stringtranslate.com

Стратосфера

Послесвечение тропосферы (оранжевый), стратосферы (синий) и мезосферы (темный), в котором начинается вход в атмосферу , оставляя за собой следы дыма, как в данном случае при входе в атмосферу космического корабля .
На этом изображении показана тенденция изменения температуры в нижних слоях стратосферы, измеренная рядом спутниковых приборов в период с января 1979 года по декабрь 2005 года. Центр нижней стратосферы находится на высоте около 18 километров над поверхностью Земли. На изображении стратосферы преобладают синий и зеленый цвета, что указывает на похолодание с течением времени. [1]
Схема, показывающая пять основных слоев атмосферы Земли: экзосфера , термосфера , мезосфера , стратосфера и тропосфера . Слои не в масштабе.

Стратосфера ( / ˈ s t r æ t ə ˌ s f ɪər , -t oʊ -/ ) — второй слой атмосферы Земли , расположенный над тропосферой и под мезосферой . [2] [3] Стратосфера представляет собой слой атмосферы, состоящий из стратифицированных температурных слоев, с теплыми слоями воздуха высоко в небе и холодными слоями воздуха в низком небе, близко к поверхности планеты Земля. Повышение температуры с высотой является результатом поглощения ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца озоновым слоем . [4] Температурная инверсия отличается от тропосферы и вблизи поверхности Земли, где температура снижается с высотой.

Между тропосферой и стратосферой проходит граница тропопаузы , обозначающая начало температурной инверсии . Вблизи экватора нижний край стратосферы достигает высоты 20 км (66 000 футов; 12 миль), в средних широтах около 10 км (33 000 футов; 6,2 мили), а на полюсах около 7 км (23 000 футов; 4,3 мили). ). [4] Температуры колеблются в среднем от -51 ° C (-60 ° F; 220 К) вблизи тропопаузы до в среднем -15 ° C (5,0 ° F; 260 К) вблизи мезосферы. [5] Стратосферные температуры также меняются внутри стратосферы при смене времен года, достигая особенно низких температур в полярную ночь (зимой). [6] Ветры в стратосфере могут намного превосходить ветры в тропосфере, достигая скорости около 60 м/с (220 км/ч; 130 миль в час) в южном полярном вихре . [6]

Озоновый слой

Механизм, описывающий образование озонового слоя, был описан британским математиком Сиднеем Чепменом в 1930 году и известен как цикл Чепмена или озон-кислородный цикл . [7] Молекулярный кислород поглощает высокоэнергетический солнечный свет в диапазоне УФ-С , на длинах волн короче примерно 240 нм. Радикалы, образующиеся из гомолитически расщепленных молекул кислорода, соединяются с молекулярным кислородом, образуя озон. Озон, в свою очередь, фотолизуется гораздо быстрее, чем молекулярный кислород, поскольку он имеет более сильное поглощение, которое происходит на более длинных волнах, где солнечное излучение более интенсивно. Фотолиз озона (O 3 ) дает O и O 2 . Продукт атома кислорода соединяется с молекулярным кислородом воздуха, образуя O 3 , выделяя тепло. Быстрый фотолиз и реформация озона нагревают стратосферу, что приводит к температурной инверсии. Такое повышение температуры с высотой характерно для стратосферы; его устойчивость к вертикальному перемешиванию означает, что он стратифицирован. В стратосфере температура увеличивается с высотой (см. Температурную инверсию ) ; верхняя часть стратосферы имеет температуру около 270 К (-3 ° C или 26,6 ° F ). [8]

Эта вертикальная стратификация с более теплыми слоями вверху и более холодными слоями внизу делает стратосферу динамически стабильной: в этой части атмосферы нет регулярной конвекции и связанной с ней турбулентности . Однако исключительно энергичные конвекционные процессы, такие как столбы извержений вулканов и пролетающие мимо вершины сильных суперячеечных гроз , могут переносить конвекцию в стратосферу на очень локальной и временной основе. В целом, ослабление солнечного ультрафиолета на длинах волн, повреждающих ДНК озоновым слоем, позволяет жизни существовать на поверхности планеты за пределами океана. Весь воздух, попадающий в стратосферу, должен пройти через тропопаузу — температурный минимум, разделяющий тропосферу и стратосферу. Поднимающийся воздух буквально лиофилизирован; стратосфера — очень сухое место. Верхняя часть стратосферы называется стратопаузой , выше которой температура с высотой снижается.

