Tropopause

Tropische gebieden

De tropische tropopauze (gelegen bij ongeveer 380 K) bevindt zich in de opwaartse tak van de Brewer-Dobson circulatie (figuur 1) bij een druk van ongeveer 100 hPa en een temperatuur van ongeveer -70 tot -80°C. Bestanddelen die over het isentropische oppervlak van 400 K (ongeveer 90 hPa) worden getransporteerd nadat zij de tropische tropopauze zijn gepasseerd, zullen waarschijnlijk door de grootschalige Brewer-Dobsoncirculatie naar de midden- en hogere stratosfeer worden getransporteerd. Daar kunnen zij de samenstelling van de stratosfeer gedurende jaren beïnvloeden. Tussen de tropische tropopauze en 400 K wijzen theoretische berekeningen en metingen van zowel waterdamp als atoombomresten (van de explosies van de jaren 1950 en 1960) op een aanzienlijk poolwaarts transport van spoorbestanddelen. Dit suggereert dat een fractie van de bestanddelen die de tropische tropopauze passeren niet veel boven 400 K worden getransporteerd, maar snel naar de onderste extratropische stratosfeer worden getransporteerd, via meestal isentropisch transport.

STE in de tropen wordt beheerst door een complex en slecht begrepen samenspel tussen convectie en de grootschalige Brewer-Dobson circulatie. Pakketten die de tropopauze passeren worden aanvankelijk omhoog getransporteerd in diepe convectieve wolken. Boven een bepaalde hoogte zal de Brewer-Dobson circulatie echter de verdere opstijging van het pakket bepalen. De overgangshoogte tussen convectie en de grootschalige circulatie ligt niet vast. Althans de tropische tropopauze is vaak niet duidelijk afgebakend. In plaats daarvan is het wellicht nauwkeuriger om de tropische tropopauze te beschouwen als een tamelijk diep overgangsgebied tussen de troposfeer en de stratosfeer.

Het is nog een open vraag of de overgang tussen convectie en de grootschalige circulatie zich typisch boven of onder de gedefinieerde tropische tropopauze afspeelt. Convectieve torens dringen af en toe door de tropopauze heen, zoals bijvoorbeeld in de Indonesische regio is waargenomen. Er bestaat echter twijfel over de vraag of deze zeer diepe convectieve gebeurtenissen frequent genoeg zijn om de vereiste opwaartse massaflux te leveren. In dit geval zou de opwaartse beweging over de tropische tropopauze van grote schaal kunnen zijn, in welk geval frequente hoge bewolking nabij de tropopauze zou worden verwacht. Subzichtbare cirruswolken worden tijdens de winter op het noordelijk halfrond meer dan 90% van de tijd waargenomen boven de warme pool van de westelijke Stille Oceaan, maar de oorzaak van deze bewolking is nog niet opgehelderd. Aan de andere kant, als convectie meer dan de vereiste massaflux boven de tropopauze levert, kunnen alleen de hoogste en koudste convectieve gebeurtenissen uiteindelijk invloed hebben op de stratosfeer. In dat geval bevindt de equatoriale tropopauze zich buiten de convectieve opgaande stromingen in een dalende regio.

De droogte van de lucht die de equatoriale stratosfeer binnenkomt (ongeveer 3 ppm in volume tijdens de winter op het noordelijk halfrond en 4,2 ppm in volume tijdens de zomer op het noordelijk halfrond) beperkt in sterke mate de mogelijke routes waarlangs tropische lucht de stratosfeer kan binnenkomen. Aangezien dit gemiddeld veel droger is dan troposferische lucht en gewoonlijk droger dan de mengverhouding van verzadigde waterdamp bij de tropische tropopauze, moet elke theorie over tropische STE rekening houden met de uitdroging van luchtpakketten die de stratosfeer binnenkomen.

