- Charakterystyka stratosfery
- Lokalizacja
- Struktura
- Skład chemiczny
- Temperatura
- Tworzenie ozonu
- cechy
- Zniszczenie warstwy ozonowej
- Związki CFC
- Tlenki azotu
- Przerzedzenie i dziury w warstwie ozonowej
- Międzynarodowe porozumienia w sprawie ograniczenia stosowania CFC
- Dlaczego w stratosferze nie latają samoloty?
- Samolot to
- Dlaczego wymagane jest zwiększanie ciśnienia w kabinie?
- Loty w stratosferze, samoloty naddźwiękowe
- Wady dotychczas opracowanych samolotów naddźwiękowych
- Bibliografia
Stratosfera jest jedną z warstw atmosfery ziemskiej, położona między troposfery i mezosfery. Wysokość dolnej granicy stratosfery jest różna, ale dla średnich szerokości geograficznych planety można przyjąć, że wynosi 10 km. Jego górna granica to 50 km wysokości nad powierzchnią Ziemi.
Atmosfera ziemska to gazowa powłoka otaczająca planetę. Ze względu na skład chemiczny i wahania temperatury dzieli się na 5 warstw: troposferę, stratosferę, mezosferę, termosferę i egzosferę.
Rysunek 1. Stratosfera widziana z kosmosu. Źródło: Galicyjska Agencja Kosmiczna NOSA
Troposfera rozciąga się od powierzchni Ziemi do 10 km wysokości. Następna warstwa, stratosfera, rozciąga się od 10 km do 50 km nad powierzchnią ziemi.
Mezosfera ma od 50 km do 80 km wysokości. Termosfera od 80 km do 500 km, a ostatecznie egzosfera rozciąga się od 500 km do 10 000 km, stanowiąc granicę z przestrzenią międzyplanetarną.
Charakterystyka stratosfery
Lokalizacja
Stratosfera znajduje się między troposferą a mezosferą. Dolna granica tej warstwy zmienia się w zależności od szerokości geograficznej lub odległości od linii równikowej Ziemi.
Na biegunach planety stratosfera zaczyna się między 6 a 10 km nad powierzchnią Ziemi. Na równiku zaczyna się na wysokości od 16 do 20 km. Górna granica wynosi 50 km nad powierzchnią Ziemi.
Struktura
Stratosfera ma swoją własną strukturę warstwową, którą określa temperatura: warstwy zimne znajdują się na dole, a warstwy gorące na górze.
Ponadto stratosfera ma warstwę, w której występuje wysokie stężenie ozonu, zwaną warstwą ozonową lub ozonosferą, która znajduje się od 30 do 60 km nad powierzchnią ziemi.
Skład chemiczny
Najważniejszym związkiem chemicznym w stratosferze jest ozon. 85-90% całkowitego ozonu obecnego w atmosferze ziemskiej znajduje się w stratosferze.
Ozon powstaje w stratosferze w wyniku reakcji fotochemicznej (reakcji chemicznej, w której interweniuje światło), której podlega tlen. Wiele gazów w stratosferze dostaje się 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 wulkanów. Stężenie pary wodnej (H 2 O w stanie gazowym) w stratosferze jest bardzo niskie.
W stratosferze pionowe mieszanie się gazów jest bardzo powolne i praktycznie zerowe z powodu braku turbulencji. Z tego powodu chemikalia i inne materiały, które dostaną się do tej warstwy, pozostają w niej przez długi czas.
Temperatura
Temperatura w stratosferze zachowuje się odwrotnie niż w troposferze. W tej warstwie temperatura rośnie wraz z wysokością.
Ten wzrost temperatury jest spowodowany wystąpieniem reakcji chemicznych, które uwalniają ciepło, w którym interweniuje ozon (O 3 ). W stratosferze znajdują się znaczne ilości ozonu, który pochłania wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe ze Słońca.
Stratosfera jest stabilną warstwą, bez turbulencji umożliwiających mieszanie się gazów. W dolnej części powietrze jest zimne i gęste, aw górnej ciepłe i lekkie.
