Tropopause

Tropiska regioner

Den tropiska tropopausen (belägen vid cirka 380 K) är belägen i den uppåtgående grenen av Brewer-Dobson-cirkulationen (figur 1) vid ett tryck på cirka 100 hPa och en temperatur på cirka -70 till -80 °C. De beståndsdelar som flyter över den isentropiska ytan 400 K (ca 90 hPa) efter att ha passerat den tropiska tropopausen transporteras troligen in i den mellersta och övre stratosfären av den storskaliga Brewer-Dobson-cirkulationen. Där kan de påverka stratosfärens sammansättning under flera år. Mellan den tropiska tropopausen och 400 K tyder teoretiska beräkningar och mätningar av både vattenånga och atombombsrester (från sprängningarna på 1950- och 1960-talen) på en avsevärd poltransport av spårämnen. Detta tyder på att en del av de beståndsdelar som passerar den tropiska tropopausen inte transporteras särskilt mycket över 400 K, men att de snabbt transporteras in i den nedersta extratropiska stratosfären genom mestadels isentropisk transport.

STE i tropikerna styrs av ett komplext och dåligt förstått samspel mellan konvektion och den storskaliga Brewer-Dobson-cirkulationen. Partiklar som passerar tropopausen transporteras först uppåt i djupa konvektiva moln. Över en viss höjd styr Brewer-Dobson-cirkulationen den efterföljande upphöjningen av paketet. Övergångshöjden mellan konvektion och den storskaliga cirkulationen är inte fast bestämd. Åtminstone den tropiska tropopausen är ofta inte klart avgränsad. I stället kan det vara mer korrekt att betrakta den tropiska tropopausen som en ganska djup övergångsregion mellan troposfären och stratosfären.

Det är fortfarande en öppen fråga om övergången mellan konvektion och den storskaliga cirkulationen typiskt sett sker ovanför eller under den definierade tropiska tropopausen. Konvektionstornader tränger ibland in i tropopausen, vilket till exempel observerats i den indonesiska regionen. Det är dock tveksamt om dessa mycket djupa konvektiva händelser inträffar tillräckligt ofta för att ge det nödvändiga massflödet uppåt. I så fall kan den uppåtgående rörelsen över den tropiska tropopausen vara storskalig, och i så fall kan man förvänta sig ofta hög molnighet nära tropopausen. Under 90 % av tiden under vintern på norra halvklotet observeras osynliga cirrusmoln över den varma bassängen i västra Stilla havet, men orsaken till denna molnighet är ännu inte fastställd. Om konvektionen å andra sidan ger mer än det nödvändiga massflödet ovanför tropopausen kan endast de högsta och kallaste konvektiva händelserna komma att påverka stratosfären. I detta fall befinner sig den ekvatoriella tropopausen utanför de konvektiva uppåtgående strömmarna i en sänkt region.

Den torra luften som kommer in i den ekvatoriella stratosfären (cirka 3 ppm volymprocent under vintern på norra halvklotet och 4,2 ppm volymprocent under sommaren på norra halvklotet) begränsar starkt de möjliga vägar genom vilka tropisk luft kan komma in i stratosfären. Eftersom detta är mycket torrare än troposfärisk luft i genomsnitt och typiskt sett torrare än det mättade blandningsförhållandet för vattenånga vid den tropiska tropopausen, måste alla teorier om tropisk STE ta hänsyn till uttorkningen av luftpaket som kommer in i stratosfären.

En möjlig mekanism för ett så lågt blandningsförhållande för vattenånga är att den luft som kommer in i stratosfären har bearbetats genom ett moln. När ett paket rör sig uppåt och svalnar kondenseras nämligen vatten som överstiger det mättade ångtrycket ut. En effektiv uttorkning kräver att paketet förblir tillräckligt kallt för att iskristaller ska kunna växa till tillräcklig storlek för snabb sedimentering. I annat fall kan iskristallerna åter avdunsta när paketet fortsätter att stiga upp i stratosfären. Luft med låga stratosfäriska blandningsförhållanden av vattenånga har ibland uppmätts i samband med djupa konvektiva moln. Andra processer än konvektion kan dock också spela en roll för uttorkning av luft. Gravitationsvågor som sprider sig nära tropopausen kan t.ex. ge tillräcklig upphöjning för att möjliggöra ytterligare kondensation och förlust av vattenånga. Molnbehandling kommer också att påverka STE av kemiska arter genom den åtföljande förlusten av lösliga arter.

Zonalt genomsnittliga temperaturer i den tropiska tropopausen stämmer inte överens med stratosfärens extrema torrhet. Detta tyder på hypotesen att det finns regioner där luft företrädesvis kommer in i stratosfären; luft passerar lokalt uppåt genom den tropiska tropopausen endast där det mättade ångtrycket är tillräckligt lågt (på grund av de mycket kalla temperaturerna) för att möjliggöra tillräcklig uttorkning av luftpartiklar enligt beskrivningen ovan. En sådan region förekommer i västra Stilla havet (främst i närheten av Indonesien) under vintern på norra halvklotet, vilket stämmer överens med idén om en lokal stratosfärisk ”fontän” genom vilken luften kommer in i stratosfären. Under sommaren på norra halvklotet visar dock temperaturfördelningen från de storskaliga meteorologiska analyserna att det inte finns någon region med temperaturer som ihållande är tillräckligt kalla för att förklara vattenångoregistret. Vid denna tid på året måste de kalla temperaturerna och uttorkningshändelserna endast inträffa sporadiskt i samband med rumsligt och tidsmässigt begränsade händelser som inte fångas upp i de storskaliga meteorologiska analyserna. En annan hypotes, som lanserades nyligen och fortfarande håller på att utvecklas, bygger på förekomsten av ett djupt övergångsskikt i tropopausen. Torkning av luft sker i konvektiva system, men transporten av den torkade luften till stratosfären sker i en långsam uppstigning på grund av den totala nettostrålningsuppvärmningen i denna del av atmosfären. Enligt detta synsätt sker uttorkningen och transporten till stratosfären vid olika tidpunkter och på olika platser. Denna syn på tropisk STE är mer dynamisk än den stratosfäriska ”fontänen” och inbegriper vertikala och horisontella processer på mycket olika skalor. Ingen av de hypoteser som beskrivs ovan har ännu kunnat förklara den observerade fördelningen av vattenånga i den tropiska stratosfären på ett fullständigt och konsekvent sätt.

Längdsvariationerna i tropopausens höjd och temperatur, och därmed de föredragna platserna för ekvatorial STE, kan tillskrivas en rad dåligt förstådda lokala processer. De kallaste tropopaushöjderna är förknippade med den varma poolen i västra Stilla havet och monsunen på norra halvklotet. Detta stämmer överens med att konvektion spelar en aktiv roll för att forma tropopausens morfologi. Förhållandet mellan konvektion och tropopausens höjd är dock inte okomplicerat. Det finns särskilt indikationer på att de lägsta temperaturerna vid tropopausen i januari är centrerade kring ekvatorn, medan konvektionen är maximerad något söderut. De strålande effekterna av konvektiva moln och de vågrörelser som framtvingas av deras diabatiska uppvärmning gör att det inte finns något rakt samband mellan konvektion, tropopausens höjd och temperatur och platsen för STE.