Стратосфера - Stratosphere

Для использования в других целях см. Стратосфера (значения).
Космический шатл Стараться кажется, колеблется в стратосфере и мезосфера на этой фотографии. "Оранжевый слой - это тропосфера, где генерируются и содержатся все данные о погоде и облаках. 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 приборов 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.

В стратосфера (/ˈsтрæтəˌsжɪər,-тoʊ-/[3][4]) является вторым основным слоем Атмосфера Земли, чуть выше тропосфера, а ниже мезосфера. Стратосфера стратифицированный (слоистый) по температуре, с более теплыми слоями выше и более холодными слоями ближе к Земле; это повышение температуры с высотой является результатом поглощения ультрафиолетового излучения Солнца (сокращенное УФ) озоновый слой.[5] Это контрастирует с тропосферой у поверхности Земли, где температура уменьшается 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 миль), а на нижнем уровне полюса около 7 км (23000 футов; 4,3 мили)[5] Диапазон температур составляет от -51 ° C (-60 ° F; 220 K) около тропопаузы до среднего -15 ° C (5,0 ° F; 260 K) около мезосферы.[6] Температуры стратосферы также меняются в пределах стратосферы в зависимости от сезона, достигая особенно низких температур в полярная ночь (зима).[7] Ветры в стратосфере могут намного превышать ветры в тропосфере, достигая около 60 м / с (220 км / ч; 130 миль / ч) на юге страны. Полярный вихрь.[7]

Озон и температура

Механизм образования озонового слоя описал британский математик. Сидней Чепмен в 1930 г.[8] Молекулярный кислород поглощает высокоэнергетический солнечный свет в диапазоне УФ-C 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, подвергается фотолизу гораздо быстрее, чем молекулярный кислород, поскольку он имеет более сильное поглощение, которое происходит на более длинных волнах, где солнечное излучение более интенсивно. Озон (O3) фотолиз дает O и O2. Продукт атома кислорода объединяется с атмосферным молекулярным кислородом для преобразования O3, выделяя тепло. Быстрый фотолиз и преобразование озона нагревает 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 (видеть температурная инверсия ); верхняя часть стратосферы имеет температуру около 270 K (−3° C или 26,6° F ).[9]

Эта вертикаль стратификация с более теплыми слоями вверху и более холодными слоями внизу, делает стратосферу динамически стабильной: нет регулярных конвекция и связанные турбулентность в этой части атмосферы. Однако исключительно энергичные процессы конвекции, такие как вулканические колонны извержения и превышающие вершины в тяжелом суперячейки грозы, 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 - минимум температуры, разделяющий тропосферу и стратосферу. Поднимающийся воздух буквально сушится вымораживанием; стратосфера - очень сухое место. Вершина стратосферы называется стратопауза, выше которого температура уменьшается 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 из-за реакции гидроксильные радикалы (• OH) с озоном. • ОН образуется в результате реакции электронно-возбужденных атомов кислорода, образующихся в результате фотолиза озона, с водяным паром. В то время как стратосфера сухая, дополнительный водяной пар образуется на месте в результате фотохимического окисления метан (CH4). HO2 радикал, образующийся при реакции OH с O3 рециркулируется в ОН по реакции с атомами кислорода или озона. Кроме того, солнечные протонные события могут значительно повлиять на уровень озона через радиолиз с последующим образованием ОН. Оксид азота (N2O) образуется в результате биологической активности на поверхности и окисляется до NO в стратосфере; так называемые радикальные циклы NOx также разрушают стратосферный озон. Ну наконец то, хлорфторуглерод Молекулы фотолизируются в стратосфере, высвобождая атомы хлора, которые реагируют с озоном, давая ClO и O2. 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

Коммерческий авиалайнеры обычно курсируют на высотах 9–12 км (30 000–39 000 футов), что находится в нижнем течении стратосферы в умеренных широтах.[11] Это оптимизирует эффективность топлива, в основном из-за низких температур вблизи тропопаузы и низкой плотности воздуха, что снижает паразитическое сопротивление на планер. 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 подъемная сила и лобовое сопротивление.) Это также позволяет самолету оставаться над бурный погода тропосферы.

