基本介紹
- 中文名：同溫層
- 外文名：stratosphere
- 位於：對流層頂部至平流層中下層區域
- 適用領域：物理，民用航空
- 範圍：地表上空10—50km
- 主要組成部分：氮氣，氧氣，氬氣等
原理,對流層頂,物理特性,物質組成,影響範圍,套用,通信,飛行套用,航空套用,拓展,臭氧損耗,其他,
原理
同溫層位置平流層含有臭氧，具有吸收紫外線功能，保護地球上所有生物的生存和地表免於受陽光中強烈的紫外線致命的侵襲。
同溫層之所以與對流層相反，隨高度上升是氣溫上升，是因為其含有豐富的臭氧，因此其上半部分由於吸收了大量來自太陽的紫外線而被加熱。故之在這一層，氣溫會因高度而上升。同溫層的頂部氣溫大概徘徊在-3C左右，與地面氣溫差不多。同溫層頂部稱為同溫層頂，在此之上氣溫又會再以隨高度而下降。
至於垂直氣溫分層方面，由於高溫層置上而低溫層置下，使得同溫層較為穩定。那是因為那裡沒有常規的對流活動及如此相連的氣流。此層的增溫是由於臭氧層吸收了來自太陽的紫外線，它把同溫層的頂部加熱。至於同溫層的底部，來自頂部的傳導及下部對流層的對流剛好在那裡抵消。所以，極地的同溫層會於較低高度出現，因為極地的地面氣溫相對較低。
對流層，高度每上升1公里，氣溫會平均下降攝氏6.99度。在中緯度地區氣溫會由海平面的大約+17℃下降至平流層頂的大約-52℃。這種氣溫遞減是因為絕熱冷卻的出現。當空氣上升時，氣壓會下降而空氣隨之擴張。為了使空氣擴張，需要有一定的功施予四周，故此氣溫會下降。（因熱力學第一定律）
而在極地（高緯度地區），由於平流層相對地薄，所以氣溫只會下降至-45℃，相反赤道地區（低緯度地區）氣溫可以下降到-75℃。
正因為平流層的上部熱下部冷，所以平流運動特別顯著。
對流層頂
對流層與其之上的平流層的邊界，約離地面11公里附近的位置，稱為對流層頂。要計算在平流層的氣溫因高度而轉變，就需要認識對流層，因對流層界定了平流層的位置。在對流層，氣溫隨高度而下降，反之在平流層，氣溫會隨高度而上升。當氣溫遞減率由正數（對流層）轉到負數（平流層）的現象出現時，那正好表示了那裡是對流層頂的區域了。但這個邊界的高度會隨季節及緯度而有所變化。一般來說，在赤道地區附近高17公里，而在極地附近則約高9公里，而平均高度則大概離地11公里左右。長途客機大多會在這個邊界飛行。
物理特性
同溫層內的風力分布頗為特別，
同溫層和中層大氣環流而冬季來臨時這個現象就會逆轉發生。極地附近就會與夏季相反整天也不會受到太陽照射，結果高緯度地區就會比低中緯度地區低溫，亦即進入低壓狀態。因此產生了從低緯度流向高緯度的氣流，稱為同溫層西風。由於這種現象會隨季節變化而改變風向，所以亦可被認為是季候風的一種，稱之為同溫層季候風。
平流層底端物質組成
影響範圍
由於同溫層的高度較對流層高，一般將來自太陽的紫外輻射按照波長的大小分為三個區，波長在315-400nm（1nm=10-9m）之間的紫外光稱為UV-A區，該區的紫外線不能被臭氧有效吸收，但是也不造成地表生物圈的損害。
事實上，這一波段少量的紫外線也是地表生物所必需的，它可促進人體的固醇類轉化成維生素D，如果缺乏會引起軟骨病，尤其對兒童的發育產生不良的影響；波長為280-315nm的紫外光稱為UV-B區，這一波段的紫外輻射是可能到達地表並對人類和生態系統造成最大危害的部分；波長為200-280nm的紫外光部分稱為UV-C區，該區紫外線波長短，能量高。
環繞在地球表面至高空8-16公里範圍內的一層大氣稱為對流層，這一層中的臭氧對人類和生態環境是有害的，它也是當前城市大氣光化學煙霧污染的主要物質。對流層向上至大約50公里左右的範圍，就是通常所稱的同溫層。實際上，同溫層保存了大氣中90%的臭氧，位於這一高度的臭氧能有效地吸收對人類健康有害的紫外線（UV-B段），從而保護了地球上的生命。
套用
