魏科

我們生活在地球大氣層的最底部，頭頂?shù)拇髿庀蛲庖恢毖由斓街辽?000km以上，地球大氣雖然是一個(gè)整體，但從下到上各個(gè)區(qū)域的屬性和特性各不相同，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，可以分為若干個(gè)層次。最常用的分層標(biāo)準(zhǔn)是以溫度的變化為依據(jù)，將地球大氣分為對(duì)流層、平流層、中間層、熱層和散逸層共5個(gè)層次。

(資料圖片僅供參考)

對(duì)流層是從地球表面到對(duì)流層頂之間的大氣范圍，厚度平均約為11千米。這是最接近地球表面的一層大氣，也是空氣最稠密，密度最大的層次，所包含的空氣質(zhì)量占整個(gè)大氣質(zhì)量的75%，幾乎所有的水蒸氣及雜質(zhì)都在對(duì)流層，幾乎所有的天氣現(xiàn)象也發(fā)生在這一層。

我們今天不討論對(duì)流層，我們討論對(duì)流層之上的平流層，從對(duì)流層頂以上到大約50千米的范圍為平流層，平流層里溫度隨高度逐漸升高，這與對(duì)流層的變化情況正好相反。

根據(jù)19世紀(jì)測得的大氣低層溫度遞減率（0.7攝氏度/100米），當(dāng)時(shí)很多物理學(xué)家認(rèn)為，隨著高度增加，大氣的溫度會(huì)降低到極端低值，例如德國物理學(xué)家赫爾曼·馮·亥姆霍茲就認(rèn)為到了距離地面30km以上的地方，溫度可能就接近絕對(duì)零度了，內(nèi)能可能會(huì)徹底消失。

實(shí)際上這是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)殡S著高度的增加，雖然距離地面的熱源越來越遠(yuǎn)，但是大氣的成分會(huì)逐漸改變，大氣中臭氧的含量逐漸增加，臭氧主要由大氣中氧氣吸收太陽的紫外線而生成的。大氣中90%的臭氧都集中在距離地面20-30km的范圍內(nèi)，這個(gè)層次是臭氧層，臭氧雖然不吸收我們?nèi)庋劭梢姷奶柟?，但是可以吸收我們?nèi)庋鄄豢梢姷淖贤饩€，吸收紫外線之后，臭氧層的大氣溫度就會(huì)逐漸增加。所以平流層里隨著高度增加，溫度逐漸升高。

隨著高度增加溫度也逐漸增加，這就形成了下面冷上面熱的溫度分布，這是一種非常穩(wěn)定的狀態(tài)，因此這個(gè)空氣層里面的空氣很少有垂直運(yùn)動(dòng)，主要是以水平運(yùn)動(dòng)為主，所以叫做平流層（Stratosphere），因?yàn)榭諝馑搅鲃?dòng)，上下顛簸很弱，所以非常適合飛機(jī)飛行，目前的商業(yè)飛機(jī)和高空偵察機(jī)等，都主要在平流層低層和對(duì)流層高層飛行。

所以，平流層在我們能看到的所有云的上方，那塊藍(lán)色的地方。因?yàn)檫@里沒有太多上升和下沉的氣流運(yùn)動(dòng)，所以這里也沒有太多的天氣現(xiàn)象?？赡苡械呐笥丫蜁?huì)說，沒什么太多現(xiàn)象，研究它還有什么用？

實(shí)際上，平流層跟我們的生活息息相關(guān)，尤其是位于20千米～30千米之間的臭氧層。給我們撐起了一把無處不在、無時(shí)不在的遮陽大傘，隔絕了絕大多數(shù)來自太陽的紫外線。

地球上能接受到的最多的宇宙輻射就是太陽光。大家都覺得太陽光又溫暖，又純凈，又明亮，實(shí)際上，太陽光里包含了很多人類肉眼看不見的光線，比如紫外線。按照波長由長到短來劃分，紫外線可以分為UVA、UVB和UVC，其中UVC是最危險(xiǎn)的紫外線。在UVC的長期照射下，沒有任何生命可以存活。我們經(jīng)常聽到紫外線消毒燈、黑光燈，其實(shí)這種燈發(fā)出來的光線就是肉眼看不見的UVC，它可以用來消毒、殺菌。

