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]
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.
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]
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]
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.
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]
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]
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]