平流层

位于对流层的上方和中间层的下方
(重定向自同溫層

平流层(英语: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,在平流层里大气多大尺度平流运动,几乎没有上下对流,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]

黄色的部分是平流层(Stratosphere)。
地球大气层
散逸层(600 km ~ 2000 km至3000 km)
增温层(80至85 km ~ 600 km)
中气层(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[注 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

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1902年,法国气象学家德博法语Léon Teisserenc de Bort德国气象学家阿斯曼德语Richard Aßmann (Meteorologe)经过协调,分别发表了各自多年观察的结果。他们依据高空气球仪表所记录到的温度,在高度约11~14公里处发现一个等温层(isothermal layer),位于平流层下部的底端。平流层别称同温层,正源于此。

范围与气温结构

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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

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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

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由于上热下冷,在平流层里大气多大尺度平流运动[5],几乎没有上下对流,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

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NASA的平流层气球(概念图)

平流层是一个放射性、动力学及化学过程都会有强烈反应的区域。因为其水平的气态成分混合比起垂直的混合都来得要快。一个较为有趣的平流层环流特性是发生于热带地区的准双年震荡(QBO)。这种现象由重力波引导,是由于对流层的对流而引至的。准双年震荡引致了次级环流的发生,这对于全球性的平流层输送诸如臭氧水蒸气等尤为重要。

在北半球的冬季,平流层突发性增温经常发生。这是因为平流层吸收了罗斯贝波所致。

臭氧损耗

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臭氧层的损耗主因,是因为平流层中存在着含氯氟烃(简称CFCs - 如CF2Cl2及CFCl3)。含氯氟烃是氯、氟及碳的聚合物。正因为含氯氟烃的稳定性、价钱低廉、无毒性、非易燃性、非腐蚀性,时常被用作喷雾剂、冷却剂及溶剂等等。但正因它的稳定性却使其持续存在于环境之中,不易化解。这些分子会逐渐地飘到平流层,继而进行一连串的链锁反应,最终会使到臭氧层受到损耗。

美国政府早于1980年已经禁止使用含氯氟烃作为喷雾剂。世界各国亦开始于1987年9月努力减少使用含氯氟烃,直至1996年,全球禁止工厂生产及释放含氯氟烃的法例终于生效。

人类应用

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航空

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目前大型客机大多飞行于此层,以增加飞行的稳定度。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,便于飞行员操纵驾驶,并可节省燃油消耗。
  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。

亚洲飞往北美加拿大的航机多会取道高速气流,以缩短航程和节省燃油。

 
平流层高空飞行的B-36和平缔造者轰炸机

在温带地区,商业客机一般会于离地表约10千米(33,000英尺)的高空,即平流层的底部处巡航。这是为了避开对流层因对流活动而产生的气流。而在客机巡航阶段所遇上的气流,大多是因为在对流层发生了对流超越现象。同样地,滑翔机一般会在上升暖气流上滑翔,这股气流从对流层上升到达平流层就会停止。这样一来变相为世界各地的滑翔机设定了高度限制。(纵然有些滑翔机会用上背风波来飞得更高,把滑翔机带到平流层之中。)

波音公司研制的美国空军B-52型“同温层堡垒”(英语:B-52 Stratofortress)战略轰炸机名称来源于此。

注释

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  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

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  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].