kb. 90 hPa) felszálló anyagokat valószínűleg a nagyléptékű Brewer-Dobson-cirkuláció szállítja a középső és felső sztratoszférába. Ott évekig befolyásolhatják a sztratoszféra összetételét. A trópusi tropopauza és 400 K között az elméleti számítások és a vízgőz és az atombombatörmelék (az 1950-es és 1960-as évekbeli robbanásokból származó) mérései a nyomelemek jelentős pólusirányú szállítására utalnak. Ez arra utal, hogy a trópusi tropopauzát átlépő alkotórészek egy része nem sokkal 400 K fölé, hanem gyorsan a legalsó extratrópusi sztratoszférába kerül, többnyire izentróp transzport révén.

A trópusi transzportot a konvekció és a nagyléptékű Brewer-Dobson-cirkuláció közötti összetett és kevéssé ismert kölcsönhatás szabályozza. A tropopauzát átlépő csomagok kezdetben mély konvektív felhőkben szállnak felfelé. Bizonyos magasság felett azonban a Brewer-Dobson-keringés irányítja a csomag későbbi felemelkedését. A konvekció és a nagyléptékű cirkuláció közötti átmenet magassága nem szilárdan rögzített. Legalábbis a trópusi tropopauza gyakran nincs egyértelműen körülhatárolva. Ehelyett pontosabb lehet a trópusi tropopauzát a troposzféra és a sztratoszféra közötti meglehetősen mély átmeneti régiónak tekinteni.

Még mindig nyitott kérdés, hogy a konvekció és a nagyléptékű cirkuláció közötti átmenet jellemzően a meghatározott trópusi tropopauza felett vagy alatt történik. A konvektív tornyok alkalmanként valóban áthatolnak a tropopauzán, ahogyan azt például az indonéz térségben megfigyelték. Kétséges azonban, hogy ezek a nagyon mély konvektív események elég gyakran fordulnak-e elő ahhoz, hogy a szükséges felfelé irányuló tömegáramlást biztosítsák. Ebben az esetben a trópusi tropopauzán átívelő felfelé irányuló mozgás nagy léptékű lehet, amely esetben a tropopauza közelében gyakori magas felhőzet várható. Az északi félteke telén a Csendes-óceán nyugati részének meleg medencéje felett az idő több mint 90%-ában láthatatlan cirrusfelhők figyelhetők meg, de ennek a felhőzetnek az oka még nem tisztázott. Másrészt, ha a konvekció a szükségesnél nagyobb tömegáramot biztosít a tropopauza felett, akkor csak a legmagasabb és leghidegebb konvektív események lehetnek hatással a sztratoszférára. Ebben az esetben a konvektív feláramlásokon kívül az egyenlítői tropopauza egy süllyedő régióban van.

Az egyenlítői sztratoszférába belépő levegő szárazsága (körülbelül 3 ppm térfogatszázalék az északi félteke telén és 4,2 ppm térfogatszázalék az északi félteke nyarán) szorosan korlátozza azokat a lehetséges útvonalakat, amelyeken keresztül a trópusi levegő a sztratoszférába juthat. Mivel ez sokkal szárazabb, mint a troposzféra levegője átlagosan, és jellemzően szárazabb, mint a trópusi tropopauzában a vízgőz telítési keveredési aránya, a trópusi STE bármely elméletének számolnia kell a sztratoszférába belépő légcsomagok kiszáradásával.