Een mogelijk mechanisme voor zo’n lage mengverhouding van waterdamp is dat lucht die de stratosfeer binnenkomt, door een wolk is geleid. Als een pakket naar boven reist en afkoelt, condenseert het water dat de verzadigde dampspanning overschrijdt. Efficiënte dehydratie vereist dat het pakket bij voldoende koude temperaturen blijft zodat de ijskristallen voldoende groot kunnen worden voor snelle sedimentatie. Anders kunnen de ijskristallen weer verdampen wanneer het pakket verder stijgt in de stratosfeer. Lucht met lage stratosferische mengverhoudingen van waterdamp is soms gemeten in verband met diepe convectieve wolken. Maar ook andere processen dan convectie kunnen een rol spelen bij het uitdrogen van lucht. Zwaartekrachtgolven in de buurt van de tropopauze kunnen bijvoorbeeld voor voldoende opwaartse druk zorgen om extra condensatie en verlies van waterdamp mogelijk te maken. De verwerking van wolken heeft ook invloed op de STE van chemische stoffen door het daarmee gepaard gaande verlies van oplosbare stoffen.

Zonaal gemiddelde tropische tropopauzetemperaturen komen niet overeen met de extreme droogte van de stratosfeer. Dit suggereert de hypothese dat er voorkeursregio’s zijn waarin lucht de stratosfeer binnenkomt; lucht passeert alleen plaatselijk omhoog door de tropische tropopauze waar de verzadigingsdampdruk laag genoeg is (door de zeer koude temperaturen) om voldoende uitdroging van luchtpakketten zoals hierboven beschreven mogelijk te maken. Een dergelijk gebied doet zich voor in het westelijk deel van de Stille Oceaan (vooral in de buurt van Indonesië) tijdens de winter op het noordelijk halfrond, in overeenstemming met het idee van een plaatselijke stratosferische “fontein” waardoor lucht de stratosfeer binnenkomt. Tijdens de zomer op het noordelijk halfrond blijkt echter uit de temperatuurverdeling van de grootschalige meteorologische analyses dat er geen regio is met temperaturen die aanhoudend koud genoeg zijn om de waterdampgegevens te verklaren. In deze tijd van het jaar moeten de koude temperaturen en de uitdroging slechts sporadisch voorkomen in samenhang met ruimtelijk en temporeel beperkte gebeurtenissen die niet in de grootschalige meteorologische analyses zijn opgenomen. Een andere hypothese, die onlangs werd geïntroduceerd en nog steeds in ontwikkeling is, is gebaseerd op het bestaan van een diepe overgangslaag in de tropopauze. De dehydratatie van lucht vindt plaats in convectieve systemen, maar het transport van de gedehydrateerde lucht naar de stratosfeer vindt plaats in een langzame opwaartse beweging als gevolg van de algemene netto radiatieve verwarming in dit deel van de atmosfeer. In deze visie vinden de uitdroging en het transport naar de stratosfeer op verschillende tijdstippen en plaatsen plaats. Deze opvatting van tropische STE is dynamischer dan de stratosferische “fontein” en impliceert verticale en horizontale processen op zeer verschillende schalen. Geen van de hierboven beschreven hypotheses heeft tot nu toe de waargenomen verdeling van waterdamp in de tropische stratosfeer volledig en consistent kunnen verklaren.

Longitudinale variaties in tropopauzehoogte en -temperatuur, en daarmee de voorkeurslocaties van equatoriale STE, kunnen worden toegeschreven aan een reeks van slecht begrepen lokale processen. De koudste tropopauzehoogten zijn geassocieerd met de warme pool in het westelijk deel van de Stille Oceaan en de moesson van het noordelijk halfrond. Dit komt overeen met convectie die een actieve rol speelt bij het vormgeven van de tropopauze. De relatie tussen convectie en de hoogte van de tropopauze is echter niet eenduidig. Met name zijn er aanwijzingen dat de minimumtemperaturen bij de tropopauze in januari rond de evenaar liggen, terwijl de convectie iets zuidelijker maximaal is. De stralingseffecten van convectieve wolken en de golfbewegingen die door hun diabatische verwarming worden afgedwongen, verhullen elk rechtlijnig verband tussen convectie, de hoogte en temperatuur van de tropopauze, en de plaats van STE.