Stratosphere

Stratosphere — это слой атмосферы Земли, расположенный между тропосферой и мезосферой, на высоте от 8–16 км (в зависимости от широты и сезона) до 50–55 км. Характеризуется повышением температуры с высотой, отсутствием вертикальной конвекции и наличием озонового слоя, который поглощает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Stratosphere играет ключевую роль в защите биосферы от губительного излучения и в формировании климатических процессов.

Границы и строение

Нижняя граница стратосферы — тропопауза, переходный слой между тропосферой и стратосферой. Высота тропопаузы варьируется: в полярных широтах она опускается до 8–9 км, в умеренных — до 10–12 км, а в тропиках поднимается до 16–18 км. Верхняя граница стратосферы — стратопауза, за которой начинается мезосфера, где температура снова начинает падать.

Толщина стратосферы составляет около 35–40 км. Внутри неё выделяют два основных слоя:

• Нижняя стратосфера (от тропопаузы до 25–30 км) — область с почти постоянной или слабо повышающейся температурой (от –60 °C до –50 °C).
• Верхняя стратосфера (от 25–30 км до стратопаузы) — зона интенсивного нагрева за счёт поглощения ультрафиолета озоном; температура здесь может достигать 0 °C и даже немного выше у стратопаузы.

Температурный режим

В отличие от тропосферы, где температура падает с высотой, в стратосфере наблюдается температурная инверсия — рост температуры с высотой. Это связано с поглощением солнечного ультрафиолетового излучения молекулами озона (O₃). В нижней части стратосферы температура составляет около –55…–60 °C, а на высоте 50 км поднимается до –2…–5 °C. Вблизи стратопаузы, в зависимости от сезона и широты, температура может колебаться от –10 °C до +5 °C.

Отсутствие конвекции (вертикальных перемешиваний воздуха) делает стратосферу устойчивым слоем: воздушные массы движутся преимущественно горизонтально, что обеспечивает спокойные условия для полётов.

Озоновый слой

Ключевой элемент стратосферы — озоновый слой, расположенный на высоте 15–35 км, с максимальной концентрацией озона на высоте 20–25 км. Озон образуется в результате фотодиссоциации молекулярного кислорода (O₂) под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 242 нм. Атомарный кислород (O) затем соединяется с O₂, образуя O₃.

Озоновый слой поглощает 97–99 % ультрафиолетового излучения Солнца в диапазоне 200–315 нм (УФ-В и УФ-С), что критически важно для жизни на Земле: без него ультрафиолет вызывал бы мутации, рак кожи и повреждение экосистем. В 1970-х годах учёные обнаружили, что хлорфторуглероды (ХФУ) и другие антропогенные вещества разрушают озон, что привело к подписанию Монреальского протокола (1987) — международного соглашения по защите озонового слоя. Благодаря мерам протокола, концентрация озона в стратосфере постепенно восстанавливается, хотя полное восстановление ожидается к середине XXI века.

Циркуляция и динамика

В стратосфере преобладает зональный перенос — воздушные массы движутся с запада на восток (западные ветры). На высоте 20–30 км зимой в полярных широтах формируется полярный вихрь — область низкого давления с сильными ветрами, которая изолирует холодный воздух над полюсом. Весной вихрь разрушается, что может приводить к резким изменениям погоды.

В тропической стратосфере наблюдается квазидвухлетняя осцилляция (QBO) — периодическая смена направления ветра (от восточного к западному) с интервалом около 26–28 месяцев. Это явление влияет на распространение волн и на перенос озона.

Вертикальные движения в стратосфере крайне слабы, за исключением зон стратосферных вторжений, когда воздух из тропосферы проникает в стратосферу в тропиках, и стратосферного опускания в полярных широтах.

Химический состав

Стратосфера состоит в основном из азота (N₂, 78 %) и кислорода (O₂, 21 %), как и тропосфера. Однако концентрация водяного пара здесь крайне низка (менее 5 ppm) из-за низких температур и отсутствия источников влаги. Основные химические процессы связаны с озоном, оксидами азота (NOₓ), хлором и бромом, которые участвуют в каталитическом разрушении озона.

В стратосфере также присутствуют аэрозоли — мелкие частицы серной кислоты (H₂SO₄) и сульфатов, образующиеся после извержений вулканов. Например, извержение вулкана Пинатубо в 1991 году выбросило в стратосферу миллионы тонн диоксида серы, что привело к образованию аэрозольного слоя и временному снижению глобальной температуры на 0,5 °C.

Значение для авиации

Стратосфера используется для полётов коммерческих и военных самолётов. На высоте 10–12 км (в нижней части стратосферы) воздух разрежен, что снижает лобовое сопротивление и позволяет экономить топливо. Кроме того, отсутствие турбулентности и облаков делает полёт более комфортным и безопасным. Большинство реактивных лайнеров (например, Boeing 737, Airbus A320) летают на высоте 10–12 км, а сверхзвуковые самолёты (Concorde, Ту-144) — на высоте 15–18 км.

Стратосфера также используется для запуска высотных аэростатов, научных зондов и метеорологических ракет. На высоте 20–30 км работают стратосферные дирижабли и дроны, способные оставаться в воздухе неделями.

Влияние на климат

Стратосфера играет важную роль в климатической системе Земли. Изменения в стратосферной циркуляции и концентрации озона могут влиять на погоду в тропосфере. Например, ослабление полярного вихря зимой может приводить к аномальным холодам в Европе и Северной Америке. Кроме того, стратосферные аэрозоли после крупных извержений вулканов могут вызывать глобальное похолодание на несколько лет.

С 1980-х годов наблюдается стратосферное охлаждение — снижение температуры в стратосфере на 1–2 °C за десятилетие. Это связано с увеличением концентрации парниковых газов (CO₂, CH₄) в тропосфере, которые удерживают тепло в нижних слоях, и с восстановлением озонового слоя, который поглощает больше ультрафиолета. Стратосферное охлаждение может усиливать полярные вихри и влиять на циркуляцию.

Исследования

Первые систематические исследования стратосферы начались в начале XX века с помощью метеозондов и аэростатов. В 1930-х годах советский стратостат «Осоавиахим-1» достиг высоты 22 км, а в 1960-х годах американские аппараты X-15 поднимались до 50 км. Современные исследования проводятся с помощью спутников (например, Aura, CALIPSO), стратосферных зондов, а также высотных самолётов (ER-2, M-55 Geophysica).

В России стратосферные исследования ведутся в рамках программы «Стратосфера» Росгидромета, а также в Институте физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН. В 2023 году был запущен проект «Стратосфера-2023» по изучению озонового слоя над Арктикой.

Источники

• Атмосфера Земли // Большая российская энциклопедия. — М., 2005.
• Атмосфера // Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
• Озоновый слой // Метеорологический словарь. — Л.: Гидрометеоиздат, 1974.
• Стратосфера // Географический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
• В. В. Смыслов, А. А. Костин. Стратосфера: строение, динамика, химия. — М.: Наука, 2010.
• World Meteorological Organization. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022. — Geneva, 2022.
• IPCC. Climate Change 2021: The Physical Science Basis. — Cambridge University Press, 2021.