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同温层

同温层(stratosphere)是对流层顶部至平流层中下层区域,是平流层里温度最低(中高纬度地区同温层温度在-45°左右)且温度保持不变或变化很小的区域。

从对流层顶到50~55 KM高度的一层称为平流层。从对流层顶到35~40 KM左右的一层,气温几乎不随高度变化,为-55℃左右,故称为同温层。从这以上到平流层顶,气温随高度增高而增高,至平流层顶达-3℃左右,亦称逆温层,平流层集中了大气中大部分臭氧(O3),并在20-25 KM高度上达到最大值,形成臭氧层。臭氧层能强烈吸收波长为200~300 nm的太阳紫外线,保护了地球上的生命免受紫外线伤害。

平流层是介于对流层与中间层之间。

平流层含有臭氧,具有吸收紫外线功能,保护地球上所有生物的生存和地表免于受阳光中强烈的紫外线致命的侵袭。

同温层之所以与对流层相反,随高度上升是气温上升,是因为其含有丰富的臭氧,因此其上半部分由于吸收了大量来自太阳的紫外线而被加热。故之在这一层,气温会因高度而上升。同温层的顶部气温大概徘徊在-3C左右,与地面气温差不多。同温层顶部称为同温层顶,在此之上气温又会再以随高度而下降。

至于垂直气温分层方面,由于高温层置上而低温层置下,使得同温层较为稳定。那是因为那里没有常规的对流活动及如此相连的气流。此层的增温是由于臭氧层吸收了来自太阳的紫外线,它把同温层的顶部加热。至于同温层的底部,来自顶部的传导及下部对流层的对流刚好在那里抵消。所以,极地的同温层会于较低高度出现,因为极地的地面气温相对较低。

对流层,高度每上升1公里,气温会平均下降摄氏6.99度。在中纬度地区气温会由海平面的大约+17℃下降至平流层顶的大约-52℃。这种气温递减是因为绝热冷却的出现。当空气上升时,气压会下降而空气随之扩张。为了使空气扩张,需要有一定的功施予四周,故此气温会下降。(因热力学第一定律)

而在极地(高纬度地区),由于平流层相对地薄,所以气温只会下降至-45℃,相反赤道地区(低纬度地区)气温可以下降到-75℃。

正因为平流层的上部热下部冷,所以平流运动特别显著。

对流层与其之上的平流层的边界,约离地面11公里附近的位置,称为对流层顶。要计算在平流层的气温因高度而转变,就需要认识对流层,因对流层界定了平流层的位置。在对流层,气温随高度而下降,反之在平流层,气温会随高度而上升。当气温递减率由正数(对流层)转到负数(平流层)的现象出现时,那正好表示了那里是对流层顶的区域了。但这个边界的高度会随季节及纬度而有所变化。一般来说,在赤道地区附近高17公里,而在极地附近则约高9公里,而平均高度则大概离地11公里左右。长途客机大多会在这个边界飞行。

同温层内的风力分布颇为特别,

首先同温层底部受到对流层顶部的西风带影响,所以几乎都吹着西风。然后,同温层上中部则会出现以下的现象。极地附近的夏季会有极昼的现象发生,所以处于夏季的半球,高纬度地区受到的日照时间会比低中纬度地区为长。因为极地附近会因臭氧层而渐渐和暖,结果形成了高压状态。反之低纬度会相对地处于低压状态。因此,在同温层的上中部除了特别的场合以外,夏季会比较盛行东风,亦即东风带,称为同温层东风。

而冬季来临时这个现象就会逆转发生。极地附近就会与夏季相反整天也不会受到太阳照射,结果高纬度地区就会比低中纬度地区低温,亦即进入低压状态。因此产生了从低纬度流向高纬度的气流,称为同温层西风。由于这种现象会随季节变化而改变风向,所以亦可被认为是季候风的一种,称之为同温层季候风。 [1]

氮气、氧气、少量的水汽、臭氧(在22-27千米形成臭氧层)、尘埃、放射性微粒、硫酸盐质点。 [1]

由于同温层的高度较对流层高,一般将来自太阳的紫外辐射按照波长的大小分为三个区,波长在315-400nm(1nm=10-9m)之间的紫外光称为UV-A区,该区的紫外线不能被臭氧有效吸收,但是也不造成地表生物圈的损害。

事实上,这一波段少量的紫外线也是地表生物所必需的,它可促进人体的固醇类转化成维生素D,如果缺乏会引起软骨病,尤其对儿童的发育产生不良的影响;波长为280-315nm的紫外光称为UV-B区,这一波段的紫外辐射是可能到达地表并对人类和生态系统造成最大危害的部分;波长为200-280nm的紫外光部分称为UV-C区,该区紫外线波长短,能量高。

环绕在地球表面至高空8-16公里范围内的一层大气称为对流层,这一层中的臭氧对人类和生态环境是有害的,它也是当前城市大气光化学烟雾污染的主要物质。对流层向上至大约50公里左右的范围,就是通常所称的同温层。实际上,同温层保存了大气中90%的臭氧,位于这一高度的臭氧能有效地吸收对人类健康有害的紫外线(UV-B段),从而保护了地球上的生命。 [1]

