Stratosfærens egenskaber, funktioner, temperatur

3320
David Holt

Det stratosfæren Det er et af lagene i jordens atmosfære, der ligger mellem troposfæren og mesosfæren. Højden af ​​den nedre grænse for stratosfæren varierer, men kan tages som 10 km for planetens midterste breddegrader. Dens øvre grænse er 50 km over jordens overflade..

Jordens atmosfære er den luftformige kuvert, der omgiver planeten. I henhold til den kemiske sammensætning og temperaturvariationen er den opdelt i 5 lag: troposfæren, stratosfæren, mesosfæren, termosfæren og eksosfæren..

Figur 1. Stratosfæren set fra rummet. Kilde: NOSA Axencia Espacial Galega [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Troposfæren strækker sig fra jordens overflade op til 10 km i højden. Det næste lag, stratosfæren, spænder fra 10 km til 50 km over jordens overflade..

Mesosfæren spænder fra 50 km til 80 km i højden. Termosfæren fra 80 km til 500 km, og endelig strækker eksosfæren sig fra 500 km til 10.000 km i højden, hvilket er grænsen for det interplanetære rum.

Artikelindeks

  • 1 Karakteristika for stratosfæren
    • 1.1 Placering
    • 1.2 Struktur
    • 1.3 Kemisk sammensætning
  • 2 Temperatur
  • 3 Ozondannelse
  • 4 funktioner
  • 5 Ødelæggelse af ozonlaget
    • 5.1 CFC-forbindelser
    • 5.2 Kvælstofoxider
    • 5.3 Udtynding og huller i ozonlaget
    • 5.4 Internationale aftaler om begrænsning af brugen af ​​CFC'er
  • 6 Hvorfor flyver ikke fly i stratosfæren?
    • 6.1 Fly, der flyver i troposfæren
    • 6.2 Hvorfor er kabintryk påkrævet??
    • 6.3 Flyvninger i stratosfæren, supersoniske fly
    • 6.4 Ulemper ved supersoniske fly udviklet til dato
  • 7 Referencer

Stratosfærens egenskaber

Udsigt over stratosfæren

Beliggenhed

Stratosfæren er placeret mellem troposfæren og mesosfæren. Den nedre grænse for dette lag varierer med bredde eller afstand fra Jordens ækvatoriale linje..

På planetens poler begynder stratosfæren mellem 6 og 10 km over jordens overflade. Ved ækvator begynder den mellem 16 og 20 km højde. Den øvre grænse er 50 km over jordens overflade.

Struktur

Stratosfæren har sin egen lagdelte struktur, der er defineret af temperatur: kolde lag er i bunden, og varme lag er øverst..

Stratosfæren har også et lag, hvor der er en høj koncentration af ozon, kaldet ozonlaget eller ozonosfæren, som ligger mellem 30 og 60 km over jordens overflade..

Kemisk sammensætning

Den vigtigste kemiske forbindelse i stratosfæren er ozon. 85 til 90% af den samlede ozon, der findes i jordens atmosfære, findes i stratosfæren.

Ozon dannes i stratosfæren gennem en fotokemisk reaktion (kemisk reaktion hvor lys griber ind), som ilt gennemgår. Meget af gasserne i stratosfæren kommer ind fra troposfæren.

Stratosfæren indeholder ozon (O3nitrogen, Nto), ilt (Oto), nitrogenoxider, salpetersyre (HNO3svovlsyre (HtoSW4), silicater og halogenerede forbindelser, såsom chlorfluorcarboner. Nogle af disse stoffer kommer fra vulkanudbrud. Vanddampkoncentrationen (HtoEller i gasform) i stratosfæren er den meget lav.

I stratosfæren er den lodrette gasblanding meget langsom og praktisk talt nul på grund af fraværet af turbulens. Af denne grund forbliver kemiske forbindelser og andre materialer, der kommer ind i dette lag, i det i lang tid..

Temperatur

Temperaturen i stratosfæren udviser en omvendt adfærd i forhold til troposfæren. I dette lag stiger temperaturen med højden.

Denne temperaturstigning skyldes forekomsten af ​​kemiske reaktioner, der frigiver varme, hvor ozon (O3). Der er betydelige mængder ozon i stratosfæren, som absorberer højenergi ultraviolet stråling fra solen.