Az ilyen alacsony vízgőz keveredési arány egyik lehetséges mechanizmusa, hogy a sztratoszférába belépő levegő felhőn keresztül került feldolgozásra. Valóban, ahogy egy csomag felfelé halad és lehűl, a telítési gőznyomást meghaladó víz kicsapódik. A hatékony dehidratáció megköveteli, hogy a csomag elég hideg hőmérsékleten maradjon ahhoz, hogy a jégkristályok megfelelő méretűre nőjenek a gyors ülepedéshez. Ellenkező esetben, ahogy a csomag tovább emelkedik a sztratoszférába, a jégkristályok újra elpárologhatnak. Néha mély konvektív felhőkkel együtt alacsony sztratoszférikus vízgőzkeverési arányú levegőt mértek. A konvekción kívül azonban más folyamatok is szerepet játszhatnak a levegő kiszáradásában. Például a tropopauza közelében terjedő gravitációs hullámok elegendő felhajtóerőt biztosíthatnak ahhoz, hogy további kondenzációt és vízgőzveszteséget tegyenek lehetővé. A felhőfeldolgozás a kémiai fajok STE-jét is befolyásolja az oldható fajok kísérő veszteségén keresztül.

A zonálisan átlagolt trópusi tropopauza hőmérséklete nincs összhangban a sztratoszféra extrém szárazságával. Ez azt a hipotézist sugallja, hogy vannak preferált régiók, ahol a levegő belép a sztratoszférába; a levegő csak ott halad át lokálisan felfelé a trópusi tropopauzán, ahol a telítési gőznyomás elég alacsony (a nagyon hideg hőmérsékletek miatt) ahhoz, hogy a levegőcsomagok a fent leírtak szerint kellően kiszáradjanak. Az egyik ilyen régió a Csendes-óceán nyugati részén (főként Indonézia környékén) fordul elő az északi félteke telén, összhangban egy helyi sztratoszférikus “szökőkút” elképzelésével, amelyen keresztül a levegő belép a sztratoszférába. Az északi félteke nyári időszakában azonban a nagyléptékű meteorológiai elemzésekből származó hőmérséklet-eloszlás nem mutat olyan régiót, ahol a hőmérséklet tartósan elég hideg lenne ahhoz, hogy megmagyarázza a vízgőzfelvételt. Ebben az évszakban a hideg hőmérsékletek és a kiszáradási események csak szórványosan fordulhatnak elő, olyan térben és időben korlátozott eseményekkel összefüggésben, amelyeket a nagyléptékű meteorológiai elemzések nem rögzítenek. Egy másik, a közelmúltban bevezetett és még kidolgozás alatt álló hipotézis egy mély tropopauza átmeneti réteg létezésén alapul. A levegő kiszáradása konvektív rendszerekben történik, de a kiszáradt levegő szállítása a sztratoszférába lassú emelkedéssel történik, a légkör e részén tapasztalható általános nettó sugárzási melegedés miatt. Ebben a nézetben a dehidratáció és a sztratoszférába történő szállítás különböző időpontokban és helyeken történik. A trópusi STE-nek ez a szemlélete dinamikusabb, mint a sztratoszférikus “szökőkút”, és nagyon különböző léptékű vertikális és horizontális folyamatokat foglal magában. A fent leírt hipotézisek egyike sem tudta még teljes mértékben és következetesen megmagyarázni a vízgőz megfigyelt eloszlását a trópusi sztratoszférában.

A tropopauza magasságának és hőmérsékletének hosszanti változásai, és így az egyenlítői STE preferált helyei egy sor kevéssé ismert helyi folyamatnak tulajdoníthatók. A leghidegebb tropopauzamagasságok a Csendes-óceán nyugati meleg medencéjéhez és az északi félteke monszunjához kapcsolódnak. Ez összhangban van azzal, hogy a konvekció aktív szerepet játszik a tropopauza morfológiájának alakításában. A konvekció és a tropopauza magassága közötti kapcsolat azonban nem egyértelmű. Különösen arra utaló jelek vannak, hogy a tropopauza januári minimumhőmérsékletei az Egyenlítőre összpontosulnak, míg a konvekció kissé délebbre maximalizálódik. A konvektív felhők sugárzási hatásai és a diabatikus felmelegedésük által kiváltott hullámmozgások elfedik a konvekció, a tropopauza magassága és hőmérséklete, valamint az STE elhelyezkedése közötti egyértelmű kapcsolatot.