Введение

Стратосфера (/s/t/r/æ/t/ə/, /s/f/ɪər/, /t/oʊ/) – второй слой атмосферы Земли, расположенный над тропосферой и ниже мезосферы. Стратосфера представляет собой атмосферный слой, состоящий из слоев с расслоенной температурой: теплые слои воздуха находятся высоко в небе, а холодные – внизу, близко к поверхности планеты Земля. Повышение температуры с высотой обусловлено поглощением ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца озоновым слоем. Эта температурная инверсия контрастирует с тропосферой и приземным слоем, где температура понижается с увеличением высоты. Граница между тропосферой и стратосферой – тропопауза – отмечает начало температурной инверсии. Вблизи экватора нижняя граница стратосферы находится на высоте около 10–15 км, в средних широтах – около 8–12 км, а на полюсах – примерно 7–10 км. Температура в стратосфере также меняется в зависимости от времени года, достигая особенно низких значений в полярную ночь (зиму). Скорость ветров в стратосфере может значительно превышать скорость ветров в тропосфере, достигая почти 300 км/ч в южном полярном вихре.

Озоновый слой

Механизм, описывающий образование озонового слоя, был описан британским математиком и геофизиком Сидни Чепменом в 1930 году и известен как цикл Чепмена, или озоно-кислородный цикл. Молекулярный кислород поглощает высокоэнергетический солнечный свет в области УФ-С, при длинах волн менее примерно 240 нм. Радикалы, образующиеся при гомолитическом расщеплении молекул кислорода, соединяются с молекулярным кислородом, образуя озон. Озон, в свою очередь, фотолизируется гораздо быстрее, чем молекулярный кислород, поскольку он обладает более сильным поглощением, происходящим на больших длинах волн, где солнечное излучение более интенсивно. Фотолиз озона (O3) приводит к образованию O и O2. Атом кислорода, образующийся в результате, соединяется с молекулярным кислородом в атмосфере, регенерируя O3 и выделяя тепло. Быстрый фотолиз и регенерация озона нагревают стратосферу, вызывая инверсию температуры. Это увеличение температуры с высотой характерно для стратосферы; ее устойчивость к вертикальному перемешиванию означает, что она стратифицирована. Внутри стратосферы температура возрастает с высотой (см. инверсия температуры); температура верхней части стратосферы составляет около 270 К (-3 °C или 26,6 °F). Эта вертикальная стратификация, с более теплыми слоями выше и более холодными слоями ниже, делает стратосферу динамически стабильной: в этой части атмосферы нет регулярной конвекции и связанной с ней турбулентности. Однако исключительно энергичные конвективные процессы, такие как столбы вулканических извержений и восходящие потоки в сильных грозах суперячеек, могут временно и локально переносить конвекцию в стратосферу. В целом, ослабление солнечного УФ-излучения на длинах волн, повреждающих ДНК, благодаря озоновому слою, позволяет жизни существовать на поверхности планеты вне океана. Весь воздух, поступающий в стратосферу, должен проходить через тропопаузу – температурный минимум, разделяющий тропосферу и стратосферу. Поднимающийся воздух буквально высушивается; стратосфера – очень сухое место. Верхняя часть стратосферы называется стратопаузой, над которой температура уменьшается с высотой.

Формирование и разрушение

Сидни Чепмен дал правильное описание источника стратосферного озона и его способности генерировать тепло внутри стратосферы; он также указал, что озон может разрушаться в результате реакции с атомарным кислородом, образуя две молекулы молекулярного кислорода. Сейчас мы знаем, что существуют дополнительные механизмы потери озона, и эти механизмы являются каталитическими, то есть небольшое количество катализатора способно разрушить большое количество молекул озона. Первый из них связан с реакцией гидроксильных радикалов (•OH) с озоном. •OH образуется в результате реакции электрически возбужденных атомов кислорода, образованных при фотолизе озона, с водяным паром. Хотя стратосфера сухая, дополнительный водяной пар образуется непосредственно в ней в результате фотохимического окисления метана (CH4). Радикал HO2, образующийся в результате реакции OH с O3, регенерируется в OH в результате реакции с атомами кислорода или озоном. Кроме того, вспышки солнечных протонов могут существенно влиять на уровни озона посредством радиолиза с последующим образованием OH. Окись азота (N2O) образуется в результате биологической активности на поверхности и окисляется до NO в стратосфере; так называемые циклы радикалов NOx также приводят к истощению стратосферного озона. Наконец, молекулы хлорфторуглеродов фотолизируются в стратосфере, высвобождая атомы хлора, которые реагируют с озоном, образуя ClO и O2. Атомы хлора регенерируются, когда ClO реагирует с O в верхней стратосфере или когда ClO реагирует с самим собой в химии антарктической озоновой дыры. Полу Крутцен, Марио Молина и Ф. Шервуд Роуленд были удостоены Нобелевской премии по химии в 1995 году за их работу, описывающую образование и разложение стратосферного озона.