同溫層也稱平流層, 指的是 8~ 50k m 的高空, 該區域溫度基本上是常數( - 55 ) , 氣流大體是平穩的。在同溫層某一高度存在一個層流風為零的面, 這個面隨地點和季節有所變化。同溫層氣球平台工作於這一高度, 較易實現穩定。2000 年 N AS A 超長周期氣球( U l tr a Lo ng Dur a tio n Bal lo o n ) 的成功實驗, 大大拓寬了同溫層氣球的套用領域。例如在天文觀測、地球物理、大氣監測等方面的套用。由於造價較低、靈活以及具有高空優勢, 其在通信、導航定位、監測等方面的套用研究也嶄露頭角。無論哪種套用, 都涉及到同溫層氣球平台的定位問題。當前同溫層氣球平台的定位方式有 G PS 定位、雙星定位、慣導定位等。GP S 定位系統可以獲得較好的定位精度, 但獨立性和可靠性較差。雙星系統的用戶個數有限, 而且定位精度受高度測量精度影響比較大。純慣導系統的定位精度隨時間發散。2002 年 1 月, 韓國的 Cha ng Hee Won 提出了反向定位系統( I nve r se Po si t i o n i ng Sy s te m, I P S ) 的概念。該系統針對駐留型同溫層氣球的特點, 由地面接收機對高空發射機進行定位, 構成獨立自主的定位系統。本文針對我國的實際情況, 建立了 I PS系統的定位模型, 給出了地面站選址依據, 並通過計算、仿真得到了系統位置幾何誤差係數較理想的一組地面站分布; 研究了系統的主要誤差源, 並對系統進行了仿真, 結果表明系統具有良好的性能, 是駐留型同溫層氣球平台的優選定位方式, 有重要的套用價值。
通信
同溫層空間使用準靜止的長駐空飛艇作為高空信息平台，與地面控制設備、信息接口設備以及各種類型的無線用戶終端構成的天地空一體化綜合信息系統產生同溫層。
通信系統，與通信衛星相比，它往返延遲短、自由空間衰耗少，有利於實現通信終端的小型化、寬頻化和對稱雙工的無線接入；與地面蜂窩系統相比，同溫層平台的作用距離、覆蓋地區大、信道衰落小 ，因而發射功率可以顯著減少。不但大大降低了建設地面信息基礎設施的費用，而且也降低了對基站周圍的輻射污染。對人類的貢獻相當大。
同溫層通信是通信領域技術革命的產物。在同溫層設定通信平台實際上是一個早就有了的想法,只是在空中定位技術基本完善的基礎上,美國高空平台國際公司才於 1996年 3月 向FCC提 交 了關 於 在 離地 面 21——23公里處設定電信平台網,傳輸 和 經 營全 球無 線 網際網路業務和視頻通信業務的申請。高空電信平台網的目標是 5年內,在世界上的主要城市建立 250個通信平台。
飛行套用
在熱帶地區，商業客機一般會於離地表10公里的高空，即平流層的底部處巡航。這是為了避開對流層因對流活動而產生的氣流。而在客機巡航階段所遇上的氣流，大多是因為在對流層發生了對流超越現象。同樣地，滑翔機一般會在上升暖氣流上滑翔，這股氣流從對流層上升到達平流層平流層就會停止。這樣一來變相為世界各地的滑翔機設定了高度限制。縱然有些滑翔機會用上背風波來飛得更高，把滑翔機帶到平流層之中。
同溫層是一個放射性、動力學及化學過程都會有強烈反應的區域。因為其水平的氣態成份混合比起垂直的混合都來得要快。一個較為有趣的平流層環流特性是發生於熱帶地區的準雙年振盪（QBO、）。這種現象由重力波引導，是由於對流層的對流而引至的。準雙年震盪引致了次級環流的發生，這對於全球性的平流層輸送諸如臭氧及水蒸氣等尤為重要的。
在北半球的冬季，平流層突發性增溫經常發生。這是因為平流層吸收了羅斯貝波所致。
航空套用
民用航空領域的大型客機大多飛行於此層，以增加飛行的穩定度。
主要原因有：
一、能見度高。
地球大氣的平流層水汽、懸浮固體顆粒、雜質等極少，天氣比較晴朗，光線比較好，能見度很高，便於高空飛行。
二、受力穩定。
平流層的大氣上暖下涼，大氣不對流，以平流運動為主，飛機在其中受力比較穩定，便於飛行員操縱架駛。
三、噪聲污染小。
平流層距地面較高，飛機絕大部分時間在其中飛行，對地面的噪音污染相對較小。
四、安全係數高。
飛鳥飛行的高度一般（有資料稱加拿大黑雁可以）達不到平流層，飛機在平流層中飛行就比較安全。在起飛和著陸時，要設法驅趕開飛鳥才更為安全。
五、經濟效益好。
飛機的發動機經濟性好，較高高度空氣阻力小，高度越高就越省油。另外因為平流層的水平氣流大，飛機可以藉助風力，節省燃料。
拓展
臭氧損耗
西風帶同溫層臭氧耗損已引起一個對全球平均輻射的負面影響，發生於同溫層下部的全球臭氧耗損引起了該區域溫度下降,並導致到達地表對流 層系統 的輻射減少。
同溫層上部的氧分子在紫外線作用下光解產生氧原 子,並因複合作用而產生臭氧,這些臭氧分子聚集在一起形成臭氧層。 ‘引起矣 氧 層長 期變 化的 主 要原 因 如下：1含氯氟烴濃度的增加。 2甲烷的增加。3二 氧化碳的 增加 < 同 溫 層溫度 降低 >。4太陽活功周期的 變動 < 太陽 紫外線強度的變 動 >。5 N2O的增加。
