Charakterystyka stratosfery, funkcje, temperatura

The stratosfera Jest to jedna z warstw ziemskiej atmosfery, zlokalizowana między troposferą a mezosferą. Wysokość dolnej granicy stratosfery jest różna, ale można ją przyjąć jako 10 km dla średnich szerokości geograficznych planety. Jego górną granicą jest wysokość 50 km na powierzchni Ziemi.

Atmosfera Ziemi jest gazową otoczką otaczającą planetę. W zależności od składu chemicznego i zmian temperatury, jest on podzielony na 5 warstw: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera i egzosfera.

Troposfera rozciąga się od powierzchni Ziemi do 10 km wysokości. Następna warstwa, stratosfera, biegnie od 10 km do 50 km nad powierzchnią Ziemi.

Mezosfera waha się od 50 km do 80 km wysokości. Termosfera od 80 km do 500 km, a wreszcie egzosfera rozciąga się od 500 km do 10 000 km wysokości, stanowiąc granicę przestrzeni międzyplanetarnej.

Indeks

• 1 Charakterystyka stratosfery
  • 1.1 Lokalizacja
  • 1.2 Struktura
  • 1.3 Skład chemiczny
• 2 Temperatura
• 3 Tworzenie się ozonu
• 4 funkcje
• 5 Zniszczenie warstwy ozonowej
  • 5.1 Związki CFC
  • 5.2 Tlenki azotu
  • 5.3 Przerzedzenie i dziury w warstwie ozonowej
  • 5.4 Umowy międzynarodowe w sprawie ograniczeń stosowania CFC
• 6 Dlaczego samoloty nie latają w stratosferze?
  • 6.1 Samolot latający w troposferze
  • 6.2 Dlaczego wymagane jest zwiększenie ciśnienia w kabinie?
  • 6.3 Loty w stratosferze, samolot naddźwiękowy
  • 6.4 Wady samolotów naddźwiękowych opracowane do tej pory
• 7 referencji

Charakterystyka stratosfery

Lokalizacja

Stratosfera znajduje się między troposferą a mezosferą. Dolna granica tej warstwy zmienia się w zależności od szerokości geograficznej lub odległości do równikowej linii naziemnej.

Na biegunach planety stratosfera zaczyna się między 6 a 10 km nad powierzchnią ziemi. Na równiku zaczyna się od 16 do 20 km wysokości. Górna granica wynosi 50 km nad powierzchnią Ziemi.

Struktura

Stratosfera ma swoją własną strukturę w warstwach, które są określone przez temperaturę: zimne warstwy znajdują się na dole, a gorące warstwy są na górze.

Ponadto, stratosfera ma warstwę, w której występuje wysokie stężenie ozonu, zwane warstwą ozonową lub ozonosferą, która znajduje się między 30 a 60 km nad powierzchnią Ziemi.

Skład chemiczny

Najważniejszym związkiem chemicznym w stratosferze jest ozon. 85 do 90% całkowitego ozonu obecnego w atmosferze Ziemi znajduje się w stratosferze.

Ozon powstaje w stratosferze za pomocą reakcji fotochemicznej (reakcja chemiczna, w której interweniuje światło), która cierpi na tlen. Większość gazów w stratosferze wchodzi z troposfery.

Stratosfera zawiera ozon (O₃), azot (N₂), tlen (O₂), tlenki azotu, kwas azotowy (HNO)₃), kwas siarkowy (H₂TAK₄), krzemiany i związki chlorowcowane, takie jak chlorofluorowęglowodory. Niektóre z tych substancji pochodzą z erupcji wulkanicznych. Stężenie pary wodnej (H₂Lub w stanie gazowym) w stratosferze, jest bardzo niska.

W stratosferze mieszanina gazów w pionie jest bardzo powolna i praktycznie zerowa z powodu braku turbulencji. Z tego powodu związki chemiczne i inne materiały wchodzące do tej warstwy pozostają w niej przez długi czas.

Temperatura

Temperatura w stratosferze ma odwrotne zachowanie niż w troposferze. W tej warstwie temperatura wzrasta wraz z wysokością.

Ten wzrost temperatury wynika z występowania reakcji chemicznych, które uwalniają ciepło, gdzie ozon interweniuje (O₃). W stratosferze występują znaczne ilości ozonu, który pochłania promieniowanie ultrafioletowe o wysokiej energii ze Słońca.

Stratosfera jest stabilną warstwą, bez turbulencji, która miesza gazy. Powietrze jest zimne i gęste w najniższej części, aw najwyższej części jest gorące i lekkie.

