Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Стратосфера (значения) .
На этой фотографии космический шаттл Endeavour, кажется, соединяет стратосферу и мезосферу . «Оранжевый слой - это тропосфера , в которой создается и содержится вся погода и облака. Этот оранжевый слой уступает место беловатой стратосфере, а затем - мезосфере». [1] (Шаттл на самом деле движется по орбите на высоте более 320 км (200 миль), намного выше этого переходного слоя).
На этом изображении показан температурный тренд в нижней стратосфере, измеренный серией спутниковых инструментов в период с января 1979 года по декабрь 2005 года. Нижняя стратосфера находится на высоте около 18 километров над поверхностью Земли. В изображении стратосферы преобладают синие и зеленые тона, что указывает на охлаждение с течением времени. [2]
Диаграмма, показывающая пять основных слоев атмосферы Земли: экзосфера , термосфера , мезосфера , стратосфера и тропосфера . Слои масштабируются. Расстояние от поверхности Земли до верха стратосферы (50 км) составляет чуть менее 1% радиуса Земли.

Стратосферы ( / ы т г æ т ə ˌ ы е ɪər , - т oʊ - / [3] [4] ) является вторым основным слоем атмосферы Земли , чуть выше тропосферы , и ниже мезосфере . Стратосфера стратифицирована (многослойна) по температуре: более теплые слои расположены выше, а более холодные - ближе к Земле; это повышение температуры с высотой является результатом поглощения ультрафиолетового излучения Солнца (сокращенного УФ) озоновым слоем . [5] В этом отличие от тропосферы у поверхности Земли, где температура снижается с высотой. Граница между тропосферой и стратосферой, тропопауза , отмечает начало этой температурной инверсии. Вблизи экватора нижний край стратосферы достигает 20 км (66000 футов; 12 миль), в средних широтах - около 10 км (33000 футов; 6,2 мили), а на полюсах - около 7 км (23000 футов; 4,3 мили). ) [5] Диапазон температур в среднем от -51 ° C (-60 ° F; 220 K) около тропопаузы до среднего -15 ° C (5,0 ° F; 260 K) около мезосферы. [6] Температура стратосферы также меняется в стратосфере в зависимости от сезона, достигая особенно низких температур в полярную ночь.(зима). [7] Ветры в стратосфере могут намного превышать ветры в тропосфере, достигая около 60 м / с (220 км / ч; 130 миль / ч) в южном полярном вихре . [7]

Озон и температура [ править ]

Механизм, описывающий образование озонового слоя, был описан британским математиком Сиднеем Чепменом в 1930 году. [8] Молекулярный кислород поглощает высокоэнергетический солнечный свет в УФ-С-диапазоне с длинами волн короче примерно 240 нм. Радикалы, образующиеся из гомолитически расщепленных молекул кислорода, соединяются с молекулярным кислородом с образованием озона. Озон, в свою очередь, фотолизируется намного 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 объединяется с атмосферным молекулярным кислородом с преобразованием O 3., выделяя тепло. Быстрый фотолиз и преобразование озона нагревают стратосферу, что приводит к температурной инверсии. Это повышение температуры с высотой характерно для стратосферы; его устойчивость к вертикальному перемешиванию означает, что он расслоен. В стратосфере температура увеличивается с высотой (см. Температурную инверсию ) ; верхняя часть стратосферы имеет температуру около 270 К (-3 ° C или 26,6 ° F ). [9]

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 процессы конвекции, такие как колонны извержения вулканов и превышение вершин во время сильных гроз суперячейки, может переносить конвекцию в стратосферу на очень локальной и временной основе. В целом ослабление солнечного УФ-излучения на длинах волн, повреждающих ДНК озоновым слоем, позволяет жизни существовать на поверхности планеты за пределами океана. Весь воздух, попадающий в стратосферу, должен проходить через тропопаузу, температурный минимум, разделяющий тропосферу и стратосферу. Поднимающийся воздух буквально сушится вымораживанием; стратосфера - очень сухое место. Вершина стратосферы называется стратопаузой , выше которой температура понижается с высотой.

Сидней Чепмен дал правильное описание источника стратосферного озона и его способности генерировать тепло в стратосфере; он также писал, что озон может быть разрушен при 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 связан с реакцией гидроксильных радикалов (• ОН) с озоном. • ОН образуется в результате реакции электронно-возбужденных атомов кислорода, образующихся при фотолизе озона, с водяным паром. В то время как стратосфера сухая, дополнительный водяной пар образуется на месте в результате фотохимического окисления метана (CH 4 ). ХО2 радикал, образующийся в результате реакции ОН с О 3 , возвращается в ОН по реакции с атомами кислорода или озона. Кроме того, солнечные протонные события могут значительно влиять на уровни 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 NOx также разрушают стратосферный озон. Наконец, молекулы хлорфторуглерода подвергаются фотолизу в стратосфере, высвобождая атомы хлора, которые реагируют с озоном, давая ClO и O 2.. Атомы хлора рециркулируются, когда ClO реагирует с O в верхних слоях стратосферы или когда ClO реагирует с самим собой в химическом составе озоновой дыры в Антарктике.

