- 平流层特征
- 位置
- 结构体
- 化学成分
- 温度
- 臭氧形成
- 特征
- 臭氧层破坏
- 氟氯化碳化合物
- 氮氧化物
- 臭氧层变薄和破洞
- 限制使用氟氯化碳的国际协定
- 为什么飞机不在平流层飞行？
- 那个飞机
- 为什么需要对机舱加压？
- 在平流层飞行，超音速飞机
- 迄今为止开发的超音速飞机的缺点
- 参考文献
在平流层是地球大气层的层，位于对流层和中间圈之间的一个。平流层下限的高度是变化的，但是对于行星的中纬度，可以认为是10 km。它的上限是地球表面上方50公里的高度。
地球的大气层是环绕地球的气态包裹层。根据化学成分和温度变化将其分为5个层：对流层，平流层，中层层，热层和外层层。
图1.从太空看的平流层 资料来源：NOSA加利西亚航天局
对流层从地球表面延伸到10公里高。下一层，平流层，在地球表面上方10公里到50公里之间。
中空层的高度从50 km到80 km。从80 km到500 km的热圈，最后的太阳系外圈的高度从500 km延伸到10,000 km，这是行星际空间的限制。
平流层特征
位置
平流层位于对流层和中层之间。该层的下限随纬度或距地球赤道线的距离而变化。
在地球的两极，平流层开始于地球表面上方6至10公里之间。在赤道，它开始于海拔16至20 km之间。上限是地球表面上方50公里。
结构体
平流层具有自己的分层结构，该分层结构由温度定义：冷层位于底部，热层位于顶部。
同样，平流层还有一层高浓度的臭氧，称为臭氧层或臭氧层，它位于地球表面上方30至60公里之间。
化学成分
平流层中最重要的化合物是臭氧。在平流层中发现了地球大气中臭氧总量的85％至90％。
臭氧是通过氧气经历的光化学反应（光在其中进行化学反应）在平流层中形成的。平流层中的许多气体是从对流层进入的。
平流层包含臭氧（O 3），氮（N 2），氧（O 2），氮氧化物，硝酸（HNO 3），硫酸（H 2 SO 4），硅酸盐和卤代化合物，例如氯氟烃。其中一些物质来自火山喷发。平流层中水蒸气（气态H 2 O）的浓度非常低。
在平流层中，由于没有湍流，垂直气体混合非常缓慢，几乎为零。因此，进入该层的化学药品和其他材料会在其中保留很长时间。
温度
平流层中的温度表现出与对流层相反的行为。在这一层中，温度随海拔升高而升高。
温度的升高是由于发生化学反应而释放出热量，而臭氧（O 3）介入其中。平流层中有大量的臭氧，它们吸收来自太阳的高能紫外线辐射。
平流层是一个稳定的层，没有湍流使气体混合。下部的空气冷而密集，而上部的空气又温暖又轻。
臭氧形成
在平流层中，分子氧（O 2）通过来自太阳的紫外线（UV）辐射而解离：
O 2 +紫外线→O + O
氧（O）原子具有很高的反应性，并与氧（O 2）分子反应形成臭氧（O 3）：
O + O 2→ O 3 +热量
在此过程中释放热量（放热反应）。这种化学反应是平流层中的热源，并在上层引起高温。
特征
平流层实现了地球上存在的所有生命形式的保护功能。臭氧层可防止高能紫外线（UV）辐射到达地球表面。
臭氧吸收紫外线并分解为原子氧（O）和分子氧（O 2），如以下化学反应所示：
O 3 +紫外线→O + O 2
在平流层中，臭氧的形成和破坏过程处于保持其恒定浓度的平衡状态。
这样，臭氧层可作为紫外线辐射的防护层，而紫外线辐射是基因突变，皮肤癌，农作物和植物普遍受到破坏的原因。
臭氧层破坏
氟氯化碳化合物
自1970年代以来，研究人员对氯氟烃（CFC）对臭氧层的破坏作用表示了极大的关注。
1930年，引入了使用商业上称为氟利昂的氯氟烃化合物。其中包括CFCl 3（氟利昂11），CF 2 Cl 2（氟利昂12），C 2 F 3 Cl 3（氟利昂113）和C 2 F 4 Cl 2（氟利昂114）。这些化合物易于压缩，相对无反应且不易燃。
它们开始用作空调和冰箱中的制冷剂，代替了氨（NH 3）和液态二氧化硫（SO 2）（剧毒）。
随后，CFC已大量用于制造一次性塑料制品，作为罐中气雾剂形式用于商业产品的推进剂，以及作为电子设备卡的清洁溶剂。
由于用于工业和制冷剂的氟氯化碳排放到大气中，因此大量使用的各类氟氯化碳已经造成了严重的环境问题。
在大气中，这些化合物缓慢扩散到平流层中。在这一层中，它们会由于紫外线辐射而分解：
CFCl 3→ CFCl 2 +氯
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
氯原子很容易与臭氧反应并将其破坏：
Cl + O 3 →ClO + O 2
一个氯原子可以破坏超过100,000个臭氧分子。
氮氧化物
