Стратосфера Земли¶

Стратосфера — слой атмосферы Земли, расположенный между тропосферой (ниже) и мезосферой (выше). Характеризуется возрастанием температуры с высотой, что отличает её от тропосферы, где температура падает. Простирается примерно от 11 км (у полюсов — от 8 км, у экватора — до 17 км) до 50 км над уровнем моря. Название происходит от латинского stratum — «слой» и греческого σφαῖρα — «шар», что отражает слоистую структуру и отсутствие выраженной конвекции.

¶Границы и строение

Нижняя граница стратосферы — тропопауза — отделяет её от тропосферы. Толщина тропосферы неодинакова: минимальна над полюсами (около 8 км) и максимальна над экватором (до 17 км), что связано с интенсивностью конвективных потоков. Верхняя граница — стратопауза — находится на высоте около 50–55 км и отделяет стратосферу от мезосферы.

Внутри стратосферы выделяют два подслоя:

Нижняя стратосфера (до 25–30 км) — область относительно слабого изменения температуры.
Верхняя стратосфера — зона интенсивного прогрева за счёт поглощения ультрафиолетового излучения озоном.

¶Температурный профиль

Главная особенность стратосферы — рост температуры с высотой. Если у тропопаузы температура составляет около −56 °C, то у стратопаузы она поднимается до 0…+10 °C. Причина — озоновый слой: молекулы озона (O₃) поглощают жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца (диапазон 200–310 нм), преобразуя его энергию в тепло. Этот процесс называется озоновым нагревом.

Инверсия температуры (рост вместо падения) подавляет вертикальные перемещения воздуха: конвекция здесь слабая, поэтому стратосфера стратифицирована и устойчива. Именно поэтому в ней отсутствуют погодные явления, характерные для тропосферы, — облака, осадки, грозы.

¶Озоновый слой

Озоновый слой — область повышенной концентрации озона — расположен преимущественно на высотах 15–35 км, то есть в стратосфере. Максимальная концентрация достигается около 20–25 км. Озон образуется при взаимодействии молекулярного кислорода (O₂) с атомарным кислородом, который появляется под действием ультрафиолета.

Озоновый слой выполняет критическую функцию: задерживает биологически опасное ультрафиолетовое излучение, защищая живые организмы. Его истощение (так называемые «озоновые дыры») стало предметом международного регулирования — Монреальский протокол 1987 года ограничил производство озоноразрушающих веществ (хлорфторуглеродов).

¶Ветер и циркуляция

В стратосфере наблюдаются устойчивые горизонтальные воздушные течения. Скорость ветра может достигать 100 м/с и более. В зимний период над полюсами формируется полярный вихрь — мощная циклоническая циркуляция. Летом направление ветров меняется, что связано с сезонным перераспределением солнечной энергии.

Планетарные волны, проникающие из тропосферы, могут вызывать внезапные стратосферные потепления — резкие подъёмы температуры на десятки градусов за несколько суток.

¶Стратосферные облака

В нижней стратосфере, преимущественно в полярных регионах, иногда образуются перламутровые облака — на высотах 15–25 км. Они состоят из кристаллов льда и переохлаждённых капель азотной и серной кислоты. Температура их формирования — ниже −78 °C. Перламутровые облака наблюдаются зимой и служат индикатором сильного охлаждения стратосферы.

¶Исследование

Изучение стратосферы началось в конце XIX — начале XX века. В 1902 году французский метеоролог Леон Тейсерен де Бор и немецкий учёный Рихард Асман независимо обнаружили слой с инверсией температуры, что положило начало её научному описанию.

С середины XX века для исследований применяются:

Радиозонды — поднимаются до 30–40 км, передавая данные о температуре, давлении, влажности.
Стратостаты — пилотируемые и беспилотные аэростаты. В 1931 году швейцарец Огюст Пикар совершил первый полёт в стратосферу на стратостате, достигнув высоты около 15 750 м.
Метеорологические ракеты — зондируют верхнюю стратосферу и мезосферу.
Спутниковые наблюдения — обеспечивают глобальный мониторинг озонового слоя и температурных полей.

В СССР и России стратосферные исследования велись в Центральной аэрологической обсерватории (Долгопрудный), а также в рамках программ высотных зондирований.

¶Значение и применение

Стратосфера имеет практическое значение в нескольких областях:

Авиация. Коммерческие самолёты летают в нижней стратосфере (9–12 км), где воздух разрежён и сопротивление меньше, что снижает расход топлива. Устойчивая стратификация уменьшает турбулентность.
Озоновый щит. Защита от ультрафиолета — ключевое условие существования жизни на суше.
Климатология. Стратосферные процессы влияют на климат: вулканические аэрозоли, попадающие в стратосферу, отражают солнечный свет и вызывают кратковременное похолодание (например, после извержения Пинатубо в 1991 году).
Космонавтика. Стратосфера — промежуточная зона между плотными слоями атмосферы и космосом; здесь начинается разрежённая среда, требующая специальных технических решений.

¶Влияние человека

Антропогенное воздействие на стратосферу связано прежде всего с выбросами озоноразрушающих веществ и парниковых газов. Рост концентрации углекислого газа, парадоксальным образом, ведёт к охлаждению стратосферы (в отличие от тропосферы, где наблюдается потепление), поскольку CO₂ эффективно излучает тепло в космос на больших высотах.

Сверхзвуковая авиация и ракетные запуски также вносят вклад в изменение состава стратосферы, включая выбросы оксидов азота и водяного пара.

Источники: Хргиан А. Х. «Физика атмосферы»; Матвеев Л. Т. «Курс общей метеорологии»; материалы Всемирной метеорологической организации (ВМО); данные Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета.