Influences of inertia-gravity waves on the permeability of the Antarctic polar vortex edge

Tijdens de wintermaanden juni tot en met september op het Zuidelijk Halfrond bestaat er een groot temperatuurverschil tussen de equatoriale en de poolatmosfeer. Als gevolg hiervan vormt zich ieder jaar in de lagere stratosfeer (13-30 km) op ongeveer 60° Zuid een straalstroom die ook wel de Antarctische circumpolaire straalstroom wordt genoemd. De Antarctische circumpolaire straalstroom wordt gekenmerkt door zeer hoge windsnelheden tot 300 km/uur. In de literatuur wordt hiervoor ook wel de benaming Antarctische polaire wervelrand gebruikt. Deze is gebaseerd op de ruimtelijke verdeling van de potentiële vorticiteit (PV).

PV zegt iets over hoeveelheid draaiing die een stabiel gelaagde kolom lucht heeft onafhankelijkheid of deze wordt samengedrukt of uitgerekt. PV is een grootheid die over een periode van weken behouden is in de stratosfeer en daarom een nuttig hulpmiddel is om de beweging van luchtdeeltjes in de tijd en ruimte te volgen.

De wervelrand wordt gekarakteriseerd door een nauwe circumpolaire zone waarin een scherpe verandering in PV optreedt. Het geheel bestaande uit de Antarctische polaire wervelrand en de lucht die aan de poolwaardse zijde opgesloten zit, wordt over het algemeen aangeduid als de Antarctische polaire wervel. De lucht die in de Antarctische polaire wervel gevangen zit, kan in de poolwinter sterk afkoelen tot temperaturen rond -88° Celsius. Bij deze temperaturen gaan verschillende chemische processen een rol spelen, die in het voorjaar (september-november) zorgen voor een snelle afbraak van ozon en de vorming van het bekende ozongat.

Sinds de ontdekking van het ozongat omtrent 1985 is de doorlaatbaarheid van de fysieke begrenzing van de wervel voor transport van ozon-arme lucht in de belangstelling komen te staan. Afhankelijk van de mate van doorlaatbaarheid zou die ozon-arme lucht uit de polaire wervel kunnen ontsnappen en de waargenomen neerwaartse trend in ozonwaarden op gematigde breedten kunnen verklaren. De doorlaatbaarheid van de wervelrand kan worden bïnvloed door in de atmosfeer aanwezige golven. Uit de interactie tussen de golven en de wervel kan transport en menging van lucht uit het ozongat naar gematigde breedten optreden en omgekeerd.

De afgelopen 20 jaar is het effect van planetaire golven met golflengten van duizenden kilometers, op de doorlaatbaarheid van de wervelrand veelvuldig en met verschillende methoden onderzocht. Studies hebben aangetoond dat planetaire golven die van gematigde breedten omhoog propageren uit de troposfeer, kunnen breken in de nabijheid van de wervelrand. Tijdens dit proces kan erosie van de buitenste wevelrand optreden, wat zich manifesteert in langgerekte slierten lucht ofwel filamenten, die de wervel omcirkelen. Uiteindelijk kunnen deze filamenten van de polaire wervel losscheuren en voor anomale ozonwaarden op gematigde breedten zorgen. Deze processen spelen met name een rol tijdens het opbreken van de polaire wervel in de maanden november en december op het Zuidelijk Halfrond. Het is gebleken dat eerder in het seizoen, van juli tot en met oktober, filamentatie van de wervelrand veel minder vaak optreedt en er praktisch geen uitwisseling van lucht door de wervelrand optreedt.

