stringtranslate.com

Стратосфера

Послесвечение тропосферы (оранжевый), стратосферы (синий) и мезосферы ( темный), в которых начинается вход в атмосферу , оставляющий инверсионные следы , как в этом случае при входе в атмосферу космического корабля .
Это изображение показывает температурную тенденцию в нижней стратосфере, измеренную серией спутниковых приборов в период с января 1979 года по декабрь 2005 года. Нижняя стратосфера находится на высоте около 18 километров над поверхностью Земли. На изображении стратосферы преобладают синие и зеленые цвета, что указывает на охлаждение с течением времени. [1]
Диаграмма, показывающая пять основных слоев атмосферы Земли: экзосферу , термосферу , мезосферу , стратосферу и тропосферу . Масштаб слоев не соблюден.

Стратосфера ( / ˈ s t r æ t ə ˌ s f ɪər , - t oʊ -/ ) является вторым по глубине слоем атмосферы Земли , расположенным выше тропосферы и ниже мезосферы . [2] [3] Стратосфера состоит из стратифицированных температурных зон, при этом более теплые слои воздуха расположены выше (ближе к космическому пространству ), а более холодные слои — ниже (ближе к поверхности планеты Земля). Повышение температуры с высотой является результатом поглощения ультрафиолетового ( УФ ) излучения Солнца озоновым слоем , где озон экзотермически фотолизуется в кислород циклическим образом . [4] Эта температурная инверсия контрастирует с тропосферой, где температура уменьшается с высотой, а между тропосферой и стратосферой находится граница тропопаузы , которая разграничивает начало температурной инверсии.

Вблизи экватора нижняя граница 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 от среднего значения −51 °C (−60 °F; 220 K) вблизи тропопаузы до среднего значения −15 °C (5,0 °F; 260 K) вблизи мезосферы. [5] Стратосферные температуры также изменяются в стратосфере по мере смены сезонов , достигая особенно низких температур в полярную ночь (зиму). [6] Ветры в стратосфере могут значительно превосходить ветры в тропосфере, достигая около 60 м/с (220 км/ч; 130 миль/ч) в Южном полярном вихре . [6]

Открытие

В 1902 году Леон Тейссеран де Борт из Франции и Рихард Ассман 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 основанием нижней стратосферы. Это было основано на температурных профилях, полученных в основном с беспилотных и нескольких пилотируемых инструментальных аэростатов. [7]

Озоновый слой

Озоновый слой в стратосфере блокирует вредное ультрафиолетовое излучение, не позволяя ему достичь поверхности Земли. Гамма-всплеск истощит озоновый слой, пропуская ультрафиолетовое излучение.

Механизм, описывающий образование озонового слоя, был описан британским математиком и геофизиком Сиднеем Чепменом в 1930 году и известен как цикл Чепмена или озоно-кислородный цикл . [8] Молекулярный кислород поглощает высокоэнергетический солнечный свет в области 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 ) производит O и O 2 . Продукт атома кислорода соединяется с атмосферным молекулярным кислородом, чтобы преобразовать O 3 , выделяя тепло. Быстрый фотолиз и преобразование озона нагревают стратосферу, что приводит к инверсии температуры. Это повышение температуры с высотой характерно для стратосферы; ее устойчивость к вертикальному перемешиванию означает, что она стратифицирована. В стратосфере температура увеличивается с высотой (см. температурную инверсию ) ; верхняя часть стратосферы имеет температуру около 270 К (−3 °C или 26,6 °F ). [9] [ нужна страница ]

Эта вертикальная стратификация , с более теплыми слоями выше и более холодными слоями ниже, делает стратосферу динамически стабильной: в этой части атмосферы нет регулярной конвекции и связанной с ней турбулентности . Однако исключительно энергичные конвективные процессы, такие как колонны вулканических извержений и пролетающие вершины в сильных грозах суперячейки , могут переносить конвекцию в стратосферу на очень локальной и временной основе. В целом, ослабление солнечного УФ-излучения на длинах волн, которые повреждают ДНК, озоновым слоем позволяет жизни существовать на поверхности планеты за пределами океана. Весь воздух, поступающий в стратосферу, должен пройти через тропопаузу , температурный минимум, который разделяет тропосферу и стратосферу. Поднимающийся воздух буквально высушивается заморозками; стратосфера — очень сухое место. Верхняя часть стратосферы называется стратопаузой , выше которой температура понижается с высотой.