Формирование и разрушение

Сидни Чепмен дал правильное описание источника стратосферного озона и его способности генерировать тепло в стратосфере; [ нужна цитация ] он также написал, что озон может быть разрушен в результате реакции с атомарным кислородом, в результате чего образуются две молекулы молекулярного кислорода. Теперь мы знаем, что существуют дополнительные механизмы потери озона и что эти механизмы являются каталитическими, что означает, что небольшое количество катализатора может разрушить большое количество молекул озона. Первый обусловлен реакцией гидроксильных радикалов (•ОН) с озоном. •ОН образуется в результате реакции электрически возбужденных атомов кислорода, образующихся в результате фотолиза озона, с водяным паром. Пока стратосфера сухая, на месте в результате фотохимического окисления метана (CH 4 ) образуется дополнительный водяной пар . Радикал HO 2 , образующийся в результате реакции OH с O 3 , рециркулируется в OH при реакции с атомами кислорода или озоном. Кроме того, солнечные протонные события могут существенно влиять на уровень озона посредством радиолиза с последующим образованием ОН. Закись азота (N 2 O) образуется в результате биологической активности на поверхности и окисляется до NO в стратосфере; так называемые радикальные циклы NO x также разрушают стратосферный озон. Наконец, молекулы хлорфторуглерода фотолизируются в стратосфере, высвобождая атомы хлора, которые реагируют с озоном, образуя ClO и O 2 . Атомы хлора перерабатываются, когда ClO реагирует с O в верхних слоях стратосферы или когда ClO реагирует сам с собой в химии антарктической озоновой дыры.

Пол Дж. Крутцен, Марио Дж. Молина и Ф. Шервуд Роуленд были удостоены Нобелевской премии по химии в 1995 году за работу, описывающую образование и разложение стратосферного озона. [9]

Полет самолета

Типовой Боинг 737-800, летящий на высоте 32 000 футов. Под ним — сгусток облаков. Над ним яркое, голубое небо.
Самолеты обычно курсируют в стратосфере, чтобы избежать турбулентности , бушующей в тропосфере . Синий луч на этом изображении — это озоновый слой , излучающий дальше в мезосферу . Озон нагревает стратосферу, делая условия стабильными . Стратосфера также является пределом высоты для полетов самолетов и метеозондов , поскольку воздух там примерно в тысячу раз тоньше, чем в тропосфере. [10]

Коммерческие авиалайнеры обычно курсируют на высоте 9–12 км (30 000–39 000 футов), что находится в нижних слоях стратосферы в умеренных широтах. [11] Это оптимизирует топливную экономичность , в основном за счет низких температур вблизи тропопаузы и низкой плотности воздуха, что снижает паразитное сопротивление планера . Другими словами, это позволяет авиалайнеру летать быстрее, сохраняя при этом подъемную силу, равную весу самолета. (Расход топлива зависит от сопротивления, которое связано с подъемной силой соотношением подъемной силы и аэродинамического сопротивления .) Это также позволяет самолету оставаться над неспокойной тропосферой.

Самолет «Конкорд» летел со скоростью 2 Маха на высоте около 60 000 футов (18 км), а SR-71 — со скоростью 3 Маха на высоте 85 000 футов (26 км), и все это в стратосфере.

Поскольку температура в тропопаузе и нижней стратосфере в основном постоянна с увеличением высоты, там возникает очень небольшая конвекция и, как следствие, турбулентность. Большая часть турбулентности на этой высоте вызвана изменениями реактивного течения и другими местными сдвигами ветра, хотя области значительной конвективной активности ( грозы ) в тропосфере внизу могут вызывать турбулентность в результате выброса конвекции .

24 октября 2014 года Алан Юстас стал рекордсменом по достижению рекорда высоты для пилотируемого воздушного шара на высоте 135 890 футов (41 419 м). [12] Юстас также побил мировые рекорды по прыжкам с парашютом на вертикальной скорости, достигнув максимальной скорости 1321 км/ч (822 миль в час) и общей дистанции свободного падения 123 414 футов (37 617 м) – продолжительностью четыре минуты 27 секунд. [13]

Циркуляция и смешивание

Стратосфера — область интенсивного взаимодействия радиационных, динамических и химических процессов, в которой горизонтальное перемешивание газовых компонентов протекает значительно быстрее, чем вертикальное. Общая циркуляция стратосферы называется циркуляцией Брюэра-Добсона , которая представляет собой одноклеточную циркуляцию, простирающуюся от тропиков до полюсов и состоящую из тропического подъема воздуха из тропической тропосферы и внетропического нисходящего потока воздуха. . Стратосферная циркуляция - это преимущественно волновая циркуляция, поскольку тропический апвеллинг вызывается волновой силой распространяющихся на запад волн Россби в явлении, называемом накачкой волн Россби.

