Tropopauza i njena deformacija

Tropopauzu, a ujedno i stratosferu, otkrio je Teisserenc de Bort oko 1900. Stratosferski sloj je debljine oko 35 km i visinom se zagrijava sve do 0°C što odgovara visini od 50 km. Zagrijavanje je posljedica apsorpcije sunčeve ultraljubičaste radijacije na ozonu pa je stratosfera u radijacijskoj ravnoteži za razliku od troposfere koja se hladi 1-2°C na dan. Temperaturna raspodjela u troposferi se održava zagrijavanjem od tla zato se kaže da je troposfera u konvektivnoj ravnoteži.

Tropopauza se može definirati s nekoliko metoda. Jedna od definicija uzima u obzir vertikalni gradijent temperature (eng. temperature laps rate). WMO (1986) definira tropopauzu kao najnižu razinu na kojoj je vertikalni gradijent temperature < 2° km^-1 duž sloja od 2 km. Vrlo često se tropopauza definira dinamičkim veličinama poput potencijalne vrtložnosti (PV). PV je produkt apsolutne vrtložnosti i termodinamičke stabilnosti te je, kao takav, veći u stratosferi, nego u troposferi. Mjeri se u PV jedinicama (PVU), 1 PVU = 10^-6 m² K kg^-1 s^-1. Tipičan interval vrijednosti kojima se definira tropopauza je između 1 i 3.5 PVU [Bithell i sur., 2000; Spaete i sur., 1994], a češće se koristi vrijednost oko 2 PVU, ali taj odabir vrijednosti ovisi o samom autoru

Formula potencijalne vrtložnosti je

gdje je relativna vrtolžnost (s^-1), ƒ(s^-1) je Coriolisov parametar, q je potencijalna temperatura (K) i z je visina (m). Postoje jako velike varijacije visine tropopauze ovisno o geografskoj širini, sezoni, kao i o dnevnim visinskim meteorološkim uvjetima. Tropska tropopauza je vrlo precizno definirana; h ~18 km, p ~ 80-100 hPa, T ~ -80°C i q ~ 375-400 K. Tropopauza u umjerenim geografskim širinama, izmedu polarne i suptropske mlazne struje, ima puno veće varijacije; h ~ 12 km, p ~ 200 hPa, T ~ -60°C i q ~ 325-400 K. Viša je u ljeti nego u zimi. Sjeverno od polarne mlazne struje, polarna tropopauza ima tipične vrijednosti; h ~ 6-9 km, p ~ 300-400 hPa, T ~ -45°C, q ~ 300-310 K. Vrlo ju je teško identificirati. Visina tropopauze jako varira od dola do grebena, ona se spušta u hladnim dolinama i raste u toplim grebenima. Prema tome kako se doline i grebeni razvijaju visina trpopauze ce jako varirati iz dana u dan. U blizini fronti i mlaznih struja možemo imati višestruke tropopauze koje preklapaju jedna drugu. Također možemo naići na savijanje i pucanje tropopauze te na taj način može "iscuriti" stratosferski zrak. Navest ću slijedeće razloge zašto je tropopauza od dinamčke važnosti za razvoj meteoroloških pojava u troposferi:

• predstavlja bazu stratosfere koja ima vrlo veliku statičku stabilnost te na taj način prigušuje vertikalna gibanja na maloj i velikoj skali;
• označava obrat troposferskog meridijalnog temperaturnog gradijenta što prisiljava mlazne struje da budu u blizini tropopauze (prema jednadžbi termalnog vjetra);
• savijanje tropopauze može imati vrlo bitnu ulogu u ciklogenezi zbog principa očuvanja potencijalne vrtložnosti.

Reed i Sanders (1953) prikazali su postojanje stratosfersko-troposferske razmjene (STR) u korelaciji s ciklonama u umjerenim geografskim širinama. Daljnja proučavanja pokazala su bitna djelovanja vrtložnih procesa unutar ciklona koja su povezana s nabiranjem tropopauze (eng. tropopause fold) [Reed,1955; Danielsen,1968; Keyser i Shapiro,1968]. Za glavninu mase koja je transportirana kroz tropopauzu u umjerenim geografskim širinama pretpostavlja se da se događa unutar sustava ciklone [Andrews i sur.,1987].

Stratosferski zrak se može identificirati kao relativno topliji u odnosu na gornji troposferski zrak. Varijacije u polju temperature u gornjoj troposferi i donjoj stratosferi upućuju na razvoj ciklone u srednjem djelu troposfere [Hirschberg i Fritsch,1991]. Ta polja se uočavaju kao polja advekcije toplog zraka koji dolazi iz stratosfere. Ipak, advekcija toplog zraka ne mora uvijek biti siguran znak da se događa intruzija stratosferskog zraka. Relativno viša temperatura i stabilna situacija je glavni izvor relativno visoke potencijalne vrtložnosti (PV) u stratosferi. Pokazalo se da visoki PV koincidira s advekcijom toplog zraka u višim slojevima troposfere kada se događa stratosferska intruzija [Hirschberg i Fritsch,1991]. PV je konzervativna veličina i može se koristiti za pračenje česti stratosferskog zraka koja ulazi u troposferu. Tipična čest stratosferskog zraka je toplija i suša nego troposferski zrak na nešto nižoj visini te kao rezultat imamo vecu statičku stabilnost ( ) u stratosferi.

Kada se događa stratosferska intruzija topliji i suši zrak adijabatski prodire u troposferu, statička stabilnost se smanjuje i ujedno se razmjerno povečava apsolutna vrtložnost, , kako bi PV ostala očuvana. Dodajći pozitivne vrijednosti apsolutne vrtložnosti srednjim i višim dijelovima troposfere potiče se konvektivno dizanje zraka na sinoptičkoj skali. Iz prethodnoga vidimo kako dublja intruzija zraka s velikom PV može interreagirati s ciklonama u umjerenim širinama tako da potiče ciklogenezu. Uccellini i sur.(1985) zaključuju da je nabiranje tropopauze u vrlo visokoj sprezi s deformacijom staze mlaznih struja te su se i daljnja proučavanja stratosferske intruzije fokusirala na proučavanju mlaznih struja u umjerenim geografskim širinama.