Формирование и разрушение

Сидни Чепмен дал правильное описание источника стратосферного озона и его способности генерировать тепло в стратосфере; [ требуется цитата ] он также написал, что озон может быть разрушен путем 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, то есть небольшое количество катализатора может разрушить большое количество молекул озона. Первый из них связан с реакцией гидроксильных радикалов (•OH) с озоном. •OH образуется в результате реакции электрически возбужденных атомов кислорода, полученных в результате фотолиза озона, с водяным паром. Пока стратосфера сухая, дополнительный водяной пар производится in situ в результате фотохимического окисления метана (CH 4 ). Радикал HO 2 , полученный в результате реакции OH с O 3 , перерабатывается в OH в результате реакции с атомами кислорода или озоном. Кроме того, солнечные протонные события могут существенно влиять на уровень озона посредством радиолиза с последующим образованием OH. Закись азота (N 2 O) вырабатывается биологической активностью на поверхности и окисляется до NO в стратосфере; так называемые радикальные циклы NO x также истощают стратосферный озон. Наконец, молекулы хлорфторуглерода фотолизуются в стратосфере, высвобождая атомы хлора, которые реагируют с озоном, давая ClO и O 2 . Атомы хлора рециркулируются, когда ClO реагирует с O в верхней стратосфере или когда ClO реагирует сам с собой в химии озоновой дыры Антарктиды.

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. [10]

Полет самолета

Обычный Boeing 737-800, летящий на высоте 32 000 футов. Под ним — стая облаков. Над ним — яркое, окружающее голубое небо.
Самолеты обычно летают в стратосфере, чтобы избежать турбулентности, свирепствующей в тропосфере . Синий луч на этом изображении — это озоновый слой , распространяющийся дальше в мезосферу . Озон нагревает стратосферу, делая условия стабильными. Стратосфера также является пределом высоты для реактивных самолетов и метеозондов , поскольку воздух там примерно в тысячу раз тоньше, чем в тропосфере. [11]

Коммерческие авиалайнеры обычно летают на высоте 9–12 км (30 000–39 000 футов), что находится в нижних пределах стратосферы в умеренных широтах. [12] Это оптимизирует топливную эффективность , в основном из-за низких температур, встречающихся вблизи тропопаузы, и низкой плотности воздуха, что снижает паразитное сопротивление планера . Другими словами, это позволяет авиалайнеру лететь быстрее, сохраняя подъемную силу, равную весу самолета. (Расход топлива зависит от сопротивления, которое связано с подъемной силой отношением подъемной силы к лобовому сопротивлению .) Это также позволяет самолету оставаться выше турбулентной погоды тропосферы.

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), все в пределах стратосферы.

Поскольку температура в тропопаузе и нижней стратосфере в значительной степени постоянна с увеличением высоты, там происходит очень мало конвекции и ее результирующей турбулентности. Большая часть турбулентности на этой высоте вызвана изменениями в струйном течении и другими локальными сдвигами ветра, хотя области значительной конвективной активности ( грозы ) в тропосфере ниже могут вызывать турбулентность в результате конвективного выброса .

24 октября 2014 года Алан Юстас стал рекордсменом по достижению рекорда высоты для пилотируемого воздушного шара на высоте 135 890 футов (41 419 м). [13] Юстас также побил мировые рекорды по вертикальной скорости прыжков с парашютом, достигнув максимальной скорости 1321 км/ч (822 мили в час) и общей высоты свободного падения 123 414 футов (37 617 м) — все это продолжалось четыре минуты и 27 секунд. [14]

Циркуляция и смешивание

Стратосфера — это область интенсивного взаимодействия радиационных, динамических и химических процессов, в которой горизонтальное смешивание газообразных компонентов происходит гораздо быстрее, чем вертикальное. Общая циркуляция стратосферы называется циркуляцией Брюэра-Добсона , которая представляет собой одноячеистую циркуляцию, охватывающую от тропиков до полюсов, состоящую из тропического подъема воздуха из тропической тропосферы и внетропического опускания воздуха. Стратосферная циркуляция — это преимущественно волновая циркуляция, в которой тропический подъем вызывается волновой силой распространяющихся на запад волн Россби , в явлении, называемом накачкой волн Россби.