UVB會(huì)帶來什么影響呢？在UVB的長期照射之下，人容易得皮膚癌和白內(nèi)障，每年全世界因皮膚癌而死亡和因白內(nèi)障而失明的人都非常多。

至于UVA，很多愛美人士都非常痛恨它，因?yàn)樵赨VA的照射下，皮膚很容易變老、變黑、長皺紋，而變老首先就是從皮膚開始的。

好在人類非常幸運(yùn)，因?yàn)轭^頂?shù)钠搅鲗泳拖褚话汛髠?，它無處不在、無時(shí)不在地保護(hù)著我們。臭氧層可以隔絕100%最危險(xiǎn)的UVC，隔絕50%以上的UVB，一部分的UVA。所以，能夠到達(dá)地球表面的紫外線只是紫外線中的一小部分，這一小部分但對(duì)于我們的健康是有用的，缺乏紫外線照射，人容易缺乏維生素D和鈣，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松、佝僂病、軟骨病、運(yùn)動(dòng)發(fā)育遲緩、手足抽搐等。

平流層的運(yùn)動(dòng)狀況有一些鮮明的特點(diǎn)。比如說，在中緯度和高緯度地區(qū)，大概有半年時(shí)間都是東風(fēng)環(huán)流，另外半年大概是西風(fēng)環(huán)流。所以，如果夏季你從北極的上空看，會(huì)看到一個(gè)順時(shí)針環(huán)流；到了冬季，就會(huì)看到一個(gè)逆時(shí)針環(huán)流。

平流層的風(fēng)速非常大，大到什么程度？比地球上所有臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)的風(fēng)速還要大。急流區(qū)的風(fēng)速甚至可以達(dá)到100米/秒以上，這支急流形成對(duì)高緯度冷空氣的禁錮圈，將冷空氣控制在黑暗幽冷的極區(qū)。當(dāng)急流上產(chǎn)生大尺度擾動(dòng)的時(shí)候，急流發(fā)生扭曲，就會(huì)產(chǎn)生冷空氣向南的傾瀉。就像一個(gè)水盆穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)一樣，里面的水灑不出來，而當(dāng)水盆自身不穩(wěn)定顛簸的時(shí)候，就容易把里面的水灑出來。

例如，2016年1月底，我國東部地區(qū)非常冷，連我國廣東、臺(tái)灣等地都下雪了，這被網(wǎng)友稱為“霸王級(jí)寒潮”。如果在“霸王級(jí)寒潮”發(fā)生前一周或者前兩周去觀察平流層，就看到整個(gè)極渦被扭曲變形，冷空氣源源不斷地噴涌而出。

2019年1月份的北美超級(jí)寒冷，感覺一下子進(jìn)入了冰河時(shí)代。這是因?yàn)?月份，北極極渦的中心被分裂，一直偏到了北美的上空，所以才造成了北美的天氣異常寒冷。

同樣，2021年1月初，我國東部地球遭遇極端冷空氣，1月7日早晨，北京大部地區(qū)最低氣溫在-24～-18℃，南郊觀象臺(tái)最低氣溫-19.6℃，為1966年（-27.4℃，1966年2月22日）之后冬季最低值，在此之前平流層發(fā)生了爆發(fā)性增溫，極渦被推出北極，偏移到西伯利亞上空，從而把極區(qū)的北極和西伯利亞的冷空氣傾瀉出來。

所以，我將平流層比喻為“全球冷空氣，尤其是極端冷空氣的發(fā)動(dòng)機(jī)”。

另外，平流層還是全球氣候變化的放大器，可以把一個(gè)地區(qū)的氣候異常放大成全球的氣候異常，把短時(shí)間的氣候異常，放大成為長時(shí)間的氣候異常。

比如，當(dāng)發(fā)生火山爆發(fā)的時(shí)候，火山噴發(fā)出的火山灰、巖漿等影響的主要是火山局地，當(dāng)火山噴發(fā)特別強(qiáng)的時(shí)候，大量硫酸鹽氣溶膠進(jìn)入平流層，會(huì)隨著平流層的大氣環(huán)流輸送到全球各個(gè)地方，由于平流層缺乏垂直運(yùn)動(dòng)，所以這些氣溶膠在平流層可以維持相當(dāng)長的時(shí)間，阻擋太陽輻射，形成陽傘效應(yīng)，減少地面的太陽輻射，形成全球性長期的降溫過程。從而把局地短期的事件，放大為長期全球的氣候事件。

在過去半個(gè)世紀(jì)，1963年的阿貢火山噴發(fā)了約800萬噸二氧化硫進(jìn)入平流層，1982年爆發(fā)的埃爾奇瓊火山爆發(fā)了約700萬噸二氧化硫進(jìn)入平流層，而1991年的Pinatubo火山爆發(fā)，有大約2000萬噸二氧化硫進(jìn)入平流層，這三次火山爆發(fā)都在全球溫度序列里留下了印記，降溫幅度分別為約-0.2°C、約-0.2°C和約-0.5°C，持續(xù)時(shí)間為1-2年。

