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篇名: 平流層
作者: 謙榮 日期: 2014.07.21  天氣:  心情:
平流層(英語:Stratosphere),亦稱同溫層,位於對流層的上方和中間層的下方。其下界在中緯度地區位於距離地表10km處,在極地則在8km左右,其上界則約在離地50km的高度。平流層的溫度上熱下冷,隨著高度的增加,平流層的氣溫在起初基本不變,然後迅速上升。在平流層里大氣主要以水平方向流動,垂直方向上的運動較弱,因此氣流平穩,基本沒有上下對流。[1]

由於含有大量臭氧,平流層的下半部分能吸收大量的紫外線,也被稱為臭氧層。



溫度變化和氣候[編輯]平流層是地球大氣層裡上熱下冷的一層,隨著高度的增加,平流層的氣溫在起初基本不變約216K(-57.15°C),升至20-32km後氣溫迅速上升,到了其上界達到270K至290K(-3.15°C至16.85°C),與地面氣溫相近。平流層又因此被分成不同的溫度層,其中高溫層在頂部,而低溫層在底部。這一點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。

平流層的上述氣溫分布特徵與它受地面影響較小和存在大量臭氧有關。在平流層頂部的臭氧因為吸收了來自太陽的紫外線而升溫。因此越靠近其上界,其氣溫便越高。平流層頂部稱為平流層頂,而在此之上氣溫又會再以隨高度而下降。

由於高溫層置上而低溫層置下,因此在平流層里大氣在垂直方向上的運動較弱,基本沒有上下對流。大氣在其中主要以水平方向流動,氣流較為平穩。

氣候和物理化學現象[編輯]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準雙年震盪(QBO)。這種現象由重力波引導,是由於對流層的對流而引至的。準雙年震盪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。

臭氧損耗[編輯]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。雖然這些努力的成效因為中國及俄羅斯民間非法生產而被減弱,但是預計在本世紀中期氟氯烴的濃度就會回落至合理水平。[來源請求]

人類應用[編輯]航空[編輯]目前大型客機大多飛行於此層,以增加飛行的穩定度。原因有:

1.能見度高:地球大氣的平流層水氣、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。
2.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,並可節省燃油消耗。
3.噪聲污染小: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。
4.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。

平流層高空飛行的B-36和平締造者轟炸機在溫帶地區,商業客機一般會於離地表約10公里(33,000英尺)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。)



包圍地球的大氣,其特性會隨高度不同而有許多變化,科學家便依照氣溫梯度,來劃分大氣的垂直結構。最接近地表的是「對流層」,其次為「平流層」、「中氣層」和「熱氣層」。熱氣層是大氣的最外圈,大氣愈向外愈稀薄,並沒有一條明顯的界限。由於大氣是受地球重力吸引而環繞在地球四周,因此離地表越近,空氣密度越高,大約90%的空氣都聚集在離地表30公里的範圍之內;到了離地100公里處,大氣密度已不及海平面的百萬分之一,故若與地球半徑約6370公里相比,大氣的確只有薄薄一層而已。



  平流層的位置大約在離地10~50公里處,但大氣中的臭氧絕大部分都集中在離地面大約25~30公里的上平流層中,稱為「臭氧層」。名雖為一層,但實際上臭氧分布各地並不均勻,而且大氣中臭氧的總含量非常少,尚不到1ppm。這極薄的一層臭氧,對於地球上的生命非常常重要,因為臭氧能吸收陽光中的紫外線,將這些波長很短,而且有致命危險的輻射線,轉換成熱能,只有極少量能到達地表。紫外線會破壞包括DNA在內的生物分子,增加罹患皮膚癌、白內障的機率,而且和許多免疫系統疾病有關。此外,紫外線對於農作物,甚至海洋生態系都會造成負面影響。然而這層重要的臭氧已經受到嚴重破壞,而且清形一年比一年惡化。



臭氧層等於平流層嗎?還是臭氧層包含在平流層中?



科學家們通常是以氣溫的垂直變化,做為劃分大氣層次的依據,也就是對流層、平流層、中氣層、增溫層。另外也可以大氣的物理、化學性質來區分,如臭氧層、電離層、中性層、光化層。所以,兩者的思考角度是不同的。

大氣中約有 90%的臭氧存在於離地面 15到 50公里之間的區域,也就是平流層裡面,不過,在上平流層的濃度較高,也就是一般所講的臭氧層。



所以,如果以這個角度來看,臭氧層應該包括在平流層裡;但是,如果因為臭氧集中在平流層,而把平流層叫做臭氧層,也無可厚非,不是嗎?





在19世紀末,法國氣象學家戴保德 (Teisserene Bort) 在測量高空氣候的實驗過程中,發現了「平流層」的存在,此一重大的發現揭開了人們對大氣垂直結構積極研究的序幕。

地球的表面包著一層「薄薄的」大氣層,沒有人知道它的確切高度,不過大約在400~500公里厚;這層大氣層因為溫度的變化曲線、化學成份或電荷分佈等的不同,在垂直方向上可以粗略分為對流層、平流層、中氣層、增溫層,愈往高處愈冷,大約每升高100公尺,溫度平均就下降0.65℃;而平流層(約十幾到五十幾公里處)卻相反---愈高愈熱,每升高100公尺,溫度就增加了0.4℃;而到了中氣層(約50到80公里處),溫度曲線又轉向了,隨著高度的上昇,溫度愈低;而在「增溫」層 (80公里至400~500公里高處)中,顧名思義,高度愈高氣溫也愈高。可是這些空氣層的厚度可不是在全球都相同的喔!會因為季節與地點或緯度的不同而有所不同。

「天氣」發生之處──對流層

由於地心引力的關係,大氣層的質量大都「沈」在靠近地表的地方,75%集中在10km以下,90%集中在30km以下。

而為什麼稱為對流層呢?因為在這裡,空氣會因為溫度不同,而產生「熱上冷下」的上下對流情形,空氣的對流就形成了「風」;此外,對於地球生命來說最重要的水蒸氣,幾乎完全集中在對流層中,空氣對流流動的結果,便造成了我們常見的雲、霧、霜、雪、雨…….等「天氣」現象,這些現象集中發生在靠近地表約12~15公里的對流層中,尤其是對流層的底部。再加上地球自轉、洋流、地軸偏斜、…..等影響,形成了全球複雜的氣候系統。

溫度大逆轉─臭氧層

而在平流層的上部有一層厚約20公里的空氣層,位置大約在約15-35公里的高空中,其實也是臭氧層的所在,其中的臭氧 (O3) 分子具有吸收太陽光中短波紫外線的能力,而且臭氧在紫外線的作用下又可被分解為原子氧 (O) 和分子氧

(O2);當後兩者重新化合,再度生成臭氧時,會以熱的形式釋放出大量的能量,因此使得平流層的溫度「逆轉」,在對流層頂與平流層的交接處,兩方

「勢均力敵」,因此溫度非常穩定,幾乎沒有變化(因此也稱為同溫層);此後溫度就隨著高度升高。由於在平流層中空氣沒有對流運動,空氣比對流層稀薄得多,又極為乾燥,水蒸汽、塵埃的含量都很稀少,很難出現雲、雨等天氣現象。有了這一層平穩的氣層阻隔,可以阻擋對流層內向上運動的氣柱,那也就是為什麼積雨雲或積雲的上端常好像被「切了一刀」,那就是同溫層的傑作!!
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