التروبوبوز

التروبوبوز هو الحد الجوي الذي يفصل بين الطبقتين السفليتين من الغلاف الجوي للأرض - التروبوسفير والستراتوسفير - والذي يقع على ارتفاع حوالي 17 كيلومترًا (11 ميلًا) فوق المناطق الاستوائية ، وعلى ارتفاع حوالي 9 كيلومترات (5.6 ميلًا) فوق المناطق القطبية . ^{[ 1 ]}  

التروبوبوز، الذي يرتفع من سطح الأرض، هو مستوى الغلاف الجوي الذي يتوقف عنده الهواء عن التبريد مع ازدياد الارتفاع ويصبح جافًا وخاليًا من بخار الماء. يُمثل التروبوبوز الحد الفاصل بين التروبوسفير في الأسفل والستراتوسفير في الأعلى، وهو جزء من الغلاف الجوي الذي يشهد تغيرًا مفاجئًا في معدل التدرج الحراري البيئي ، من معدل موجب (انخفاض) في التروبوسفير إلى معدل سالب في الستراتوسفير. يُعرَّف التروبوبوز بأنه أدنى مستوى ينخفض ​​عنده معدل التدرج الحراري إلى 2 درجة مئوية/كم أو أقل، بشرط ألا يتجاوز متوسط ​​معدل التدرج الحراري بين هذا المستوى وجميع المستويات الأعلى الأخرى ضمن مسافة 2.0 كم 2 درجة مئوية/كم. ^{[ 2 ]} يُعد التروبوبوز سطحًا غير متصل من الدرجة الأولى ، حيث تتغير درجة الحرارة كدالة للارتفاع بشكل مستمر عبر الغلاف الجوي، بينما يكون تدرج درجة الحرارة غير متصل. ^{[ 3 ]}

التروبوسفير هي الطبقة السفلى من الغلاف الجوي للأرض؛ تبدأ من طبقة الحدود الكوكبية ، وهي الطبقة التي تحدث فيها معظم الظواهر الجوية . تحتوي التروبوسفير على طبقة الحدود، ويتراوح ارتفاعها من 9 كيلومترات (5.6 ميل؛ 30,000 قدم) عند القطبين، إلى 17 كيلومترًا (11 ميل؛ 56,000 قدم) عند خط الاستواء . ^{[ 4 ] [ 5 ]} في غياب الانعكاسات الحرارية ودون الأخذ في الاعتبار الرطوبة ، يبلغ معدل انخفاض درجة الحرارة لهذه الطبقة 6.5 درجة مئوية لكل كيلومتر، في المتوسط، وفقًا للغلاف الجوي القياسي الأمريكي . ^{[ 6 ]} يساعد قياس معدلات انخفاض درجة الحرارة في التروبوسفير والستراتوسفير على تحديد موقع التروبوبوز، حيث ترتفع درجة الحرارة مع الارتفاع في الستراتوسفير، وبالتالي يصبح معدل انخفاض درجة الحرارة سالبًا.       

بما أن التروبوبوز يتأثر بمتوسط ​​درجة حرارة الطبقة بأكملها التي تقع تحته، فإنه يصل إلى أقصى ارتفاع له فوق خط الاستواء، ويصل إلى أدنى ارتفاع له فوق القطبين. ولهذا السبب، تقع أبرد طبقة في الغلاف الجوي على ارتفاع حوالي 17  كيلومترًا فوق خط الاستواء. ونظرًا لاختلاف الارتفاع الابتدائي، يُشار إلى طرفي التروبوبوز بالتروبوبوز الاستوائي والتروبوبوز القطبي.

وُجد أن تغيرات الارتفاع الابتدائي تتوافق مع البنية الحرارية فوق وتحت منطقة التروبوبوز. وتبين أن بداية التروبوبوز ترتبط ارتباطًا إيجابيًا بشذوذات درجة حرارة التروبوسفير، وارتباطًا سلبيًا بشذوذات درجة حرارة الستراتوسفير. ^{[ 7 ]} مع ذلك، ومنذ عام 1980، يشهد التروبوبوز ارتفاعًا في درجة الحرارة بينما تبرد الستراتوسفير، وفقًا لبيانات الأرشيف العالمي المتكامل للراديوسوند V2 الصادرة عن الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA). ^{[ 7 ]} يؤثر هذا على الارتفاع الابتدائي للتروبوبوز، إذ ترتبط قيمته بمتوسط ​​درجات حرارة الطبقات فوق وتحت هذه المنطقة. وبسبب تغير متوسط ​​درجات الحرارة - لا سيما في التروبوسفير - يُتوقع أن يزداد الارتفاع الابتدائي للتروبوبوز نتيجة لتمدد الهواء الدافئ في الطبقة التي تحته. ^{[ 7 ]}