Пол Дж. Крутцен, Марио Дж. Молина и Ф. Шервуд Роуленд были удостоены Нобелевской премии по химии в 1995 г. за их работу по описанию образования и разложения стратосферного озона. [10]

Полет на самолете [ править ]

Самолеты обычно летают в стратосфере, чтобы избежать сильнейшей турбулентности в тропосфере . Синий луч на этом изображении - озоновый слой , излучающий дальше в мезосферу . Озон нагревает стратосферу, что делает условие стабильным. 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 курсируют на высоте 9–12 км (30 000–39 000 футов), что находится в нижнем течении стратосферы в умеренных широтах. [12] Это оптимизирует эффективность использования топлива , в основном из - за низкие температуры , возникающих вблизи тропопаузы и низкой плотности воздуха, уменьшая паразитное сопротивление на планере . 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 посредством отношения подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению .) Это также позволяет самолету оставаться над турбулентной погодой тропосферы.

Конкорд самолет совершил рейс в Mach 2 при температуре около 19000 м (62000 футов), и SR-71 совершил рейс в Машине 3 на 26000 м (85000 футов), все в пределах стратосферы.

Поскольку температура в тропопаузе и нижних слоях стратосферы в значительной степени постоянна с увеличением высоты, там возникает очень слабая конвекция и связанная с ней турбулентность. Большая часть турбулентности на этой высоте вызывается колебаниями струйного течения и другими местными 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 пилотируемого аэростата на высоте 135 890 футов (41 419 м). [13] Юстас также побил мировые рекорды в прыжках с парашютом с вертикальной скоростью, 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. [14]

Циркуляция и смешивание [ править ]

Стратосфера - это область интенсивного взаимодействия радиационных, динамических и химических процессов, в которой горизонтальное смешение газовых компонентов происходит намного быстрее, чем вертикальное смешение. Общая циркуляция стратосферы называется циркуляцией Брюера-Добсона , которая представляет собой одноклеточную циркуляцию, охватывающую от тропиков до полюсов, состоящую из тропического восходящего потока воздуха из тропической тропосферы и внетропического нисходящего потока воздуха. . Стратосферная циркуляция - это преимущественно волновая циркуляция в том смысле, что тропический апвеллинг вызывается волновой силой распространяющихся на запад волн Россби в явлении, называемом накачкой волн Россби.

Интересной особенностью стратосферной циркуляции являются квазидвухлетние колебания (КДЦ) в тропических широтах, которые вызываются гравитационными волнами , которые конвективно генерируются в тропосфере . QBO вызывает вторичную циркуляцию, которая важна для глобального стратосферного переноса индикаторов, таких как озон [15] или водяной пар .

Еще одна крупномасштабная особенность, которая существенно влияет на циркуляцию стратосферы, - это разрушающиеся планетарные волны [16], приводящие к интенсивному квазигоризонтальному перемешиванию в средних широтах. Это нарушение гораздо более выражено в зимнем полушарии, где этот регион называется зоной прибоя. Это нарушение вызвано сильно нелинейным взаимодействием между вертикально распространяющимися планетарными волнами и изолированной областью высокой потенциальной завихренности, известной как полярный вихрь . Возникающее в результате разрушение вызывает крупномасштабное перемешивание воздуха и других газовых примесей в зоне прибоя в средних широтах. Временной масштаб этого быстрого перемешивания намного меньше, чем гораздо более медленные временные рамки апвеллинга в тропиках и даунвеллинга во внетропических регионах.

Зимой 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 явления часто предшествуют необычной зимней погоде [17] и могут даже быть причиной холодных европейских зим 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 движутся к экватору, что приводит к быстрым изменениям погоды в средних широтах.

Жизнь [ править ]

Бактерии [ править ]

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

Птицы [ править ]

Сообщается, что некоторые виды птиц летают на верхних уровнях тропосферы. 29 ноября 1973 года стервятник Руппелла ( Gyps rueppelli ) был проглочен в реактивный двигатель на высоте 11 278 м (37 000 футов) над Берегом Слоновой Кости , и гуси с гусиными головами ( Anser indicus ), как сообщается, пролетели над вершиной Эвереста , что составляет 8848 метров. м (29 029 футов). [22] [23] [24]

Открытие [ править ]

В 1902 году Леон Тейссерен де Борт из Франции и Ричард Ассманн из Германии в отдельных, но скоординированных публикациях и после нескольких лет наблюдений опубликовали открытие изотермического слоя на высоте около 11–14 км, который является основанием нижней стратосферы. Это было основано на профилях температуры в основном беспилотных и нескольких пилотируемых аэростатов с измерительными приборами. [25]

См. Также [ править ]