同温层也称平流层, 指的是 8~ 50k m 的高空, 该区域温度基本上是常数( - 55 ) , 气流大体是平稳的。在同温层某一高度存在一个层流风为零的面, 这个面随地点和季节有所变化。同温层气球平台工作于这一高度, 较易实现稳定。2000 年 N AS A 超长周期气球( U l tr a Lo ng Dur a tio n Bal lo o n ) 的成功实验, 大大拓宽了同温层气球的应用领域。例如在天文观测、地球物理、大气监测等方面的应用。由于造价较低、灵活以及具有高空优势, 其在通信、导航定位、监测等方面的应用研究也崭露头角。无论哪种应用, 都涉及到同温层气球平台的定位问题。当前同温层气球平台的定位方式有 G PS 定位、双星定位、惯导定位等。GP S 定位系统可以获得较好的定位精度, 但独立性和可靠性较差。双星系统的用户个数有限, 而且定位精度受高度测量精度影响比较大。纯惯导系统的定位精度随时间发散。2002 年 1 月, 韩国的 Cha ng Hee Won 提出了反向定位系统( I nve r se Po si t i o n i ng Sy s te m, I P S ) 的概念。该系统针对驻留型同温层气球的特点, 由地面接收机对高空发射机进行定位, 构成独立自主的定位系统。本文针对我国的实际情况, 建立了 I PS系统的定位模型, 给出了地面站选址依据, 并通过计算、仿真得到了系统位置几何误差系数较理想的一组地面站分布; 研究了系统的主要误差源, 并对系统进行了仿真, 结果表明系统具有良好的性能, 是驻留型同温层气球平台的优选定位方式, 有重要的应用价值。 [2]

同温层空间使用准静止的长驻空飞艇作为高空信息平台,与地面控制设备、信息接口设备以及各种类型的无线用户终端构成的天地空一体化综合信息系统产生同温层。

通信系统,与通信卫星相比,它往返延迟短、自由空间衰耗少,有利于实现通信终端的小型化、宽带化和对称双工的无线接入;与地面蜂窝系统相比,同温层平台的作用距离、覆盖地区大、信道衰落小 ,因而发射功率可以显著减少。不但大大降低了建设地面信息基础设施的费用,而且也降低了对基站周围的辐射污染。对人类的贡献相当大。 [1]

同温层通信是通信领域技术革命的产物。在同温层设置通信平台实际上是一个早就有了的想法,只是在空中定位技术基本完善的基础上,美国高空平台国际公司才于 1996年 3月 向FCC提 交 了关 于 在 离地 面 2123公里处设置电信平台网,传输 和 经 营全 球无 线 因特网业务和视频通信业务的申请。高空电信平台网的目标是 5年内,在世界上的主要城市建立 250个通信平台。 [3]

在热带地区,商业客机一般会于离地表10公里的高空,即平流层的底部处巡航。这是为了避开对流层因对流活动而产生的气流。而在客机巡航阶段所遇上的气流,大多是因为在对流层发生了对流超越现象。同样地,滑翔机一般会在上升暖气流上滑翔,这股气流从对流层上升到达平流层平流层就会停止。这样一来变相为世界各地的滑翔机设定了高度限制。纵然有些滑翔机会用上背风波来飞得更高,把滑翔机带到平流层之中。

同温层是一个放射性、动力学及化学过程都会有强烈反应的区域。因为其水平的气态成份混合比起垂直的混合都来得要快。一个较为有趣的平流层环流特性是发生于热带地区的准双年振荡(QBO、)。这种现象由重力波引导,是由于对流层的对流而引至的。准双年震荡引致了次级环流的发生,这对于全球性的平流层输送诸如臭氧及水蒸气等尤为重要的。

在北半球的冬季,平流层突发性增温经常发生。这是因为平流层吸收了罗斯贝波所致。 [1]

民用航空领域的大型客机大多飞行于此层,以增加飞行的稳定度。

主要原因有:

一、能见度高。

地球大气的平流层水汽、悬浮固体颗粒、杂质等极少,天气比较晴朗,光线比较好,能见度很高,便于高空飞行。

二、受力稳定。

平流层的大气上暖下凉,大气不对流,以平流运动为主,飞机在其中受力比较稳定,便于飞行员操纵架驶。

三、噪声污染小。

平流层距地面较高,飞机绝大部分时间在其中飞行,对地面的噪音污染相对较小。

四、安全系数高。

飞鸟飞行的高度一般(有资料称加拿大黑雁可以)达不到平流层,飞机在平流层中飞行就比较安全。在起飞和着陆时,要设法驱赶开飞鸟才更为安全。

五、经济效益好。

飞机的发动机经济性好,较高高度空气阻力小,高度越高就越省油。另外因为平流层的水平气流大,飞机可以借助风力,节省燃料。 [1]

臭氧层的损耗主因,是因为同温层中存在着含氯氟烃(简称CFCs-如CF2Cl2及CFCl3)。含氯氟烃是氯、氟及碳的聚合物。正因为含氯氟烃的稳定性、价钱低廉、无毒性、非易燃性、非腐蚀性,时常被用作喷雾剂、冷却剂及溶剂等等。但正因它的稳定性却使其持续存在于环境之中,不易化解。这些分子会逐渐地飘到同温层,继而进行一连串的链锁反应,最终会使到臭氧层受到损耗。美国政府早于1980年已经禁止使用含氯氟烃作为喷雾剂。世界各国亦开始于1987年9月努力减少使用含氯氟烃,直至1996年,全球禁止工厂生产及释放含氯氟烃的法例终于生效。 [1]

同温层臭氧耗损已引起一个对全球平均辐射的负面影响,发生于同温层下部的全球臭氧耗损引起了该区域温度下降,并导致到达地表对流 层系统 的辐射减少。 [4]

同温层上部的氧分子在紫外线作用下光解产生氧原 子,并因复合作用而产生臭氧,这些臭氧分子聚集在一起形成臭氧层。 ‘引起矣 氧 层长 期变 化的 主 要原 因 如下:1含氯氟烃浓度的增加。 2甲烷的增加。3二 氧化碳的 增加 < 同 温 层温度 降低 >。4太阳活功周期的 变动 < 太阳 紫外线强度的变 动 >。5 N2O的增加。 [5]


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