В Конкорд крейсерская скорость самолета составляла 2 Мах на высоте около 19 000 м (62 000 футов), а СР-71 крейсерская скорость 3 махов на высоте 26 000 м (85 000 футов), все в стратосфере.

Поскольку температура в тропопаузе и нижней стратосфере в значительной степени постоянна с увеличением высоты, там возникает очень слабая конвекция и возникающая в результате турбулентность. Большая часть турбулентности на этой высоте вызывается колебаниями струйный поток и другие местные сдвиги ветра, хотя области значительной конвективной активности (грозы ) в тропосфере ниже может вызвать турбулентность в результате конвективный выброс.

24 октября 2014 г. Алан Юстас стал рекордсменом по достижению рекорда высоты пилотируемого аэростата на высоте 135 890 футов (41 419 м).[12] Юстас также побил мировые рекорды в прыжках с парашютом с вертикальной скоростью, достигнув максимальной скорости 1321 км / ч (822 мили в час) и общей дистанции свободного падения 123414 футов (37 617 м) - продолжительностью четыре минуты 27 секунд.[13]

Циркуляция и смешивание

Стратосфера - это область интенсивного взаимодействия между излучательными, динамичный, и химические процессы, в которых горизонтальное смешение газообразных компонентов происходит намного быстрее, чем вертикальное смешение. Общая циркуляция стратосферы называется Циркуляция Брюера-Добсона, который представляет собой одноклеточную циркуляцию, простирающуюся 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 которой тропический апвеллинг вызывается волновой силой, распространяющейся на запад. Россби волны в явлении, называемом накачкой волны Россби.

Интересной особенностью стратосферной циркуляции является квазидвухлетнее колебание (QBO) в тропических широтах, что обусловлено гравитационные волны которые конвективно генерируются в тропосфера. QBO индуцирует вторичная циркуляция это важно для глобального стратосферного переноса трассеров, таких как озон[14] или же водяной пар.

Еще одна крупномасштабная особенность, которая существенно влияет на циркуляцию стратосферы, - это разрушающиеся планетные волны.[15] что приводит к интенсивному квазигоризонтальному перемешиванию в средних широтах. Это нарушение гораздо более выражено в зимнем полушарии, где эта область называется зоной прибоя. Это нарушение вызвано сильно нелинейным взаимодействием между вертикально распространяющимися планетарными волнами и изолированными высокими потенциальная завихренность регион, известный 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 нисходящего потока во внетропических регионах.

Зимой в северном полушарии внезапные стратосферные потепления, вызванные поглощением Россби волны в стратосфере, может наблюдаться примерно в половине зимы, когда в стратосфере развиваются восточные ветры. Эти события часто предшествуют необычной зимней погоде. [16] и, возможно, даже ответственны за холодные европейские зимы 1960-х годов.[17]

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

Жизнь

Бактерии

Бактериальный жизнь выживает в стратосфере, делая ее частью биосфера.[19] В 2001 году пыль была собрана на высоте 41 километр в ходе эксперимента на высотном воздушном шаре, и при дальнейшем 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 г. Стервятник Рюппеля (Gyps rueppelli) попал в реактивный двигатель на высоте 11 278 м (37 000 футов) над уровнем моря. Кот-д'Ивуар, и бархатные гуси (Ансер Индикус) по сообщениям пролетает гора Эверест на высшем уровне, которая составляет 8 848 м (29 029 футов).[21][22][23]

