Стратосфера
Стратосфера s ( / ˈ s t r æ t ə ˌ / f ɪər , -t oʊ - тропосферой ) — второй нижний слой атмосферы Земли , расположенный над и под мезосферой . [2] [3] Стратосфера состоит из стратифицированных температурных зон, где более теплые слои воздуха расположены выше (ближе к космическому пространству ), а более холодные слои — ниже (ближе к поверхности планеты Земля). Повышение температуры с высотой результатом поглощения озоновым ультрафиолетового является УФ) излучения слоем , где озон фотолизуется экзотермически ( в кислород циклически . Солнца [4] Эта температурная инверсия отличается от тропосферы, где температура снижается с высотой, а между тропосферой и стратосферой проходит граница тропопаузы , разграничивающая 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; 6,2 мили); 4,3 мили). [4] Температура колеблется 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]
Открытие
[ редактировать ]В 1902 году Леон Тейсерк 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. [7]
Озоновый слой
[ редактировать ]
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 солнечный свет высокой энергии 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 ). [9] [ нужна страница ]
Эта вертикальная стратификация нет регулярной конвекции и связанной с ней турбулентности с более теплыми слоями вверху и более холодными слоями внизу делает стратосферу динамически стабильной: в этой части атмосферы . Однако исключительно энергичные конвекционные процессы, такие как столбы извержений вулканов и перелеты через 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
[ редактировать ]Сидни Чепмен дал правильное описание источника стратосферного озона и его способности генерировать тепло в стратосфере; [ нужна ссылка ] он также писал, 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, а это 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. ) образуется дополнительный водяной пар Пока стратосфера сухая, на месте в результате фотохимического окисления метана (CH 4 . 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. Окончательно, Молекулы хлорфторуглерода фотолизируются в стратосфере с выделением атомов хлора, которые реагируют с озоном с образованием 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. [10]
Полет самолета
[ редактировать ]
Коммерческие авиалайнеры обычно курсируют на высоте 9–12 км (30 000–39 000 футов), что находится в нижних частях стратосферы в умеренных широтах. [12] Это оптимизирует топливную экономичность , в основном за счет низких температур вблизи тропопаузы и низкой плотности воздуха, что снижает сопротивление планера паразитное . 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). [13] Юстас также побил мировые рекорды прыжков 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. [14]
Циркуляция и смешивание
[ редактировать ]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 Брюера-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 представляет собой преимущественно волновую циркуляцию, 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. [15] или водяной пар .
Еще одной крупномасштабной особенностью, существенно влияющей на стратосферную циркуляцию, являются обрушивающиеся планетарные волны. [16] что приводит 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.
Зимой в северном полушарии 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. [17] и, возможно, даже ответственен 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 под высоким давлением, содержащиеся в Арктике ; когда вихрь ослабевает, воздушные массы движутся к экватору, что приводит к быстрым изменениям погоды в средних широтах.
Молния в верхних слоях атмосферы
[ редактировать ]
Молния в верхних слоях атмосферы представляет собой семейство кратковременных явлений электрического пробоя, которые происходят значительно выше высоты обычных молний и грозовых облаков. Считается, что молнии в верхних слоях атмосферы представляют собой электрически индуцированные формы светящейся плазмы . Молния, распространяющаяся над тропосферой в стратосферу, называется синей струей , а достигающая мезосферы — красным спрайтом .
Жизнь
[ редактировать ]Бактерии
[ редактировать ]Бактериальная жизнь выживает в стратосфере, что делает 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
[ редактировать ]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 . [22] Гороголовые гуси ( Anser indicus ) иногда мигрируют через гору Эверест , вершина которой составляет 8848 м (29029 футов). [23] [24]
См. также
[ редактировать ]- Большой скачок
- Локхид У-2
- Превышение вершины
- Разрушение озона
- Парижская пушка (снаряд был первым искусственным объектом, достигшим верхних слоев стратосферы)
- Перлан Проект
- Проект Excelsior , мировой рекорд по высоте прыжка, 1961–2012 гг.