Een paar studies hebben gesuggereerd dat in deze periode wel filamentatie op kleinere schaal kan optreden als gevolg van zogenaamde inertiaal-zwaartegolven. Deze golven kunnen bestaan dankzij de gelaagdheid van de lucht en hebben golflengten die groot genoeg zijn om de rotatie van de aarde te voelen . Het potentiële belang van inertiaal-zwaartegolven op de doorlaatbaarheid van de polaire wervelrand in de maanden augustus tot en met oktober wordt onderstreept door het feit dat juist in deze periode de laagste ozonwaarden in het ozongat bereikt worden. Echter, het effect van inertiaal-zwaartegolven op de uitwisseling van lucht door de Antarctische polaire wervelrand was nog niet in detail onderzocht. Het is de doelstelling van het onderzoek beschreven in dit proefschrift om dit nader te onderzoeken. Het probleem is op twee manieren benaderd. In de eerste plaats is de doorlaatbaarheid van de wervelrand onderzocht met behulp van een trajectoriemodel. Zo'n model kan gebruikmakend van de wind- en temperatuurvelden van het Europees weercentrum in Reading (ECMWF), de verplaatsing van luchtdeeltjes in de tijd berekenen. De wind- en temperatuurvelden waren beschikbaar op een rooster van 1°x1° (ruwweg 100x100 km in lengte breedte). Zo n hoge resolutie was niet eerder gebruikt in studies met trajectoriën, die de doorlaatbaarheid van de Antarctische wervelrand tot onderwerp hadden. De experimenten die wij met zulke modellen hebben uitgevoerd en de verkregen resultaten zijn beschreven in de hoofdstukken 2 en 3 van dit proefschrift. De doelstelling van de methode beschreven in hoofdstuk 2, is om met behulp van wind- en temperatuurvelden van hoge resolutie tot een betere schatting van de lekkagesnelheden (als fractie van de initiële massa ingenomen door de trajectoriën in de wervel, en uitgedrukt in /week) te komen. De lekkage wordt zowel horizontaal door de wervelrand als aan de onderkant van de polaire wervel bepaald. De resultaten geven een nieuw kwantitatief beeld van de uitwisseling van lucht door de polaire wervelrand. Ze versterken de conclusies uit eerdere studies dat de wervelrand nagenoeg ondoorlaatbaar is voor grootschalige mengprocessen. Het blijkt dat vertikale bewegingen in de polaire wervel van groot belang zijn om tot juiste schattingen te komen van de mate van lekkage uit de polaire wervel. De variabiliteit van jaar tot jaar van de mate van uitwisseling door de wervelrand is verassend groot.

De nieuwe schattingen van de mate van lekkage ten gevolge van grootschalige golven worden beschreven in hoofdstuk 2. Deze waren mede nodig om tot nauwkeurige schattingen van het effect van inertiaal-zwaartegolven op de doorlaatbaarheid van de polaire wervelrand te komen. In hoofdstuk 3 wordt dit effect onderzocht. Het effect van een expliciet inertiaal-zwaartegolfveld wordt onderzocht in een maand waarin geen aantoonbare lekkage door grootschalige mengprocessen optreedt. De snelheidscomponenten van het inertiaal-zwaartegolfveld zijn analytisch bepaald en sterk gïdealiseerd en worden gesuperponeerd op het achtergrondwindveld uit het ECMWF model. Alle lekkage die vervolgens optreedt is dus het gevolg van het gesuperponeerde golfveld. Voor verschillende waarden van de horizontale en vertikale golflengte en amplitude van de golf zijn lekkages gevonden van 1.06 /maand of minder. De meeste lekkage treedt op in de onderste lagen van de polaire wervel. Inertiaal-zwaartegolven hebben slechts een geringe invloed op de uitwisseling van lucht uit de polaire wervel, waarbij de vereenvoudigde weergave van het golfveld niet uit het oog verloren mag worden.

Vervolgens wordt in hoofdstuk 4 een compilatie van een aantal eenvoudige analytische lineaire golfmodellen gepresenteerd. De modellen zijn eenvoudig in die zin dat de fasevlakken van de golf loodrecht staan op de stromingsrichting van de achtergrondstroming. Voor de achtergrondstroming is een aantal zeer gïdealiseerde profielen bekeken. Deze modellen waren feitelijk voorstudies voor het werk dat in hoofdstuk 5 is beschreven.

Als alternatief voor de methode met behulp van trajectoriën, is in hoofdstuk 5 de interactie tussen inertiaal-zwaartegolven en de polaire wervelrand in een analytisch-numeriek model onderzocht. Uit de gelineariseerde Navier-Stokes vergelijkingen voor een niet-visceuze hydrostatische atmosfeer is een homogene singuliere golfvergelijking afgeleid. Deze golfvergelijking is vervolgens numeriek opgelost. De oplossingen van de golfvergelijking beschrijven de propagatie van een inertiaal-zwaartegolf in een achtergrondstroming. Voor de achtergrondstroming werd een windprofiel met horizontale schering gekozen, dat representief is voor de polaire wervelrand. De singulariteit van de golfvergelijking beschrijft locaties in de achtergrondstroming, zogeheten kritieke lagen, waar de golf bijzonder gedrag vertoont in de vorm van energieoverdracht van de golf naar de achtergrondstroming of omgekeerd. De locatie van een kritieke laag in de achtergrondstroming speelt een grote rol in het voortplantingsgedrag van de golf. Ook de aanwezigheid en locatie van zogenaamde omkeerlagen ten opzichte van de kritieke lagen speelt hierin een belangrijke rol.

In hoofdstuk 6 worden tenslotte de conclusies van het onderzoek samengevat.