平流层

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黃色的部分是平流層(Stratosphere)。
地球大气层
散逸层(600 km ~ 2000 km至3000 km)
增溫層(80至85 km ~ 600 km)
中氣層(50 km ~ 80至85 km)
平流层(8至18 km ~ 50 km)
对流层(地面 ~ 8至18 km)

平流層(英語:Stratosphere)是地球大气圈中位于对流层上方和中间层下方的一层。其下界即对流层上界,依纬度季节而变,距地面8~18千米,平均11~12千米;其上界距地面50~55千米。平流层的温度变化趋势(逆温分布)与对流层相反,随着高度的增加,气温大体呈递增趋势,至平流层顶达-3℃左右,最高可达17℃。由于上热下冷,在平流层裡大气多大尺度平流运动,幾乎没有上下对流,气流平稳,且很少出现等天气现象,能见度(透明度)好[1],因此适合飞机飞行[2][3]

平流层的热源主要是臭氧,靠其吸收太阳紫外线辐射而增温。平流层聚集了大气层中约90%的臭氧,臭氧浓度高值处称臭氧层[註 1]。臭氧层吸收了到达地球的绝大部分紫外线,对人和其他生物有重要的保护作用。近几十年来,臭氧层受到了严重破坏,尤其是被称作“臭氧层空洞”的南极上空臭氧浓度极低值区。

尽管天气现象少见,但中、高纬度(尤其是北欧等地)早、晚时偶可观测到由细小冰晶组成的,有珍珠斑色彩,薄而透明的珠母云。平流层环流变化常为对流层环流变化的先兆,因而对长期天气预报有参考价值。

别名[编辑]

1902年,法國氣象學家德博法语Léon Teisserenc de Bort德國氣象學家阿斯曼德语Richard Aßmann (Meteorologe)經過協調,分別發表了各自多年觀察的結果。他們依據高空氣球儀表所記錄到的溫度,在高度約11~14公里處發現一個等溫層(isothermal layer),位於平流層下部的底端。平流層別稱同溫層,正源於此。

范围与气温结构[编辑]

平流层下接对流层,上承中间层,或平流层以上又可统称上层大气[3]。其下界即对流层上界(具体来说,与对流层之间还有一个称作“对流层顶”的过渡层),受地面影响,高度依纬度季节而变化,距地面8~18千米,平均11~12千米。平流层上界据不同说法在50[2][4]~55[1]千米[3]之间。

平流层的温度变化趋势为逆温分布。随着高度的增加,气温起初不变[4]或略升[5](对流层顶平均气温为高纬-53℃~低纬-83℃),至距地面约30千米时显著上升[1],尤其是35千米(臭氧层顶)以上迅速上升[3],至平流层顶达-3℃左右[5],最高可达17℃[1]

臭氧层[编辑]

平流层有如此气温结构的原因是其热源主要为臭氧。对流层主要靠吸收地面辐射的红外线而升温,而平流层主要靠臭氧直接吸收太阳紫外线辐射而增温。平流层聚集了大气层中约90%的臭氧,臭氧浓度高值区称臭氧层[6]。臭氧的浓度会随着纬度、季节、天气等变化而不同[7],“高浓度”阈值的定义也不同,依据臭氧浓度而划定的臭氧层范围也并非固定值,有22~25千米[6]、20~25千米[7]、20~30千米[5]、15~35千米[3]等多种说法,或直接将10~50千米大致整个平流层都称作臭氧层[5][8]。臭氧层上部尽管臭氧含量逐渐减少,但紫外线辐射尤为强烈,因此成为气温随高度上升最显著的区域[3]

臭氧层吸收了到达地球的绝大部分紫外线,对人和其他生物有重要的保护作用。近几十年来,臭氧层受到了严重破坏,尤其是被称作“臭氧层空洞”的南极上空臭氧浓度极低值区。1987年联合国签署了《蒙特利尔议定书》限制氟氯烷烃的生产和使用以保护臭氧层[6][3]

天气与气候[编辑]

由于上热下冷,在平流层裡大气多大尺度平流运动[5],幾乎没有上下对流,气流平稳[3][9],再加上对流层顶阻滞了垂直气流,聚集了对流层内上升的水汽杂质[10],导致平流层很少出现云和降水。雷电等绝大部分物理过程均发生在对流层,但平流层也偶有天气现象发生,如中、高纬度(尤其是北欧等地)早、晚时偶可观测到由细小冰晶组成的,有珍珠斑色彩,薄而透明的珠母云[4](又叫贝母云),多出现在距地面22~27千米高度上[1][5]。此外,对流层中积雨云发展非常旺盛时顶部也可能延伸到平流层底部[5]

尽管有对流层顶这一深厚的对流阻滞层存在,但同样由于这一层阻碍了平流层与对流层的物质交换,若由于火山喷发等原因大气污染物一旦进入了平流层,便难以消退,甚至可形成永久性平流层气溶胶霾层,强烈反射和散射太阳辐射导致对流层降温[5]