Stratosfæren er et stabilt lag uden turbulens for gasser at blande sig. Luften er kold og tæt i den nederste del, og i den øverste del er den varm og lys.

Ozondannelse

I stratosfæren molekylært ilt (Oto) adskilles af virkningen af ​​ultraviolet (UV) stråling fra solen:

ELLERto  +  UV-LYS → O + O

Oxygenatomer er stærkt reaktive og reagerer med iltmolekyler (Oto) til dannelse af ozon (O3):

O + O2 →  ELLER3  +  Hed

I denne proces frigøres varme (eksoterm reaktion). Denne kemiske reaktion er varmekilden i stratosfæren og forårsager dens høje temperaturer i de øverste lag..

Funktioner

Stratosfæren opfylder en beskyttende funktion af alle former for liv, der findes på planeten Jorden. Ozonlaget forhindrer højenergi ultraviolet (UV) stråling i at nå jordens overflade.

Ozon absorberer ultraviolet lys og nedbrydes i atom ilt (O) og molekylært ilt (Oto), som vist ved følgende kemiske reaktion:

ELLER+ UV-LYS → O + Oto

I stratosfæren er processerne til dannelse og destruktion af ozon i en ligevægt, der opretholder sin konstante koncentration.

På denne måde fungerer ozonlaget som et beskyttende skjold mod UV-stråling, hvilket er årsagen til genetiske mutationer, hudkræft, ødelæggelse af afgrøder og planter generelt..

Ozonlagsdestruktion

CFC-forbindelser

Siden 1970'erne har forskere udtrykt stor bekymring over de skadelige virkninger af klorfluorcarboner (CFC'er) på ozonlaget..

I 1930 blev brugen af ​​chlorfluorcarbonforbindelser, der kommercielt kaldes freons, introduceret. Blandt disse er CFCl3 (freon 11), CFtoClto (freon 12), CtoF3Cl3 (Freon 113) og CtoF4Clto (freon 114). Disse forbindelser er let komprimerbare, relativt ureaktive og ikke-brændbare..

De begyndte at blive brugt som kølemidler i klimaanlæg og køleskabe, der erstattede ammoniak (NH3) og svovldioxid (SOto) flydende (meget giftig).

Efterfølgende er CFC'er blevet brugt i store mængder til fremstilling af engangsplastartikler, som drivmidler til kommercielle produkter i form af aerosoler i dåser og som rengøringsopløsningsmidler til elektroniske enhedskort.

Den udbredte anvendelse af CFC i store mængder har forårsaget et alvorligt miljøproblem, da de, der anvendes i industrier og anvendelser af kølemiddel, udledes i atmosfæren..

I atmosfæren diffunderer disse forbindelser langsomt ind i stratosfæren; i dette lag lider de nedbrydning på grund af effekten af ​​UV-stråling:

CFCl3 → CFClto  +  Cl

CFtoClto  CFtoCl + Cl

Kloratomer reagerer meget let med ozon og ødelægger det:

Cl + O3  → ClO + Oto

Et enkelt kloratom kan ødelægge mere end 100.000 ozonmolekyler.

Kvælstofoxider

Kvælstofoxider NO og NOto De reagerer ved at ødelægge ozon. Tilstedeværelsen af ​​disse nitrogenoxider i stratosfæren skyldes gasser, der udsendes af supersoniske flymotorer, emissioner fra menneskelige aktiviteter på jorden og vulkansk aktivitet..

Udtynding og huller i ozonlaget

I 1980'erne blev det opdaget, at der var dannet et hul i ozonlaget over Sydpol-området. I dette område var mængden af ​​ozon blevet reduceret med halvdelen.

Det blev også opdaget, at det beskyttende ozonlag er tyndt over Nordpolen og i hele stratosfæren, dvs. det har reduceret bredden, fordi mængden af ​​ozon er faldet betydeligt..

Tabet af ozon i stratosfæren har alvorlige konsekvenser for livet på planeten, og flere lande har accepteret, at en drastisk reduktion eller en fuldstændig eliminering af brugen af ​​CFC er nødvendig og presserende..

Internationale aftaler om begrænsning af brugen af ​​CFC

I 1978 forbød mange lande brugen af ​​CFC'er som drivmidler i kommercielle aerosolprodukter. I 1987 underskrev langt størstedelen af ​​de industrialiserede lande den såkaldte Montreal-protokol, en international aftale, hvor målene blev sat for en gradvis reduktion af CFC-fremstilling og dens samlede eliminering inden år 2000..

