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平流层

平流层

平流层(stratosphere),亦称同温层,是地球大气层里上热下冷的一层,此层被分成不同的温度层,当中高温层置于顶部,而低温层置于低部。它与位于其下贴近地表的对流层刚好相反,对流层是上冷下热的。在中纬度地区,平流层位于离地表10公里至50公里的高度,而在极地,此层则始于离地表8公里左右。

目录

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1 简介
2 物质组成
3 臭氧损耗
4 运动特征
5 生活影响
6 人类应用

平流层 - 简介

平流层

平流层夹于对流层与中间层之间。平流层之所以与对流层相反,随高度上升气温上升,是因为其底部吸收了来自太阳的紫外线而被加热。故在这一层,气温会因高度增加而上升。平流层的顶部气温徘徊在270K(-3.15°)左右,与地面气温差不多。平流层顶部称为平流层顶,在此之上气温又会再以随高度增加而下降。至于垂直气温分层方面,由于高温层置上而低温层置下,使到平流层较为稳定,是因为那里没有常规的对流活动及如此相连的气流。此层的增温是由于臭氧层吸收了来自太阳的紫外线,它把平流层的顶部加热。平流层的底部,来自顶部的传导及下部对流层的对流刚好在那里抵消。所以,极地的平流层会于较低高度出现,因为极地的地面气温相对较低。

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及水蒸气等尤为重要。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。

平流层 - 物质组成

氮气、氧气、少量的水汽、臭氧(在22~27千米形成臭氧层)、尘埃、放射性微粒、硫酸盐质点。

平流层 - 臭氧损耗

臭氧损耗

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。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,继而进行一连串的连锁反应,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。但这些努力却因为中国及俄罗斯约值5亿美元的非法生产而被彻底地挫败。所以含氯氟烃的数量直至2000年早期还在上升,预计在21世纪中期会回落至合理水平。

平流层 - 运动特征

平流层

平流层内的风力分布颇为特别,首先平流层底部受到对流层顶部的西风带影响,所以几乎都吹着西风。然后,平流层上中部则会出现以下的现象。极地附近的夏季会有极昼的现象发生,所以处于夏季的半球,高纬度地区受到的日照时间会比低中纬度地区为长。因为极地附近会因臭氧层而渐渐和暖,结果形成了高压状态。反之低纬度会相对地处于低压状态。为了消除这种不稳定,就会产生出从高压处流向低压处的气流。可是这种气流又受到科里奥利力所影响而变成了东风。

因此,在平流层的上中部除了特别的场合以外,夏季会比较盛行东风,亦即东风带,称为平流层东风。而冬季来临时这个现象就会逆转发生。极地附近就会与夏季相反整天也不会受到太阳照射,结果高纬度地区就会比低中纬度地区低温,亦即进入低压状态。因此产生了从低纬度流向高纬度的气流,再因科里奥利力的影响而变成了西风,称为平流层西风。由于这种现象会随季节变化而改变风向,所以亦可被认为是季候风的一种,称之为平流层季候风。平流层西风及平流层东风的最大风速都可达到每秒约50米。

平流层 - 生活影响

平流层

由于平流层的高度较对流层高,因此与到达地表的太阳辐射相比,平流层的太阳辐射含有更多的短波紫外辐射。一般将来自太阳的紫外辐射按照波长的大小分为三个区,波长在315~400nm(1nm=10-9 m)之间的紫外光称为UV-A区,该区的紫外线不能被臭氧有效吸收,但是也不造成地表生物圈的损害。事实上,这一波段少量的紫外线也是地表生物所必需的,它可促进人体的固醇类转化成维生素D,如果缺乏会引起软骨病,尤其对儿童的发育产生不良的影响;波长为280~315nm的紫外光称为UV-B区,这一波段的紫外辐射是可能到达地表并对人类和生态系统造成最大危害的部分;波长为200~280nm的紫外光部分称为UV-C区,该区紫外线波长短,能量高,不过这一区的紫外线能被大气中的氧气和臭氧完全吸收,即使是平流层的臭氧发生损耗,UV-C波段的紫外线也不会到达地表造成不良影响。

平流层中最重要的化学组分就是臭氧(O3)。臭氧是地球大气中的一种微量气体,由三个氧原子组成,是氧气的同素异形体。臭氧在大气中通常分布在两层,即对流层和平流层中。环绕在地球表面至高空8~16公里范围内的一层大气称为对流层,这一层中的臭氧对人类和生态环境是有害的,它也是当前城市大气光化学烟雾污染的主要物质。对流层向上至大约50公里左右的范围,就是通常所称的平流层。实际上,平流层保存了大气中90%的臭氧,位于这一高度的臭氧能有效地吸收对人类健康有害的紫外线(UV-B段),从而保护了地球上的生命。

2012年9月,科学家首次证实平流层直接影响地球气候,美国盐湖城的犹他大学的气象科学家Thomas Reichler和同事们研究发现平流层风和海浪下方2千米的洋流之间有着令人惊讶的联系。平均每两年平流层会被突然加热几十度,这样一来,时速130公里的平流层风形成的极地涡旋环绕着北极地区,这种极涡在两个月里能减弱或者改变方向——围绕北极点由逆时针方向变为顺时针方向。同时,科学家得出的气候模型显示,几十年来,这些变暖事件戏剧性地扰乱着海洋表面,影响着大西洋经圈翻转环流的流动。

平流层 - 人类应用

通信平台
通信原理

平流层空间使用准静止的长驻空飞艇作为高空信息平台,与地面控制设备、信息接口设备以及各种类型的无线用户终端构成的天地空一体化综合信息系统产生平流层通信系统。与通信卫星相比,它往返延迟短、自由空间衰耗少,有利于实现通信终端的小型化、宽带化和对称双工的无线接入;与地面蜂窝系统相比,平流层平台的作用距离、覆盖地区大、信道衰落小,因而发射功率可以显著减少。不但大大降低了建设地面信息基础设施的费用,而且也降低了对基站周围的辐射污染。对人类的贡献相当大。

航空

前大型客机大多飞行于此层,以增加飞行的稳定度。原因有以下几点。

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。
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,便于飞行员操纵架驶。
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,对地面的噪声污染相对较小。
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。

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