為什么平流層空氣的垂直運(yùn)動會如此微弱

我們知道，民航客機(jī)巡航高度一般在一萬米左右，這個(gè)高度對應(yīng)著大氣的平流層。之所以會選擇平流層，其中一個(gè)重要的原因是平流層的空氣以水平運(yùn)動為主，垂直運(yùn)動十分微弱。這意味著平流層的空氣比較穩(wěn)定，不易形成對流和湍流，也不會有復(fù)雜的天氣現(xiàn)象，如云、雨、雷暴等。這樣，飛機(jī)在平流層飛行時(shí)，可以減少顛簸和風(fēng)阻，提高舒適度和安全性。

但是，你有沒有想過，為什么平流層中空氣的垂直運(yùn)動會如此微弱？為了解答這個(gè)問題，我們要先從大氣的分層開始說起。那么如何劃分大氣的不同層次呢？實(shí)際上，并沒有一個(gè)統(tǒng)一且固定的標(biāo)準(zhǔn)，不同的學(xué)科和領(lǐng)域可能會根據(jù)不同的目的和側(cè)重點(diǎn)采用不同的方法。在這里，我們按照溫度隨高度的變化特征對大氣進(jìn)行分層。

一般來說，大氣按溫度分層可以分為五層，分別是對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層。這些層次之間的界限高度并不固定，而是隨著緯度、季節(jié)、日夜等因素變化。如果我們用一條曲線來表示大氣溫度隨高度的變化，就會發(fā)現(xiàn)這條曲線并不是平滑的，而是呈現(xiàn)出一些折點(diǎn)，這些折點(diǎn)就是不同層次之間的過渡區(qū)域。

那么，為什么會出現(xiàn)這些折點(diǎn)呢？這主要是由于不同層次的大氣受到的熱源和熱傳導(dǎo)方式不同所導(dǎo)致的。比如對流層的特點(diǎn)是溫度隨高度增加而遞減，平均每升高100米，溫度降低0.65℃。這是因?yàn)閷α鲗又饕艿降孛娴募訜幔孛嫖樟颂栞椛浜?，通過對流和輻射將熱量傳遞給空氣。而平流層則是溫度隨高度增加而增加，因?yàn)樵谄搅鲗觾?nèi)部有一個(gè)臭氧層，它會吸收太陽的紫外線而成為平流層的熱源。

現(xiàn)在，我們假設(shè)在對流層底部有一小團(tuán)空氣，它的溫度比周圍空氣的溫度還要高。這樣一來，這小團(tuán)空氣就會開始上升。在上升過程中，這小團(tuán)空氣會發(fā)生兩件事。第一，由于高空溫度更低，它會把熱量傳遞給周圍而降低自身溫度；第二，由于高空氣壓較低，它會向外膨脹而導(dǎo)致自身溫度降低。

但事實(shí)上，前者導(dǎo)致的溫度降低是微乎其微的，因此我們可以粗略地把整個(gè)過程看作是絕熱膨脹。當(dāng)這一小團(tuán)空氣的溫度降至與當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度相當(dāng)時(shí)，它就會停留在那里。同樣，如果在對流層上部有一小團(tuán)空氣比周圍空氣溫度還低，那么它就會發(fā)生與上述相反的過程。也就是說，空氣的垂直運(yùn)動在對流層很常見。

接下來，我們把環(huán)境設(shè)置在平流層。同樣，如果有一小團(tuán)空氣比周圍溫度略高，那么它就會上升，絕熱膨脹而導(dǎo)致自身溫度降低。與對流層不同的是，平流層溫度隨高度增加而增加。所以當(dāng)這小團(tuán)空氣到達(dá)更高的高度時(shí)，它會發(fā)現(xiàn)自己溫度比周圍環(huán)境還低，于是它又向下回到原處。讓它上下運(yùn)動只是為了方便我們的分析，事實(shí)上它幾乎是待在原地不動。因此，平流層空氣的垂直運(yùn)動是非常微弱的。

事實(shí)上，這種逆溫梯度在對流層中也會出現(xiàn)。比如，夜間地面長時(shí)間向外輻射熱量而又得不到補(bǔ)充，就會導(dǎo)致清晨時(shí)近地層的空氣溫度比上層空氣溫度更低。此外，地形影響、鋒面影響等也會產(chǎn)生這種逆溫層。

逆溫層就像一個(gè)蓋子，使得懸浮在大氣中的煙塵、雜質(zhì)、有害氣體等難以穿過它向上擴(kuò)散，使得空氣質(zhì)量下降，能見度惡化。世界上一些嚴(yán)重的大氣污染事件，比如洛杉磯的光化學(xué)煙霧，就多和逆溫層的存在有關(guān)。十幾年前，霧霾經(jīng)常出現(xiàn)，并且在清晨是最濃的，也是和逆溫層有關(guān)。