- Red Bull Stratos , мировой рекорд по высоте прыжков в 2012–2014 гг.
- RQ-4 Глобал Хок
- Сервисный потолок
- Молния в верхних слоях атмосферы
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Тенденции температуры атмосферы, 1979–2005 гг.» . НАСА/Обсерватория Земли . 6 июля 2007 г. Архивировано из оригинала 5 сентября 2015 г. . Проверено 24 августа 2015 г.
- ^ Джонс, Дэниел (2003) [1917], Питер Роуч; Джеймс Хартманн; Джейн Сеттер (ред.), Словарь английского произношения , Кембридж: Издательство Кембриджского университета , ISBN 978-3-12-539683-8
- ^ «Стратосфера» . Словарь Merriam-Webster.com .
- ^ Перейти обратно: а б «Стратосфера – обзор» . scied.ucar.edu . Университетская корпорация по исследованию атмосферы . Проверено 25 июля 2018 г.
- ^ «NWS JetStream — Слои атмосферы» . www.weather.gov .
- ^ Перейти обратно: а б «Наблюдение за озоном НАСА: факты о полярных вихрях» . ozonewatch.gsfc.nasa.gov .
- ^ Штайнхаген, Ганс (2005), Метеоролог - жизнь и творчество Рихарда Ассмана , Нойенхаген, Германия: Findling, ISBN 978-3-933603-33-3
- ^ Джейкоб, Дэниел Дж. (1999). «ГЛАВА 10. СТРАТОСФЕРНЫЙ ОЗОН». Введение в химию атмосферы . Издательство Принстонского университета. ISBN 9781400841547 . Архивировано из оригинала 30 сентября 2019 г. Получено 20 октября 2020 г. - через acmg.seas.harvard.edu.
- ^ Сейнфельд, Дж. Х.; Пандис, С.Н. (2006). Химия и физика атмосферы: от загрязнения воздуха до изменения климата (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 978-0-471-72018-8 .
- ^ «Нобелевская премия по химии 1995 года» . NobelPrize.org . Проверено 21 июля 2020 г.
- ^ «Стратосфера - обзор | Центр научного образования UCAR» . Национальный центр научного образования . Проверено 6 февраля 2021 г.
- ^ Ченг, Дэниел (2003). Элерт, Гленн (ред.). «Высота коммерческого реактивного самолета» . Справочник по физике . Проверено 21 января 2022 г.
- ^ 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.
- ^ «Алан Юстас из Google побил рекорд Баумгартнера по прыжкам с парашютом» . Новости Би-би-си . 24 октября 2014 г. Архивировано из оригинала 25 октября 2014 г.
- ^ 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.
- ^ М. Е. Макинтайр , Т. Н. Палмер. Разрушение планетарных волн в стратосфере. Архивировано 17 марта 2017 г. в Wayback Machine , Nature.
- ^ Член парламента Болдуин и Ти Джей Данкертон. ' Стратосферные предвестники аномальных погодных режимов . Архивировано 12 января 2014 г. в журнале Wayback Machine , журнал Science.
- ^ 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.
- ^ «Как внезапное стратосферное потепление влияет на всю атмосферу» . Эос . 20 марта 2018 года . Проверено 21 июля 2020 г.
- ^ 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 . ПМИД 29156444 . S2CID 19041112 .
- ^ Майкл Марк Вульфсон (2013). Время, пространство, звезды и человек: история Большого взрыва . Всемирная научная. п. 388. ИСБН 978-1-84816-933-3 .
- ^ 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.
- ^ «Одюбон: Птицы» . Audubonmagazine.org. Архивировано из оригинала 14 сентября 2011 г. Проверено 8 ноября 2011 г.
- ^ Томас Алерстам; Дэвид А. Кристи; Астрид Ульфстранд (1993). Миграция птиц . Издательство Кембриджского университета. п. 276. ИСБН 978-0-521-44822-2 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
