گرمايش ناگهاني استراتوسفر (SSW) رويدادي ست كه در آن ورتكس قطبي بادهاي غربي در نيمكره زمستان كند شده يا حتي راستا آن در طول چند روز  معكوس مي شود. اين تغيير با افزايش دما استراتوسفر به ميزان چند ده درجه كلوين همراست.


تاريخچه

اولين اندازه گيري مداوم توسط Richard Scherhag در سال 1951 صورت گرفت. او جهت بدست اوردن دماي دقيق در استراتوسفر فوقاني، راديو سوندهايي بكار برد (تقريبا 40 كيلومتر). تداوم كار او منجر به نخستين مشاهده او از گرمايش استراتوسفري در 27 ژانويه 1952 شد. پس از اين كشف، Scherhag تيم ويژه اي از هواشناسان را جهت مطالعه استراتوسفر در دانشگاه آزاد برلين گرد هم آورد. اين گروه پيوسته جهت تهيه نقشه دماي استراتوسفر نيمكره شمالي و ارتفاع ژئوپتانسيل، براي سال هاي بسيار از راديو سوندها و راكت سوندها  استفاده كردند. در سال 1979 هنگامي كه عصر ماهواره آغاز گرديد، اندازه گيري هاي هواشناسي به مراتب افزايش يافت. گرچه ماهواره ها اصولا جهت تروپوسفر استفاده مي شدند، آنها همچنين داده هاي استراتوسفر را نيز ثبت مي كردند. امروزه ماهواره ها و راديو سوند هاي استراتوسفري جهت اندازه گيري هاي استراتوسفر مورد استفاده قرار مي گيرند.


تشريح و طبقه بندي

معمولا هواشناسان حوزه استراتوسفر، شكست ورتكس قطبي را به 3 دسته تقسيم مي كنند: بزرگ (قوي)، كوچك (ضعيف) و نهايي.

گاهي اوقات نوع چهارمي بنام گرمايش كانادايي (Canadian warming) به دليل منحصر بفرد بودن، ساختار مجزا و سير تكاملي آن نيز اضافه مي شود.


بزرگ (قوي) Major

اين نوع گرمايش زماني اتفاق مي افتد كه بادهاي غربي در 60 درجه شمالي و 10 هكتوپاسكال (ارتفاع ژئوپتانسيل) معكوس مي شوند، يعني شرقي مي شوند. يك شكست كامل ورتكس قطبي مشاهده شده و ورتكس يا به 2 ورتكس تقسيم مي شود و يا از موقعيت نرمال خود بر فراز قطب جابجا مي گردد. 

بر طبق كميسيون علوم جوي سازمان هواشناسي جهاني (Mclnturff, 1978): يك گرمايش استراتوسفري مي تواند قوي باشد اگر ميانگين مداري دماي 10 ميلي بار يا پائين تر از عرض 60 درجه بسوي قطب افزايش يابد و يك چرخه معكوس وابسته مشاهده شود (يعني، ميانگين چيره بادهاي غربي قطبسو از عرض 60 درجه جانشين ميانگين جريانات شرقي در همان منطقه شوند).

كوچك (ضعيف) Minor

گرمايش هاي كوچك مشابه گرمايش هاي بزگ هستند هر چند آنها كمتر چشمگير هستند، بادهاي غربي كند شده اما معكوس نمي شوند. به همين جهت هرگز شكست ورتكس قطبي مشاهده نمي شود.

Mclnturff states: يك گرمايش استراتوسفري كوچك ناميده مي شود اگر يك افزايش معني دار دما در هر سطح استراتوسفري در هر ناحيه از نيمكره زمستاني مشاهده شود (يعني، دست كم 25 درجه در يك دوره هفته يا كمتر ). ورتكس قطبي شكسته نشده و معكوس شدن باد از غربي به شرقي شدت كمتري دارد.

