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平流層（英語：stratosphere）是地球大氣圈中位於對流層上方和中間層下方的一層。其下界即對流層上界，依緯度、季節而變，距地面8~18千米，平均11~12千米；其上界距地面50~55千米。平流層的溫度變化趨勢（逆溫分布）與對流層相反，隨着高度的增加，氣溫大體呈遞增趨勢，至平流層頂達-3℃左右，最高可達17℃。由於上熱下冷，在平流層裡大氣多大尺度平流運動，幾乎沒有上下對流，氣流平穩，且很少出現雲雨等天氣現象，能見度（透明度）好[1]，因此適合飛機飛行[2][3]。
| 散逸層（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） |
| 平流層（8至18 km ～ 50 km） |
| 對流層（地面 ～ 8至18 km） |
平流層的熱源主要是臭氧，靠其吸收太陽紫外線輻射而增溫。平流層聚集了大氣層中約90%的臭氧，臭氧濃度高值處稱臭氧層[註 1]。臭氧層吸收了到達地球的絕大部分紫外線，對人和其他生物有重要的保護作用。近幾十年來，臭氧層受到了嚴重破壞，尤其是被稱作「臭氧層空洞」的南極上空臭氧濃度極低值區。
儘管天氣現象少見，但中、高緯度（尤其是北歐等地）早、晚時偶可觀測到由細小冰晶組成的，有珍珠斑色彩，薄而透明的珠母雲。平流層環流變化常為對流層環流變化的先兆，因而對長期天氣預報有參考價值。
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1902年，法國氣象學家德博和德國氣象學家阿斯曼經過協調，分別發表了各自多年觀察的結果。他們依據高空氣球儀表所記錄到的溫度，在高度約11~14公里處發現一個等溫層（isothermal layer），位於平流層下部的底端。平流層別稱同溫層，正源於此。
平流層下接對流層，上承中間層，或平流層以上又可統稱上層大氣[3]。其下界即對流層上界（具體來說，與對流層之間還有一個稱作「對流層頂」的過渡層），受地面影響，高度依緯度、季節而變化，距地面8~18千米，平均11~12千米。平流層上界據不同說法在50[2][4]~55[1]千米[3]之間。
平流層的溫度變化趨勢為逆溫分布。隨着高度的增加，氣溫起初不變[4]或略升[5]（對流層頂平均氣溫為高緯-53℃~低緯-83℃），至距地面約30千米時顯著上升[1]，尤其是35千米（臭氧層頂）以上迅速上升[3]，至平流層頂達-3℃左右[5]，最高可達17℃[1]。
平流層有如此氣溫結構的原因是其熱源主要為臭氧。對流層主要靠吸收地面輻射的紅外線而升溫，而平流層主要靠臭氧直接吸收太陽紫外線輻射而增溫。平流層聚集了大氣層中約90%的臭氧，臭氧濃度高值區稱臭氧層[6]。臭氧的濃度會隨着緯度、季節、天氣等變化而不同[7]，「高濃度」閾值的定義也不同，依據臭氧濃度而劃定的臭氧層範圍也並非固定值，有22~25千米[6]、20~25千米[7]、20~30千米[5]、15~35千米[3]等多種說法，或直接將10~50千米大致整個平流層都稱作臭氧層[5][8]。臭氧層上部儘管臭氧含量逐漸減少，但紫外線輻射尤為強烈，因此成為氣溫隨高度上升最顯著的區域[3]。
臭氧層吸收了到達地球的絕大部分紫外線，對人和其他生物有重要的保護作用。近幾十年來，臭氧層受到了嚴重破壞，尤其是被稱作「臭氧層空洞」的南極上空臭氧濃度極低值區。1987年聯合國簽署了《蒙特利爾議定書》限制氟氯烷烴的生產和使用以保護臭氧層[6][3]。