Открытие

В 1902 г. Леон Тейссерен де Борт из Франции и Ричард Ассманн из Германии в отдельных, но скоординированных публикациях и после нескольких лет наблюдений опубликовал 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.[24]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "ISS022-E-062672 подпись". НАСА. В архиве из оригинала 19 ноября 2012 г.. Получено 21 сентября 2012.
  2. ^ «Тенденции атмосферных температур, 1979–2005 годы». НАСА / Обсерватория Земли. 6 июля 2007 г. В архиве из оригинала 5 сентября 2015 г.. Получено 24 августа 2015.
  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 Merriam-Webster.
  5. ^ а б «Стратосфера - обзор». scied.ucar.edu. Университетская корпорация атмосферных исследований. Получено 25 июля 2018.
  6. ^ «NWS JetStream - Слои атмосферы». www.weather.gov.
  7. ^ а б «Наблюдение за озоном НАСА: факты о полярных вихрях». ozonewatch.gsfc.nasa.gov.
  8. ^ «ГЛАВА 10. СТРАТОСФЕРНЫЙ ОЗОН». acmg.seas.harvard.edu. Получено 2020-10-20.
  9. ^ Сейнфелд, Дж. Х. и С. Н. (2006), Химия и физика атмосферы: от загрязнения воздуха до изменения климата, 2-е изд., Вили, Нью-Джерси
  10. ^ "Нобелевская премия по химии 1995 г.". NobelPrize.org. Получено 2020-07-21.
  11. ^ «Высота коммерческого самолета». Hypertextbook.com. В архиве из оригинала 31.10.2011. Получено 2011-11-08.
  12. ^ Марков, Джон (2014-10-24). «Рекордное падение парашютиста: более 25 миль за 15 минут (опубликовано в 2014 году)». Нью-Йорк Таймс. ISSN  0362-4331. Получено 2020-10-20.
  13. ^ «Алан Юстас из Google побил рекорд Баумгартнера в прыжках с парашютом». Новости BBC. 2014-10-24. В архиве из оригинала 2014-10-25.
  14. ^ Н.Бутчарт, А.А. Scaife, J. Austin, S.H.E. Заяц, Дж. Р. Найт. Квазидвухлетние колебания озона в связанной химико-климатической модели В архиве 2014-05-18 в Wayback Machine, Журнал геофизических исследований.
  15. ^ М.Э. Макинтайр, Т. Палмер. Разрушение планетарных волн в стратосфере В архиве 2017-03-17 в Wayback Machine, Природа.
  16. ^ М.П. Болдуин и Т.Дж. Дункертон. 'Стратосферные предвестники аномальных погодных режимов В архиве 2014-01-12 в Wayback Machine, Научный журнал.
  17. ^ А.А. Scaife, J.R. Knight, G.K. Валлис, К. Фолланд. Влияние стратосферы на зимний климат САК и приземный климат Северной Атлантики В архиве 2014-05-18 в Wayback Machine, Письма о геофизических исследованиях.
  18. ^ «Как внезапное стратосферное потепление влияет на всю атмосферу». Эос. Получено 2020-07-21.
  19. ^ ДасСарма, Прия; ДасСарма, Шиладитья (2018). «Выживание микробов в стратосфере Земли». Текущее мнение в микробиологии. 43: 24–30. Дои:10.1016 / j.mib.2017.11.002. ISSN  1369-5274. PMID  29156444.
  20. ^ Майкл Марк Вулфсон (2013). Время, пространство, звезды и человек: история Большого взрыва. World Scientific. п. 388. ISBN  978-1-84816-933-3.
  21. ^ Лейборн, Рокси К. (декабрь 1974 г.). «Столкновение стервятника с самолетом на высоте 37 000 футов» (PDF). Бюллетень Уилсона. 86 (4): 461–462. ISSN  0043-5643. JSTOR  4160546. OCLC  46381512. В архиве (PDF) из оригинала от 22.02.2014.
  22. ^ "Одюбон: Птицы". Audubonmagazine.org. В архиве из оригинала от 14.09.2011. Получено 2011-11-08.
  23. ^ Томас Алерстам; Дэвид А. Кристи; Астрид Ульфстранд (1993). Миграция птиц. Издательство Кембриджского университета. п. 276. ISBN  978-0-521-44822-2.
  24. ^ Штейнхаген, Ганс (2005), Der Wettermann - Leben und Werk Рихард Асманнс, Нойенхаген, Германия: Findling, ISBN  978-3-933603-33-3

внешняя ссылка