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同溫層(stratosphere),又稱平流層,是地球大氣層里上熱下冷的一層,此層被分成不同的溫度層,當中高溫層置於頂部,而低溫層置於低部。它與位於其下貼近地表的對流層剛好相反,對流層是上冷下熱的。在中緯度地區,同溫層位於離地表10公里至50公里的高度,而在極地,此層則始於離地表8公里左右。

1簡介

也稱同溫層,含有臭氧,具有吸收紫外線功能,保護地球上所有生物的生存和地表免於受陽光中強烈的紫外線致命的侵襲,又叫同溫層。因為在同溫層內部的臭氧層有吸收太陽輻射的功能,在此層的氣溫會隨高度增加。
來看一張示意圖:
同溫層位置

  同溫層位置

可以看到,同溫層是介於對流層與中間層之間。
同溫層之所以與對流層相反,隨高度上升是氣溫上升,是因為其含有豐富的臭氧,因此其上半部分由於吸收了大量來自太陽的紫外線而被加熱。故之在這一層,氣溫會因高度而上升。同溫層的頂部氣溫大概徘徊在270K左右,與地面氣溫差不多。同溫層頂部稱為同溫層頂,在此之上氣溫又會再以隨高度而下降。
至於垂直氣溫分層方面,由於高溫層置上而低溫層置下,使到同溫層較為穩定。那是因為那裡沒有常規的對流活動及如此相連的氣流。此層的增溫是由於臭氧層吸收了來自太陽的紫外線,它把同溫層的頂部加熱。至於同
同溫層
溫層的底部,來自頂部的傳導及下部對流層的對流剛好在那裡抵消。所以,極地的同溫層會於較低高度出現,因為極地的地面氣溫相對較低。
在溫帶地區,商業客機一般會於離地表10公里的高空,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。
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准雙年振蕩(QBO)。這種現象由重力波引導,是由於對流層的對流而引至的。准雙年震蕩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及水蒸氣等尤為重要的。
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。

2航空應用

目前民用航空領域的大型客機大多飛行於此層,以增加飛行的穩定度。主要原因有:
一,能見度高:
地球大氣的平流層水汽、懸浮固體顆粒、雜質等極少,天氣比較晴朗,光線比較好,能見度很高,便於高空飛行。
同溫層的客機

  同溫層的客機

二,受力穩定:
平流層的大氣上暖下涼,大氣不對流,以平流運動為主,飛機在其中受力比較穩定,便于飛行員操縱架駛。
三,雜訊污染小:
平流層距地面較高,飛機絕大部分時間在其中飛行,對地面的噪音污染相對較小。
四,安全係數高:
飛鳥飛行的高度一般達不到平流層,飛機在平流層中飛行就比較安全。在起飛和著陸時,要設法驅趕開飛鳥才更為安全。
五,經濟效益好:
飛機的發動機經濟性好,較高高度空氣阻力小,高度越高就越省油。另外因為平流層的水平氣流大,飛機可以藉助風力,節省燃料!

3物質組成

氮氣、氧氣、少量的水汽、臭氧(在22-27千米形成臭氧層)、塵埃、放射性微粒、硫酸鹽質點。

4臭氧損耗

臭氧層的損耗主因,是因為同溫層中存在著含氯氟烴(簡稱CFCs-如CF2Cl2及CFCl3)。含氯氟烴是氯、氟
西風帶

  西風帶

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同溫層,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。

5物理特性

同溫層內的風力分佈頗為特別,首先同溫層底部受到對流層頂部的西風帶影響,所以幾乎都吹著西風。然後,同溫層上中部則會出現以下的現象。極地附近的夏季會有極晝的現象發生,所以處於夏季的半球,高緯度地區受到的日照時間會比低中緯度地區為長。
同溫層和中層大氣環流

  同溫層和中層大氣環流

因為極地附近會因臭氧層而漸漸和暖,結果形成了高壓狀態。反之低緯度會相對地處於低壓狀態。因此,在同溫層的上中部除了特別的場合以外,夏季會比較盛行東風,亦即東風帶,稱為同溫層東風。
而冬季來臨時這個現象就會逆轉發生。極地附近就會與夏季相反整天也不會受到太陽照射,結果高緯度地區就會比低中緯度地區低溫,亦即進入低壓狀態。因此產生了從低緯度流向高緯度的氣流,稱為同溫層西風。由於這種現象會隨季節變化而改變風向,所以亦可被認為是季候風的一種,稱之為同溫層季候風。

6影響範圍

由於同溫層的高度較對流層高,一般將來自太陽的紫外輻射按照波長的大小分為三個區,波長在315-400nm(1nm=10-9m)之間的紫外光稱為UV-A區,該區的紫外線不能被臭氧有效吸收,但是也不造成地表生物圈的損害。
事實上,這一波段少量的紫外線也是地表生物所必需的,它可促進人體的固醇類轉化成維生素D,如果缺乏會引起軟骨病,尤其對兒童的發育產生不良的影響;波長為280-315nm的紫外光稱為UV-B區,這一波段的紫外輻射是可能到達地表並對人類和生態系統造成最大危害的部分;波長為200-280nm的紫外光部分稱為UV-C區,該區紫外線波長短,能量高。
環繞在地球表面至高空8-16公里範圍內的一層大氣稱為對流層,這一層中的臭氧對人類和生態環境是有害的,它也是當前城市大氣光化學煙霧污染的主要物質。對流層向上至大約50公里左右的範圍,就是通常所稱的同溫層。實際上,同溫層保存了大氣中90%的臭氧,位於這一高度的臭氧能有效地吸收對人類健康有害的紫外線(UV-B段),從而保護了地球上的生命。

7主要應用

同溫層空間使用准靜止的長駐空飛艇作為高空信息平台,與地面控制設備、信息介面設備以及各種類型的無線用戶終端構成的天地空一體化綜合信息系統產生同溫層
通信系統。與通信衛星相比,它往返延遲短、自由空間衰耗少,有利於實現通信終端的小型化、寬頻化和對稱雙工的無線接入;與地面蜂窩系統相比,同溫層平台的作用距離、覆蓋地區大、通道衰落小?因而發射功率可以顯著減少。不但大大降低了建設地面信息基礎設施的費用,而且也降低了對基站周圍的輻射污染。對人類的貢獻相當大。
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