对流层(英語:Troposphere)是地球大氣圈[1]中最底部的一層,与地面相接[2],上至平流層,以空气垂直对流旺盛为最显著特点[3][4]。对流层受地面影响大,上界随緯度季节而变化,平均11[4]~12[5]千米。就纬度而言,低緯度地區上界平均为17~18千米[註 1],中緯地區10~12千米,高緯地區仅8~9千米;就季节而言,夏季冬季薄,在中纬地区尤甚[5][2]

紅色的部分是對流層(Troposphere)。
地球大气层
散逸层(600 km ~ 2000 km至3000 km)
增溫層(80至85 km ~ 600 km)
中氣層(50 km ~ 80至85 km)
平流层(8至18 km ~ 50 km)
对流层(地面 ~ 8至18 km)

对流层集中了整個大氣層約75%的質量,以及90%以上[4]水汽杂质[5],是密度最高的一层。对流层的直接热源主要是地面,故气温随高度升高而降低(平均每上升1km气温下降6.5℃[6][2][4],有时也可有局地逆温层[2]),这种特征也有利于对流的产生。对流运动配合水汽使其成为大气层中天气变化最复杂的一层,云、雨、雪、雷电等常见天气现象均发生在这一层,故而该层也是和人类乃至所有生物生存关系最密切的一层[3]。尽管显著性远不如垂直方向,但对流层的水平方向气象要素仍明显分布不均,有大量不同性质的气团,以及气团间形成的锋面[2]

对流层顶部与平流层的过渡区为對流層頂,有数百米至一两千米的厚度,此处大气温度随高度上升而下降的趋势减少乃至不再下降或有所上升[2],在低纬地区平均气温约-83℃,高纬地区-53℃[4][6],由于低纬地区对流旺盛,最低温一般出现在赤道上空[4]。对流层顶能很大程度阻挡垂直气流[6],是一个深厚的对流阻滞层[2]。对流层顶聚集了对流层内上升的水汽、杂质,能见度较低[6]

词源 编辑

“对流层”一词移植自日语対流層たいりゆう-そう,来源于英语troposphere,始见于1931年王云五《英汉对照百科名汇》[7]。英語「troposphere」由希臘語tropos(意为turning)与组合形式“-sphere”(表示“球体的,尤指围绕地球的地区的”)组合而成[8]

壓力及氣溫結構 编辑

壓力 编辑

大氣層的壓力會隨高度升高而下降。這是因為位於地表上的空氣會被其之上的所有空氣壓著,反之在高的地方,空氣被少一點的空氣壓著,故之氣壓亦隨之遞減。氣壓隨高度而改變是可以根據下列的流動動力學程式所計算:

 

這裡:

g = 重力加速度
ρ = 密度
h = 高度
p = 壓力
R = 氣體常數
T = 溫度
m = 摩爾質量

假設一個常溫,壓力會隨高度以指數方式而下降:

 

氣溫 编辑

在對流層,高度每上升1公里,氣溫會平均下降攝氏度6.49。這種氣溫遞減是因為絕熱冷卻的出現。當空氣上升時,氣壓會下降而空氣隨之擴張。為了使空氣擴張,需要有一定的施予四周,故此氣溫會下降。(因熱力學第一定律

在中緯度地區氣溫會由海平面的大約+17℃下降至對流層頂的大約-52℃。而在極地(高緯度地區),由於對流層相對地薄,所以氣溫只會下降至-45℃,相反赤道地區(低緯度地區)氣溫可以下降到-75℃。

正因為對流層上冷下热,所以對流運動特別顯著。這正是中文「對流層」的名稱由來。

對流層頂 编辑

對流層與其之上的平流層的邊界,約離地面11公里附近的位置,稱為對流層頂。但這個邊界的高度會隨季節及緯度而有所變化。一般來說,在赤道地區附近高17公里,而在極地附近則約高9公里,而平均高度則大概離地11公里左右。長途客機大多會在這個邊界飛行。

要計算在對流層的氣溫因高度而轉變,就需要認識平流層,因平流層界定了對流層的位置。在對流層,氣溫隨高度而下降,反之在平流層,氣溫會隨高度而上升。當氣溫遞減率由正數(對流層)轉到負數(平流層)的現象出現時,那正好表示了那裡是對流層頂的區域了。

大氣環流 编辑

正因對流層是大氣層中湍流最多的一層,噴射客機大多會飛越此層頂部(即對流層頂)用以避開影響飛行安全的氣流。

大規模的大氣環流,其基本結構大致上都維持不變。地球上的風帶和湍流由三個對流環流(三圈環流)所推動:哈德里(低緯)環流費雷爾(中緯)環流、以及極地環流。這三個對流環流帶領盛行風及由赤道傳遞熱能到極地方向。

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。

對流層內的區分 编辑

對流層內的區分
艾克曼層
(100m-1 km)
接地層
(0m-100m)

高緯地區的地表摩擦力影響氣流,形成了一個平均厚2公里的行星邊界層。這一層的形成主要依靠地形而有所不同,而且亦會被逆流層的分隔而與對流層的其他部份分開[9]

雖然位於對流層下層的大氣會與地表產生摩擦,但上層的空氣卻沒有受這種摩擦力所影響。所以在對流層上層及下層的天氣現象都會有所不同。基於這種現象的差別,對流層會再被分開三層。從海平面0米至100米的地方是接地層、從100米至1公里的是艾克曼層及從1公里至對流層頂的11公里處則稱為自由大氣。接地層會受到與地面的摩擦比較大,所以其大氣的運動及喘流甚為不規則且較為活躍。艾克曼層則會受到科里奧利力氣壓傾度力和與地面的摩擦力這三道力量摩合而運動。至於自由大氣顧名思意,它不受地面的摩擦力所影響,大氣處於一個自由運動的狀態之中。

自由大氣的上層部份,即對流層的上部會有急流流動著。其高度大約於離地面11公里附近,是風速最高的地方。如在日本上空流動的西風帶亦是位於離地11公里的高度附近,且風速最高。雖然急流可說是於對流層內,作水平方向的大氣運動之中最大規模的一種,但在垂直方向的大氣運動中也屬於大規模。又例如在熱帶地區熱空氣上升,到達副熱帶高壓帶下降的哈得里環流之類的大氣環流就是其中一個例子。這樣地在對流層裡不斷地出現作水平及垂直方向的大氣運動,自由大氣就是這類大氣運動繁盛的一層。

物质组成 编辑

對流層蘊含以下成份:

注释 编辑

  1. ^ 一说15~18千米[4]

参考资料 编辑

  1. ^ 现代汉语词典(第7版). 商务印书馆. 2016: 331. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 对流层. 中国大百科全书. 2024-01-18. 
  3. ^ 3.0 3.1 朱清时 (编). 义务教育教科书·科学(八年级上册). 杭州: 浙江教育. 2013: 48–49. ISBN 978-7-5536-0746-7. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 伍光和 (编). 自然地理学. 北京: 高等教育. 2008: 88–89. ISBN 978-7-04-022876-2. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 朱翔; 刘新民 (编). 普通高中教科书·地理(必修一). 长沙: 湖南教育. 2019: 72–73. ISBN 978-7-5539-4784-6. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 6.3 辞海 - 对流层. www.cihai.com.cn. [2024-02-02]. 
  7. ^ 黄河清. 近现代汉语辞源. 上海辞书出版社. 2020: 378. ISBN 978-7-5326-5403-1. 
  8. ^ 新牛津英汉双解大词典 2. 上海外语教育出版社. ISBN 9787544625678. 
  9. ^ 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.