大气层: 雷暴发生在哪里？

文摘科学 2024-10-09 23:29 美国

全文约 3,007 字，大约需要 16 分钟时间阅读。

环绕地球的这层薄薄的气体外壳，被我们称为大气层，被划分为多个层。虽然气压随海拔升高而下降，但温度的变化却更为剧烈，随海拔升高，温度交替降低和升高。

地球周围大气层有六层：

对流层（地表至 10-18 公里）
平流层（11 至 50 公里）
中间层（40-50 至 80-90 公里）
热层（80-90 至 800 公里）
散逸层（800 至 10000 公里）

对流层

对流层是地球大气层的最低层。我们星球上的所有生命都会受到这一层变化的影响。此外，所有天气变化都发生在对流层。它从地球的地面/海表（海平面）开始，一直向上延伸至 12 公里的高空。

对流层的厚度根据我们所处的位置不同而有所变化，通常在 8 公里到近 20 公里之间。赤道上方对流层最厚，两极上方对流层较薄。

当我们讨论氧气含量时，指的就是这一层，它是地球上所有生物赖以生存的氧气最丰富的层。随着我们在这一大气层中越往高处走，空气就越稀薄。这意味着人类的呼吸会比在对流层最低处更困难。

这就是为什么当我们攀登高山峰时，会变得如此具有挑战性，登山者有需要时会携带额外的氧气的原因。

平流层

位于对流层顶端之上、向更高空延伸的层次被称为平流层。这一层从地表上方 11 公里延伸至 50 公里处。在这一层中，温度通常随着高度的增加而升高，这与平流层内的臭氧层有关。

然而，臭氧层在保护地球方面发挥着至关重要的作用，因为臭氧分子可以阻止来自太阳的紫外线（称为 UV）直接照射到地球。从技术上讲，紫外线并没有在这一层被完全阻挡，而是在这里发生了从紫外线转化为热量的过程。这就是为什么臭氧层空洞（称为臭氧洞）对我们有害的原因。

平流层的另一个重要特征是极地涡旋。这个巨大的三维风环，围绕在南北极上空。这些风带位于距地球表面约 20 至 50 公里处。极地涡旋通常在高纬度和中纬度地区的冬季天气中发挥重要作用。

极地涡旋分解示例（2023.2.3-3.4），看完记得回来嗷～

中间层

当我们到达这一部分时，中间层是我们大气层的第三层，也是居中的层。中间层从地表上空 40/50 公里延伸到 80 或 90 公里，在这一层，温度的变化与对流层类似。因此，随着高度的增加，气温会逐渐降低。

中间层的氧气含量极低，因此在这一层无法呼吸。中间层也是所有大气层中温度最低的层，温度可低至约 -90°C。

“红色精灵”（一种被称为瞬态发光现象，TLE) 也出现在中间层。它们不同于对流层中常见的闪电，而是发生在雷暴云的顶部高空。它们可以从地球表面或太空（例如国际空间站）拍摄。

热层

热层位于地表上方 100 至 800 公里之间。令人兴奋的是，它之所以被称为“热层（Thermo）”，是因为这一层的温度很高。热层持续受到来自太阳和地球周围空间的 X 射线和紫外线的影响。这也是为什么热层中的温度甚至可以达到 2000°C。

北极光（Aurora Borealis）和南极光（Aurora Australis）大多发生在热层中。来自太空的带电粒子（例如电子和质子）在高纬度与热层中的原子和分子发生碰撞。

这些碰撞将它们激发到更高的能量状态。而这些原子和分子通过发射光子释放出多余的能量，我们便看到了多彩的极光。

散逸层

最后一层也是最高的一层被称为散逸层。与其他较低且更为人熟知的层不同，散逸层与行星表面之间的距离很难知道。

某些地方的空气厚度约为 10 万公里，但最高可达海拔 19 万公里。在这一层，空气非常稀薄，条件更接近我们完全离开地球大气层时的环境更相似。它与外太空类似。

几乎所有天气都发生在对流层中，雷暴云（大部分）也局限于对流层。因此，除非另有明确说明，否则本文讨论的所有现象都发生在对流层。

有关我们大气的有趣事实：

太空的边缘：卡门线，位于热层内 100 公里高空。
2014 年，艾伦·尤斯塔斯 (Alan Eustace) 完成了有史以来最高的热气球飞行和跳伞记录：他上升到 41,419 米，并成功进行了安全跳伞。
流星出现在热层和中间层，通常位于 130 至 70 公里之间。有些流星被探测到的高度接近 170 公里，有些流星则穿透到距离地面以上不到 20 公里的地方，进入了平流层内。

现在我们已经了解了大气层的结构，让我们看看雷暴（以及我们）所生活的大气层部分。

仔细看看对流层。海平面的气压约为 1 巴，或 1000 毫巴 (mbar 或 hPa)。如果在不潜入海平面以下的情况下处于海平面以下，气压会更高。例如，在以色列死海沿岸，海拔 430 米以下，气压略高于 1,060 毫巴。

当我们在对流层中越往高处走，随着高度的升高，气压会逐渐下降。这是因为海拔越高，头顶的大气层或气柱对我们的压力就越小。在欧洲最高峰勃朗峰（4,807 米）的顶峰，气压仅约为 430 毫巴左右。这还不到海平面气压的一半。

在珠穆朗玛峰（8,848.86 米）山顶，气压仅约为 340 毫巴。在飞机巡航高度（约 12 公里）时，气压仅为 200 毫巴，只有海平面气压的 1/5。

对流层的气温随海拔高度而变冷，也就是说，海拔越高，空气越冷。平均而言，每升高 100 米，气温就会下降约 0.7 °C。因此，虽然地表温度可能是宜人的 25 °C 或更高，但在 10 公里以上的飞机巡航高度时，温度可能会达到 -50 °C 或更低。

这种温度随高度的逐渐变化称为垂直温度梯度或温度递减率（查看往期文章）。

回顾：在对流层中，温度随高度下降。通常地表附近相对温暖，而对流层非常寒冷。温度下降的速率称为垂直温度梯度。

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