Tworzenie ozonu
W stratosferze tlen cząsteczkowy (O 2 ) ulega dysocjacji pod wpływem promieniowania ultrafioletowego (UV) ze Słońca:
O 2 + ŚWIATŁO UV → 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.
cechy
Stratosfera pełni funkcję ochronną wszystkich form życia na Ziemi. Warstwa ozonowa zapobiega przedostawaniu się wysokoenergetycznego promieniowania ultrafioletowego (UV) do powierzchni ziemi.
Ozon pochłania światło ultrafioletowe i rozkłada się na tlen atomowy (O) i tlen cząsteczkowy (O 2 ), co pokazuje następująca reakcja chemiczna:
O 3 + ŚWIATŁO UV → O + O 2
W stratosferze procesy tworzenia i niszczenia ozonu są w równowadze, która utrzymuje jego stałe stężenie.
W ten sposób warstwa ozonowa działa jako osłona ochronna przed promieniowaniem UV, które jest przyczyną mutacji genetycznych, raka skóry, niszczenia upraw i ogólnie roślin.
Zniszczenie warstwy ozonowej
Związki CFC
Od lat 70. XX wieku naukowcy wyrażali wielkie zaniepokojenie szkodliwym wpływem związków chlorofluorowęglowodorowych (CFC) na warstwę ozonową.
W 1930 r. Zaczęto stosować związki chlorofluorowęglowodorowe, zwane handlowo freonami. Wśród nich są CFCl 3 (Freon 11), CF 2 Cl 2 (Freon 12), C 2 F 3 Cl 3 (Freon 113) i C 2 F 4 Cl 2 (Freon 114). Związki te są łatwo ściśliwe, stosunkowo niereaktywne i niepalne.
Zaczęły być stosowane 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 w produkcji artykułów jednorazowego użytku z tworzyw sztucznych, jako propelenty do produktów handlowych w postaci aerozoli w puszkach oraz jako rozpuszczalniki do czyszczenia kart urządzeń elektronicznych.
Powszechne stosowanie w dużych ilościach CFC stworzyło poważny problem środowiskowy, ponieważ te używane w przemyśle i zastosowaniach chłodniczych są uwalniane do atmosfery.
W atmosferze związki te powoli dyfundują do stratosfery; w tej warstwie ulegają rozkładowi pod wpływem promieniowania UV:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + 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 silniki samolotów naddźwiękowych, emisjami z działalności człowieka na Ziemi i aktywnością wulkaniczną.
Przerzedzenie i dziury w warstwie ozonowej
W latach osiemdziesiątych XX wieku odkryto, że w warstwie ozonowej nad biegunem południowym powstała dziura. Na tym obszarze ilość ozonu została zmniejszona o połowę.
Stwierdzono również, że nad biegunem północnym i w całej stratosferze ochronna warstwa ozonowa zmniejszyła się, 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 zgodziło się, że drastyczne ograniczenie lub całkowita eliminacja stosowania CFC jest konieczne i pilne.
Międzynarodowe porozumienia w sprawie ograniczenia stosowania CFC
W 1978 r. Wiele krajów zakazało stosowania CFC jako propelentów w komercyjnych produktach aerozolowych. W 1987 roku zdecydowana większość krajów uprzemysłowionych podpisała tak zwany Protokół Montrealski, międzynarodowe porozumienie, w którym wyznaczono cele dotyczące stopniowego zmniejszania produkcji CFC i jego całkowitej eliminacji do roku 2000.
Kilka krajów nie zastosowało się do protokołu montrealskiego, ponieważ ta redukcja i eliminacja CFC wpłynęłaby na ich gospodarkę, przedkładając interesy gospodarcze nad ochronę życia na Ziemi.
Dlaczego w stratosferze nie latają samoloty?
Podczas lotu samolotu działają 4 podstawowe siły: siła nośna, ciężar samolotu, opór i ciąg.
Winda to siła, która podtrzymuje samolot i popycha go do góry; im wyższa gęstość powietrza, tym większa siła nośna. Z drugiej strony ciężar to siła, z jaką grawitacja Ziemi ciągnie samolot w kierunku środka Ziemi.
