Тропопауза

Тропопауза — это переходный слой атмосферы Земли, расположенный между тропосферой и стратосферой. Является частью верхней границы тропосферы, где прекращается характерное для неё понижение температуры с высотой. Тропопауза не является чёткой поверхностью, а представляет собой зону толщиной от нескольких сотен метров до 2–3 километров, в которой температура воздуха либо остаётся постоянной (изотермия), либо начинает повышаться (инверсия). Высота тропопаузы варьируется в зависимости от географической широты, времени года и синоптической ситуации.

Характеристики и физические свойства

Основным критерием для определения тропопаузы служит изменение вертикального градиента температуры. В тропосфере температура в среднем понижается на 6,5 °C на каждый километр высоты. В тропопаузе этот градиент резко уменьшается до 0 °C/км (изотермия) или становится положительным (температура с высотой растёт). В стратосфере, расположенной выше, температура снова начинает расти, но уже по иному закону.

Высота расположения

Высота тропопаузы непостоянна и подвержена значительным колебаниям:

• В полярных широтах: 8–9 км. В зимний период может опускаться до 7 км, летом — подниматься до 10 км.
• В умеренных широтах: 10–12 км. Наиболее характерные значения — 11 км.
• В тропических и экваториальных широтах: 16–18 км. Максимальная высота (до 18 км) наблюдается над экватором, минимальная — вблизи полюсов.
• Над горными массивами: может быть ниже, чем над равнинами, из-за возмущений воздушных потоков.

Температура на тропопаузе

Температура в тропопаузе также зависит от широты:

• В полярных областях: от −45 °C до −55 °C.
• В умеренных широтах: от −55 °C до −65 °C.
• В тропиках: от −70 °C до −80 °C. Самая низкая температура (до −90 °C) фиксируется в тропопаузе над экватором, что связано с мощными восходящими потоками воздуха.

Структура и разрывы

Тропопауза не является сплошным слоем. В ней наблюдаются разрывы — зоны, где тропосферный и стратосферный воздух могут обмениваться. Наиболее известны разрывы в полярных и субтропических струйных течениях. Через эти разрывы происходит перенос водяного пара, аэрозолей и озона между тропосферой и стратосферой, что влияет на климат и химический состав атмосферы.

Типы тропопаузы

В метеорологии выделяют два основных типа тропопаузы, соответствующих различным воздушным массам:

• Полярная тропопауза: расположена низко (8–10 км), характеризуется относительно высокой температурой (до −45 °C). Формируется над холодными полярными воздушными массами.
• Тропическая (субтропическая) тропопауза: расположена высоко (15–18 км), температура значительно ниже (до −80 °C). Формируется над тёплыми тропическими воздушными массами.

Между ними в умеренных широтах часто наблюдается двойная тропопауза, когда одна граница (полярная) находится на высоте 9–10 км, а вторая (тропическая) — на высоте 12–14 км. Между ними располагается переходная зона, где могут чередоваться слои с разными градиентами температуры.

Роль в атмосферных процессах

Тропопауза играет ключевую роль в динамике атмосферы и климатической системе.

Барьер для вертикального обмена

Тропопауза является мощным термодинамическим барьером. Из-за инверсии температуры или изотермии восходящие потоки воздуха из тропосферы не могут свободно преодолеть этот слой. Воздух, поднимаясь, охлаждается, достигает тропопаузы и, если не имеет достаточной кинетической энергии, растекается в стороны, образуя облачные системы (например, перисто-слоистые облака, а также мощные кучево-дождевые облака с наковальнеобразными вершинами). Только самые мощные грозовые облака (суперъячейки) могут пробивать тропопаузу, выбрасывая в стратосферу ледяные кристаллы и водяной пар.

