對流層

紅色的部分是對流層(Troposphere)。
地球大氣層
散逸層
(800 km~2000 km至3000 km)
熱層
(80至85 km~800 km)
中間層
(50 km~80至85 km)
平流層
(7至11 km~50 km)
對流層
(0 km~7至11 km)

對流層(英文:Troposphere)是地球大氣層中最靠近地面的一層,也是地球大氣層裡密度最高的一層。它蘊含了整個大氣層約75%的質量,以及幾乎所有的水蒸氣及氣溶膠。

對流層從地球表面開始向高空伸展,直至對流層頂,即平流層的起點為止。對流層的上界隨地球緯度季節的不同發生變化。就緯度而言,對流層上界在低緯度地區平均為16-18 km,在中緯度的地區則為9-12 km,而在高緯度地區只有7-8 km。在高緯度的地區,因為地表的摩擦力會影響氣流,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。

對流層是地球大氣層中天氣變化最複雜的一層,人類在航空中遇到的幾乎所有天氣變化都出現在這一層。它在氣象學上的主要特點有:氣溫隨高度升高而降低;風向和風速經常變化;空氣上下對流劇烈;有雲、雨、霧、雪等天氣現象。[1]

詞源

英語裡的對流層一字「Troposphere」的字首,是由希臘語的「Tropos」(意即「旋轉」或「混合」)引伸而來。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。

壓力及氣溫結構

壓力

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

假設一個常溫,壓力會隨高度以指數方式而下降:

 

氣溫

在對流層,高度每上升1公里,氣溫會平均下降攝氏6.49度。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熱,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

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

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。

因為對流運動顯著,而且富含水汽和雜質,所以天氣現象複雜多變。如等與水的相變有關的都集中在本層。

對流層內的區分

對流層內的區分
自由大氣
(1 km-11 km)
艾克曼層
(100m-1 km)
接地層
(0m-100m)

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。

物質組成

對流層蘊含以下成份:

參考資料

  1. ^ 謝礎,賈玉紅,黃俊,吳永康. 航空航天技術概論(第2版). 北京航空航天大學出版社. 2008: 65. ISBN 978-7-81124-428-1.