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魏科

我們(men) 生活在地球大氣層的最底部，頭頂的大氣向外一直延伸到至少1000km以上，地球大氣雖然是一個(ge) 整體(ti) ，但從(cong) 下到上各個(ge) 區域的屬性和特性各不相同，按照不同的標準，可以分為(wei) 若幹個(ge) 層次。最常用的分層標準是以溫度的變化為(wei) 依據，將地球大氣分為(wei) 對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層共5個(ge) 層次。

對流層是從(cong) 地球表麵到對流層頂之間的大氣範圍，厚度平均約為(wei) 11千米。這是最接近地球表麵的一層大氣，也是空氣最稠密，密度最大的層次，所包含的空氣質量占整個(ge) 大氣質量的75%，幾乎所有的水蒸氣及雜質都在對流層，幾乎所有的天氣現象也發生在這一層。

我們(men) 今天不討論對流層，我們(men) 討論對流層之上的平流層，從(cong) 對流層頂以上到大約50千米的範圍為(wei) 平流層，平流層裏溫度隨高度逐漸升高，這與(yu) 對流層的變化情況正好相反。

根據19世紀測得的大氣低層溫度遞減率（0.7攝氏度/100米），當時很多物理學家認為(wei) ，隨著高度增加，大氣的溫度會(hui) 降低到極端低值，例如德國物理學家赫爾曼·馮(feng) ·亥姆霍茲(zi) 就認為(wei) 到了距離地麵30km以上的地方，溫度可能就接近絕對零度了，內(nei) 能可能會(hui) 徹底消失。

實際上這是不可能實現的，因為(wei) 隨著高度的增加，雖然距離地麵的熱源越來越遠，但是大氣的成分會(hui) 逐漸改變，大氣中臭氧的含量逐漸增加，臭氧主要由大氣中氧氣吸收太陽的紫外線而生成的。大氣中90%的臭氧都集中在距離地麵20-30km的範圍內(nei) ，這個(ge) 層次是臭氧層，臭氧雖然不吸收我們(men) 肉眼可見的太陽光，但是可以吸收我們(men) 肉眼不可見的紫外線，吸收紫外線之後，臭氧層的大氣溫度就會(hui) 逐漸增加。所以平流層裏隨著高度增加，溫度逐漸升高。

隨著高度增加溫度也逐漸增加，這就形成了下麵冷上麵熱的溫度分布，這是一種非常穩定的狀態，因此這個(ge) 空氣層裏麵的空氣很少有垂直運動，主要是以水平運動為(wei) 主，所以叫做平流層（Stratosphere），因為(wei) 空氣水平流動，上下顛簸很弱，所以非常適合飛機飛行，目前的商業(ye) 飛機和高空偵(zhen) 察機等，都主要在平流層低層和對流層高層飛行。

所以，平流層在我們(men) 能看到的所有雲(yun) 的上方，那塊藍色的地方。因為(wei) 這裏沒有太多上升和下沉的氣流運動，所以這裏也沒有太多的天氣現象。可能有的朋友就會(hui) 說，沒什麽(me) 太多現象，研究它還有什麽(me) 用？

實際上，平流層跟我們(men) 的生活息息相關(guan) ，尤其是位於(yu) 20千米～30千米之間的臭氧層。給我們(men) 撐起了一把無處不在、無時不在的遮陽大傘(san) ，隔絕了絕大多數來自太陽的紫外線。

地球上能接受到的最多的宇宙輻射就是太陽光。大家都覺得太陽光又溫暖，又純淨，又明亮，實際上，太陽光裏包含了很多人類肉眼看不見的光線，比如紫外線。按照波長由長到短來劃分，紫外線可以分為(wei) UVA、UVB和UVC，其中UVC是最危險的紫外線。在UVC的長期照射下，沒有任何生命可以存活。我們(men) 經常聽到紫外線消毒燈、黑光燈，其實這種燈發出來的光線就是肉眼看不見的UVC，它可以用來消毒、殺菌。

UVB會(hui) 帶來什麽(me) 影響呢？在UVB的長期照射之下，人容易得皮膚癌和白內(nei) 障，每年全世界因皮膚癌而死亡和因白內(nei) 障而失明的人都非常多。