平流层的风向特点是:在中纬度地区,夏季为东风,冬季为西风。平流层环流变化常为对流层环流变化的先兆,因而对长期天气预报有参考价值[5]

气候和物理化学现象[编辑]

平流层

平流層是一個放射性、動力學及化學過程都會有強烈反應的區域。因為其水平的氣態成份混合比起垂直的混合都來得要快。一個較為有趣的平流層環流特性是發生於熱帶地區的準雙年震盪(QBO)。這種現象由重力波引導,是由於對流層的對流而引至的。準雙年震盪引致了次級環流的發生,這對於全球性的平流層輸送諸如臭氧水蒸氣等尤為重要。

在北半球的冬季,平流層突發性增溫經常發生。這是因為平流層吸收了羅斯貝波所致。

臭氧損耗[编辑]

臭氧層的損耗主因,是因為平流層中存在著含氯氟烴(簡稱CFCs - 如CF2Cl2及CFCl3)。含氯氟烴是氯、氟及碳的聚合物。正因為含氯氟烴的穩定性、價錢低廉、無毒性、非易燃性、非腐蝕性,時常被用作噴霧劑、冷卻劑及溶劑等等。但正因它的穩定性卻使其持續存在於環境之中,不易化解。這些分子會逐漸地飄到平流層,繼而進行一連串的鏈鎖反應,最終會使到臭氧層受到損耗。

美國政府早於1980年已經禁止使用含氯氟烴作為噴霧劑。世界各國亦開始於1987年9月努力減少使用含氯氟烴,直至1996年,全球禁止工廠生產及釋放含氯氟烴的法例終於生效。

人类应用[编辑]

航空[编辑]

目前大型客機大多飛行於此層,以增加飛行的穩定度。原因有:

  1. 能见度高:地球大气的平流层水汽、悬浮固体颗粒、杂质等极少,天气比较晴朗,光线比较好,能见度很高,便于高空飞行。
  2. 受力稳定:平流层的大气上暖下凉,大气不对流,以平流运动为主,飞机在其中受力比较稳定,便于飞行员操纵駕驶,並可節省燃油消耗。
  3. 噪声污染小:平流层距地面较高,飞机绝大部分时间在其中飞行,对地面的噪音污染相对较小。
  4. 安全系数高:飞鸟飞行的高度一般达不到平流层,飞机在平流层中飞行就比较安全。在起飞和着陆时,要设法驱赶开飞鸟才更为安全。

亞洲飛往北美加拿大的航機多會取道高速氣流,以縮短航程和節省燃油。

平流层高空飛行的B-36和平締造者轟炸機

在溫帶地區,商業客機一般會於離地表約10公里(33,000英尺)的高空,即平流層的底部處巡航。這是為了避開對流層因對流活動而產生的氣流。而在客機巡航階段所遇上的氣流,大多是因為在對流層發生了對流超越現象。同樣地,滑翔機一般會在上升暖氣流上滑翔,這股氣流從對流層上升到達平流層就會停止。這樣一來變相為世界各地的滑翔機設定了高度限制。(縱然有些滑翔機會用上背風波來飛得更高,把滑翔機帶到平流層之中。)

波音公司研製的美國空軍B-52型“同溫層堡壘”(英語:B-52 Stratofortress)戰略轟炸機名称来源于此。

注释[编辑]

  1. ^ 臭氧的浓度会随着纬度、季节、天气等变化而不同,何为“浓度高”的定义也不同,依据臭氧浓度而划定的臭氧层范围也并非固定值,有22~25千米、20~25千米、20~30千米、15~35千米等多种说法,或直接将10~50千米大致整个平流层都称作臭氧层

参考资料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 伍光和 (编). 自然地理学. 北京: 高等教育出版社. 2008: 88–89. ISBN 978-7-04-022876-2. 
  2. ^ 2.0 2.1 现代汉语词典(第7版). 北京: 商务印书馆. 2016: 1007. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 朱翔; 刘新民 (编). 普通高中教科书·地理(必修一). 长沙: 湖南教育出版社. 2019: 72–74. ISBN 978-7-5539-4784-6. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 辞海 - 平流层. www.cihai.com.cn. [2024-02-09]. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 平流层 - 《中国大百科全书》第三版网络版. www.zgbk.com. [2024-02-09]. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 朱清时 (编). 义务教育教科书·科学(八年级上册). 杭州: 浙江教育. 2013: 50. ISBN 978-7-5536-0746-7. 
  7. ^ 7.0 7.1 辞海 - 臭氧层. www.cihai.com.cn. [2024-02-09]. 
  8. ^ 大气臭氧层 - 《中国大百科全书》第三版网络版. www.zgbk.com. [2024-02-09]. 
  9. ^ 谢础; 贾玉红; 黄俊; 吴永康 (编). 航空航天技术概论(第2版). 北京航空航天大学出版社. 2008: 65. ISBN 978-7-81124-428-1. 
  10. ^ 辞海 - 对流层. www.cihai.com.cn. [2024-02-02].