نظرًا لأن معدل التغير الحراري ليس قيمة ثابتة عند دراسة التروبوبوز في سياق تبادلات الستراتوسفير-التروبوسفير، يوجد تعريف بديل يُسمى التروبوبوز الديناميكي . ^{[ 8 ]} يُعرَّف هذا التعريف باستخدام الدوامة الكامنة ، وهي حاصل ضرب الكثافة المتساوية الإنتروبيا (أي الكثافة القابلة للقياس باستخدام درجة الحرارة الكامنة كإحداثي رأسي) والدوامية المطلقة ، علمًا بأن هذه الكمية تأخذ قيمًا مختلفة تمامًا بين التروبوسفير والستراتوسفير. ^{[ 9 ]} بدلًا من استخدام تدرج درجة الحرارة الرأسي كمتغير أساسي، يُعبَّر عن سطح التروبوبوز الديناميكي بوحدات الدوامة الكامنة (PVU، 1 PVU = 10⁻⁶ K m² ^kg⁻¹ s⁻¹ ^{[ 10 ]} ). وبما أن الدوامية المطلقة موجبة في نصف الكرة الشمالي وسالبة في ^نصف الكرة الجنوبي ^، فينبغي اعتبار القيمة الحدية موجبة شمال خط الاستواء وسالبة جنوبه ^{. [ 11 ]} نظريًا، لتعريف التروبوبوز العالمي بهذه الطريقة، يجب مطابقة السطحين الناتجين عن العتبات الموجبة والسالبة بالقرب من خط الاستواء باستخدام نوع آخر من الأسطح، مثل سطح درجة الحرارة الكامنة الثابتة . ومع ذلك، فإن التروبوبوز الديناميكي غير مجدٍ عند خطوط العرض الاستوائية لأن خطوط تساوي الإنتروبيا تكاد تكون عمودية. ^{[ 10 ]} بالنسبة للتروبوبوز خارج المداري في نصف الكرة الشمالي، حددت المنظمة العالمية للأرصاد الجوية قيمة 1.6 وحدة جهد كامنة (PVU)، ^{[ 10 ] : 152،} ولكن جرت العادة على استخدام قيم أكبر تتراوح بين 2 و3.5 وحدة جهد كامنة (PVU). ^{[ 12 ]}       

من الممكن أيضاً تعريف التروبوبوز من حيث التركيب الكيميائي. ^{[ 13 ]} على سبيل المثال، تحتوي طبقة الستراتوسفير السفلى على تركيزات أوزون أعلى بكثير من طبقة التروبوسفير العليا، ولكن تركيزات بخار الماء فيها أقل بكثير ، لذلك يمكن تحديد حد مناسب.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن تطبيق تعريف قائم على الاستقرار، حيث يُستخدم التدرج الرأسي لدرجة الحرارة الكامنة لتحديد موضع التغير الأكبر في التركيب الكيميائي. ويُعرف هذا باسم تدرج درجة الحرارة الكامنة في التروبوبوز، أو PTGT. ^{[ 14 ]} ولتحليل مقاييس الاستقرار هذه، تُستخدم العلاقة بين طبقة التروبوسفير منخفضة الاستقرار وطبقة التروبوسفير عالية الاستقرار لتحليل التدرجات في الطبقة الانتقالية. كما يُؤخذ في الاعتبار تغير تركيب الأوزون (O3) على هذا التدرج الرأسي. ^{[ 14 ]} تهدف هذه الاستراتيجية إلى تجاوز أوجه القصور المحتملة للأنظمة التقليدية التي تعتمد على رصد الاستقرار الثابت.

في عام ١٩٤٩، اقترح آلان ويست بروير أن هواء التروبوسفير يمر عبر التروبوبوز إلى الستراتوسفير قرب خط الاستواء، ثم ينتقل عبر الستراتوسفير إلى المناطق المعتدلة والقطبية، حيث يهبط إلى التروبوسفير. ^{[ ١٥ ]} تُعرف هذه الظاهرة الآن بدوران بروير-دوبسون . ولأن الغازات تدخل الستراتوسفير بشكل أساسي عبر التروبوبوز في المناطق الاستوائية حيث يكون التروبوبوز أبرد ما يكون، يتكثف بخار الماء من الهواء الداخل إلى الستراتوسفير. وقد أصبحت نظرية " مصيدة البرودة في طبقة التروبوبوز الاستوائية" مقبولة على نطاق واسع. ^{[ ١٦ ]} تحدّ هذه المصيدة من بخار الماء في الستراتوسفير إلى ما بين ٣ و٤ أجزاء في المليون. ^{[ ١٧ ]} وقد أشار باحثون في جامعة هارفارد إلى أن تأثيرات الاحتباس الحراري على أنماط دوران الهواء ستضعف مصيدة البرودة في طبقة التروبوبوز الاستوائية. ^{[ ١٨ ]}

يصعد بخار الماء الذي يتمكن من اختراق المصيدة الباردة في نهاية المطاف إلى أعلى طبقة الستراتوسفير، حيث يخضع لتفكك ضوئي إلى أكسجين وهيدروجين أو أيونات هيدروكسيد وهيدروجين . [ 19 ^{] [ 20 ] ثم يتمكن} هذا الهيدروجين من الهروب من الغلاف الجوي. وبالتالي، يمكن القول إن المصيدة الباردة في طبقة التروبوبوز الاستوائية هي ما يمنع الأرض من فقدان مياهها إلى الفضاء. وقد توقع جيمس كاستينغ أنه في غضون مليار إلى ملياري سنة ، ومع ازدياد سطوع الشمس ، سترتفع درجة حرارة الأرض إلى درجة كافية تجعل المصيدة الباردة غير فعالة، وبالتالي ستجف الأرض. ^{[ 21 ]}

لا يُعدّ التروبوبوز حدًا ثابتًا. فالعواصف الرعدية الشديدة ، على سبيل المثال، ولا سيما تلك ذات الأصل الاستوائي، تتجاوز طبقة الستراتوسفير السفلى وتخضع لتذبذب رأسي قصير (في حدود ساعة أو أقل) منخفض التردد . ^{[ 22 ]} ينتج عن هذا التذبذب موجة جاذبية جوية منخفضة التردد قادرة على التأثير على كل من التيارات الجوية والمحيطية في المنطقة. ^{[ 22 ]}

• التيار النفاث
• أعلى مستوى للقطعة
• طبقة الستراتوسفير
• غلاف الأرض الجوي
• الدوامة

• ارتفاع التروبوبوز