平流层的形成原因是什么？

平流层的形成原因是什么？

2019-11-05

「平流层，stratosphere」怎么形成？查了很多资料都找不到，大多说到平流层的温度分布特征与它受地面影响较小，和存在大量的臭氧有关。有作者说到平流层形成原因主要与「臭氧」有关，那就引起了我的关注，特别去找了些资料来对照，看来是倒果为因了！

要谈平流层是怎么形成以前，我们还是先来说说大气层是如何形成的？地球刚形成时因為地心引力太弱，无法留住气体形成大气。一般认为，目前的大气与火山喷出的气体有密切关系，但比较火山爆发喷出的气体成份与目前大气气体成份，我们发现两者差别很大，推判可能的原因包括：

1). 水分喷出后凝结变成水，最后形成海洋；

2). CO2 与 SO2 与地表矿物作用变成碳或硫化合物；

3). H2 质量太轻，气体温度高，动能大，所以逃离地球。

以上几个理由可以解释为何目前大气气体以 N2 含量最高。

但是，大气中的氧氣如何产生的？下列证据可推论早期大气不含氧：

1). 年代久远的矿物多氧化不完全；

2). 最原始简单的生物不需要氧；

3). 没有氧气的来源。

目前有两种理论解释大气中氧的来源，包括：

1). 光解作用 (photodissociation)：

但氧与氢极易作用再生成水。若要大量氧留住，则大部分氢必须逃离大气（进入太空）。 但是，大部分氢无法「立即」离开大气，因此这理论可能性不大。

2). 光合作用 (photosynthesis)：

早期地球上的单胞生物行光合作用可以产生大量的氧，但大气中无氧，也因此无臭氧。臭氧是过滤紫外线的主要气体，而紫外线对生物有害，早期地球的单胞生物是如何存活？可能原因是这些生物存在水面下，而且水必须足够深以便过滤大部分的紫外线，但也不能太深，单胞生物才能吸收阳光行光合作用放出氧。估计水深约 10 公尺。这些生物活着时产生氧，一旦死了，沈到海底，并不会因尸体腐坏用掉空气中的氧。所以在这时期，氧的产生多于消耗，大气中的氧逐渐增加，臭氧也增加，越多的紫外线被过滤，地球表面越适于生存，单胞生物也因此渐渐上移接近水面吸收更多的阳光，光合作用更剧烈，产生更多的氧、臭氧，更多紫外线被过滤。此一“正”回馈作用， 使现在大气存有大量的氧。

回到题目本身，大气层大致可分为：对流层、平流层、中气层及同温层。其中，平流层位于对流层之上，约在 10-50km 之间为平流层。平流层的特点是温度随高度增加，因此空气特别稳定，不易产生对流，大气运动多是水平，因此称为「平流层」。平流层因为特别稳定，而且没有降水，大气中悬浮微粒（如：火山灰、污染物、核爆辐射尘… ） 可停留在平流层数个月到数年之久。另外，平流层的温度分布与臭氧有关，下列化学作用在平流层中不断发生：

a).

b).

作用 a).由 O2、O、M（催化剂）三体碰撞产生臭氧，臭氧是极端不稳定的气体，容易吸收紫外线分解成 O2、O。a)、b) 两种作用不断进行，其结果是化学成份不变，大气却因此吸收了许多能量而提高温度，此一过程在高度约 50km 处最有效率，因此该处温度最高。臭氧含量最大的地方约在 20-30km 之间，为什么最高温在 50km 处？因为高度太高，气体密度小，不易产生三体碰撞；高度太低则紫外线多已被吸收，而且 O 原子含量太低，上述反应不易进行。（O 的产生：O2 + hv = 2O，吸收非常短波长辐射，且发生在高层大气)

还是没有提到平流层是怎么形成的？别急！我会跟大家好好说明清楚的。一般情况下，在低层大气中，气温是随高度的增加而降低的。但有时在某些层可能出现相反的情况，气温随高度的增加而升高，这种现象称为「逆温，temperature inversion」。出现逆温现象的大气层称为「逆温层」。不说各位可能还不知道，平流层中部为「逆温层」，其下部为「同温层」，至于逆温层的出现主要是空气下沉，绝热增温所引起。前面提到平流层最高温在 50km 处，正是平流层的最上部，因整层空气下沉而形成的逆温称为「下沉逆温」。当某气层产生下沉运动时，因气压逐渐增大，以及由于气层向水平方向扩散，使气层厚度减小。若气层下沉过程是绝热过程，且气层内各部分空气的相对位置不变。这时空气层顶部下沉的距离比底部下沉的距离大，致使其顶部绝热增温的幅度大于底部。因此，当气层下沉到某一高度时，气层顶部的气温高于底部，而形成逆温。至于垂直气温分层方面，由于高温层置上而低温层置下，使到平流层较为稳定，那是因为那里没有常规的对流活动及如此相连的气流。

不过，逆温层通常也会出现于对流层低层，厚度较薄，大约几百至 1km 左右。受到高压脊（如副热带高压脊、大陆性反气旋南下）或热带气旋外围下沉气流区支配下，都有机会出现逆温层。而逆温层的物理特征是气体状态稳定，对气体上下对流过程有抑制作用，刚好符合平流层的特点。