氮氧化物NO和NO 2反应以破坏臭氧。这些平流层中氮氧化物的存在是由于超音速飞机引擎排放的气体，地球上人类活动的排放以及火山活动造成的。
臭氧层变薄和破洞
在1980年代，人们发现在南极地区上方的臭氧层中已经形成了一个洞。在这个地区，臭氧的数量减少了一半。
还发现，在北极上方和整个平流层中，保护性臭氧层变薄了，也就是说，由于臭氧量已大大减少，保护性臭氧层的宽度减小了。
平流层中臭氧的损失对地球上的生命造成了严重后果，一些国家已经接受了大幅度减少或完全消除使用氟氯化碳的必要性和紧迫性。
限制使用氟氯化碳的国际协定
1978年，许多国家禁止在商业气雾剂产品中使用CFC作为推进剂。1987年，绝大多数工业化国家签署了所谓的《蒙特利尔议定书》，这是一项国际协定，其目标是到2000年逐步减少氟氯化碳的生产并彻底淘汰。
一些国家未能遵守《蒙特利尔议定书》，因为减少和消除氟氯化碳将影响其经济，将经济利益置于保护地球生命之前。
为什么飞机不在平流层飞行？
在飞机飞行过程中，有四个基本作用力：升力，飞机重量，阻力和推力。
升力是支撑飞机并向上推的力；空气密度越高，升力越大。另一方面，重量是地球重力将平面拉向地球中心的力。
阻力是一种会减慢或阻止飞机前进的力。该阻力作用于与飞机路径相反的方向。
推力是使飞机向前移动的力。如我们所见，推力和升力有利于飞行。重量和阻力会不利于飞机的飞行。
那个飞机
短距离的民用和民用飞机在海拔约10,000米（即对流层的上限）飞行。
所有飞机都需要对机舱加压，其中包括将压缩空气泵入机舱。
为什么需要对机舱加压？
随着飞机上升到更高的高度，外部大气压降低，氧气含量也降低。
如果未向机舱供应压缩空气，则乘客将遭受缺氧（或高山病）的困扰，其症状包括由于缺氧而导致的疲劳，头昏眼花，头痛和意识丧失。
如果向机舱供应压缩空气出现故障或减压，则会发生紧急情况，飞机必须立即下降，所有乘员都应佩戴氧气面罩。
在平流层飞行，超音速飞机
在海拔高于10,000米的平流层中，气态层的密度较低，因此有利于飞行的升力也较低。
另一方面，在这些高海拔处，空气中的氧气（O 2）含量较低，这对于使飞机发动机工作的柴油燃料燃烧以及对机舱进行有效增压都是必需的。
在高于地球表面10,000米的高度上，飞机必须以非常高的速度（称为超音速）飞行，在海平面上达到1225公里/小时。
图2。协和超音速商用飞机。资料来源：Eduard Marmet
迄今为止开发的超音速飞机的缺点
超音速飞行会产生所谓的音爆，这是类似于雷声的很大声。这些噪音会对动物和人类产生负面影响。
另外，这些超音速飞机需要使用更多的燃料，因此比在较低高度飞行的飞机产生更多的空气污染物。
超音速飞机需要更强大的发动机和昂贵的特殊材料来制造。商业航班的经济成本如此之高，以致于其实施并未获利。
参考文献
- SM，Hegglin，MI，藤原，M.，Dragani，R。，原田，Y等。（2017）。作为S-RIP的一部分，重新评估对流层和平流层上方的水蒸气和臭氧。大气化学与物理。17：12743-12778。doi：10.5194 / acp-17-12743-2017
- Hoshi，K.，Ukita，J.，Honda，M. Nakamura，T.，Yamazaki，K.等。（2019）。由北极海冰损失调制的平流层极地涡旋活动弱。地球物理研究杂志：大气。124（2）：858-869。doi：10.1029 / 2018JD029222
- Iqbal，W.，Hannachi，A.，Hirooka，T.，Chafik，L.，Harada，Y.等。（2019）。关于北大西洋涡流驱动的射流变异的对流层-平流层动力耦合。日本科学技术厅。doi：10.2151 / jmsj.2019-037
- 基德斯顿，J。Scaife，AA，哈迪曼，SC，米切尔，DM，布查特，N。等。（2015）。平流层对对流层急流，风暴轨迹和地表天气的影响。自然8：433-440。
- Stohl，A.，Bonasoni P.，Cristofanelli，P.，Collins，W.，Feichter J.等。（2003）。平流层-对流层交换：回顾以及我们从STACCATO中学到的知识。地球物理研究杂志：大气。108（D12）。doi：10.1029 / 2002jD002490
- Rowland FS（2009）平流层臭氧消耗。在：Zerefos C.，Contopoulos G.，Skalkeas G.（eds）二十年臭氧衰落。施普林格。doi：10.1007 / 978-90-481-2469-5_5