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平流層(stratosphere),亦稱同溫層,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,平流層位於離地表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 平流層 -簡介

平流層平流層

平流層夾於對流層與中間層之間。平流層之所以與對流層相反,隨高度上升氣溫上升,是因為其底部吸收了來自太陽的紫外線而被加熱。故在這一層,氣溫會因高度增加而上升。平流層的頂部氣溫徘徊在270K(-3.15°)左右,與地面氣溫差不多。平流層頂部稱為平流層頂,在此之上氣溫又會再以隨高度增加而下降。至於垂直氣溫分層方面,由於高溫層置上而低溫層置下,使到平流層較為穩定,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,它把平流層的頂部加熱。平流層的底部,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,極地的平流層會於較低高度出現,因為極地的地面氣溫相對較低。

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分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震蕩(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。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 平流層 -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。

3 平流層 -臭氧損耗

平流層臭氧損耗

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。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,繼而進行一連串的連鎖反應,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。但這些努力卻因為中國及俄羅斯約值5億美元的非法生產而被徹底地挫敗。所以含氯氟烴的數量直至2000年早期還在上升,預計在21世紀中期會回落至合理水平。

4 平流層 -運動特徵

平流層平流層

平流層內的風力分佈頗為特別,首先平流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,平流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。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。為了消除這種不穩定,就會產生出從高壓處流向低壓處的氣流。可是這種氣流又受到科里奧利力所影響而變成了東風。

因此,在平流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,稱為平流層東風。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,再因科里奧利力的影響而變成了西風,稱為平流層西風。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,稱之為平流層季候風。平流層西風及平流層東風的最大風速都可達到每秒約50米。

5 平流層 -生活影響

平流層平流層

由於平流層的高度較對流層高,因此與到達地表的太陽輻射相比,平流層的太陽輻射含有更多的短波紫外輻射。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,不過這一區的紫外線能被大氣中的氧氣和臭氧完全吸收,即使是平流層的臭氧發生損耗,UV-C波段的紫外線也不會到達地表造成不良影響。

平流層中最重要的化學組分就是臭氧(O3)。臭氧是地球大氣中的一種微量氣體,由三個氧原子組成,是氧氣的同素異形體。臭氧在大氣中通常分佈在兩層,即對流層和平流層中。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,就是通常所稱的平流層。實際上,平流層保存了大氣中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。

2012年9月,科學家首次證實平流層直接影響地球氣候,美國鹽湖城的猶他大學的氣象科學家Thomas Reichler和同事們研究發現平流層風和海浪下方2千米的洋流之間有著令人驚訝的聯繫。平均每兩年平流層會被突然加熱幾十度,這樣一來,時速130公里的平流層風形成的極地渦旋環繞著北極地區,這種極渦在兩個月里能減弱或者改變方向——圍繞北極點由逆時針方向變為順時針方向。同時,科學家得出的氣候模型顯示,幾十年來,這些變暖事件戲劇性地擾亂著海洋表面,影響著大西洋經圈翻轉環流的流動。

6 平流層 -人類應用

通信平台
平流層通信原理

平流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平流層通信系統。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,平流層平台的作用距離、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。

航空

 前大型客機大多飛行於此層,以增加飛行的穩定度。原因有以下幾點。

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。
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。
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,對地面的雜訊污染相對較小。
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。

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