气候变化的暗流，都藏在这一波大气里

魏科

我们生活在地球大气层的最底部，头顶的大气向外一直延伸到至少1000km以上，地球大气虽然是一个整体，但从下到上各个区域的属性和特性各不相同，按照不同的标准，可以分为若干个层次。最常用的分层标准是以温度的变化为依据，将地球大气分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层共5个层次。

对流层是从地球表面到对流层顶之间的大气范围，厚度平均约为11千米。这是最接近地球表面的一层大气，也是空气最稠密，密度最大的层次，所包含的空气质量占整个大气质量的75%，几乎所有的水蒸气及杂质都在对流层，几乎所有的天气现象也发生在这一层。

我们今天不讨论对流层，我们讨论对流层之上的平流层，从对流层顶以上到大约50千米的范围为平流层，平流层里温度随高度逐渐升高，这与对流层的变化情况正好相反。

根据19世纪测得的大气低层温度递减率（0.7摄氏度/100米），当时很多物理学家认为，随着高度增加，大气的温度会降低到极端低值，例如德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹就认为到了距离地面30km以上的地方，温度可能就接近绝对零度了，内能可能会彻底消失。

实际上这是不可能实现的，因为随着高度的增加，虽然距离地面的热源越来越远，但是大气的成分会逐渐改变，大气中臭氧的含量逐渐增加，臭氧主要由大气中氧气吸收太阳的紫外线而生成的。大气中90%的臭氧都集中在距离地面20-30km的范围内，这个层次是臭氧层，臭氧虽然不吸收我们肉眼可见的太阳光，但是可以吸收我们肉眼不可见的紫外线，吸收紫外线之后，臭氧层的大气温度就会逐渐增加。所以平流层里随着高度增加，温度逐渐升高。

随着高度增加温度也逐渐增加，这就形成了下面冷上面热的温度分布，这是一种非常稳定的状态，因此这个空气层里面的空气很少有垂直运动，主要是以水平运动为主，所以叫做平流层（Stratosphere），因为空气水平流动，上下颠簸很弱，所以非常适合飞机飞行，目前的商业飞机和高空侦察机等，都主要在平流层低层和对流层高层飞行。

所以，平流层在我们能看到的所有云的上方，那块蓝色的地方。因为这里没有太多上升和下沉的气流运动，所以这里也没有太多的天气现象。可能有的朋友就会说，没什么太多现象，研究它还有什么用？

实际上，平流层跟我们的生活息息相关，尤其是位于20千米～30千米之间的臭氧层。给我们撑起了一把无处不在、无时不在的遮阳大伞，隔绝了绝大多数来自太阳的紫外线。

地球上能接受到的最多的宇宙辐射就是太阳光。大家都觉得太阳光又温暖，又纯净，又明亮，实际上，太阳光里包含了很多人类肉眼看不见的光线，比如紫外线。按照波长由长到短来划分，紫外线可以分为UVA、UVB和UVC，其中UVC是最危险的紫外线。在UVC的长期照射下，没有任何生命可以存活。我们经常听到紫外线消毒灯、黑光灯，其实这种灯发出来的光线就是肉眼看不见的UVC，它可以用来消毒、杀菌。

UVB会带来什么影响呢？在UVB的长期照射之下，人容易得皮肤癌和白内障，每年全世界因皮肤癌而死亡和因白内障而失明的人都非常多。

至于UVA，很多爱美人士都非常痛恨它，因为在UVA的照射下，皮肤很容易变老、变黑、长皱纹，而变老首先就是从皮肤开始的。

好在人类非常幸运，因为头顶的平流层就像一把大伞，它无处不在、无时不在地保护着我们。臭氧层可以隔绝100%最危险的UVC，隔绝50%以上的UVB，一部分的UVA。所以，能够到达地球表面的紫外线只是紫外线中的一小部分，这一小部分但对于我们的健康是有用的，缺乏紫外线照射，人容易缺乏维生素D和钙，导致骨质疏松、佝偻病、软骨病、运动发育迟缓、手足抽搐等。

平流层的运动状况有一些鲜明的特点。比如说，在中纬度和高纬度地区，大概有半年时间都是东风环流，另外半年大概是西风环流。所以，如果夏季你从北极的上空看，会看到一个顺时针环流；到了冬季，就会看到一个逆时针环流。

平流层的风速非常大，大到什么程度？比地球上所有台风和飓风的风速还要大。急流区的风速甚至可以达到100米/秒以上，这支急流形成对高纬度冷空气的禁锢圈，将冷空气控制在黑暗幽冷的极区。当急流上产生大尺度扰动的时候，急流发生扭曲，就会产生冷空气向南的倾泻。就像一个水盆稳定旋转一样，里面的水洒不出来，而当水盆自身不稳定颠簸的时候，就容易把里面的水洒出来。

例如，2016年1月底，我国东部地区非常冷，连我国广东、台湾等地都下雪了，这被网友称为“霸王级寒潮”。如果在“霸王级寒潮”发生前一周或者前两周去观察平流层，就看到整个极涡被扭曲变形，冷空气源源不断地喷涌而出。

2019年1月份的北美超级寒冷，感觉一下子进入了冰河时代。这是因为1月份，北极极涡的中心被分裂，一直偏到了北美的上空，所以才造成了北美的天气异常寒冷。

同样，2021年1月初，我国东部地球遭遇极端冷空气，1月7日早晨，北京大部地区最低气温在-24～-18℃，南郊观象台最低气温-19.6℃，为1966年（-27.4℃，1966年2月22日）之后冬季最低值，在此之前平流层发生了爆发性增温，极涡被推出北极，偏移到西伯利亚上空，从而把极区的北极和西伯利亚的冷空气倾泻出来。

所以，我将平流层比喻为“全球冷空气，尤其是极端冷空气的发动机”。

另外，平流层还是全球气候变化的放大器，可以把一个地区的气候异常放大成全球的气候异常，把短时间的气候异常，放大成为长时间的气候异常。

比如，当发生火山爆发的时候，火山喷发出的火山灰、岩浆等影响的主要是火山局地，当火山喷发特别强的时候，大量硫酸盐气溶胶进入平流层，会随着平流层的大气环流输送到全球各个地方，由于平流层缺乏垂直运动，所以这些气溶胶在平流层可以维持相当长的时间，阻挡太阳辐射，形成阳伞效应，减少地面的太阳辐射，形成全球性长期的降温过程。从而把局地短期的事件，放大为长期全球的气候事件。

在过去半个世纪，1963年的阿贡火山喷发了约800万吨二氧化硫进入平流层，1982年爆发的埃尔奇琼火山爆发了约700万吨二氧化硫进入平流层，而1991年的Pinatubo火山爆发，有大约2000万吨二氧化硫进入平流层，这三次火山爆发都在全球温度序列里留下了印记，降温幅度分别为约-0.2°C、约-0.2°C和约-0.5°C，持续时间为1-2年。

更大的火山喷发，比如1815年4月印度尼西亚松巴哇岛上的坦博拉火山喷发，火山灰柱高度达到45公里（到平流层高层），火山气溶胶笼罩全球，在东南亚造成71000多人死亡，其中11000-12000人是直接因为火山爆发造成的，其余人则是死于饥荒和疾病。而万里之遥的欧洲，饥荒造成超过20万死亡。

这样的放大效应也适用于大规模山火燃烧产生的黑碳气溶胶，以及核战争引起的核冬天。所谓核冬天的意思就是，核武器会让易燃物燃烧产生的黑烟（黑碳），喷射进入平流层，通过平流层环流弥漫到全球，阻挡太阳辐射，引起地面降温，使地表呈现严寒如冬的天气。

前几年科学家们做过这样的数值试验，模拟了一场小型核战争。比如印度和巴基斯坦两国因为某种原因发动了战争，印度投了50枚核弹头，巴基斯坦也投了50枚核弹头，100枚核弹头引起100场大火，100座城市因此毁于一旦。模拟实验中的核弹头都很小，只有1.5万吨TNT当量，相当于“二战”时美国投到日本广岛的原子弹“小男孩”的当量。

即便是实验中模拟的小型核战争，也会向全球注入大概500万吨的黑碳。它们进入平流层之后，会在半年之内迅速弥漫整个平流层，从南极到北极，阻挡太阳辐射。

因为平流层里的大气以水平运动为主，空气很稳定，所以即使10年以后，大气里大概还会有110万吨的黑碳，它会造成全球性的气候影响，最主要的体现就是会影响农业。

科学家们模拟的结果显示，没有参与战争的美国和中国的农业也会受到严重影响：在战争爆发的第一个5年里，中国的冬小麦减产可能会达到40%，春小麦减产大概会达到35%；美国的玉米减产大概达到20%。

第二个5年里，美国的玉米和大豆的减产大概是10%；中国的粮食减产大概是15%～25%。

很多研究国际政治的人应该知道，农作物如果减产到这种程度，一定带来的是全球粮食危机，物价飞涨，这对穷人的影响是最大的。

如果战争规模再大一点，变成1000枚核弹头呢？大概会有5000万吨的黑碳被喷射到平流层，全球气温将降低3℃左右；如果爆炸的核弹头数量增加到3000枚，全球气温将降低7℃左右。

现在全球的平均气温是15℃，如果降低7℃，那就直接从15℃度的春天到大概8℃的冬天了。一个真真实实的核冬天就会来临。所以，我们头顶的平流层对我们非常重要，它可以放大各种或人为或自然过程造成的气候影响。核战争中哪怕我们距离战争万里之遥，但是通过头顶平流层的输送作用和全球气候的响应，也会造成全球的影响，核战争阴影之下，没有哪个国家能独善其身。

总结起来，平流层是全球极端冷空气的发动机。同时，它提供给我们一把无处不在、无时不在的遮阳伞，使地球变得更为宜居，同时它是全球气候的放大器，影响到平流层的异常事件，最终会影响全球。

审核：皇甫静亮 中科院大气物理所台风专家

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