至於(yu) UVA，很多愛美人士都非常痛恨它，因為(wei) 在UVA的照射下，皮膚很容易變老、變黑、長皺紋，而變老首先就是從(cong) 皮膚開始的。

好在人類非常幸運，因為(wei) 頭頂的平流層就像一把大傘(san) ，它無處不在、無時不在地保護著我們(men) 。臭氧層可以隔絕100%最危險的UVC，隔絕50%以上的UVB，一部分的UVA。所以，能夠到達地球表麵的紫外線隻是紫外線中的一小部分，這一小部分但對於(yu) 我們(men) 的健康是有用的，缺乏紫外線照射，人容易缺乏維生素D和鈣，導致骨質疏鬆、佝僂(lou) 病、軟骨病、運動發育遲緩、手足抽搐等。

平流層的運動狀況有一些鮮明的特點。比如說，在中緯度和高緯度地區，大概有半年時間都是東(dong) 風環流，另外半年大概是西風環流。所以，如果夏季你從(cong) 北極的上空看，會(hui) 看到一個(ge) 順時針環流；到了冬季，就會(hui) 看到一個(ge) 逆時針環流。

平流層的風速非常大，大到什麽(me) 程度？比地球上所有台風和颶風的風速還要大。急流區的風速甚至可以達到100米/秒以上，這支急流形成對高緯度冷空氣的禁錮圈，將冷空氣控製在黑暗幽冷的極區。當急流上產(chan) 生大尺度擾動的時候，急流發生扭曲，就會(hui) 產(chan) 生冷空氣向南的傾(qing) 瀉。就像一個(ge) 水盆穩定旋轉一樣，裏麵的水灑不出來，而當水盆自身不穩定顛簸的時候，就容易把裏麵的水灑出來。

例如，2016年1月底，我國東(dong) 部地區非常冷，連我國廣東(dong) 、台灣等地都下雪了，這被網友稱為(wei) “霸王級寒潮”。如果在“霸王級寒潮”發生前一周或者前兩(liang) 周去觀察平流層，就看到整個(ge) 極渦被扭曲變形，冷空氣源源不斷地噴湧而出。

2019年1月份的北美超級寒冷，感覺一下子進入了冰河時代。這是因為(wei) 1月份，北極極渦的中心被分裂，一直偏到了北美的上空，所以才造成了北美的天氣異常寒冷。

同樣，2021年1月初，我國東(dong) 部地球遭遇極端冷空氣，1月7日早晨，北京大部地區最低氣溫在-24～-18℃，南郊觀象台最低氣溫-19.6℃，為(wei) 1966年（-27.4℃，1966年2月22日）之後冬季最低值，在此之前平流層發生了爆發性增溫，極渦被推出北極，偏移到西伯利亞(ya) 上空，從(cong) 而把極區的北極和西伯利亞(ya) 的冷空氣傾(qing) 瀉出來。

所以，我將平流層比喻為(wei) “全球冷空氣，尤其是極端冷空氣的發動機”。

另外，平流層還是全球氣候變化的放大器，可以把一個(ge) 地區的氣候異常放大成全球的氣候異常，把短時間的氣候異常，放大成為(wei) 長時間的氣候異常。

比如，當發生火山爆發的時候，火山噴發出的火山灰、岩漿等影響的主要是火山局地，當火山噴發特別強的時候，大量硫酸鹽氣溶膠進入平流層，會(hui) 隨著平流層的大氣環流輸送到全球各個(ge) 地方，由於(yu) 平流層缺乏垂直運動，所以這些氣溶膠在平流層可以維持相當長的時間，阻擋太陽輻射，形成陽傘(san) 效應，減少地麵的太陽輻射，形成全球性長期的降溫過程。從(cong) 而把局地短期的事件，放大為(wei) 長期全球的氣候事件。

在過去半個(ge) 世紀，1963年的阿貢火山噴發了約800萬(wan) 噸二氧化硫進入平流層，1982年爆發的埃爾奇瓊火山爆發了約700萬(wan) 噸二氧化硫進入平流層，而1991年的Pinatubo火山爆發，有大約2000萬(wan) 噸二氧化硫進入平流層，這三次火山爆發都在全球溫度序列裏留下了印記，降溫幅度分別為(wei) 約-0.2°C、約-0.2°C和約-0.5°C，持續時間為(wei) 1-2年。

