魏科
我们生活在地球大气层的最底部,头顶的大气向外一直延伸到至少1000km以上,地球大气虽然是一个整体,但从下到上各个区域的属性和特性各不相同,按照不同的标准,可以分为若干个层次。最常用的分层标准是以温度的变化为依据,将地球大气分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层共5个层次。
(资料图片仅供参考)
对流层是从地球表面到对流层顶之间的大气范围,厚度平均约为11千米。这是最接近地球表面的一层大气,也是空气最稠密,密度最大的层次,所包含的空气质量占整个大气质量的75%,几乎所有的水蒸气及杂质都在对流层,几乎所有的天气现象也发生在这一层。
我们今天不讨论对流层,我们讨论对流层之上的平流层,从对流层顶以上到大约50千米的范围为平流层,平流层里温度随高度逐渐升高,这与对流层的变化情况正好相反。
根据19世纪测得的大气低层温度递减率(0.7摄氏度/100米),当时很多物理学家认为,随着高度增加,大气的温度会降低到极端低值,例如德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹就认为到了距离地面30km以上的地方,温度可能就接近绝对零度了,内能可能会彻底消失。
实际上这是不可能实现的,因为随着高度的增加,虽然距离地面的热源越来越远,但是大气的成分会逐渐改变,大气中臭氧的含量逐渐增加,臭氧主要由大气中氧气吸收太阳的紫外线而生成的。大气中90%的臭氧都集中在距离地面20-30km的范围内,这个层次是臭氧层,臭氧虽然不吸收我们肉眼可见的太阳光,但是可以吸收我们肉眼不可见的紫外线,吸收紫外线之后,臭氧层的大气温度就会逐渐增加。所以平流层里随着高度增加,温度逐渐升高。
随着高度增加温度也逐渐增加,这就形成了下面冷上面热的温度分布,这是一种非常稳定的状态,因此这个空气层里面的空气很少有垂直运动,主要是以水平运动为主,所以叫做平流层(Stratosphere),因为空气水平流动,上下颠簸很弱,所以非常适合飞机飞行,目前的商业飞机和高空侦察机等,都主要在平流层低层和对流层高层飞行。
所以,平流层在我们能看到的所有云的上方,那块蓝色的地方。因为这里没有太多上升和下沉的气流运动,所以这里也没有太多的天气现象。可能有的朋友就会说,没什么太多现象,研究它还有什么用?
实际上,平流层跟我们的生活息息相关,尤其是位于20千米~30千米之间的臭氧层。给我们撑起了一把无处不在、无时不在的遮阳大伞,隔绝了绝大多数来自太阳的紫外线。
地球上能接受到的最多的宇宙辐射就是太阳光。大家都觉得太阳光又温暖,又纯净,又明亮,实际上,太阳光里包含了很多人类肉眼看不见的光线,比如紫外线。按照波长由长到短来划分,紫外线可以分为UVA、UVB和UVC,其中UVC是最危险的紫外线。在UVC的长期照射下,没有任何生命可以存活。我们经常听到紫外线消毒灯、黑光灯,其实这种灯发出来的光线就是肉眼看不见的UVC,它可以用来消毒、杀菌。
UVB会带来什么影响呢?在UVB的长期照射之下,人容易得皮肤癌和白内障,每年全世界因皮肤癌而死亡和因白内障而失明的人都非常多。
至于UVA,很多爱美人士都非常痛恨它,因为在UVA的照射下,皮肤很容易变老、变黑、长皱纹,而变老首先就是从皮肤开始的。
好在人类非常幸运,因为头顶的平流层就像一把大伞,它无处不在、无时不在地保护着我们。臭氧层可以隔绝100%最危险的UVC,隔绝50%以上的UVB,一部分的UVA。所以,能够到达地球表面的紫外线只是紫外线中的一小部分,这一小部分但对于我们的健康是有用的,缺乏紫外线照射,人容易缺乏维生素D和钙,导致骨质疏松、佝偻病、软骨病、运动发育迟缓、手足抽搐等。
