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平流層和中層大氣物理學

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平流層和中層大氣物理學,是指研究平流層和中層大氣的結構、成分、狀態和其中發生的物理、化學過程的學科,是大氣物理學的一個分支。平流層和中層指從對流層頂起至離地面約85公里的大氣層,它們處於對流層之上和熱層之下,主要大氣組成和空氣分子量同對流層大氣一樣,在太陽的紫外輻射作用下,有顯著的光化學反應,在10~50公裡間有大氣臭氧層。

1 平流層和中層大氣物理學 -平流層和中層大氣物理學

 

2 平流層和中層大氣物理學 -正文

  研究平流層和中層大氣的結構、成分、狀態和其中發生的物理、化學過程的學科,是大氣物理學的一個分支。平流層和中層指從對流層頂起至離地面約85公里的大氣層,它們處於對流層之上和熱層之下,主要大氣組成和空氣分子量同對流層大氣一樣,在太陽的紫外輻射作用下,有顯著的光化學反應,在10~50公裡間有大氣臭氧層。由於氧和臭氧對太陽紫外輻射的吸收,臭氧、水汽和二氧化碳的紅外輻射,構成了平流層和中層大氣中的冷熱源匯,產生了平流層和中層大氣的溫度分佈和大氣環流。對平流層和中層的研究有助於對大氣整體的物理過程的了解。
  簡史  20世紀初,由於探測技術的進展,人們發現了平流層。1901年,法國科學家L.泰斯朗·德·博爾用氣球攜帶自記氣象儀探測高空大氣,觀測記錄表明,在約11公里處,溫度約為-55°C,在此以上大氣層里氣溫近於不變,後來泰斯朗·德·博爾提出了大氣分對流層和平流層兩層的概念。1923年F.A.林德曼和G.M.B.多布森在以流星尾跡來推測高空大氣密度的研究中,預料在平流層的上層為高溫區。人們根據曙暮光的觀測,也得到同樣的推論。第一次世界大戰期間,發現炮聲除在炮點附近有一個可聞區外,在遠方還有一個可聞區(見大氣聲學),由此推測,在50公里附近的高空必須有一層溫度較高的大氣,才能使聲音折返地面,形成遠方的可聞區。以上主要是用聲、光現象對平流層和中層大氣的特性進行間接的推測。
  隨著觀測技術的發展,高空氣球可升至40多公里的高度,用它攜帶臭氧探空儀可測量大氣的臭氧。從20世紀 40年代起,氣象火箭探測將高度增至30~100公里,利用安裝在火箭上感應氣壓和溫度的儀器,或用火箭在高空投擲儀器對70~80公里以下的大氣進行測量,所獲得的大氣溫度分佈資料同用流星和聲波推測的結果是一致的。從20世紀60年代起,開始用氣象衛星遙感探測平流層和中層大氣的密度、溫度和濕度等。在大量觀測資料的基礎上,對平流層和中層大氣的輻射平衡和光化學作用等方面的理論研究取得了進一步的發展,平流層和中層大氣物理學也逐漸形成獨立的學科。
  主要研究內容  ①平流層和中層大氣的結構,如大氣成分的分佈(圖1)、溫度和風等要素隨高度分佈的規律,以及這些要素隨緯度和季節的變化(圖2、圖3);②太陽紫外輻射在平流層和中層大氣中的傳輸、吸收和光化反應等過程;③能量平衡,包括高、低層大氣環流間的相互影響和擾動的傳輸過程等。

  

  平流層  是在對流層之上、中層之下的大氣層,其範圍從對流層頂向上直至離地面約50公里的高度。在這一層里,大氣的鉛直對流不強,多為大尺度平流運動;大氣中只有少量的水汽,但包含了大氣臭氧層中臭氧的主要部分,水汽和臭氧在輻射平衡中起著作用;大氣中塵埃的含量很小,大氣透明度很高。
  平流層溫度的鉛直分佈與對流層不同(對流層溫度隨高度按每公里約降低6.5°C的規律分佈):從對流層頂起,有一個溫度隨高度不變或隨高度變化很小的層次,稱為同溫層;在25公里以上,溫度隨高度迅速增加,升溫率約每公里2°C,到50公里附近溫度達極大值,這即為平流層頂。這個高溫區是由於大氣臭氧吸收太陽紫外輻射增溫所致。平流層中水汽、二氧化碳和臭氧的長波輻射,雖然使大氣損失熱量,但是臭氧對太陽紫外輻射的吸收,和水汽對太陽紅外輻射的吸收,不但能補償此項輻射損失,而且還使大氣升溫。平流層最大的季節性變暖發生在夏季高緯度的極區(見極地氣象學)。
  平流層環流有如下特點:中緯度地區在夏季時,對流層為西風,平流層為東風;冬季時,對流層和平流層都是西風。平流層環流的季節過渡,從夏到冬是緩慢的,這時平流層下部的西風由弱轉強,平流層中部的偏東風變為偏西風(圖3);而從冬到夏則是突變性的,在這個季節轉變中平流層有爆發性的突然增溫現象,幾天之內升溫可達40~50°C,幾次爆發性的增溫導致冬季平流層繞極氣旋性環流破壞(見平流層和中層大氣環流)。平流層環流的季節變化,常常成為對流層環流產生變化的先兆,故有助於長期天氣預報。

  中層  是在平流層之上、熱層之下的大氣層,其範圍從平流層頂(約50公里)到85公里左右的高度。這一層中溫度隨高度的增加而降低。由平流層頂往上,溫度很快遞減,在85公里附近下降到極小值,稱為中層頂。
  中層大氣,空氣稀薄,鉛直溫度遞減率大,有很強的湍流混合。此外,還有強烈的光化學反應,在太陽紫外輻射作用下,部分大氣發生電離、激發和分解,通常觀測到的氣輝,就是光化學反應的結果。太陽短波輻射在中層里大量地被吸收和散射,特別是紫外輻射,由於大氣吸收作用而不能到達地面(圖4)。在 800~2000埃光譜段中,氧分子的吸收佔優勢。在1000~1300埃的光譜段內,存在著幾個大氣窗區,這些窗區可使太陽輻射透入到80公里以下的地方。儘管在中層大氣里臭氧含量很少(在50公里以上臭氧含量佔大氣臭氧總含量的0.3%),但是它在輻射過程中卻起著重要的作用。波長大於2000埃的輻射,主要為臭氧所吸收。 包括哈特萊帶(2000~3200埃)、哈根斯帶(3200~3600埃)和夏普伊帶(4300~7500埃)。在紅外波段,主要是 9.6微米的臭氧吸收帶、15微米的二氧化碳吸收帶和水汽吸收帶(見大氣吸收光譜。在中層大氣中,臭氧、二氧化碳和水汽的長波輻射起著輻射冷卻的作用。臭氧和氧分子吸收太陽輻射起著加熱的作用,總的趨勢是接近輻射平衡的 (溫度變化很少超過每日±2°C)。中層風的日變化有平均風的非周期性變化和由大氣潮汐運動引起的周期性變化兩種,變化幅度隨高度增加而加大。風的季節性變化為:夏季東風,冬季西風。

 

3 平流層和中層大氣物理學 -配圖

 

4 平流層和中層大氣物理學 -相關連接

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