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.
The stratosphere ('/s//t//r//æ//t//ə/,/s//f//ɪər//, // //t//oʊ// /) is the second layer of the atmosphere of Earth, located above the troposphere and below the mesosphere. The stratosphere is an atmospheric layer composed of stratified temperature layers, with the warm layers of air high in the sky and the cool layers of air in the low sky, close to the planetary surface of the Earth. The increase of temperature with altitude is a result of the absorption of the Sun's ultraviolet (UV) radiation by the ozone layer. The temperature inversion is in contrast to the troposphere, and near the Earth's surface, where temperature decreases with altitude. Between the troposphere and stratosphere is the tropopause border that demarcates the beginning of the temperature inversion. Near the equator, the lower edge of the stratosphere is as high as , at midlatitudes around , and at the poles about Stratospheric temperatures also vary within the stratosphere as the seasons change, reaching particularly low temperatures in the polar night (winter). Winds in the stratosphere can far exceed those in the troposphere, reaching near in the Southern polar vortex.
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 .