  • Le Grand Saut
  • Локхид U-2
  • Перестрелка сверху
  • Истощение озонового слоя
  • Paris Gun (снаряд был первым искусственным объектом, достигшим стратосферы)
  • Проект Perlan
  • Project Excelsior , мировой рекорд по рекордному прыжку
  • Red Bull Stratos
  • RQ-4 Глобальный Ястреб
  • Практический потолок
  • Молния в верхних слоях атмосферы

Ссылки [ править ]

  1. ^ "ISS022-E-062672 подпись" . НАСА . Архивировано 19 ноября 2012 года . Проверено 21 сентября 2012 года .
  2. ^ «Тенденции атмосферной температуры, 1979–2005» . НАСА / Обсерватория Земли . 6 июля 2007 года архивации с оригинала на 5 сентября 2015 года . Проверено 24 августа 2015 года .
  3. ^ Джонс, Дэниел (2003) [1917], Питер Роуч; Джеймс Хартманн; Джейн Сеттер (ред.), Словарь английского произношения , Кембридж: Издательство Кембриджского университета , ISBN 978-3-12-539683-8
  4. ^ "Стратосфера" . Словарь Мерриама-Вебстера .
  5. ^ a b "Стратосфера - обзор" . scied.ucar.edu . Университетская корпорация атмосферных исследований . Проверено 25 июля 2018 года .
  6. ^ "NWS JetStream - Слои атмосферы" . www.weather.gov .
  7. ^ a b «Наблюдение за озоном НАСА: факты о полярных вихрях» . ozonewatch.gsfc.nasa.gov .
  8. ^ "ГЛАВА 10. СТРАТОСФЕРНЫЙ ОЗОН" . acmg.seas.harvard.edu . Проверено 20 октября 2020 .
  9. Перейти ↑ Seinfeld, JH, and SN (2006), Атмосферная химия и физика: от загрязнения воздуха до изменения климата, 2-е изд., Вили, Нью-Джерси
  10. ^ "Нобелевская премия по химии 1995" . NobelPrize.org . Проверено 21 июля 2020 .
  11. ^ "Стратосфера - обзор | Центр научного образования UCAR" . Национальный центр научного образования . Проверено 6 февраля 2021 .
  12. ^ "Высота коммерческого самолета" . Hypertextbook.com. Архивировано 31 октября 2011 года . Проверено 8 ноября 2011 .
  13. ^ Марков, Джон (2014-10-24). «Рекордное падение парашютиста: более 25 миль за 15 минут (опубликовано в 2014 году)» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 20 октября 2020 . 
  14. ^ "Алан Юстас из Google побил рекорд Баумгартнера в прыжках с парашютом" . BBC News . 2014-10-24. Архивировано 25 октября 2014 года.
  15. ^ N.Butchart, А. А. Скэйф, J. Austin, ОНА Hare, JR Knight. Квазидвухлетние колебания озона в связанной химико-климатической модели. Архивировано 18 мая 2014 г. в Wayback Machine , Journal of Geophysical Research.
  16. ^ ME Макинтайр, TN Палмер. Разрушение планетарных волн в стратосфере. Архивировано 17 марта 2017 года в Wayback Machine , Nature.
  17. ^ MP Болдуин и TJ Dunkerton. ' Стратосферные предвестники аномальных погодных режимов. Архивировано 12 января 2014 года в журнале Wayback Machine , Science Magazine.
  18. ^ А. Скэйф, JR Knight, GK Валлис, CK Folland. Влияние стратосферы на зимний климат САК и поверхности Северной Атлантики. Архивировано 18 мая 2014 г. в Wayback Machine , Geophysical Research Letters.
  19. ^ «Как внезапное стратосферное потепление влияет на всю атмосферу» . Эос . Проверено 21 июля 2020 .
  20. ^ ДасСарма, Прия; ДасСарма, Шиладитья (2018). «Выживание микробов в стратосфере Земли». Текущее мнение в микробиологии . 43 : 24–30. DOI : 10.1016 / j.mib.2017.11.002 . ISSN 1369-5274 . PMID 29156444 .  
  21. ^ Майкл Марк Вулфсон (2013). Время, пространство, звезды и человек: история Большого взрыва . World Scientific. п. 388. ISBN. 978-1-84816-933-3.
  22. ^ Laybourne, Рокси С. (декабрь 1974). «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.    
  23. ^ «Одюбон: Птицы» . Audubonmagazine.org. Архивировано 14 сентября 2011 года . Проверено 8 ноября 2011 .
  24. ^ Томас Алерстам; Дэвид А. Кристи; Астрид Ульфстранд (1993). Миграция птиц . Издательство Кембриджского университета. п. 276. ISBN. 978-0-521-44822-2.
  25. ^ Steinhagen, Ганс (2005), Der Wettermann - Leben унд Werk Richard Aßmanns , Neuenhagen, Германия: Findling, ISBN 978-3-933603-33-3

Внешние ссылки [ править ]

  • Текущая карта глобальных ветров и температур на уровне 10 гПа.