平流层的运动状况有一些鲜明的特点。比如说,在中纬度和高纬度地区,大概有半年时间都是东风环流,另外半年大概是西风环流。所以,如果夏季你从北极的上空看,会看到一个顺时针环流;到了冬季,就会看到一个逆时针环流。
平流层的风速非常大,大到什么程度?比地球上所有台风和飓风的风速还要大。急流区的风速甚至可以达到100米/秒以上,这支急流形成对高纬度冷空气的禁锢圈,将冷空气控制在黑暗幽冷的极区。当急流上产生大尺度扰动的时候,急流发生扭曲,就会产生冷空气向南的倾泻。就像一个水盆稳定旋转一样,里面的水洒不出来,而当水盆自身不稳定颠簸的时候,就容易把里面的水洒出来。
例如,2016年1月底,我国东部地区非常冷,连我国广东、台湾等地都下雪了,这被网友称为“霸王级寒潮”。如果在“霸王级寒潮”发生前一周或者前两周去观察平流层,就看到整个极涡被扭曲变形,冷空气源源不断地喷涌而出。
2019年1月份的北美超级寒冷,感觉一下子进入了冰河时代。这是因为1月份,北极极涡的中心被分裂,一直偏到了北美的上空,所以才造成了北美的天气异常寒冷。
同样,2021年1月初,我国东部地球遭遇极端冷空气,1月7日早晨,北京大部地区最低气温在-24~-18℃,南郊观象台最低气温-19.6℃,为1966年(-27.4℃,1966年2月22日)之后冬季最低值,在此之前平流层发生了爆发性增温,极涡被推出北极,偏移到西伯利亚上空,从而把极区的北极和西伯利亚的冷空气倾泻出来。
所以,我将平流层比喻为“全球冷空气,尤其是极端冷空气的发动机”。
另外,平流层还是全球气候变化的放大器,可以把一个地区的气候异常放大成全球的气候异常,把短时间的气候异常,放大成为长时间的气候异常。
比如,当发生火山爆发的时候,火山喷发出的火山灰、岩浆等影响的主要是火山局地,当火山喷发特别强的时候,大量硫酸盐气溶胶进入平流层,会随着平流层的大气环流输送到全球各个地方,由于平流层缺乏垂直运动,所以这些气溶胶在平流层可以维持相当长的时间,阻挡太阳辐射,形成阳伞效应,减少地面的太阳辐射,形成全球性长期的降温过程。从而把局地短期的事件,放大为长期全球的气候事件。
在过去半个世纪,1963年的阿贡火山喷发了约800万吨二氧化硫进入平流层,1982年爆发的埃尔奇琼火山爆发了约700万吨二氧化硫进入平流层,而1991年的Pinatubo火山爆发,有大约2000万吨二氧化硫进入平流层,这三次火山爆发都在全球温度序列里留下了印记,降温幅度分别为约-0.2°C、约-0.2°C和约-0.5°C,持续时间为1-2年。
更大的火山喷发,比如1815年4月印度尼西亚松巴哇岛上的坦博拉火山喷发,火山灰柱高度达到45公里(到平流层高层),火山气溶胶笼罩全球,在东南亚造成71000多人死亡,其中11000-12000人是直接因为火山爆发造成的,其余人则是死于饥荒和疾病。而万里之遥的欧洲,饥荒造成超过20万死亡。
这样的放大效应也适用于大规模山火燃烧产生的黑碳气溶胶,以及核战争引起的核冬天。所谓核冬天的意思就是,核武器会让易燃物燃烧产生的黑烟(黑碳),喷射进入平流层,通过平流层环流弥漫到全球,阻挡太阳辐射,引起地面降温,使地表呈现严寒如冬的天气。
前几年科学家们做过这样的数值试验,模拟了一场小型核战争。比如印度和巴基斯坦两国因为某种原因发动了战争,印度投了50枚核弹头,巴基斯坦也投了50枚核弹头,100枚核弹头引起100场大火,100座城市因此毁于一旦。模拟实验中的核弹头都很小,只有1.5万吨TNT当量,相当于“二战”时美国投到日本广岛的原子弹“小男孩”的当量。
