STRATOSFERA: ZNAČILNOSTI, FUNKCIJE, TEMPERATURA - OKOLJE - 2026

Stratosferi je ena od plasti Zemljine atmosfere, ki se nahaja med troposferi in Mezosfera. Nadmorska višina stratosfere se spreminja, vendar se lahko za srednje zemljepisne širine planeta šteje 10 km. Njegova zgornja meja je 50 km nadmorske višine nad Zemljino površino.

Zemljino ozračje je plinasto ovojnico, ki obdaja planet. Glede na kemično sestavo in variacijo temperature jo delimo na 5 plasti: troposfera, stratosfera, mezofera, termosfera in eksosfera.

Slika 1. Stratosfera, ki jo vidimo iz vesolja. Vir: Gazijska vesoljska agencija NOSA

Troposfera sega od Zemljinega površja do višine 10 km. Naslednja plast, stratosfera, sega od 10 km do 50 km nad zemeljskim površjem.

Mezofera se giblje od 50 km do 80 km v višino. Termosfera od 80 km do 500 km in končno se eksofera razteza od 500 km do 10.000 km v višino in je meja medplanetarnega prostora.

Značilnosti stratosfere

Lokacija

Stratosfera se nahaja med troposfero in mezosfero. Spodnja meja tega sloja se spreminja glede na zemljepisno širino ali oddaljenost od Zemljine ekvatorialne črte.

Na polovicah planeta se stratosfera začne med 6 in 10 km nad zemeljskim površjem. Na ekvatorju se začne med 16 in 20 km nadmorske višine. Zgornja meja je 50 km nad Zemljino površino.

Struktura

Stratosfera ima svojo plastno strukturo, ki jo določa temperatura: hladni sloji so na dnu, vroči sloji pa na vrhu.

Prav tako ima stratosfera plast, kjer je visoka koncentracija ozona, imenovana ozonska plast ali ozonosfera, ki je med 30 in 60 km nad zemeljskim površjem.

Kemična sestava

Najpomembnejša kemična spojina v stratosferi je ozon. 85 do 90% celotnega ozona, prisotnega v Zemljini atmosferi, najdemo v stratosferi.

Ozon nastaja v stratosferi s pomočjo fotokemične reakcije (kemična reakcija, kjer se vmeša svetloba), ki je podvržen kisiku. Velik del plinov v stratosferi vstopi iz troposfere.

Stratosfera vsebuje ozon (O ₃ ), dušik (N ₂ ), kisik (O ₂ ), dušikove okside, dušikovo kislino (HNO ₃ ), žveplovo kislino (H ₂ SO ₄ ), silikate in halogenirane spojine, kot so klorofluoroogljikovodiki. Nekatere od teh snovi izvirajo iz vulkanskih izbruhov. Koncentracija vodne pare (H ₂ O v plinastem stanju) v stratosferi je zelo nizka.

V stratosferi je vertikalno mešanje plina zelo počasno in praktično nično, ker ni turbulenc. Zaradi tega kemikalije in drugi materiali, ki vstopajo v to plast, ostanejo v njej dlje časa.

Temperatura

Temperatura v stratosferi kaže obratno vedenje kot v troposferi. V tej plasti se višina temperature poveča.

Povišanje temperature je posledica pojava kemičnih reakcij, ki sproščajo toploto, kjer posega ozon (O ₃ ). V stratosferi je veliko ozona, ki absorbira visoko energijsko ultravijolično sevanje iz Sonca.

Stratosfera je stabilna plast, ki ne povzroča turbulenc za mešanje plinov. Zrak je v spodnjem delu hladen in gost, v zgornjem pa je topel in lahkoten.

Tvorba ozona

V stratosferi se molekularni kisik (O ₂ ) disociira z učinkom ultravijoličnega (UV) sevanja od Sonca:

O ₂ + UV SVETLOBA → O + O

Atomi kisika (O) so visoko reaktivni in reagirajo z molekuli kisika (O ₂ ) , da tvorijo ozon (O ₃ ):

O + O _{2 →} O ₃ + toplota

Pri tem procesu se sprošča toplota (eksotermična reakcija). Ta kemijska reakcija je vir toplote v stratosferi in povzroča njene visoke temperature v zgornjih plasteh.