Полет воздушного судна

Коммерческие авиалайнеры обычно летают на высотах, которые находятся в нижних слоях стратосферы в умеренных широтах. Это оптимизирует топливную эффективность, главным образом из-за низких температур вблизи тропопаузы и низкой плотности воздуха, что снижает паразитное сопротивление фюзеляжа. Иными словами, это позволяет самолету летать быстрее, поддерживая при этом подъемную силу, равную весу самолета. (Расход топлива зависит от сопротивления, которое связано с подъемной силой через отношение подъемной силы к сопротивлению.) Это также позволяет самолету оставаться выше зоны турбулентности в тропосфере. Concorde совершал крейсерский полет на скорости 2 Маха на высоте около 60000 футов (18288 м), а SR-71 – на скорости 3 Маха на высоте 85000 футов (25908 м), оба в стратосфере. Поскольку температура в тропопаузе и нижней стратосфере остается в основном постоянной с увеличением высоты, там наблюдается очень мало конвекции и связанной с ней турбулентности. Большая часть турбулентности на этой высоте вызвана изменениями в струйных течениях и другими локальными сдвигами ветра, хотя области значительной конвективной активности (грозы) в нижележащей тропосфере могут вызывать турбулентность из-за конвективного прорыва. 24 октября 2014 года Алан Юстас установил рекорд высоты для пилотируемого воздушного шара – 135 890 футов (41419 м). Юстас также побил мировые рекорды по вертикальной скорости свободного падения, достигнув максимальной скорости 1321 км/ч (822 мили/ч) и общей дистанции свободного падения в 123 414 футов (37617 м), что длилось четыре минуты и 27 секунд.

Циркуляция и смешивание

Стратосфера – это область интенсивного взаимодействия радиационных, динамических и химических процессов, где горизонтальное перемешивание газообразных компонентов происходит значительно быстрее, чем вертикальное. Общая циркуляция стратосферы называется циркуляцией Брюера – Добсона, представляющей собой одноячейковую циркуляцию, простирающуюся от тропиков к полюсам и состоящую из восходящих потоков воздуха в тропиках из тропической тропосферы и нисходящих потоков в умеренных широтах. Стратосферная циркуляция в основном определяется волнами, при этом тропическое восхождение воздуха вызывается волновым воздействием, создаваемым распространяющимися на запад волнами Россби, в процессе, известном как волновое перекачивание Россби. Интересной особенностью стратосферной циркуляции является квазидвухлетнее колебание (QBO) в тропических широтах, обусловленное гравитационными волнами, генерируемыми конвективно в тропосфере. QBO вызывает вторичную циркуляцию, важную для глобальной стратосферной транспортировки трассеров, таких как озон или водяной пар. Другая крупномасштабная особенность, оказывающая значительное влияние на стратосферную циркуляцию, – это разрушение планетарных волн, приводящее к интенсивному квазигоризонтальному перемешиванию в средних широтах. Это разрушение особенно выражено в зимнем полушарии, где этот регион называют прибрежной зоной. Оно вызвано сильно нелинейным взаимодействием между вертикально распространяющимися планетарными волнами и изолированной областью высокого потенциального вихря, известной как полярный вихрь. В результате этого разрушения происходит масштабное перемешивание воздуха и других микрокомпонентов по всей прибрежной зоне умеренных широт. Временной масштаб этого быстрого перемешивания значительно меньше, чем гораздо более медленные временные рамки восходящих потоков в тропиках и нисходящих потоков в умеренных широтах. Зимой в Северном полушарии примерно в половине случаев наблюдаются внезапные стратосферные потепления, вызванные поглощением волн Россби в стратосфере, когда в стратосфере развиваются восточные ветры. Эти события часто предшествуют аномальной зимней погоде и могли быть причиной холодных европейских зим 1960-х годов. Стратосферное потепление полярного вихря приводит к его ослаблению. Когда вихрь силен, он удерживает холодные воздушные массы высокого давления в Арктике; когда вихрь ослабевает, воздушные массы перемещаются к экватору, что приводит к быстрым изменениям погоды в умеренных широтах.

Высокоатмосферная молния

Молнии в верхней атмосфере – это семейство кратковременных явлений электрического пробоя, происходящих на значительно большей высоте, чем обычные молнии и грозовые облака. Считается, что молнии в верхней атмосфере представляют собой формы светящейся плазмы, вызванные электрическим воздействием. Молнии, простирающиеся из тропосферы в стратосферу, называют синими струями, а достигающие мезосферы – красными спрайтами.

Бактерии

Бактериальная жизнь существует в стратосфере, что делает её частью биосферы. В 2001 году пыль была собрана на высоте 41 километра в ходе эксперимента с использованием высотного аэростата, и при последующем лабораторном исследовании в ней был обнаружен бактериальный материал.

Птицы

Некоторые виды птиц, по сообщениям, летают на верхних уровнях тропосферы. 29 ноября 1973 года стервятник Рюппелла (Gyps rueppelli) был засосан в реактивный двигатель на высоте 11278 метров над Кот-д'Ивуаром. Гуси-гуляки (Anser indicus) иногда мигрируют над горой Эверест, вершина которой достигает .