Tworzenie się ozonu

W stratosferze cząsteczkowy tlen (O₂) jest zdysocjowany przez promieniowanie ultrafioletowe (UV) od Słońca:

O₂  +  ŚWIATŁO UV → O + O

Atomy tlenu (O) są wysoce reaktywne i reagują z cząsteczkami tlenu (O₂) utworzyć ozon (O₃):

O + O_{2 →}  O₃  +  Ciepło

W tym procesie uwalniane jest ciepło (reakcja egzotermiczna). Ta reakcja chemiczna jest źródłem ciepła w stratosferze i powoduje wysokie temperatury w wyższych warstwach.

Funkcje

Stratosfera spełnia ochronną funkcję wszystkich form życia, które istnieją na planecie Ziemia. Warstwa ozonowa zapobiega przedostaniu się promieniowania ultrafioletowego (UV) o wysokiej energii do powierzchni ziemi.

Ozon pochłania światło ultrafioletowe i rozkłada się na tlen atomowy (O) i tlen cząsteczkowy (O₂), jak pokazano w następującej reakcji chemicznej:

O₃  + ŚWIATŁO UV → O + O₂

W stratosferze procesy powstawania i niszczenia ozonu zachowują równowagę, która utrzymuje jego stałą koncentrację.

W ten sposób warstwa ozonowa działa jako tarcza ochronna przed promieniowaniem UV, które jest przyczyną mutacji genetycznych, raka skóry, niszczenia upraw i roślin w ogóle.

Zniszczenie warstwy ozonowej

Związki CFC

Od lat 70. XX wieku naukowcy wyrazili wielkie zaniepokojenie szkodliwym wpływem chlorofluorowęglowodorów (CFC) na warstwę ozonową..

W 1930 roku wprowadzono związki chlorofluorowęglowodorów zwane komercyjnie freonami. Wśród nich są CFCl₃ (Freon 11), CF.₂Cl₂ (Freon 12), C₂F₃Cl₃ (Freon 113) i C₂F₄Cl₂ (Freon 114). Związki te są łatwo ściśliwe, stosunkowo niereaktywne i niepalne.

Zaczęły być wykorzystywane jako czynniki chłodnicze w klimatyzatorach i lodówkach, zastępując amoniak (NH₃) i dwutlenek siarki (SO)₂) ciecz (bardzo toksyczna).

Następnie CFC były stosowane w dużych ilościach do produkcji jednorazowych przedmiotów z tworzyw sztucznych, jako propelenty do produktów handlowych w postaci aerozoli w puszkach oraz jako rozpuszczalniki do czyszczenia kart elektronicznych.

Powszechne stosowanie CFC na dużą skalę spowodowało poważny problem środowiskowy, ponieważ te wykorzystywane w przemyśle i zastosowaniach chłodniczych są odprowadzane do atmosfery.

W atmosferze związki te dyfundują powoli do stratosfery; w tej warstwie ulegają rozkładowi z powodu promieniowania UV:

CFCl_{3 →} CFCl₂  +  Cl

CF₂Cl_{2  →} CF₂Cl + Cl

Atomy chloru bardzo łatwo reagują z ozonem i niszczą go:

Cl + O₃  → ClO + O₂

Pojedynczy atom chloru może zniszczyć ponad 100 000 cząsteczek ozonu.

Tlenki azotu

Tlenki azotu NOx i NOx₂ reagują niszcząc ozon. Obecność tych tlenków azotu w stratosferze jest spowodowana gazami emitowanymi przez naddźwiękowe silniki lotnicze, emisjami z działalności człowieka na Ziemi oraz aktywnością wulkaniczną.

Przerzedzenie i dziury w warstwie ozonowej

W latach 80. odkryto, że kryza w warstwie ozonowej utworzyła się nad obszarem bieguna południowego. W tym obszarze ilość ozonu została zmniejszona o połowę.

Odkryto również, że na biegunie północnym iw całej stratosferze warstwa ozonowa się rozrzedziła, to znaczy zmniejszyła swoją szerokość, ponieważ ilość ozonu znacznie spadła.

Utrata ozonu w stratosferze ma poważne konsekwencje dla życia na planecie, a kilka krajów uznało, że drastyczne zmniejszenie lub całkowite wyeliminowanie stosowania CFC jest konieczne i pilne..

Umowy międzynarodowe w sprawie ograniczenia stosowania CFC

W 1978 r. Wiele krajów zakazało stosowania CFC jako propelentów w produktach handlowych w postaci aerozoli. W 1987 r. Zdecydowana większość krajów uprzemysłowionych podpisała tzw. Protokół montrealski, umowę międzynarodową, w której wyznaczono cele stopniowej redukcji produkcji CFC i jej całkowitej eliminacji w 2000 r..