即便是实验中模拟的小型核战争,也会向全球注入大概500万吨的黑碳。它们进入平流层之后,会在半年之内迅速弥漫整个平流层,从南极到北极,阻挡太阳辐射。
因为平流层里的大气以水平运动为主,空气很稳定,所以即使10年以后,大气里大概还会有110万吨的黑碳,它会造成全球性的气候影响,最主要的体现就是会影响农业。
科学家们模拟的结果显示,没有参与战争的美国和中国的农业也会受到严重影响:在战争爆发的第一个5年里,中国的冬小麦减产可能会达到40%,春小麦减产大概会达到35%;美国的玉米减产大概达到20%。
第二个5年里,美国的玉米和大豆的减产大概是10%;中国的粮食减产大概是15%~25%。
很多研究国际政治的人应该知道,农作物如果减产到这种程度,一定带来的是全球粮食危机,物价飞涨,这对穷人的影响是最大的。
如果战争规模再大一点,变成1000枚核弹头呢?大概会有5000万吨的黑碳被喷射到平流层,全球气温将降低3℃左右;如果爆炸的核弹头数量增加到3000枚,全球气温将降低7℃左右。
现在全球的平均气温是15℃,如果降低7℃,那就直接从15℃度的春天到大概8℃的冬天了。一个真真实实的核冬天就会来临。所以,我们头顶的平流层对我们非常重要,它可以放大各种或人为或自然过程造成的气候影响。核战争中哪怕我们距离战争万里之遥,但是通过头顶平流层的输送作用和全球气候的响应,也会造成全球的影响,核战争阴影之下,没有哪个国家能独善其身。
总结起来,平流层是全球极端冷空气的发动机。同时,它提供给我们一把无处不在、无时不在的遮阳伞,使地球变得更为宜居,同时它是全球气候的放大器,影响到平流层的异常事件,最终会影响全球。
审核:皇甫静亮 中科院大气物理所台风专家
文章由科普中国-星空计划(创作培育)出品,转载请注明来源
凡本网注明“XXX(非现代青年网)提供”的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和其真实性负责。
原标题:河北蔚县:文化进万家老戏传新声工人日报-中工网记者兰德华通讯员蔺媛媛“金秋华夏彩旗扬 ”台上表演精湛,唱腔优美,台下群众欢
2022-12-05 08:48
原标题:“陆游的乡村世界”火了中国文化报记者 党云峰2022年是南宋诗人陆游诞辰897周年。为进一步弘扬宋韵文化,擦亮“宋韵越城”和“陆游诗
2022-12-05 08:49
【视线】原标题:《风味人间》第四季将谷物汇集成篇(引题)每一种谷物都有自己的“人生故事”(主题)工人日报-中工网记者陈俊宇“谷物是人类
2022-12-04 20:40
原标题:重庆合川发现春秋时期巴文化遗存出土各类器物278件记者日前从重庆市文物考古研究院获悉,在历时6个多月的抢救性考古发掘后,重庆合川
2022-12-04 05:34
原标题:京津冀三地协同立法推进大运河文化保护传承利用为加强大运河文化保护传承利用,进一步提升京津冀协同发展水平,2022年12月1日,天津市
2022-12-04 05:38
原标题:2023年故宫博物院年票12月1日开售每张300元中新网12月1日电故宫博物院近日发布关于2023年故宫博物院年票发售的公告。2023年故宫博物院年
2022-12-02 19:42
原标题:文旅部:将剧本娱乐经营场所全面纳入监管视线据文化和旅游部网站消息,近日,文旅部市场管理司召开全国剧本娱乐管理工作视频会,督促
2022-12-02 19:43