更大的火山噴發(fā)，比如1815年4月印度尼西亞松巴哇島上的坦博拉火山噴發(fā)，火山灰柱高度達(dá)到45公里（到平流層高層），火山氣溶膠籠罩全球，在東南亞造成71000多人死亡，其中11000-12000人是直接因?yàn)榛鹕奖l(fā)造成的，其余人則是死于饑荒和疾病。而萬里之遙的歐洲，饑荒造成超過20萬死亡。

這樣的放大效應(yīng)也適用于大規(guī)模山火燃燒產(chǎn)生的黑碳?xì)馊苣z，以及核戰(zhàn)爭引起的核冬天。所謂核冬天的意思就是，核武器會(huì)讓易燃物燃燒產(chǎn)生的黑煙（黑碳），噴射進(jìn)入平流層，通過平流層環(huán)流彌漫到全球，阻擋太陽輻射，引起地面降溫，使地表呈現(xiàn)嚴(yán)寒如冬的天氣。

前幾年科學(xué)家們做過這樣的數(shù)值試驗(yàn)，模擬了一場小型核戰(zhàn)爭。比如印度和巴基斯坦兩國因?yàn)槟撤N原因發(fā)動(dòng)了戰(zhàn)爭，印度投了50枚核彈頭，巴基斯坦也投了50枚核彈頭，100枚核彈頭引起100場大火，100座城市因此毀于一旦。模擬實(shí)驗(yàn)中的核彈頭都很小，只有1.5萬噸TNT當(dāng)量，相當(dāng)于“二戰(zhàn)”時(shí)美國投到日本廣島的原子彈“小男孩”的當(dāng)量。

即便是實(shí)驗(yàn)中模擬的小型核戰(zhàn)爭，也會(huì)向全球注入大概500萬噸的黑碳。它們進(jìn)入平流層之后，會(huì)在半年之內(nèi)迅速彌漫整個(gè)平流層，從南極到北極，阻擋太陽輻射。

因?yàn)槠搅鲗永锏拇髿庖运竭\(yùn)動(dòng)為主，空氣很穩(wěn)定，所以即使10年以后，大氣里大概還會(huì)有110萬噸的黑碳，它會(huì)造成全球性的氣候影響，最主要的體現(xiàn)就是會(huì)影響農(nóng)業(yè)。

科學(xué)家們模擬的結(jié)果顯示，沒有參與戰(zhàn)爭的美國和中國的農(nóng)業(yè)也會(huì)受到嚴(yán)重影響：在戰(zhàn)爭爆發(fā)的第一個(gè)5年里，中國的冬小麥減產(chǎn)可能會(huì)達(dá)到40%，春小麥減產(chǎn)大概會(huì)達(dá)到35%；美國的玉米減產(chǎn)大概達(dá)到20%。

第二個(gè)5年里，美國的玉米和大豆的減產(chǎn)大概是10%；中國的糧食減產(chǎn)大概是15%～25%。

很多研究國際政治的人應(yīng)該知道，農(nóng)作物如果減產(chǎn)到這種程度，一定帶來的是全球糧食危機(jī)，物價(jià)飛漲，這對(duì)窮人的影響是最大的。

如果戰(zhàn)爭規(guī)模再大一點(diǎn)，變成1000枚核彈頭呢？大概會(huì)有5000萬噸的黑碳被噴射到平流層，全球氣溫將降低3℃左右；如果爆炸的核彈頭數(shù)量增加到3000枚，全球氣溫將降低7℃左右。

現(xiàn)在全球的平均氣溫是15℃，如果降低7℃，那就直接從15℃度的春天到大概8℃的冬天了。一個(gè)真真實(shí)實(shí)的核冬天就會(huì)來臨。所以，我們頭頂?shù)钠搅鲗訉?duì)我們非常重要，它可以放大各種或人為或自然過程造成的氣候影響。核戰(zhàn)爭中哪怕我們距離戰(zhàn)爭萬里之遙，但是通過頭頂平流層的輸送作用和全球氣候的響應(yīng)，也會(huì)造成全球的影響，核戰(zhàn)爭陰影之下，沒有哪個(gè)國家能獨(dú)善其身。

總結(jié)起來，平流層是全球極端冷空氣的發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)，它提供給我們一把無處不在、無時(shí)不在的遮陽傘，使地球變得更為宜居，同時(shí)它是全球氣候的放大器，影響到平流層的異常事件，最終會(huì)影響全球。

審核：皇甫靜亮 中科院大氣物理所臺(tái)風(fēng)專家

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標(biāo)簽： 火山噴發(fā) 氣候異常 火山爆發(fā)