Вертыкальная структура атмасферы і яе ўплыў на надвор'е
Атмасфера Зямлі не з'яўляецца аднастайным пластом паветра. Яна складаецца з вертыкальных слаёў, кожны з якіх мае свае характарыстыкі тэмпературы, ціску і складу. Гэтыя адрозненні вызначаюць, як утвараюцца аблокі, як рухаюцца вятры і чаму надвор'е можа хутка змяняцца ў адным рэгіёне, застаючыся стабільным у іншым. Разуменне вертыкальнай структуры атмасферы дапамагае нам больш навукова растлумачыць паўсядзённыя пагодныя працэсы — ад дажджу і навальніц да туману і спёкі.
Атмасфера як шматслаёвая сістэма
У цэлым, вертыкальная структура атмасферы падзяляецца ў залежнасці ад змены тэмпературы з вышынёй (хуткасць паніжэння або павышэння тэмпературы). Гэты падзел утварае чатыры асноўныя пласты: трапасферу, стратасферу, мезасферу і тэрмасферу. Паміж гэтымі пластамі знаходзяцца пераходныя межы, якія называюцца трапапаузай, стратапаузай і мезапаўзай. Нягледзячы на тое, што надвор'е ў асноўным адбываецца ў ніжніх пластах, пласты над імі таксама ўплываюць на стабільнасць атмасферы і маштабныя цыркуляцыі паветра.
Акрамя тэмпературы, сістэматычна змяняецца і ціск паветра. З павелічэннем вышыні ціск і шчыльнасць паветра памяншаюцца. Гэта важна, таму што больш разрэджанае паветра на вялікіх вышынях мае меншую здольнасць утрымліваць вадзяную пару і цяпло, што ўплывае на ўтварэнне аблокаў і сілу ўзыходзячых патокаў паветра (канвекцыі).
Трапасфера: «цэнтральная сцэна» надвор'я
Трапасфера — гэта самы ніжні пласт, які распасціраецца ад паверхні Зямлі на глыбіню каля 8–18 км у залежнасці ад шыраты (больш тоўсты ў тропіках і танчэйшы на полюсах). Тут знаходзіцца большая частка паветранай масы атмасферы і амаль уся яе вадзяная пара. Таму пагодныя з'явы — хмары, дождж, паверхневыя вятры, штормы — у асноўным адбываюцца ў трапасферы.
Ключавой характарыстыкай трапасферы з'яўляецца паніжэнне тэмпературы з вышынёй. Гэта зніжэнне адбываецца таму, што асноўная крыніца цяпла атмасферы паступае ад паверхні Зямлі, якая паглынае сонечнае выпраменьванне, а затым награвае паветра над ёй. Сярэдняя хуткасць паніжэння тэмпературы ў трапасферы складае каля 6,5°C на кіламетр, хоць гэта можа змяняцца ў залежнасці ад умоў вільготнасці і дынамікі паветра.
Як трапасфера ўплывае на надвор'е?
1. Канвекцыя і ўтварэнне аблокаў
Калі паветра паблізу паверхні награваецца, яно становіцца лягчэйшым і падымаецца ўверх. Па меры ўздыму паветра пашыраецца і астуджаецца. Калі яно астывае да кропкі расы, вадзяная пара кандэнсуецца ў кроплі воблакаў. Гэты працэс з'яўляецца асновай для ўтварэння кучавых аблокаў, навальніц і канвектыўных дажджоў, якія распаўсюджаныя ў трапічных рэгіёнах.
2. Атмасферная стабільнасць
На надвор'е моцна ўплывае тое, ці з'яўляецца атмасфера «стабільнай» ці «няўстойлівай». Калі паветра ўверсе цяплейшае за паветра ўнізе (або тэмпература крыху зніжаецца з вышынёй), паветра цяжка падымаецца ўверх, што прыводзіць да яснага надвор'я і абмежаванага ўтварэння аблокаў. І наадварот, калі паветра ўверсе значна халаднейшае, паветра ўнізе лёгка падымаецца, што правакуе ўтварэнне густых аблокаў і навальніц.
3. Сярэднешыротныя франты і штормы
У субтрапічных і сярэдніх шыротах сустрэча цёплых і халодных паветраных мас утварае франты. Франты выклікаюць вымушаныя ўзыходзячыя патокі паветра, што стварае шырокія стратыформныя аблокі і працяглыя ападкі. З-за гэтай франтальнай дынамікі развіваецца шмат пазападобных штормавых сістэм.
Трапапаўза: «вечка» для росту аблокаў
У верхняй частцы трапасферы знаходзіцца трапапауза — пераходны пласт, які азначае канец падзення тэмпературы. Трапапаўза адносна стабільная і дзейнічае як бар'ер, які абмяжоўвае вертыкальны рост аблокаў. Моцныя навальнічныя хмары (кучавыя дажджавыя) могуць ціснуць на трапапаузу і распаўсюджвацца гарызантальна, утвараючы кавадла. Вышыня трапапаузы, якая вышэйшая ў тропіках, таксама ўплывае на верагоднасць штармаў з утварэннем вельмі высокіх вяршынь аблокаў.
Стратасфера: стабільны пласт, які ўплывае на рэжымы ветру
Вышэй за трапапаузу, прыкладна на вышыні 10–50 км, знаходзіцца стратасфера. У адрозненне ад трапасферы, у стратасферы тэмпература павышаецца з вышынёй. Гэта павышэнне тэмпературы ў першую чаргу звязана з паглынаннем ультрафіялетавага выпраменьвання азонам, таму стратасферу часта называюць «домам» азонавага слоя.