Влияние на стратосферно-тропосферный обмен

Через разрывы в тропопаузе происходит обмен воздухом. В стратосферу поступает водяной пар, углекислый газ и другие примеси из тропосферы. В обратном направлении — из стратосферы в тропосферу — поступает озон. Этот процесс важен для поддержания озонового слоя в нижней стратосфере и для очистки тропосферы от некоторых загрязнителей.

Связь с погодой и климатом

Высота тропопаузы тесно связана с погодными условиями:

• Низкая тропопауза (особенно в полярных широтах) часто сопутствует циклонам и холодным воздушным массам.
• Высокая тропопауза характерна для антициклонов и тёплых воздушных масс.
• Резкое понижение высоты тропопаузы может предшествовать ухудшению погоды, усилению ветра и выпадению осадков.

Изменения высоты тропопаузы также используются в климатологии как индикатор глобального потепления. Согласно данным наблюдений, средняя высота тропопаузы за последние десятилетия увеличивается, что связывают с расширением тропической зоны и потеплением нижних слоёв атмосферы.

Исследование и методы наблюдения

Изучение тропопаузы ведётся с помощью:

• Радиозондов: запускаются с метеостанций дважды в сутки. Измеряют температуру, давление и влажность на разных высотах, что позволяет точно определить положение тропопаузы.
• Спутниковых данных: радиометры на спутниках (например, AIRS, IASI) регистрируют излучение в инфракрасном диапазоне, что позволяет оценивать вертикальные профили температуры и давления, в том числе и высоту тропопаузы.
• Лидаров: наземные лазерные установки, способные измерять высоту облаков и аэрозольных слоёв, в том числе верхнюю границу тропосферы.
• Аэрологических самолётов: специальные самолёты-лаборатории (например, в США — Gulfstream V, в России — Ил-18 «Циклон») проводят прямые измерения вблизи тропопаузы.

Значение для авиации

Тропопауза имеет важное практическое значение для авиации. Большинство коммерческих авиалайнеров совершают полёты в верхней части тропосферы или в нижней стратосфере, то есть вблизи тропопаузы. Выбор эшелона полёта зависит от высоты тропопаузы:

• Полёт выше тропопаузы (в стратосфере) позволяет снизить сопротивление воздуха, так как воздух там разрежен, и повысить топливную эффективность. Однако при этом самолёт может попасть в зону сильных струйных течений, которые часто располагаются вблизи тропопаузы.
• Полёт ниже тропопаузы (в тропосфере) связан с большей турбулентностью, но позволяет избежать обледенения, характерного для стратосферы.

Пилоты и диспетчеры учитывают положение тропопаузы при планировании маршрутов, особенно на дальних перелётах, чтобы минимизировать расход топлива и обеспечить безопасность.

Интересные факты

• В тропопаузе часто образуются серебристые облака (мезосферные облака) — самые высокие облака в атмосфере Земли, наблюдаемые на высоте 75–85 км. Однако они не связаны с тропопаузой напрямую, а возникают в мезосфере.
• Над мощными грозовыми облаками (суперъячейками) тропопауза может быть деформирована, образуя так называемый «овершутинг» (overshooting top) — выброс облачной массы в стратосферу.
• Вблизи тропопаузы концентрация водяного пара минимальна (менее 5 ppm), что делает её одной из самых сухих областей атмосферы после стратосферы.
• В 2010 году извержение вулкана Эйяфьядлайёкюдль (Исландия) привело к выбросу пепла на высоту до 11 км, что частично пробило тропопаузу и вызвало массовые сбои в авиасообщении над Европой.

Источники

1. Матвеев Л. Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1965.
2. Хргиан А. Х. Физика атмосферы. — М.: Издательство Московского университета, 1986.
3. Всемирная метеорологическая организация (ВМО). Международное метеорологическое руководство. — Женева, 2011.
4. IPCC (Межправительственная группа экспертов по изменению климата). Доклады об изменении климата (раздел «Тропопауза и стратосферно-тропосферный обмен»). — 2013, 2021.
5. Атлас облаков ВМО. — Женева, 2017.