Интересной особенностью стратосферной циркуляции является квазидвухлетнее колебание (КДК) в тропических широтах, которое вызывается гравитационными волнами , конвективно генерируемыми в тропосфере . КДК вызывает вторичную циркуляцию , которая важна для глобального стратосферного переноса трассеров, таких как озон [15] или водяной пар .

Другой крупномасштабной особенностью, которая существенно влияет на стратосферную циркуляцию, является разрушающиеся планетарные волны [16], приводящие к интенсивному квазигоризонтальному перемешиванию в средних широтах. Это разрушение гораздо более выражено в зимнем полушарии, где этот регион называется зоной прибоя. Это разрушение вызвано крайне нелинейным взаимодействием между вертикально распространяющимися планетарными волнами и изолированной областью завихренности с высоким потенциалом, известной как полярный вихрь . Результирующее разрушение вызывает крупномасштабное перемешивание воздуха и других газовых примесей по всей зоне прибоя в средних широтах. Временные масштабы этого быстрого перемешивания намного меньше, чем гораздо более медленные временные масштабы подъема в тропиках и опускания во внетропических широтах.

Во время зим в северном полушарии внезапные стратосферные потепления , вызванные поглощением волн Россби в стратосфере, можно наблюдать примерно в половине зим, когда в стратосфере развиваются восточные ветры. Эти события часто предшествуют необычной зимней погоде [17] и даже могут быть ответственны за холодные европейские зимы 1960-х годов. [18]

Стратосферное потепление полярного вихря приводит к его ослаблению. [19] Когда вихрь сильный, он удерживает холодные воздушные массы высокого давления, содержащиеся в Арктике ; когда вихрь ослабевает, воздушные массы перемещаются к экватору, что приводит к быстрым изменениям погоды в средних широтах.

Молния в верхних слоях атмосферы

Молния, простирающаяся над тропосферой в стратосферу в виде синей струи и достигающая мезосферы в виде красного спрайта

Молния в верхних слоях атмосферы — это семейство кратковременных явлений электрического пробоя, которые происходят значительно выше высот обычных молний и грозовых облаков. Считается, что молния в верхних слоях атмосферы — это электрически индуцированные формы светящейся плазмы . Молния, простирающаяся выше тропосферы в стратосферу, называется синей струей , а достигающая мезосферы — красным спрайтом .

Жизнь

Бактерии

Бактериальная жизнь выживает в стратосфере, что делает ее частью биосферы . [ 20] В 2001 году пыль была собрана на высоте 41 километр в ходе эксперимента с высотным воздушным шаром, и при последующем исследовании в лаборатории было обнаружено, что она содержит бактериальный материал. [21]