Lastnosti

Stratosfera izpolnjuje zaščitno funkcijo vseh oblik življenja, ki obstajajo na planetu Zemlja. Ozonska plast preprečuje, da bi visokoenergijsko ultravijolično (UV) sevanje prodrlo na zemeljsko površino.

Ozon absorbira ultravijolično svetlobo in razpade na atomski kisik (O) in molekularni kisik (O ₂ ), kot kaže naslednja kemijska reakcija:

O ₃ + UV SVETLOBA → O + O ₂

V stratosferi so procesi tvorbe in uničenja ozona v ravnovesju, ki ohranja njegovo konstantno koncentracijo.

Na ta način ozonska plast deluje kot zaščitni ščit pred UV-sevanjem, ki je vzrok genetskih mutacij, kožnega raka, uničenja pridelkov in rastlin na splošno.

Uničenje ozonske plasti

CFC spojine

Od 70. let prejšnjega stoletja so raziskovalci izrazili veliko zaskrbljenost zaradi škodljivih učinkov klorofluoroogljikovodikov (CFC) na ozonsko plast.

Leta 1930 je bila uvedena uporaba klorofluoroogljikovih spojin, ki se komercialno imenujejo freoni. Med njimi so CFCl ₃ (freon 11), CF ₂ Cl ₂ (freon 12), C ₂ F ₃ Cl ₃ (freon 113) in C ₂ F ₄ Cl ₂ (Freon 114). Te spojine so zlahka stisljive, relativno nereaktivne in negorljive.

Začeli so jih uporabljati kot hladilna sredstva v klimatskih napravah in hladilnikih, nadomeščajo amoniak (NH ₃ ) in tekoči žveplov dioksid (SO ₂ ) (zelo strupeno).

Nato so CFC uporabljene v velikih količinah pri izdelavi plastičnih izdelkov za enkratno uporabo, kot pogonska sredstva za komercialne izdelke v obliki aerosolov v pločevinkah in kot čistila za čiščenje kartic elektronskih naprav.

Široka uporaba velikih količin CFC-jev je povzročila resen okoljski problem, saj se tisti, ki se uporabljajo v industriji in uporabi hladilnih sredstev, izpuščajo v ozračje.

V atmosferi te spojine počasi difundirajo v stratosfero; v tem sloju trpijo zaradi razkroja zaradi UV žarčenja:

CFCl _{3 →} CFCl ₂ + Cl

CF ₂ Cl _{2 →} CF ₂ CI + CI

Atomi klora zelo enostavno reagirajo z ozonom in ga uničijo:

Cl + O ₃ → Cio + O ₂

En atom klora lahko uniči več kot 100.000 molekul ozona.

Dušikovi oksidi

Dušikova oksida NO in NO ₂ reagirata, da uničita ozon. Prisotnost teh dušikovih oksidov v stratosferi je posledica plinov, ki jih oddajajo motorji nadzvočnih zrakoplovov, emisij iz človeških dejavnosti na Zemlji in vulkanske aktivnosti.

Redčenje in luknje v ozonski plasti

V osemdesetih letih so ugotovili, da se je v ozonski plasti nad območjem Južnega pola oblikovala luknja. Na tem območju so količino ozona zmanjšali na polovico.

Ugotovljeno je bilo tudi, da se je nad Severnim polom in po vsej stratosferi zaščitna ozonska plast stanjšala, torej zmanjšala širino, ker se je količina ozona znatno zmanjšala.

Izguba ozona v stratosferi ima resne posledice za življenje na planetu in številne države so sprejele, da je potrebno in nujno drastično zmanjšanje ali popolna odprava uporabe CFC-jev.

Mednarodni sporazumi o omejevanju uporabe CFC

Leta 1978 so številne države prepovedale uporabo CFC-jev kot pogonskih goriv v komercialnih aerosolnih izdelkih. Leta 1987 je velika večina industrializiranih držav podpisala tako imenovani Montrealski protokol, mednarodni sporazum, v katerem so bili določeni cilji za postopno zmanjšanje proizvodnje CFC in njegovo popolno odpravo do leta 2000.

Več držav ni spoštovalo Montrealskega protokola, ker bi to zmanjšanje in odprava CFC vplivalo na njihovo gospodarstvo, kar bi postavilo ekonomske interese pred ohranjanjem življenja na planetu Zemlja.

