地球圈层结构研究（2）
胡经国
⑶、平流层
①、平流层概述
平流层（Stratosphere），又称为同温层，是指地球大气圈中上热下冷的一层。平流层是夹于大气圈对流层与中间层之间。按温度，该层被分成不同的温度层。其中，高温层位于顶部，低温层位于底部。而对流层则刚好相反，是上冷下热的。在中纬度地区，平流层位于距离地面10～50公里；而在极地，该层则起始于距离地面8公里左右。
②、平流层物质组成
平流层物质组成主要为氮气、氧气，含少量的水汽、臭氧（在距地面22～27千米形成臭氧层）、尘埃、放射性微粒、硫酸盐质点。
③、平流层温度
平流层温度随高度增加而升高。平流层的顶部温度大约在270K（K为热力学温标单位的符号）左右变化（注），与地面气温差不多。平流层顶部称为平流层顶，在此之上气温又再次以随高度增加而降低。由于高温层在上而低温层在下，因而平流层空气较为稳定。在平流层里没有常规的对空气流活动及与此相连的气流。
注：热力学温标，又称为开尔文温标、绝对温标，简称开氏温标，是国际单位制七个基本物理量之一，其单位为开尔文，简称开，符号为K。热力学温标T与人们惯用的摄氏温标t的换算关系式是：T（K）=273.15+t（℃）。
平流层的增温是由于臭氧层吸收了来自太阳的紫外线，把平流层顶部加热的结果。至于平流层的底部，来自顶部的传导及下部对流层的对流刚好在那里相互抵消，所以极地的平流层会在较低高度出现。这是因为极地的地面气温相对较低。
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。罗斯贝波（RossbyWave）是大气中的一种非常缓慢的、大尺度的波动。它是由于地球自转时，在不同纬度和高度上的角速度不同所引起的。罗斯贝波从对流层的中下层到平流层低层都可以见到。
④、平流层臭氧
平流层中最重要的化学组分就是臭氧（O3）。臭氧是地球大气中的一种微量气体，由三个氧原子组成，是氧气的同素异形体。臭氧在大气圈中通常分布在对流层和平流层中。环绕在地球表面至高空8～16公里范围内的一层大气为对流层。这对流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公里左右的范围为平流层。实际上，平流层保存了大气中90%的臭氧。位于这一高度的平流层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。
臭氧层损耗的主要原因是因为平流层中存在着含氯氟烃。含氯氟烃是氯、氟及碳的聚合物。由于含氯氟烃的稳定性、价钱低廉、无毒性、非易燃性、非腐蚀性，因而时常被用作喷雾剂、冷却剂及溶剂等。但是，正因为它的稳定性而使其持续存在于环境之中，不易化解。这些含氯氟烃分子会逐渐地飘移到平流层，继而产生一连串的链锁反应，最终使臭氧层受到损耗。
⑤、平流层环流特性
平流层是一个放射性、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气态成份混合来得要快。一个较为有趣的平流层环流特性是发生于热带地区的“准双年震荡”（QBO）。这种现象是由重力波引导的，并且是由于对流层的对流而引起的。准双年震荡导致了次级环流的发生。这对于全球性平流层输送诸如臭氧及水蒸气等气体尤为重要。
⑥、平流层短波紫外辐射
由于平流层的高度比对流层高，因而与到达地表的太阳辐射相比，平流层的太阳辐射含有更多的短波紫外辐射。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，但是也不会造成对地表生物圈的损害。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；若缺乏则会引起软骨病，尤其是会对儿童的发育产生不良的影响。
波长在280～315nm之间的紫外光称为UV-B区。这一波段的紫外辐射是可能到达地表并且对人类和生态系统造成最大危害的部分。
波长在200～280nm之间的紫外光称为UV-C区。该区紫外线波长短、能量高，不过这一区的紫外线能被大气中的氧气和臭氧完全吸收，即使平流层臭氧发生损耗，UV-C波段的紫外线也不会到达地表造成不良影响。
⑦、平流层季候风
平流层内的风力分布颇为特别。由于平流层底部受到对流层顶部的西风带影响，因而平流层底部几乎都盛行西风。然而，在平流层上中部则会出现以下现象。由于在极地附近的夏季会有极昼的现象发生，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，结果导致高纬度地区温度比低中纬度地区高，随即进入高压状态。反之，而在低纬度地区则会相对地处于低压状态。因此便产生了出从高纬度高压处流向低纬度低压处的气流。这种气流由于受到“科里奥利力”的影响而变成了东风。所以，在平流层上中部除了特别的场合以外，都属于东风带，夏季会比较盛行东风，称为平流层东风。