نهايي Final

چرخه تابشي در استراتوسفر به اين معني كه طي زمستان ميانگين جريانات غربي بوده و طي تابستان شرقي (غربسو) ست. يك گرمايش نهايي در اين گذار اتفاق مي افتد، بطوريكه بادهاي ورتكس قطبي بسبب گرمايش، تغيير راستا داده، اما تا اثناي زمستان تغيير برگشت صورت نمي گيرد. اين شرايط، به  اين دليل ست كه استراتوسفر وارد فاز شرقي تابستانه شده است. اين گرمايش نهايي ست چرا كه انواع ديگر گرمايش نمي تواند در مدت تابستان اتفاق بيوفتند، بنابر اين آن گرمايش نهايي زمستان جاري ست.

كانادايي Canadian

گرمايش هاي كاندايي در اوايل زمستان در استراتوسفر نيمكره شمالي روي مي دهند، معمولا از ميانه نوامبر به سمت اوايل دسامبر. آنها هيچ همتايي در نيمكره جنوبي ندارند. 


پويايي

در يك زمستان معمول نيمكره شمالي، چندين رويداد گرمايش كوچك و نيز يك رويداد بزرگ تقريبا هر 2 سال اتفاق مي افتد. يك دليل براي گرمايش استراتوسفري بزرگ كه در نيمكره شمالي روي مي دهند، به دليل توليد امواج بلند راسبي در تروپوسفر توسط  عوامل كوشناختي (orography) و تضاد دمايي زمين و دريا ست. اين امواج بالاسو  بسمت استراتوسفر عزيمت كرده و در آنجا از بين مي روند، بادها آهسته شده و شمالگان گرم مي شود. اين دليلي ست كه گرمايش بزرگ تنها در نيمكره شمالي مشاهده شده، با يك استثنا. در سال 2002 يك گرمايش بزرگ در نيمكره جنوبي مشاهده شد. اين رويداد تا به امروز به طور كامل شناخته نشده است. 

ديناميك مبادلات تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر، به انضمام گسترش امواج گراني (gravity waves) و امواج سیاره ای (planetary waves).

ابتدا يك الگوي گردشي  نوع بلاكينگ در تروپوسفر برقرار مي شود. بادهاي غربي عرضهاي مياني در نتيجه وجود موانع مرتفع کوهستاني يا تضادهاي حرارتي بين خشکي و دريا از مسير اوليه خود در ترازهاي مياني و فوقاني تروپوسفر منحرف شده و بصورت جريانات موجي شکل که دامنه موج آنها بين ۵۰ تا ۱۲۰ درجه در امتداد طول جغرافيايي است در مي آيند. به اين امواج بسيار بلند و بسيار کند که در امتداد نصف النهاري و قائم گسترش مي يابند و هدايت سيستم هاي جوي سطحي را در اين عرضها بر عهده دارند، اصطلاحًا امواج راسبي گويند. امواج راسبي تنها در نيمکره زمستاني يعني زمانيکه بادهاي غربي در استراتوسفر غالب هستند امکان گسترش قائم به درون لايه استراتوسفر را پيدا مينمايند. شکست اين امواج در استراتوسفر موجب ايجاد بي نظمي شديدي در جريان جت قطبي و ورتکس قطبي استراتوسفري مي گردد که در نهايت با افزايش دماي استراتوسفر قطبي و کاهش فرآيند تخريب ازن همراه است. به همين جهت ميزان فعاليت امواج راسبي در زمستان هر نيمکره همچنين تغيير پذيري سال به سال آن در مطالعه اقليمي استراتوسفر از جمله اقليم شناسي ازن استراتوسفري از اهميت فوق العاده اي برخوردار است. 

استراتوسفر قطب شمال در طول زمستان نيمكره شمالي بسيار متغيير است. اين تغيير پذيري با تغيير فراواني گرمايش ناگهاني استراتوسفر (SSW) همبستگي دارد. فراواني SSW از عوامل متعدد، خارج از استراتوسفر تاثير مي گيرد، مانند نوسان النينو _ نوسان جنوبي (ENSO)، نوسان شبه دوسالانه (QBO)، چرخه 11 ساله خورشيد و فوران هاي آتشفشاني. مشاهده جاري از استراتوسفر تنها براي حدود 50 سال در دسترس است، از اينرو تاثير اين عوامل بر روي فراواني SSW ها با  آمار تنها مشكل مي باشد. 