Kilka krajów naruszyło protokół montrealski, ponieważ ta redukcja i eliminacja CFC wpłynęłaby na ich gospodarkę, stawiając interesy gospodarcze przed ochroną życia na planecie Ziemi.

Dlaczego samoloty nie latają w stratosferze?

Podczas lotu samolotu występują 4 podstawowe siły: winda, ciężar samolotu, opór i ciąg.

Winda to siła, która utrzymuje samolot i podnosi go; im wyższa gęstość powietrza, tym większa winda. Z drugiej strony waga jest siłą, z jaką grawitacja ziemska ciągnie samolot w kierunku środka Ziemi.

Opór to siła, która spowalnia lub uniemożliwia przesuwanie się samolotu. Ta siła oporu działa w kierunku przeciwnym do trajektorii samolotu.

Pchnięcie to siła, która porusza samolot do przodu. Jak widzimy, popychanie i podnoszenie sprzyjają lotowi; waga i opór działają na niekorzyść lotu samolotu.

Samolot, który latają w troposferze

Samoloty komercyjne i cywilne na krótkie odległości, latają na wysokości do 10 000 metrów, to znaczy w górnej granicy troposfery.

Na wszystkich samolotach konieczne jest zwiększanie ciśnienia w kabinie, polegające na pompowaniu sprężonego powietrza w kokpicie samolotu.

Dlaczego wymagane jest zwiększanie ciśnienia w kabinie?

Gdy samolot wznosi się na wyższe wysokości, zewnętrzne ciśnienie atmosferyczne spada, a zawartość tlenu również spada.

Jeśli powietrze pod ciśnieniem nie jest dostarczane do kabiny, pasażerowie cierpieliby na niedotlenienie (lub chorobę górską), z objawami takimi jak zmęczenie, zawroty głowy, ból głowy i utrata przytomności z powodu braku tlenu.

Jeśli wystąpi awaria dostarczania sprężonego powietrza do kabiny lub dekompresji, powstanie sytuacja awaryjna, w której samolot musi natychmiast zejść, a wszyscy jego pasażerowie powinni nosić maski tlenowe.

Loty w stratosferze, samolot naddźwiękowy

Na wysokościach większych niż 10 000 metrów w stratosferze gęstość warstwy gazowej jest niższa, a zatem winda, która sprzyja lotowi, jest również niższa.

Z drugiej strony, na tych wielkich wysokościach zawartość tlenu (O₂) w powietrzu jest mniejszy, a to jest wymagane zarówno do spalania oleju napędowego, który sprawia, że ​​silnik samolotu pracuje, jak i do skutecznego zwiększania ciśnienia w kabinie.

Na wysokościach większych niż 10 000 metrów nad powierzchnią ziemi samolot musi poruszać się z bardzo dużymi prędkościami, nazywanymi naddźwiękowymi, osiągając ponad 1225 km / godzinę na poziomie morza.

Wady samolotów naddźwiękowych rozwinęły się do chwili obecnej

Loty naddźwiękowe wytwarzają tak zwane wybuchy dźwiękowe, które są bardzo głośnymi dźwiękami podobnymi do grzmotu. Te odgłosy negatywnie wpływają na zwierzęta i ludzi.

Ponadto te naddźwiękowe samoloty muszą zużywać więcej paliwa, a zatem wytwarzają więcej zanieczyszczeń powietrza niż samoloty latające na niższych wysokościach..

Naddźwiękowe samoloty wymagają znacznie mocniejszych silników i drogich specjalnych materiałów do ich produkcji. Loty komercyjne były tak kosztowne pod względem ekonomicznym, że ich wdrożenie nie było opłacalne.

Referencje

1. S.M., Hegglin, M.I., Fujiwara, M., Dragani, R., Harada i in. (2017). Ocena górnej pary wodnej troposfery i stratosfery oraz ozonu w reanalizach w ramach S-RIP. Chemia atmosferyczna i fizyka. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
2. Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. i wszyscy. (2019). Słabe zdarzenia wirowego polarnego wiru modulowane przez arktyczną stratę lodu morskiego. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
3. Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. et all. (2019). Dynamiczne sprzęgło Troposfera-Stratosfera w odniesieniu do zmienności strumienia wirowego w Północnym Atlantyku. Japońska Agencja Nauki i Technologii. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J., Scaife, A.A., Hardiman, S.C., Mitchell, D.M., Butchart, N. i in. (2015). Wpływ stratosfery na strumienie troposferyczne, tory burzowe i pogodę powierzchniową. Nature 8: 433-440.
5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. i in. (2003). Wymiana stratosfery i troposfery: przegląd i to, czego dowiedzieliśmy się od STACCATO. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland F.S. (2009) Stratospheric Ozone Depletion. W: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (red.) Dwadzieścia lat zaniku ozonu. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5