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对流层

红色的部分是对流层(Troposphere)。
地球大气层
散逸层
(800 km~2000 km至3000 km)
热层
(80至85 km~800 km)
中气层
(50 km~80至85 km)
平流层
(7至11 km~50 km)
对流层
(0 km~7至11 km)

对流层(英文:Troposphere)是地球大气层中最靠近地面的一层,也是地球大气层里密度最高的一层。它蕴含了整个大气层约75%的质量,以及几乎所有的水蒸气气溶胶

对流层从地球表面开始向高空伸展,直至对流层顶,即平流层的起点为止。对流层的上界随地球纬度季节的不同发生变化。就纬度而言,对流层上界在低纬度地区平均为16-18 km,在中纬度的地区则为9-12 km,而在高纬度地区只有7-8 km。在高纬度的地区,因为地表的摩擦力会影响气流,形成了一个平均厚2公里的行星边界层。这一层的形成主要依靠地形而有所不同,而且亦会被逆流层的分隔而与对流层的其他部分分开。

对流层是地球大气层中天气变化最复杂的一层,人类在航空中遇到的几乎所有天气变化都出现在这一层。它在气象学上的主要特点有:气温随高度升高而降低;风向和风速经常变化;空气上下对流剧烈;有云、雨、雾、雪等天气现象。[1]

词源

英语里的对流层一字“Troposphere”的字首,是由希腊语的“Tropos”(意即“旋转”或“混合”)引申而来。正因对流层是大气层中湍流最多的一层,喷射客机大多会飞越此层顶部(即对流层顶)用以避开影响飞行安全的气流。

压力及气温结构

压力

大气层的压力会随高度升高而下降。这是因为位于地表上的空气会被其之上的所有空气压着,反之在高的地方,空气被少一点的空气压着,故之气压亦随之递减。气压随高度而改变是可以根据下列的流动动力学程式所计算:

这里:

g = 重力加速度
ρ = 密度
h = 高度
p = 压力
R = 气体常数
T = 温度
m = 摩尔质量

假设一个常温,压力会随高度以指数方式而下降:

气温

在对流层,高度每上升1公里,气温会平均下降摄氏6.49度。这种气温递减是因为绝热冷却的出现。当空气上升时,气压会下降而空气随之扩张。为了使空气扩张,需要有一定的施予四周,故此气温会下降。(因热力学第一定律

在中纬度地区气温会由海平面的大约+17℃下降至对流层顶的大约-52℃。而在极地(高纬度地区),由于对流层相对地薄,所以气温只会下降至-45℃,相反赤道地区(低纬度地区)气温可以下降到-75℃。

正因为对流层上冷下热,所以对流运动特别显著。这正是中文“对流层”的名称由来。

对流层顶

对流层与其之上的平流层的边界,约离地面11公里附近的位置,称为对流层顶。但这个边界的高度会随季节及纬度而有所变化。一般来说,在赤道地区附近高17公里,而在极地附近则约高9公里,而平均高度则大概离地11公里左右。长途客机大多会在这个边界飞行。

要计算在对流层的气温因高度而转变,就需要认识平流层,因平流层界定了对流层的位置。在对流层,气温随高度而下降,反之在平流层,气温会随高度而上升。当气温递减率由正数(对流层)转到负数(平流层)的现象出现时,那正好表示了那里是对流层顶的区域了。

大气环流

大规模的大气环流,其基本结构大致上都维持不变。地球上的风带和湍流由三个对流环流(三圈环流)所推动:哈德里(低纬)环流费雷尔(中纬)环流、以及极地环流。这三个对流环流带领盛行风及由赤道传递热能到极地方向。

因为对流运动显著,而且富含水汽和杂质,所以天气现象复杂多变。如等与水的相变有关的都集中在本层。

对流层内的区分

对流层内的区分
艾克曼层
(100m-1 km)
接地层
(0m-100m)

虽然位于对流层下层的大气会与地表产生摩擦,但上层的空气却没有受这种摩擦力所影响。所以在对流层上层及下层的天气现象都会有所不同。基于这种现象的差别,对流层会再被分开三层。从海平面0米至100米的地方是接地层、从100米至1公里的是艾克曼层及从1公里至对流层顶的11公里处则称为自由大气。接地层会受到与地面的摩擦比较大,所以其大气的运动及喘流甚为不规则且较为活跃。艾克曼层则会受到科里奥利力、气压倾度力和与地面的摩擦力这三道力量摩合而运动。至于自由大气顾名思意,它不受地面的摩擦力所影响,大气处于一个自由运动的状态之中。

自由大气的上层部分,即对流层的上部会有急流流动着。其高度大约于离地面11公里附近,是风速最高的地方。如在日本上空流动的西风带亦是位于离地11公里的高度附近,且风速最高。虽然急流可说是于对流层内,作水平方向的大气运动之中最大规模的一种,但在垂直方向的大气运动中也属于大规模。又例如在热带地区热空气上升,到达副热带高压带下降的哈得里环流之类的大气环流就是其中一个例子。这样地在对流层里不断地出现作水平及垂直方向的大气运动,自由大气就是这类大气运动繁盛的一层。

物质组成

对流层蕴含以下成分:

参考资料

  1. ^ 谢础,贾玉红,黄俊,吴永康. 航空航天技术概论(第2版). 北京航空航天大学出版社. 2008: 65. ISBN 978-7-81124-428-1.

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