Flere lande har undladt at overholde Montreal-protokollen, fordi denne reduktion og eliminering af CFC vil påvirke deres økonomi og sætte økonomiske interesser før bevarelsen af ​​liv på planeten Jorden..

Hvorfor flyver ikke fly i stratosfæren?

Under flyvningen flyver fire grundlæggende kræfter: løft, flyets vægt, modstand og fremdrift..

Lift er en kraft, der understøtter flyet og skubber det opad; jo højere lufttætheden, jo større er elevatoren. Vægt er derimod den kraft, hvormed Jordens tyngdekraft trækker planet mod midten af ​​Jorden..

Modstand er en kraft, der bremser eller forhindrer flyet i at bevæge sig fremad. Denne modstandskraft virker i den modsatte retning af flyets bane.

Stød er den kraft, der bevæger flyet fremad. Som vi kan se, favoriserer fremdrift og løft flyvning; vægten og modstanden virker for at skade flyets fly.

Fly der de flyver i troposfæren

Kommercielle og civile fly ved korte afstande, flyver ca. 10.000 meter over havets overflade, det vil sige i den øvre grænse for troposfæren.

Alle fly kræver kabinetryk, som består i at pumpe trykluft ind i flykabinen..

Hvorfor er kabinetryk krævet?

Når flyet stiger til højere højder, falder det ydre atmosfæriske tryk, og iltindholdet falder også..

Hvis der ikke blev leveret trykluft til kabinen, ville passagererne lide af hypoxi (eller bjergsygdom) med symptomer som træthed, svimmelhed, hovedpine og bevidstløshed på grund af iltmangel.

Hvis der opstår en fejl i tilførslen af ​​komprimeret luft til kabinen eller en dekompression, ville der opstå en nødsituation, hvor flyet skal ned med det samme, og alle dets beboere skal bære iltmasker.

Flyvninger i stratosfæren, supersoniske fly

I højder større end 10.000 meter i stratosfæren er tætheden af ​​det gasformige lag lavere, og derfor er løftekraften, der favoriserer flyvning, også lavere..

På den anden side iltindholdet (O. Ved disse høje højder)to) i luften er mindre, og dette kræves både til forbrænding af det dieselbrændstof, der får flymotoren til at fungere, og til et effektivt tryk i kabinen.

I højder over 10.000 meter over jordens overflade skal flyet køre i meget høje hastigheder, kaldet supersonisk, og når over 1.225 km / time ved havoverfladen.

Figur 2. Concorde supersoniske kommercielle fly. Kilde: Eduard Marmet [CC BY-SA 3.0 GFDL 1.2]

Ulemper ved supersoniske fly udviklet til dato

Supersoniske flyvninger producerer såkaldte soniske bomme, som er meget kraftige lyde, der ligner torden. Disse lyde påvirker dyr og mennesker negativt.

Derudover skal disse supersoniske fly bruge mere brændstof og derfor producere mere luftforurenende stoffer end fly, der flyver i lavere højder..

Supersoniske fly kræver meget kraftigere motorer og dyre specielle materialer til fremstilling. Kommercielle flyvninger var så dyre økonomisk, at deres gennemførelse ikke har været rentabel.

Referencer

  1. S.M., Hegglin, M.I., Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y et all. (2017). Vurdering af øvre troposfæriske og stratosfæriske vanddamp og ozon i genanalyser som en del af S-RIP. Atmosfærisk kemi og fysik. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
  2. Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. et al. (2019). Svage stratosfæriske polære vortexbegivenheder moduleret af det arktiske hav - istab. 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). Troposfære-stratosfære dynamisk kobling med hensyn til den nordatlantiske hvirvdrevne jetvariation. Japans videnskabs- og teknologibureau. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
  4. Kidston, J., Scaife, A.A., Hardiman, S.C., Mitchell, D.M., Butchart, N. et al. (2015). Stratosfærisk indflydelse på troposfæriske jetstrømme, stormspor og vejrudsigt. Natur 8: 433-440.
  5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et al. (2003). Stratosphere - troposphere exchange: En gennemgang, og hvad vi har lært af STACCATO. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
  6. Rowland F.S. (2009) Stratosfærisk nedbrydning af ozon. I: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Twenty Years of Ozone Decline. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5

Endnu ingen kommentarer