Zakaj letala ne letijo v stratosferi?

Med letom letala delujejo 4 osnovne sile: dviganje, teža letala, vleka in potisk.

Dvigalo je sila, ki podpira letalo in ga potisne navzgor; višja kot je gostota zraka, večje je dviganje. Teža je na drugi strani sila, s katero Zemljina gravitacija potegne ravnino proti središču Zemlje.

Upor je sila, ki upočasni ali prepreči gibanje letala naprej. Ta odporna sila deluje v nasprotni smeri od poti ravnine.

Potisk je sila, ki premika ravnino naprej. Kot vidimo, je potisk in dvig ugoden let; teža in upornost vplivata na neugodno letenje letala.

Letalo to

Gospodarska in civilna letala na kratkih razdaljah letijo približno 10.000 metrov nadmorske višine, torej na zgornji meji troposfere.

Vsa letala potrebujejo tlak v kabini, ki je sestavljeno iz črpanja stisnjenega zraka v kabino zrakoplova.

Zakaj je potrebna tlaka v kabini?

Ko se zrakoplov vzpenja na višje nadmorske višine, se zunanji atmosferski tlak zmanjšuje in tudi vsebnost kisika.

Če se v kabino ne bi dovajal zrak pod tlakom, bi potniki trpeli zaradi hipoksije (ali gorske bolezni) s simptomi, kot so utrujenost, omotica, glavobol in izguba zavesti zaradi pomanjkanja kisika.

Če pride do okvare v oskrbi s stisnjenim zrakom v kabino ali dekompresije, bi prišlo do izrednega dogodka, kjer se mora letalo takoj spustiti, vsi njegovi potniki pa naj nosijo kisikove maske.

Leta v stratosferi, nadzvočni letali

Na nadmorski višini, večji od 10.000 metrov, je v stratosferi gostota plinastega sloja manjša, zato je tudi sila dviga, ki daje prednost letu, manjša.

Po drugi strani je na teh visokih nadmorskih višinah vsebnost kisika (O ₂ ) v zraku nižja, kar je potrebno tako za zgorevanje dizelskega goriva, zaradi katerega motor letala deluje, kot tudi za učinkovit tlak v kabini.

Na višinah, večjih od 10.000 metrov nad zemeljskim površjem, mora letalo iti z zelo visokimi hitrostmi, imenovanimi nadzvočni, dosegati nad 1.225 km / uro na morski gladini.

Slika 2. Concorde nadzvočno komercialno letalo. Vir: Eduard Marmet

Slabosti nadzvočnih letal, razvitih do danes

Nadzvočni leti povzročajo tako imenovane zvočne strele, ki so zelo glasne zvoke, podobne gromu. Ti zvoki negativno vplivajo na živali in ljudi.

Poleg tega morajo ta nadzvočna letala porabiti več goriva in zato proizvajajo več onesnaževal zraka kot letala, ki letijo na nižji nadmorski višini.

Za izdelavo nadzvočnega letala so za izdelavo potrebni veliko močnejši motorji in dragi posebni materiali. Komercialni leti so bili tako ekonomično dragi, da njihovo izvajanje ni dobičkonosno.

Reference

1. SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y et al. (2017). Ocena zgornje troposferske in stratosferske vodne pare in ozona v reakcijah kot del S-RIP. Atmosferska kemija in fizika. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
2. Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. idr. (2019). Slabi stratosferski polarni vrtinčni dogodki, ki jih prireja Arktično morje - Ledena izguba. Journal of Geophysical Research: Atmosfere. 124 (2): 858–869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
3. Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. et al. (2019). Dinamična sklopka troposfere in stratosfere glede na spremenljivo spremenljivo morsko moč severnega Atlantika. Japonska agencija za znanost in tehnologijo. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. et al. (2015). Stratosferski vpliv na potoke troposferskih curkov, nevihtne sledi in površinsko vreme. Narava 8: 433–440.
5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et al. (2003). Stratosfera - izmenjava troposfere: Pregled in kaj smo se naučili od STACCATO. Journal of Geophysical Research: Atmosfere. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland FS (2009) Stratosfersko izčrpavanje ozona. V: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Dvajset let upada ozona. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5