焦点热讯:气候变化的暗流,都藏在这一波大气里

来源:科普中国

魏科

我们生活在地球大气层的最底部,头顶的大气向外一直延伸到至少1000km以上,地球大气虽然是一个整体,但从下到上各个区域的属性和特性各不相同,按照不同的标准,可以分为若干个层次。最常用的分层标准是以温度的变化为依据,将地球大气分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层共5个层次。


(资料图片仅供参考)

对流层是从地球表面到对流层顶之间的大气范围,厚度平均约为11千米。这是最接近地球表面的一层大气,也是空气最稠密,密度最大的层次,所包含的空气质量占整个大气质量的75%,几乎所有的水蒸气及杂质都在对流层,几乎所有的天气现象也发生在这一层。

我们今天不讨论对流层,我们讨论对流层之上的平流层,从对流层顶以上到大约50千米的范围为平流层,平流层里温度随高度逐渐升高,这与对流层的变化情况正好相反。

根据19世纪测得的大气低层温度递减率(0.7摄氏度/100米),当时很多物理学家认为,随着高度增加,大气的温度会降低到极端低值,例如德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹就认为到了距离地面30km以上的地方,温度可能就接近绝对零度了,内能可能会彻底消失。

实际上这是不可能实现的,因为随着高度的增加,虽然距离地面的热源越来越远,但是大气的成分会逐渐改变,大气中臭氧的含量逐渐增加,臭氧主要由大气中氧气吸收太阳的紫外线而生成的。大气中90%的臭氧都集中在距离地面20-30km的范围内,这个层次是臭氧层,臭氧虽然不吸收我们肉眼可见的太阳光,但是可以吸收我们肉眼不可见的紫外线,吸收紫外线之后,臭氧层的大气温度就会逐渐增加。所以平流层里随着高度增加,温度逐渐升高。

随着高度增加温度也逐渐增加,这就形成了下面冷上面热的温度分布,这是一种非常稳定的状态,因此这个空气层里面的空气很少有垂直运动,主要是以水平运动为主,所以叫做平流层(Stratosphere),因为空气水平流动,上下颠簸很弱,所以非常适合飞机飞行,目前的商业飞机和高空侦察机等,都主要在平流层低层和对流层高层飞行。

所以,平流层在我们能看到的所有云的上方,那块蓝色的地方。因为这里没有太多上升和下沉的气流运动,所以这里也没有太多的天气现象。可能有的朋友就会说,没什么太多现象,研究它还有什么用?

实际上,平流层跟我们的生活息息相关,尤其是位于20千米~30千米之间的臭氧层。给我们撑起了一把无处不在、无时不在的遮阳大伞,隔绝了绝大多数来自太阳的紫外线。

地球上能接受到的最多的宇宙辐射就是太阳光。大家都觉得太阳光又温暖,又纯净,又明亮,实际上,太阳光里包含了很多人类肉眼看不见的光线,比如紫外线。按照波长由长到短来划分,紫外线可以分为UVA、UVB和UVC,其中UVC是最危险的紫外线。在UVC的长期照射下,没有任何生命可以存活。我们经常听到紫外线消毒灯、黑光灯,其实这种灯发出来的光线就是肉眼看不见的UVC,它可以用来消毒、杀菌。

UVB会带来什么影响呢?在UVB的长期照射之下,人容易得皮肤癌和白内障,每年全世界因皮肤癌而死亡和因白内障而失明的人都非常多。

至于UVA,很多爱美人士都非常痛恨它,因为在UVA的照射下,皮肤很容易变老、变黑、长皱纹,而变老首先就是从皮肤开始的。

好在人类非常幸运,因为头顶的平流层就像一把大伞,它无处不在、无时不在地保护着我们。臭氧层可以隔绝100%最危险的UVC,隔绝50%以上的UVB,一部分的UVA。所以,能够到达地球表面的紫外线只是紫外线中的一小部分,这一小部分但对于我们的健康是有用的,缺乏紫外线照射,人容易缺乏维生素D和钙,导致骨质疏松、佝偻病、软骨病、运动发育迟缓、手足抽搐等。

平流层的运动状况有一些鲜明的特点。比如说,在中纬度和高纬度地区,大概有半年时间都是东风环流,另外半年大概是西风环流。所以,如果夏季你从北极的上空看,会看到一个顺时针环流;到了冬季,就会看到一个逆时针环流。

平流层的风速非常大,大到什么程度?比地球上所有台风和飓风的风速还要大。急流区的风速甚至可以达到100米/秒以上,这支急流形成对高纬度冷空气的禁锢圈,将冷空气控制在黑暗幽冷的极区。当急流上产生大尺度扰动的时候,急流发生扭曲,就会产生冷空气向南的倾泻。就像一个水盆稳定旋转一样,里面的水洒不出来,而当水盆自身不稳定颠簸的时候,就容易把里面的水洒出来。

例如,2016年1月底,我国东部地区非常冷,连我国广东、台湾等地都下雪了,这被网友称为“霸王级寒潮”。如果在“霸王级寒潮”发生前一周或者前两周去观察平流层,就看到整个极涡被扭曲变形,冷空气源源不断地喷涌而出。