Интересной особенностью стратосферной циркуляции являются квазидвухлетние колебания (КДК) в тропических широтах, вызываемые гравитационными волнами , конвективно генерируемыми в тропосфере . QBO вызывает вторичную циркуляцию , которая важна для глобального стратосферного переноса индикаторов, таких как озон [14] или водяной пар .

Другой крупномасштабной особенностью, существенно влияющей на стратосферную циркуляцию, являются обрушивающиеся планетарные волны [15] , приводящие к интенсивному квазигоризонтальному перемешиванию в средних широтах. Это нарушение гораздо более выражено в зимнем полушарии, где эту область называют зоной прибоя. Это нарушение вызвано сильно нелинейным взаимодействием между вертикально распространяющимися планетарными волнами и изолированной областью завихренности с высоким потенциалом, известной как полярный вихрь . Возникающее в результате разрушение вызывает крупномасштабное смешивание воздуха и других газовых примесей по всей зоне прибоя в средних широтах. Временной масштаб этого быстрого перемешивания намного меньше, чем гораздо более медленный временной масштаб апвеллинга в тропиках и нисходящего потока во внетропических регионах.

В период зим северного полушария внезапные стратосферные потепления , вызванные поглощением в стратосфере волн Россби , можно наблюдать примерно в половине зим, когда в стратосфере развиваются восточные ветры. Эти события часто предшествуют необычной зимней погоде [16] и могут даже быть причиной холодных европейских зим 1960-х годов. [17]

Стратосферное потепление полярного вихря приводит к его ослаблению. [18] Когда вихрь сильный, он удерживает холодные воздушные массы под высоким давлением, содержащиеся в Арктике ; когда вихрь ослабевает, воздушные массы движутся к экватору, что приводит к быстрым изменениям погоды в средних широтах.

Жизнь

Бактерии

Бактериальная жизнь выживает в стратосфере, что делает ее частью биосферы . [19] В 2001 году пыль была собрана на высоте 41 километр в ходе эксперимента на высотном аэростате, и при последующем исследовании в лаборатории было обнаружено, что она содержит бактериальный материал. [20]

Птицы

Сообщается, что некоторые виды птиц летают на верхних уровнях тропосферы. 29 ноября 1973 года стервятник Рюппеля ( Gyps rueppelli ) попал в реактивный двигатель на высоте 11 278 м (37 000 футов) над Кот-д'Ивуаром . [21] Плоскоголовые гуси ( Anser indicus ) иногда мигрируют через гору Эверест , вершина которой составляет 8848 м (29 029 футов). [22] [23]

Открытие

Молния простирается над тропосферой в стратосферу в виде синей струи и достигает мезосферы в виде красного спрайта .