Opór to siła, która spowalnia lub zapobiega ruchowi samolotu do przodu. Ta siła oporu działa w kierunku przeciwnym do toru samolotu.
Ciąg to siła, która porusza samolot do przodu. Jak widać, pchnięcie i uniesienie sprzyjają lotowi; ciężar i opór działają niekorzystnie na lot samolotu.
Samolot to
Samoloty komercyjne i cywilne na krótkich dystansach latają około 10 000 metrów nad poziomem morza, czyli w górnej granicy troposfery.
Wszystkie statki powietrzne wymagają podwyższenia ciśnienia w kabinie, które polega na wtłaczaniu sprężonego powietrza do kabiny.
Dlaczego wymagane jest zwiększanie ciśnienia w kabinie?
Gdy samolot wznosi się na wyższe wysokości, zewnętrzne ciśnienie atmosferyczne spada, a także zmniejsza się zawartość tlenu.
Gdyby do kabiny nie doprowadzano sprężonego powietrza, pasażerowie cierpieliby na niedotlenienie (lub chorobę górską), z objawami takimi jak zmęczenie, zawroty głowy, ból głowy i utrata przytomności z powodu braku tlenu.
Jeżeli dojdzie do przerwy w dopływie sprężonego powietrza do kabiny lub nastąpi dekompresja, zaistniałaby sytuacja awaryjna, w której samolot musiałby natychmiast zejść na dół, a wszyscy pasażerowie powinni nosić maski tlenowe.
Loty w stratosferze, samoloty naddźwiękowe
Na wysokościach większych niż 10 000 metrów w stratosferze gęstość warstwy gazowej jest mniejsza, a zatem siła nośna sprzyjająca 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 napędza silnik samolotu, jak i do efektywnego zwiększania ciśnienia w kabinie.
Na wysokości powyżej 10 000 metrów nad powierzchnią Ziemi samolot musi lecieć z bardzo dużą prędkością, zwaną naddźwiękową, osiągającą ponad 1225 km / h na poziomie morza.
Rysunek 2. Naddźwiękowy samolot komercyjny Concorde. Źródło: Eduard Marmet
Wady dotychczas opracowanych samolotów naddźwiękowych
Loty naddźwiękowe wytwarzają tak zwane grzmoty dźwiękowe, które są bardzo głośnymi dźwiękami podobnymi do grzmotów. Hałasy te mają negatywny wpływ na zwierzęta i ludzi.
Ponadto te naddźwiękowe samoloty muszą zużywać więcej paliwa, a zatem wytwarzają więcej zanieczyszczeń powietrza niż samoloty latające na niższych wysokościach.
Samoloty naddźwiękowe wymagają do produkcji znacznie mocniejszych silników i drogich materiałów specjalnych. Loty komercyjne były tak kosztowne ekonomicznie, że ich realizacja nie była opłacalna.
Bibliografia
- SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y et all. (2017). Ocena pary wodnej i ozonu w górnej troposferze i stratosferze w powtórnych analizach w ramach S-RIP. Chemia i fizyka atmosfery. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
- Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. i wszyscy. (2019). Słabe stratosferyczne zjawiska wirów polarnych modulowane przez Morze Arktyczne - utrata lodu. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 124 (2): 858–869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
- Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. et all. (2019). Sprzężenie dynamiczne troposfery i stratosfery w odniesieniu do zmienności strumienia wirowego napędzanego wirami na Północnym Atlantyku. Japońska Agencja Nauki i Technologii. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
- Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. i wszyscy. (2015). Wpływ stratosfery na troposferyczne strumienie strumieniowe, tory burz i pogodę powierzchniową. Naturę 8: 433-440.
- Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et all. (2003). Stratosfera - wymiana troposfery: przegląd i to, czego nauczyliśmy się od STACCATO. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
- Rowland FS (2009) Stratospheric Ozone Depletion. W: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (red.) Twenty Years of Ozone Decline. Skoczek. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5