原标题:嘉陵江下游发现春秋时期巴文化遗存新华社重庆11月30日电(记者刘恩黎)记者日前从重庆市文物考古研究院获悉,在历时6个多月的抢救性考
2022-12-02 09:31
解码·博物馆文创产品开发原标题:对话甘肃省博物馆文创中心设计师团队——(引题)精美灵动的文创产品这样产生(主题)人民日报记者付文核心
2022-11-30 16:43
原标题:山西展出商周青铜盘珍品人民日报海外版记者邹雅婷西周晋叔友父盘。山西博物院供图近日,“盘之典——商周青铜盘特展”在山西博物院开
2022-11-30 05:49
原标题:刚刚!“中国传统制茶技艺及其相关习俗”申遗成功!北京时间11月29日晚,我国申报的“中国传统制茶技艺及其相关习俗”,成功通过评审
2022-11-30 05:30
权威快报原标题:“中国传统制茶技艺及其相关习俗”申遗成功记者从文化和旅游部获悉,北京时间11月29日晚,我国申报的“中国传统制茶技艺及其
2022-11-30 05:32
原标题:河南仰韶村遗址发现5000多年前大型房屋基址新华社郑州11月28日电(记者桂娟、史林静)130平方米的大房子、“混凝土”地坪、大型防御壕
2022-11-29 08:45
解码·博物馆文创产品开发原标题:复原技艺,转化创意,组建乐团(引题)曾侯乙编钟的文创旅行(主题)人民日报记者李霞当前,依托博物馆等文
2022-11-29 05:34
原标题:江苏盐城建湖县出土1 5吨唐宋钱币11月28日,新江苏记者从盐城市建湖县文旅部门获悉,该县冈西镇双墩村发现一处北宋末年的钱币窖藏遗存
2022-11-29 05:34
原标题:李仁清:拓古传今“复活”石雕在位于郑州市金水区文化馆的工作室里,李仁清查看完成后的拓印作品(11月16日摄)。新华社记者李安摄上
2022-11-28 22:45
原标题:多元粤剧节目亮相香港“粤剧日”活动新华社香港11月27日电(记者黄茜恬)香港特区政府康文署27日在香港文化中心和香港太空馆举行一年
2022-11-28 17:27
原标题:新闻特写丨古船“归港”海洋木质文物该如何保护?眼前,这个在江面上行驶的长方形大家伙,名叫“奋力轮”。在它怀抱里,静静躺着一个
2022-11-28 05:25
原标题:海南省第六届少数民族文艺会演开幕新华社客户端海口11月27日电(周慧敏、谭生其)为繁荣和发展海南省少数民族文化,促进各民族交往交
2022-11-28 05:38
原标题:在古镇见证戏剧“丰硕生长”——第九届乌镇戏剧节开幕记者:段菁菁、郑梦雨25日晚,在位于浙江省桐乡市的乌镇大剧院,乌镇戏剧节发起
2022-11-27 15:31
原标题:《爱的二八定律》热播引发观众思考人生态度中工网讯(工人日报—中工网记者苏墨)都市情感剧《爱的二八定律》正在腾讯视频热播。该剧
2022-11-27 07:34
【视线】原标题:硬核科技助力中国水下考古取得新的历史性突破工人日报—中工网记者苏墨22根巨型弧形梁组成的长48米、宽19米、高9米、重约8800
2022-11-27 07:45
原标题:《平民英雄张富清传》研讨会举办中工网讯(工人日报—中工网记者邹明强)近日,湖北省报告文学学会在省文联主办了《平民英雄张富清传
2022-11-27 05:41
原标题:通向未来的阶梯人们常说,书籍是人类进步的阶梯。实际上,这句话因蕴含着形而上的想象而意蕴非常,喜欢开卷的文豪们几乎难以用有限且
2022-11-27 05:41
【新书榜单】原标题:日常的点滴与自然的优雅《游世与自然生活》颜世安著 湖南人民出版社作者以隐者传统和道家思想为背景,以郭象所注《庄子
2022-11-27 05:29