В 1902 году Леон Тейссенк де Борт из Франции и Рихард Ассманн из Германии в отдельных, но скоординированных публикациях и последующих годах наблюдений опубликовали открытие изотермического слоя на высоте около 11–14 км (6,8–8,7 миль), который является основой нижней стратосферы. Это было основано на профилях температуры преимущественно беспилотных и нескольких пилотируемых аэростатов с приборами. [24]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Тенденции атмосферной температуры, 1979–2005 гг.». НАСА/Обсерватория Земли . 6 июля 2007 г. Архивировано из оригинала 5 сентября 2015 г. . Проверено 24 августа 2015 г.
  2. ^ Джонс, Дэниел (2003) [1917], Питер Роуч; Джеймс Хартманн; Джейн Сеттер (ред.), Словарь английского произношения , Кембридж: Издательство Кембриджского университета , ISBN 978-3-12-539683-8
  3. ^ "Стратосфера". Словарь Merriam-Webster.com .
  4. ^ ab "Стратосфера - обзор". scied.ucar.edu . Университетская корпорация по исследованию атмосферы . Проверено 25 июля 2018 г.
  5. ^ "NWS JetStream - Слои атмосферы" . www.weather.gov .
  6. ^ ab «Наблюдение за озоном НАСА: факты о полярных вихрях» . ozonewatch.gsfc.nasa.gov .
  7. ^ «ГЛАВА 10. СТРАТОСФЕРНЫЙ ОЗОН». acmg.seas.harvard.edu . Архивировано из оригинала 30 сентября 2019 г. Проверено 20 октября 2020 г.
  8. ^ Сейнфельд, Дж. Х. и С. Н. (2006), Химия и физика атмосферы: от загрязнения воздуха до изменения климата, 2-е изд., Уайли, Нью-Джерси.
  9. ^ «Нобелевская премия по химии 1995 г.». NobelPrize.org . Проверено 21 июля 2020 г.
  10. ^ «Стратосфера - обзор | Центр научного образования UCAR» . Национальный центр научного образования . Проверено 6 февраля 2021 г.
  11. ^ Ченг, Дэниел (2003). Элерт, Гленн (ред.). «Высота коммерческого реактивного самолета». Справочник по физике . Проверено 21 января 2022 г.
  12. ^ Маркофф, Джон (24 октября 2014 г.). «Рекордное падение парашютиста: более 25 миль за 15 минут (опубликовано в 2014 г.)». Нью-Йорк Таймс . ISSN  0362-4331 . Проверено 20 октября 2020 г.
  13. ^ «Алан Юстас из Google побил рекорд Баумгартнера по прыжкам с парашютом» . Новости BBC . 24 октября 2014 г. Архивировано из оригинала 25 октября 2014 г.
  14. ^ Н.Бутчарт, А.А. Скайф, Дж. Остин, ОНА Хэйр, младший Найт. Квазидвухлетние колебания содержания озона в совместной модели химии и климата. Архивировано 18 мая 2014 г. в Wayback Machine , Journal of Geophysical Research.
  15. ^ М. Е. Макинтайр , Т. Н. Палмер. Разрушение планетарных волн в стратосфере. Архивировано 17 марта 2017 г. в Wayback Machine , Nature.
  16. ^ Член парламента Болдуин и Ти Джей Данкертон. «Стратосферные предвестники аномальных погодных режимов. Архивировано 12 января 2014 г. в Wayback Machine , журнал Science Magazine».
  17. ^ А. А. Скайф, Дж. Р. Найт, Г. К. Валлис, К. К. Фолланд. Влияние стратосферы на зимний климат САК и приземный климат Северной Атлантики. Архивировано 18 мая 2014 г. в Wayback Machine , Geophysical Research Letters.
  18. ^ «Как внезапное стратосферное потепление влияет на всю атмосферу». Эос . 20 марта 2018 года . Проверено 21 июля 2020 г.
  19. ^ ДасСарма, Прия; ДасСарма, Шиладитья (2018). «Выживание микробов в стратосфере Земли». Современное мнение в микробиологии . 43 : 24–30. дои :10.1016/j.mib.2017.11.002. ISSN  1369-5274. PMID  29156444. S2CID  19041112.
  20. ^ Майкл Марк Вульфсон (2013). Время, пространство, звезды и человек: история Большого взрыва. Всемирная научная. п. 388. ИСБН 978-1-84816-933-3.
  21. ^ Лэйборн, Рокси К. (декабрь 1974 г.). «Столкновение стервятника и самолета на высоте 37 000 футов» (PDF) . Бюллетень Уилсона . 86 (4): 461–462. ISSN  0043-5643. JSTOR  4160546. OCLC  46381512. Архивировано (PDF) из оригинала 22 февраля 2014 г.
  22. ^ «Одюбон: Птицы». Audubonmagazine.org. Архивировано из оригинала 14 сентября 2011 г. Проверено 8 ноября 2011 г.
  23. ^ Томас Алерстам; Дэвид А. Кристи; Астрид Ульфстранд (1993). Миграция птиц. Издательство Кембриджского университета. п. 276. ИСБН 978-0-521-44822-2.
  24. ^ Штайнхаген, Ганс (2005), Der Wettermann - Leben und Werk Ричард Асманнс , Нойенхаген, Германия: Findling, ISBN 978-3-933603-33-3

Внешние ссылки

Найдите стратосферу в Викисловаре, бесплатном словаре.