為什么平流層空氣的垂直運動會如此微弱

我們知道，民航客機巡航高度一般在一萬米左右，這個高度對應著大氣的平流層。之所以會選擇平流層，其中一個重要的原因是平流層的空氣以水平運動為主，垂直運動十分微弱。這意味著平流層的空氣比較穩(wěn)定，不易形成對流和湍流，也不會有復雜的天氣現(xiàn)象，如云、雨、雷暴等。這樣，飛機在平流層飛行時，可以減少顛簸和風阻，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動會如此微弱？為了解答這個問題，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？實際上，并沒有一個統(tǒng)一且固定的標準，不同的學科和領域可能會根據(jù)不同的目的和側重點采用不同的方法。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，這些折點就是不同層次之間的過渡區(qū)域。

那么，為什么會出現(xiàn)這些折點呢？這主要是由于不同層次的大氣受到的熱源和熱傳導方式不同所導致的。比如對流層的特點是溫度隨高度增加而遞減，平均每升高100米，溫度降低0.65℃。這是因為對流層主要受到地面的加熱，地面吸收了太陽輻射后，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，因為在平流層內(nèi)部有一個臭氧層，它會吸收太陽的紫外線而成為平流層的熱源。

現(xiàn)在，我們假設在對流層底部有一小團空氣，它的溫度比周圍空氣的溫度還要高。這樣一來，這小團空氣就會開始上升。在上升過程中，這小團空氣會發(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，它會向外膨脹而導致自身溫度降低。

但事實上，前者導致的溫度降低是微乎其微的，因此我們可以粗略地把整個過程看作是絕熱膨脹。當這一小團空氣的溫度降至與當?shù)丨h(huán)境溫度相當時，它就會停留在那里。同樣，如果在對流層上部有一小團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，空氣的垂直運動在對流層很常見。

接下來，我們把環(huán)境設置在平流層。同樣，如果有一小團空氣比周圍溫度略高，那么它就會上升，絕熱膨脹而導致自身溫度降低。與對流層不同的是，平流層溫度隨高度增加而增加。所以當這小團空氣到達更高的高度時，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。讓它上下運動只是為了方便我們的分析，事實上它幾乎是待在原地不動。因此，平流層空氣的垂直運動是非常微弱的。

事實上，這種逆溫梯度在對流層中也會出現(xiàn)。比如，夜間地面長時間向外輻射熱量而又得不到補充，就會導致清晨時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散，使得空氣質(zhì)量下降，能見度惡化。世界上一些嚴重的大氣污染事件，比如洛杉磯的光化學煙霧，就多和逆溫層的存在有關。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。