科里奥利力（CoriolisForce），又称为哥里奥利力，简称科氏力，是对在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性相对于旋转体系而产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性。
在冬季来临时，这种现象就会发生逆转。与夏季相反，极地附近整天都不会受到太阳照射，结果导致高纬度地区温度比低中纬度地区低，随即进入低压状态。反之，而在低纬度地区则会相对地处于高压状态。因此便产生了从低纬度高压流向高纬度低压的气流。这种气流由于受到“科里奥利力”的影响而变成了西风，称为平流层西风。
由于平流层西风及平流层东风随季节变化而改变风向，因而可以被认为是季候风的一种，称之为平流层季候风。平流层西风及平流层东风的最大风速都可达大约50米/秒。
⑷、中间层
①、中间层概述
中间层（Mesosphere），又称为中层，是指自平流层顶到距地面85千米之间的大气层。在该层内，由于臭氧含量低，同时能被氮、氧等直接吸收的太阳短波辐射已经大部分被上层大气所吸收，因而温度垂直递减率很大，大气对流运动强盛。
中间层顶附近的温度约为190K；空气分子在吸收太阳紫外辐射以后可以发生电离，因此习惯上将中间层顶称为电离层的D层；有时在高纬度夏季黄昏时会有夜光云出现。
②、中间层物质组成
中间层物质组成以氮气和氧气为主，几乎没有臭氧。
③、中间层主要特征
中间层主要特征如下：
A、气温随高度增加而迅速降低
中间层主要特征之一是气温随高度增高而迅速降低。中间层顶界气温可以降至-83～-113℃。这是因为该层臭氧含量极少，不能大量吸收太阳紫外线，而氮、氧能吸收的短波辐射又大部分被上层大气所吸收，因此中间层气温随高度增加而迅速降低。
中间层与对流层一样，气温随高度按比例递减。在中间层底部，高浓度的臭氧会吸引紫外线使平均气温徘徊在-2.5℃左右，甚至会高达0℃左右。但是，由于随着高度增加臭氧浓度会随之降低，因而在中间层顶的平均气温又会降至-92.5℃的低温。所以，通常在中间层顶附近，是大气垂直结构内气温最低的部分。由于中间层的平均气温递减率比对流层小，因而虽然有少部份大气对流活动发生，但是其大气相对比较稳定，很少发生高气压、低气压的现象。并且由于中间层的大气密度非常之低，因而该层的热力构造主要决定于以下二者的平衡：一是氧分子吸收太阳紫外线把大气加热，二是二氧化碳放射红外线将大气冷却。
B、大气产生相对强烈的对流运动
中间层另一个主要特征是中间层大气会产生相对强烈的对流运动。因此，中间层又称为高空对流层或上对流层。这是因为该层大气上部冷、下部暖的缘故。但是，由于该层空气稀薄，因而其大气对流运动强度不能与对流层相比。
中间层夏季会比冬季处于一个气温更低的状态。这是因为在冬季时，大气重力波破碎在这一层输送向西的动量，如同施加向西的拖曳力。为了平衡这一拖曳力，大气必须朝极地经向运动获得朝东的“科氏力”。这一由夏极地到冬极地的大气经向运动造成了夏极地的大气上升，绝热膨胀冷却；而冬极地的大气则下沉，绝热压缩加热。由于这一大气环流对温度的影响超过了太阳辐射加热，因而导致中间层顶的温度反而是阳光直射的夏极地最冷，而无阳光的冬极地则最热。所以，夏季中间层顶的气温可以低至-100℃以下。在如此低温之下，像夜光云般的特殊薄云也有可能被观测到。
在中间层顶以上的大气中所蕴含的原子、分子，因受到太阳紫外线影响而产生电离，增加了自由电子。在大气中产生气体原子、分子电离的层次称为电离层。其中最底的一层即D层，就位于中间层顶附近。它位于距离地面50～90公里的高空。所以，中间层顶部的电子密度处于一个比较多的状态。
④、中间层气压
中间层不会发生高、低气压。但是，由于中间层的大气密度非常小，因而像行星波之类的长周期波动，会以一个大的振幅从底层传递上来。根据这样的波动现象，在振幅极大的地方会形成力学上不稳定的部分。再者，这种波动现象也同样会对其附近的大气循环造成较大影响。
⑤、中间层夜光云
夜光云（NoctilucentCloud），又称为极地中气层云，是指深曙暮期间出现于地球高纬度地区高空的一种发光而透明的波状云。它的产生一般需要有三个条件，即：低温、水蒸汽和尘埃。这样，水蒸汽才能凝结成极小的冰晶。
2020年1月21日编写于重庆
2021年12月16日修改于重庆
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