Птицы

Сообщалось, что некоторые виды птиц летают в верхних слоях 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 . [22] Горные гуси ( Anser indicus ) иногда мигрируют над Эверестом , вершина которого находится на высоте 8 848 м (29 029 футов). [23] [24]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Тенденции температуры атмосферы, 1979–2005". NASA/Earth Observatory . 6 июля 2007 г. Архивировано из оригинала 5 сентября 2015 г. Получено 24 августа 2015 г.
  2. ^ Джонс, Дэниел (2003) [1917], Питер Роуч; Джеймс Хартманн; Джейн Сеттер (ред.), English Pronounceing Dictionary , Кембридж: Cambridge University Press , ISBN 978-3-12-539683-8
  3. ^ "Стратосфера". Словарь Merriam-Webster.com . Merriam-Webster.
  4. ^ ab "Стратосфера - обзор". scied.ucar.edu . Университетская корпорация по атмосферным исследованиям . Получено 25 июля 2018 г. .
  5. ^ "NWS JetStream - Слои атмосферы". www.weather.gov .
  6. ^ ab "Nasa Ozone Watch: Факты о полярных вихрях". ozonewatch.gsfc.nasa.gov .
  7. ^ Штайнхаген, Ганс (2005), Der Wettermann - Leben und Werk Ричард Асманнс , Нойенхаген, Германия: Findling, ISBN 978-3-933603-33-3
  8. ^ Jacob, Daniel J. (1999). "ГЛАВА 10. СТРАТОСФЕРНЫЙ ОЗОН". Введение в химию атмосферы. Princeton University Press. ISBN 9781400841547. Архивировано из оригинала 2019-09-30 . Получено 2020-10-20 – через acmg.seas.harvard.edu.
  9. ^ Seinfeld, JH; Pandis, SN (2006). Атмосферная химия и физика: от загрязнения воздуха до изменения климата (2-е изд.). Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 978-0-471-72018-8.
  10. ^ "Нобелевская премия по химии 1995 года". NobelPrize.org . Получено 21 июля 2020 г. .
  11. ^ "Стратосфера - обзор | Центр научного образования UCAR". Национальный центр научного образования . Получено 2021-02-06 .
  12. ^ Ченг, Дэниел (2003). Элерт, Гленн (ред.). «Высота полета коммерческого реактивного самолета». The Physics Factbook . Получено 21.01.2022 .
  13. ^ Маркофф, Джон (24.10.2014). «Рекордное падение парашютиста: более 25 миль за 15 минут (опубликовано в 2014 году)». The New York Times . ISSN  0362-4331 . Получено 20.10.2020 .
  14. ^ "Алан Юстас из Google побил рекорд Баумгартнера по прыжкам с парашютом". BBC News . 2014-10-24. Архивировано из оригинала 2014-10-25.
  15. ^ N.Butchart, AA Scaife, J. Austin, SHE Hare, JR Knight. Квазидвухлетние колебания озона в связанной модели химии и климата Архивировано 18 мая 2014 г. в Wayback Machine , журнале геофизических исследований.
  16. ^ М. Э. Макинтайр , Т. Н. Палмер. Разрушающиеся планетарные волны в стратосфере Архивировано 17.03.2017 в Wayback Machine , Nature.
  17. ^ М. П. Болдуин и Т. Дж. Данкертон. «Стратосферные предвестники аномальных погодных режимов». Архивировано 12 января 2014 г. в Wayback Machine , журнале Science.
  18. ^ AA Scaife, JR Knight, GK Vallis, CK Folland. Влияние стратосферы на зимний NAO и климат поверхности Северной Атлантики. Архивировано 18 мая 2014 г. в Wayback Machine , Geophysical Research Letters.
  19. ^ «Как внезапное стратосферное потепление влияет на всю атмосферу». Eos . 20 марта 2018 г. Получено 21 июля 2020 г.
  20. ^ ДасСарма, Прия; ДасСарма, Шиладитья (2018). «Выживание микробов в стратосфере Земли». Current Opinion in Microbiology . 43 : 24–30. doi :10.1016/j.mib.2017.11.002. ISSN  1369-5274. PMID  29156444. S2CID  19041112.
  21. ^ Майкл Марк Вулфсон (2013). Время, пространство, звезды и человек: история Большого взрыва. World Scientific. стр. 388. ISBN 978-1-84816-933-3.
  22. ^ Laybourne, Roxie C. (декабрь 1974 г.). «Столкновение стервятника и самолета на высоте 37 000 футов» (PDF) . The Wilson Bulletin . 86 (4): 461–462. ISSN  0043-5643. JSTOR  4160546. OCLC  46381512. Архивировано (PDF) из оригинала 22.02.2014.
  23. ^ "Audubon: Birds". Audubonmagazine.org. Архивировано из оригинала 2011-09-14 . Получено 2011-11-08 .
  24. ^ Томас Алерстам; Дэвид А. Кристи; Астрид Ульфстранд (1993). Миграция птиц. Cambridge University Press. стр. 276. ISBN 978-0-521-44822-2.

Внешние ссылки

Найдите термин «стратосфера» в Викисловаре, бесплатном словаре.