راستاي QBO در تركيب با ميزان شار خورشيدي (Solar Flux) تاثيراتي را بر روي چرخه بروور _ دابسون (BDC) نشان مي دهد. هنگامي كه QBO در يك فاز غربي طي بيشينه خورشيدي قرار دارد، رويداد هاي گرمايشي بيشتري در استراتوسفر وجود خواهد داشت (افزايش قدرت BDC) به همان اندازه طي يك فاز شرقي QBO خلال كمينه خورشيدي وجود دارد. 

دور پيوندهاي QBO _ چرخه خورشيد و رابطه فازهاي مختلف انها با SSW؛ بيشينه خورشيد _ QBO غربي تقويت BDC افزايش دماي ورتكس (تضعيف ورتكس قطبي)، كمينه خورشيد _ QBO غربي تضعيف  BDC كاهش دماي ورتكس  (تقويت ورتكس قطبي)، بيشينه خورشيد _ QBO شرقي كاهش دماي ورتكس  و كمينه خورشيد _ QBO شرقي افزايش دماي ورتكس.


جهت تعيين تعيين فاز QBO عدمدتاً از وضعيت متوسط باد مداري در تراز 40 هكتوپاسكال (برخي منابع 30hpa) براي نيمكره شمالي و تراز 25 هكتوپاسكال براي نيمكره جنوبي استفاده مي شود:

نيمرخ ارتفاع _ عرض جغرافيايي از 1000 تا 1 هكتوپاسكال (900N تا 00N) متوسط بادهاي مداري ناحيه اي (m/s)، در 29 دسامبر 2013 ساعت 12 UTC. اطلاعات: ECMWF via DWD.


SSW و شاخص نوسان قطبي (AO)

SSW مي تواند به عرض هاي جغرافيايي پايين تر بواسطه تاثيرات باد و فشاري آن برسد. به اين دليل مي تواند به آساني كامل در شاخص مفيد AO اندازي گيري شود. فشار بالا بر فراز قطب نسبت به عرض هاي پايين تر  منجر به شاخص AO منفي و فشار كمتر بر فراز قطب نسبت به عرض هاي پاين تر منجر به فاز مثبت AO مي شود. 

هنگام يك رويداد SSW بزرگ مانند آنچه ما در 2013 داشتيم، هواي گرم و نزولي بر فراز قطب بيشتر فشرده مي شود، حتي گرمايش بيشتر، ورتكس مختل شده و منجر به شاخص AO منفي مي شود. آنچه كه نياز به توضيح دارد اين ست كه شاخص AO يك نمايه تروپوسفريست و SSW در استراتوسفر آغاز شده و اثرات فشاري مي تواند مسيرشان را به سوي پايين تروپوسفر موثر واقع شود و طي يك دوره چندين هفته دوام داشته باشد.


اطلاعات:


Stratosphere Diagnostics

Stratospheric Analyses and Forecasts

Global Temperature Time Series

Stratosphere-Troposphere Monitoring


منابع:

وبسايت ويكي پديا / Sudden stratospheric warming ترجمه مهرداد شهبازي

- وبسايت Atmospheric dynamics / ARISE

- وبسايت Sudden Stratospheric Warming: Causes & Effects / neven1.typepad.com

- فصل نامه جغرافيايي سرزمين، علمي پژوهشي، سال سوم، شماره 10 ، تابستان 1385 / تحليل ديناميكي نقش گردش بزرگ مقياس پوش سپهري در كاهش اُزون پوش سپهري / عباس مفيدي

- مفيدي، عباس، ۱۳۸۵ ، رشد آموزش زمين شناسي، شماره ۴۴، صفحات ۱۵- ۸ / پيدايش حفره ازون بر فراز قطب جنوب