Серьёзные нарушения циркуляции стратосферы имеют далеко идущие последствия, включая повышение вероятности снежных бурь, рост озоновой дыры и вмешательство в глобальные телекоммуникации.

Стратосфера - слой атмосферы на высоте примерно от 10 до 50 километров над поверхностью Земли, над полярными регионами, обычно очень холодный зимой, с сильными западными ветрами, образующими полярный вихрь. Однако в некоторых случаях обычно «спокойный» вихрь внезапно нагревается в течение одной-двух недель, и ветер резко замедляется, что приводит к смене направления на восточное, больше характерное для лета. Эти явления известны как «внезапные стратосферные потепления» (ВСП). В недавней статье, опубликованной в Reviews of Geophysics, исследуется текущее понимание ВСП. Авторы объясняют влияние ВСП на погоду, верхние слои атмосферы и космическую погоду, а также то, как эти события могут измениться с изменением климата.

Где, почему и как часто происходят внезапные явления стратосферного потепления?
ВСП возникают, когда в стратосфере появляются вертикально распространяющиеся атмосферные волны - подобно волнам, разбивающимся о пляж, - что приводит к быстрому замедлению западных ветров.

Атмосферные волны могут возникать в тропосфере (в основном из-за горных хребтов и на границах суши-моря, но также из-за погодных условий) или генерироваться внутри стратосферы.

Эти волны планетарного масштаба могут распространяться только при западных ветрах, поэтому их влияние на стратосферу ограничено зимним полушарием, когда присутствует полярный вихрь.

Изменение температуры с высотой в соответствии со Стандартной атмосферой США

Почти все ВСП происходят в Северном полушарии, потому что здесь амплитуды волн планетарного масштаба больше - в основном из-за того, что горные хребты больше и есть больший контраст между океанами и сушей. ВСП возможны в Южном полушарии - ВСП произошло в Южном полушарии в 2002 г., а значительное ослабление полярного вихря отмечено в 2019 г. В среднем ВСП случаются примерно шесть раз за десятилетие.

Какое влияние оказывают ВСП на погоду?

Основные наблюдаемые воздействия после ВСП в Северном полушарии обнаруживаются в евроатлантическом регионе, где ВСП имеют тенденцию приводить к более холодной и сухой погоде в северной Европе, а в юго-западной Европе наблюдается более высокое количество осадков из-за смещения путей циклонов из Северной Атлантики к югу. Снег также более вероятен на юге Англии после ВСП. Эти изменения связаны с отрицательной фазой так называемого Североатлантического колебания и могут длиться несколько недель или даже месяцев после ВСП. Воздействия в других регионах менее хорошо задокументированы, но предполагается, что изменения погоды в Северной Америке связаны со стратосферой, особенно с внезапным вторжением холодного воздуха.

Хотя ВСП в Южном полушарии редки, более слабый, чем обычно, полярный вихрь здесь связан с экваториальным смещением струйного течения Южного полушария, более тёплыми и сухими условиями над юго-восточной Австралией и более холодными и влажными над Новой Зеландией и югом Чили.

Как ВСП влияют на стратосферу и стратосферную химию / озон?

Наблюдаемые температуры и западный ветер на 60 ° с.ш. с июля 2018 года по июнь 2019 года.

ВСП нарушают атмосферную циркуляцию и связаны с изменениями концентраций озона и других газовых примесей в стратосфере.

После начала ВСП содержание озона увеличивается примерно выше 24 км и уменьшается ниже этого уровня. Затем область повышенного содержания озона медленно опускается.

Усиленный перенос к полюсу и вниз во время ВСП усугубляет перенос других частиц, таких как монооксид углерода (CO) и оксиды азота (NOx), а также разрушение полярного вихря, интенсифицирующее перемешивание между средними и высокими широтами.

Это приведёт к сокращению разрушения озонового слоя галогенами в арктической полярной стратосфере весной, тогда как в очень холодные зимы потеря озона в Арктике будет более вероятной (например, зимой 2010/2011 гг., когда потеря озона в Арктике была беспрецедентной).

Какое влияние оказывают ВСП над стратосферой и на космическую погоду?