由於上熱下冷，在平流層裡大氣多大尺度平流運動[5]，幾乎沒有上下對流，氣流平穩[3][9]，再加上對流層頂阻滯了垂直氣流，聚集了對流層內上升的水汽、雜質[10]，導致平流層很少出現雲和降水。雨、雪、雷電等絕大部分物理過程均發生在對流層，但平流層也偶有天氣現象發生，如中、高緯度（尤其是北歐等地）早、晚時偶可觀測到由細小冰晶組成的，有珍珠斑色彩，薄而透明的珠母雲[4]（又叫貝母雲），多出現在距地面22~27千米高度上[1][5]。此外，對流層中積雨雲發展非常旺盛時頂部也可能延伸到平流層底部[5]。
儘管有對流層頂這一深厚的對流阻滯層存在，但同樣由於這一層阻礙了平流層與對流層的物質交換，若由於火山噴發等原因大氣污染物一旦進入了平流層，便難以消退，甚至可形成永久性平流層氣溶膠霾層，強烈反射和散射太陽輻射導致對流層降溫[5]。
平流層的風向特點是：在中緯度地區，夏季為東風，冬季為西風。平流層環流變化常為對流層環流變化的先兆，因而對長期天氣預報有參考價值[5]。
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平流層是一個放射性、動力學及化學過程都會有強烈反應的區域。因為其水平的氣態成份混合比起垂直的混合都來得要快。一個較為有趣的平流層環流特性是發生於熱帶地區的準雙年震盪（QBO）。這種現象由重力波引導，是由於對流層的對流而引至的。準雙年震盪引致了次級環流的發生，這對於全球性的平流層輸送諸如臭氧及水蒸氣等尤為重要。
在北半球的冬季，平流層突發性增溫經常發生。這是因為平流層吸收了羅斯貝波所致。
臭氧層的損耗主因，是因為平流層中存在著含氯氟烴（簡稱CFCs - 如CF2Cl2及CFCl3）。含氯氟烴是氯、氟及碳的聚合物。正因為含氯氟烴的穩定性、價錢低廉、無毒性、非易燃性、非腐蝕性，時常被用作噴霧劑、冷卻劑及溶劑等等。但正因它的穩定性卻使其持續存在於環境之中，不易化解。這些分子會逐漸地飄到平流層，繼而進行一連串的鏈鎖反應，最終會使到臭氧層受到損耗。
美國政府早於1980年已經禁止使用含氯氟烴作為噴霧劑。世界各國亦開始於1987年9月努力減少使用含氯氟烴，直至1996年，全球禁止工廠生產及釋放含氯氟烴的法例終於生效。
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目前大型客機大多飛行於此層，以增加飛行的穩定度。原因有：
- 能見度高：地球大氣的平流層水汽、懸浮固體顆粒、雜質等極少，天氣比較晴朗，光線比較好，能見度很高，便於高空飛行。
- 受力穩定：平流層的大氣上暖下涼，大氣不對流，以平流運動為主，飛機在其中受力比較穩定，便於飛行員操縱駕駛，並可節省燃油消耗。
- 噪聲污染小：平流層距地面較高，飛機絕大部分時間在其中飛行，對地面的噪音污染相對較小。
- 安全係數高：飛鳥飛行的高度一般達不到平流層，飛機在平流層中飛行就比較安全。在起飛和着陸時，要設法驅趕開飛鳥才更為安全。
從亞洲飛往北美和加拿大的航機多會取道高速氣流，以縮短航程和節省燃油。
在溫帶地區，商業客機一般會於離地表約10公里（33,000英尺）的高空，即平流層的底部處巡航。這是為了避開對流層因對流活動而產生的氣流。而在客機巡航階段所遇上的氣流，大多是因為在對流層發生了對流超越現象。同樣地，滑翔機一般會在上升暖氣流上滑翔，這股氣流從對流層上升到達平流層就會停止。這樣一來變相為世界各地的滑翔機設定了高度限制。（縱然有些滑翔機會用上背風波來飛得更高，把滑翔機帶到平流層之中。）
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