更大的火山噴發，比如1815年4月印度尼西亞(ya) 鬆巴哇島上的坦博拉火山噴發，火山灰柱高度達到45公裏（到平流層高層），火山氣溶膠籠罩全球，在東(dong) 南亞(ya) 造成71000多人死亡，其中11000-12000人是直接因為(wei) 火山爆發造成的，其餘(yu) 人則是死於(yu) 饑荒和疾病。而萬(wan) 裏之遙的歐洲，饑荒造成超過20萬(wan) 死亡。

這樣的放大效應也適用於(yu) 大規模山火燃燒產(chan) 生的黑碳氣溶膠，以及核戰爭(zheng) 引起的核冬天。所謂核冬天的意思就是，核武器會(hui) 讓易燃物燃燒產(chan) 生的黑煙（黑碳），噴射進入平流層，通過平流層環流彌漫到全球，阻擋太陽輻射，引起地麵降溫，使地表呈現嚴(yan) 寒如冬的天氣。

前幾年科學家們(men) 做過這樣的數值試驗，模擬了一場小型核戰爭(zheng) 。比如印度和巴基斯坦兩(liang) 國因為(wei) 某種原因發動了戰爭(zheng) ，印度投了50枚核彈頭，巴基斯坦也投了50枚核彈頭，100枚核彈頭引起100場大火，100座城市因此毀於(yu) 一旦。模擬實驗中的核彈頭都很小，隻有1.5萬(wan) 噸TNT當量，相當於(yu) “二戰”時美國投到日本廣島的原子彈“小男孩”的當量。

即便是實驗中模擬的小型核戰爭(zheng) ，也會(hui) 向全球注入大概500萬(wan) 噸的黑碳。它們(men) 進入平流層之後，會(hui) 在半年之內(nei) 迅速彌漫整個(ge) 平流層，從(cong) 南極到北極，阻擋太陽輻射。

因為(wei) 平流層裏的大氣以水平運動為(wei) 主，空氣很穩定，所以即使10年以後，大氣裏大概還會(hui) 有110萬(wan) 噸的黑碳，它會(hui) 造成全球性的氣候影響，最主要的體(ti) 現就是會(hui) 影響農(nong) 業(ye) 。

科學家們(men) 模擬的結果顯示，沒有參與(yu) 戰爭(zheng) 的美國和中國的農(nong) 業(ye) 也會(hui) 受到嚴(yan) 重影響：在戰爭(zheng) 爆發的第一個(ge) 5年裏，中國的冬小麥減產(chan) 可能會(hui) 達到40%，春小麥減產(chan) 大概會(hui) 達到35%；美國的玉米減產(chan) 大概達到20%。

第二個(ge) 5年裏，美國的玉米和大豆的減產(chan) 大概是10%；中國的糧食減產(chan) 大概是15%～25%。

很多研究國際政治的人應該知道，農(nong) 作物如果減產(chan) 到這種程度，一定帶來的是全球糧食危機，物價(jia) 飛漲，這對窮人的影響是最大的。

如果戰爭(zheng) 規模再大一點，變成1000枚核彈頭呢？大概會(hui) 有5000萬(wan) 噸的黑碳被噴射到平流層，全球氣溫將降低3℃左右；如果爆炸的核彈頭數量增加到3000枚，全球氣溫將降低7℃左右。

現在全球的平均氣溫是15℃，如果降低7℃，那就直接從(cong) 15℃度的春天到大概8℃的冬天了。一個(ge) 真真實實的核冬天就會(hui) 來臨(lin) 。所以，我們(men) 頭頂的平流層對我們(men) 非常重要，它可以放大各種或人為(wei) 或自然過程造成的氣候影響。核戰爭(zheng) 中哪怕我們(men) 距離戰爭(zheng) 萬(wan) 裏之遙，但是通過頭頂平流層的輸送作用和全球氣候的響應，也會(hui) 造成全球的影響，核戰爭(zheng) 陰影之下，沒有哪個(ge) 國家能獨善其身。

總結起來，平流層是全球極端冷空氣的發動機。同時，它提供給我們(men) 一把無處不在、無時不在的遮陽傘(san) ，使地球變得更為(wei) 宜居，同時它是全球氣候的放大器，影響到平流層的異常事件，最終會(hui) 影響全球。

審核：皇甫靜亮 中科院大氣物理所台風專(zhuan) 家

文章由科普中國-星空計劃（創作培育）出品，轉載請注明來源

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