В мезосфере высоких широт температура понижается на 10 К, и ветры меняют направление с восточного на западное (противоположно изменениям в стратосфере). ВСП оказывают заметное влияние на околоземную космическую среду. Сильные изменения происходят в электронной плотности ионосферы на низких широтах, уровень изменений такой же, как и во время геомагнитных бурь умеренной силы.

ВСП могут в дальнейшем влиять на формирование мелкомасштабных турбулентных структур в ионосфере. Эти конструкции негативно влияют на спутниковую навигацию (например, GPS) и сигналы связи. Сопротивление, испытываемое спутниками на низкой околоземной орбите, уменьшается во время ВСП. Поэтому полное понимание воздействия ВСП на верхние слои атмосферы имеет решающее значение из-за их воздействия на технологическую инфраструктуру, на которую все больше полагается общество.

Каковы некоторые из недавних достижений в нашем понимании ВСП?

Правильное предсказание того, когда произойдут ВСП, может открыть окно возможностей для прогнозирования приземной погоды, включая такие экстремальные явления, как вторжение холодного воздуха и экстремальные осадки. Однако остаётся много открытых вопросов относительно точности понимания стратосферных процессов; например, если ВСП плохо спрогнозированы, это может привести к серьёзным ошибкам в прогнозах для Европы. Кроме того, остаётся многое неизвестным в отношении изменений в предсказаниях и прогнозах, связанных со стратосферой в других регионах земного шара, особенно в Южном полушарии.

Обширные исследования последних лет показали, что влияние ВСП распространяется на всю атмосферу. Это включает распространения вниз для влияния на приземную погоду, а также вверх в мезосферу, термосферу и ионосферу (~ 60–300 км).

Как могут измениться события ВСП, если климат продолжает меняться?

Это остаётся неясным, несмотря на многочисленные попытки его изучения в последние десятилетия. Анализ последних сравнений климатических моделей не даёт ответа. Большинство отдельных моделей CMIP6 прогнозируют значительные изменения, но при этом нет единого мнения о знаке изменения. Ошибки модели в реакции атмосферы на изменение климата могут частично объяснить эту неопределённость.

Вверху: аномалии средней температуры в диапазоне 65–90 ° с.ш. в результате 36 ВСП в период 1958–2015 гг. Внизу: то же, за исключением аномалий давления. Серая линия показывает тропопаузу.

Увеличение выбросов парниковых газов имеет противоположные эффекты в полярной стратосфере (радиационное охлаждение по сравнению с повышенным адиабатическим потеплением из-за роста волновой активности), и поэтому различный относительный вклад этих эффектов в моделях может привести к другому знаку изменения ВСП.

Модели также различаются по чувствительности Арктики к увеличению выбросов парниковых газов, а также по реакции тропосферы на ВСП. Лучшее знание динамики стратосферы-тропосферы и последующее улучшение моделей прояснили бы будущие изменения в ВСП.

Какие из нерешённых вопросов требуют дополнительных исследований, данных или моделирования?

Относительно простые динамические модели не в состоянии охватить все механизмы, участвующие в возникновении ВСП, что препятствует их использованию при изучении таких аспектов, как предсказуемость ВСП. Использование современных численных моделей также проблематично для изучения предсказуемости ВСП из-за их неточностей описания процессов в стратосфере, особенно в самой нижней полярной стратосфере. Чтобы решить эти проблемы, проект SNAP (Stratospheric Network for the Assessment of Prediction) стремится охарактеризовать и сравнить стратосферные отклонения в моделях субсезонного прогнозирования.

Реакция тропосферы на ВСП также является причиной большой неопределённости, поскольку тропосфера не всегда явно находится под влиянием отдельных ВСП.

Наконец, остается неизвестным, в какой степени ВСП влияют на околоземную космическую среду. Кажется, что ВСП влияют на генерацию мелкомасштабных ионосферных возмущений, но доказательства далеко не окончательные. Понимание этих эффектов имеет особое значение из-за их влияния на коммуникационные и навигационные сигналы.

Ссылка: https://eos.org/editors-vox/global-effects-of-disruptions-to-the-stratospheric-circulation