Стратасфера больш стабільная, таму што цёплае паветра знаходзіцца над больш халодным паветрам (гэта ўмова падаўляе канвекцыю). Такім чынам, аблокі і турбулентнасць сустракаюцца значна радзей, і рух паветра, як правіла, больш плаўны.
Уплыў стратасферы на надвор'е
Нягледзячы на тое, што надвор'е не фарміруецца ў стратасферы, гэты пласт уплывае на надвор'е праз:
1. Струменевыя плыні і буйнамаштабная цыркуляцыя
Паблізу мяжы трапасферы і стратасферы існуюць моцныя ветравыя патокі, такія як струменевыя плыні, якія адыгрываюць пэўную ролю ў накіраванні шляхоў штормаў, уплыве на рэжымы выпадзення ападкаў і вызначаюць хуткасць руху сістэм нізкага/высокага ціску.
2. Стратасферныя абурэнні (напрыклад, раптоўнае пацяпленне стратасферы)
Значныя змены ў стратасферы могуць «пранікаць» у трапасферу, змяняючы рэжымы ветру і ўплываючы на зімовае надвор'е ў некаторых высакашыротных рэгіёнах. Гэта сведчыць аб тым, што верхнія пласты атмасферы могуць змяняць рэжымы надвор'я ўнізе праз узаемазвязаную атмасферную дынаміку.
Мезасфера: вобласць экстрэмальнага астуджэння
Мезасфера распасціраецца з вышыні прыблізна 50–85 км. У гэтым пласце тэмпература зноў зніжаецца з вышынёй і можа стаць вельмі нізкай. Мезасфера важная для згарання невялікіх метэораў, але яе непасрэдны ўплыў на надвор'е на паверхні адносна невялікі. Тым не менш, яна застаецца жыццёва важнай часткай атмасфернай сістэмы, уплываючы на распаўсюджванне атмасферных хваль і дынаміку энергіі ў глабальным маштабе.
Тэрмасфера: цяпло з-за высокаэнергетычнага выпраменьвання
Вышэй за мезасферу ляжыць тэрмасфера (прыкладна на 85 км), дзе тэмпература рэзка павышаецца з-за паглынання высокаэнергетычнага выпраменьвання сонца. Нягледзячы на «высокія» тэмпературы, шчыльнасць паветра настолькі нізкая, што цяпло адчуваецца не так моцна, як на паверхні Зямлі. Тэрмасфера больш звязана з такімі з'явамі, як палярныя ззянні і радыёсувязь, чым з штодзённым надвор'ем, але сонечная актыўнасць можа выклікаць змены ў іанасферы, якія ўплываюць на сістэмы сувязі і навігацыі.
Вертыкальныя сувязі: чаму важныя тэмпературныя профілі?
Надвор'е, па сутнасці, з'яўляецца вынікам узаемадзеяння паміж сонечнай энергіяй, вадзяной парай і рухам паветра. Вертыкальны тэмпературны профіль вызначае, ці мае паветра тэндэнцыю падымацца ці апускацца. Калі паветра лёгка падымаецца, хмары згушчаюцца, інтэнсіўнасць ападкаў павялічваецца, і рызыка навальніц павялічваецца. Калі паветра з цяжкасцю падымаецца, утвараецца інверсія, або высокая стабільнасць, што можа прывесці да ўтрымання туману, забруджвання і спякоты ў днях.
Яскравым прыкладам з'яўляецца тэмпературная інверсія ў ніжняй трапасферы, дзе тэмпература насамрэч павышаецца з вышынёй паблізу паверхні. Інверсіі часта адбываюцца ў ясныя ночы або ў далінах, перашкаджаючы перамешванню паветра. У выніку туман і забруджванне могуць захоўвацца даўжэй. Інверсіі таксама могуць зрабіць надвор'е ясным, але якасць паветра пагаршаецца.
Выснова
Вертыкальная структура атмасферы ўтварае «каркас», у якім адбываецца надвор'е. Трапасфера з'яўляецца асноўнай арэнай для ўтварэння аблокаў, дажджу і навальніц, таму што яна багатая вадзяной парай і адчувае зніжэнне тэмпературы з вышынёй. Трапапаўза выступае ў якасці стабільнай мяжы, якая абмяжоўвае рост аблокаў, у той час як стабільная стратасфера таксама ўплывае на шляхі навальніц праз струменевае цячэнне і буйнамаштабную дынаміку. Пласты вышэй — мезасфера і тэрмасфера — маюць меншы непасрэдны ўплыў на паверхневае надвор'е, але ўсё яшчэ з'яўляюцца часткай глабальнай атмасфернай сістэмы, якая рэгулюе размеркаванне энергіі і хваль.
Разумеючы пласты атмасферы і іх характарыстыкі, мы можам лягчэй зразумець, чаму надвор'е можа быць такім дынамічным, чаму пры пэўных умовах узнікаюць штормы і як змены ў верхніх пластах атмасферы могуць уплываць на паверхню Зямлі. Гэтыя веды важныя не толькі для метэаралогіі, але і для планавання дзейнасці чалавека — сельскай гаспадаркі, авіяцыі, ліквідацыі наступстваў стыхійных бедстваў і адаптацыі да змены клімату.