2019年1月份的北美超级寒冷,感觉一下子进入了冰河时代。这是因为1月份,北极极涡的中心被分裂,一直偏到了北美的上空,所以才造成了北美的天气异常寒冷。

同样,2021年1月初,我国东部地球遭遇极端冷空气,1月7日早晨,北京大部地区最低气温在-24~-18℃,南郊观象台最低气温-19.6℃,为1966年(-27.4℃,1966年2月22日)之后冬季最低值,在此之前平流层发生了爆发性增温,极涡被推出北极,偏移到西伯利亚上空,从而把极区的北极和西伯利亚的冷空气倾泻出来。

所以,我将平流层比喻为“全球冷空气,尤其是极端冷空气的发动机”。

另外,平流层还是全球气候变化的放大器,可以把一个地区的气候异常放大成全球的气候异常,把短时间的气候异常,放大成为长时间的气候异常。

比如,当发生火山爆发的时候,火山喷发出的火山灰、岩浆等影响的主要是火山局地,当火山喷发特别强的时候,大量硫酸盐气溶胶进入平流层,会随着平流层的大气环流输送到全球各个地方,由于平流层缺乏垂直运动,所以这些气溶胶在平流层可以维持相当长的时间,阻挡太阳辐射,形成阳伞效应,减少地面的太阳辐射,形成全球性长期的降温过程。从而把局地短期的事件,放大为长期全球的气候事件。

在过去半个世纪,1963年的阿贡火山喷发了约800万吨二氧化硫进入平流层,1982年爆发的埃尔奇琼火山爆发了约700万吨二氧化硫进入平流层,而1991年的Pinatubo火山爆发,有大约2000万吨二氧化硫进入平流层,这三次火山爆发都在全球温度序列里留下了印记,降温幅度分别为约-0.2°C、约-0.2°C和约-0.5°C,持续时间为1-2年。

更大的火山喷发,比如1815年4月印度尼西亚松巴哇岛上的坦博拉火山喷发,火山灰柱高度达到45公里(到平流层高层),火山气溶胶笼罩全球,在东南亚造成71000多人死亡,其中11000-12000人是直接因为火山爆发造成的,其余人则是死于饥荒和疾病。而万里之遥的欧洲,饥荒造成超过20万死亡。

这样的放大效应也适用于大规模山火燃烧产生的黑碳气溶胶,以及核战争引起的核冬天。所谓核冬天的意思就是,核武器会让易燃物燃烧产生的黑烟(黑碳),喷射进入平流层,通过平流层环流弥漫到全球,阻挡太阳辐射,引起地面降温,使地表呈现严寒如冬的天气。

前几年科学家们做过这样的数值试验,模拟了一场小型核战争。比如印度和巴基斯坦两国因为某种原因发动了战争,印度投了50枚核弹头,巴基斯坦也投了50枚核弹头,100枚核弹头引起100场大火,100座城市因此毁于一旦。模拟实验中的核弹头都很小,只有1.5万吨TNT当量,相当于“二战”时美国投到日本广岛的原子弹“小男孩”的当量。

即便是实验中模拟的小型核战争,也会向全球注入大概500万吨的黑碳。它们进入平流层之后,会在半年之内迅速弥漫整个平流层,从南极到北极,阻挡太阳辐射。

因为平流层里的大气以水平运动为主,空气很稳定,所以即使10年以后,大气里大概还会有110万吨的黑碳,它会造成全球性的气候影响,最主要的体现就是会影响农业。

科学家们模拟的结果显示,没有参与战争的美国和中国的农业也会受到严重影响:在战争爆发的第一个5年里,中国的冬小麦减产可能会达到40%,春小麦减产大概会达到35%;美国的玉米减产大概达到20%。

第二个5年里,美国的玉米和大豆的减产大概是10%;中国的粮食减产大概是15%~25%。

很多研究国际政治的人应该知道,农作物如果减产到这种程度,一定带来的是全球粮食危机,物价飞涨,这对穷人的影响是最大的。

如果战争规模再大一点,变成1000枚核弹头呢?大概会有5000万吨的黑碳被喷射到平流层,全球气温将降低3℃左右;如果爆炸的核弹头数量增加到3000枚,全球气温将降低7℃左右。

现在全球的平均气温是15℃,如果降低7℃,那就直接从15℃度的春天到大概8℃的冬天了。一个真真实实的核冬天就会来临。所以,我们头顶的平流层对我们非常重要,它可以放大各种或人为或自然过程造成的气候影响。核战争中哪怕我们距离战争万里之遥,但是通过头顶平流层的输送作用和全球气候的响应,也会造成全球的影响,核战争阴影之下,没有哪个国家能独善其身。

总结起来,平流层是全球极端冷空气的发动机。同时,它提供给我们一把无处不在、无时不在的遮阳伞,使地球变得更为宜居,同时它是全球气候的放大器,影响到平流层的异常事件,最终会影响全球。

审核:皇甫静亮 中科院大气物理所台风专家

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关键词: 火山喷发 气候异常 火山爆发

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