Stratosfera: charakterystyka, funkcje, temperatura
Stratosfera jest jedną z warstw ziemskiej atmosfery, położoną 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.
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 (O 3 ), azot (N 2 ), tlen (O 2 ), tlenki azotu, kwas azotowy (HNO 3 ), kwas siarkowy (H 2 SO 4 ), krzemiany i związki chlorowcowane, takie jak chlorofluorowęglowodory. Niektóre z tych substancji pochodzą z erupcji wulkanicznych. Stężenie pary wodnej (H 2 O w stanie gazowym) w stratosferze jest bardzo niskie.
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 (O 3 ). W stratosferze występują znaczne ilości ozonu, który pochłania wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe 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 (O 2 ) ulega dysocjacji pod wpływem promieniowania ultrafioletowego (UV) pochodzącego od Słońca:
O 2 + UV ŚWIATŁO → O + O
Atomy tlenu (O) są wysoce reaktywne i reagują z cząsteczkami tlenu (O 2 ), tworząc ozon (O 3 ):
O + O 2 → O 3 + Ciepło
W tym procesie uwalniane jest ciepło (reakcja egzotermiczna). Ta reakcja chemiczna jest źródłem ciepła w stratosferze i powoduje jej wysokie temperatury w górnych warstwach.
Funkcje
Stratosfera spełnia ochronną funkcję wszystkich form życia, które istnieją na planecie Ziemia. Warstwa ozonowa zapobiega przedostawaniu się na powierzchnię Ziemi promieniowania ultrafioletowego (UV) o wysokiej energii.
Ozon pochłania światło ultrafioletowe i rozkłada się na tlen atomowy (O) i tlen cząsteczkowy (O 2 ), jak pokazano w następującej reakcji chemicznej:
O 3 + UV LIGHT → O + O 2
W stratosferze procesy tworzenia 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 związków chlorofluorowęglowych (CFC) na warstwę ozonową.
W 1930 r. Wprowadzono związki chlorofluorowęglowodorów zwane komercyjnie freonami. Wśród nich są CFC1 (Freon 11), CF2Cl2 (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 (NH 3 ) i ciekły dwutlenek siarki (SO 2 ) (wysoce toksyczny).
Następnie CFC były stosowane w dużych ilościach do produkcji jednorazowych artykułów z tworzyw sztucznych, jako propelenty do produktów handlowych w postaci puszek aerozolowych 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 → CFCl 2 + Cl
CF2Cl2 → CF2Cl + Cl
Atomy chloru bardzo łatwo reagują z ozonem i niszczą go:
Cl + O 3 → ClO + O 2
Pojedynczy atom chloru może zniszczyć ponad 100 000 cząsteczek ozonu.
Tlenki azotu
Tlenki azotu NO i NO 2 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 nad biegunem północnym i w całej stratosferze warstwa ozonowa się rozrzedziła, to znaczy zmniejszyła swoją szerokość, ponieważ ilość ozonu znacznie się zmniejszyła.
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 roku 2000.
Kilka krajów naruszyło protokół montrealski, ponieważ ta redukcja i eliminacja CFC wpłynęłaby na ich gospodarkę, stawiając interesy gospodarcze przed ochroną życia na 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 to siła, 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; masa i opór nie sprzyjają lotowi samolotu.
Samoloty lecące w troposferze
Samoloty komercyjne i cywilne na krótkie odległości, latają na wysokości około 10 000 metrów, czyli w górnej granicy troposfery.
We wszystkich samolotach konieczne jest zwiększenie ciśnienia w kabinie, które polega na pompowaniu sprężonego powietrza do kokpitu samolotu.
Dlaczego wymagane jest zwiększanie ciśnienia w kabinie?
Gdy samolot wznosi się na wyższe wysokości, zewnętrzne ciśnienie atmosferyczne spada, a zawartość tlenu również spada.
Gdyby powietrze nie było 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 mniejsza.
Z drugiej strony, na tych dużych wysokościach zawartość tlenu (O 2 ) w powietrzu jest niższa, co jest wymagane zarówno do spalania oleju napędowego, który powoduje, 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, które latają na niższych wysokościach.
Naddźwiękowe samoloty wymagają znacznie mocniejszych silników i drogich specjalnych materiałów do ich produkcji. Loty komercyjne były tak drogie ekonomicznie, że ich realizacja nie była opłacalna.
