Stratosférické charakteristiky, funkcie, teplota



stratosféra Je to jedna z vrstiev zemskej atmosféry, ktorá sa nachádza medzi troposférou a mezosférou. Nadmorská výška dolnej hranice stratosféry sa líši, ale pre stredné šírky planéty to môže byť 10 km. Jej horná hranica je 50 km nadmorskej výšky na povrchu Zeme.

Atmosféra Zeme je plynná obálka, ktorá obklopuje planétu. Podľa chemického zloženia a kolísania teploty je rozdelená do 5 vrstiev: troposféry, stratosféry, mezosféry, termosféry a exosféry.

Troposféra siaha od povrchu Zeme do výšky 10 km. Ďalšia vrstva, stratosféra, ide od 10 km do 50 km nad zemským povrchom.

Mesosphere sa pohybuje od 50 km do 80 km na výšku. Termosféra od 80 km do 500 km a konečne exosféra siaha od 500 km do 10 000 km na výšku, čo je limit s medziplanetárnym priestorom.

index

  • 1 Charakteristika stratosféry
    • 1,1 Poloha
    • 1.2 Štruktúra
    • 1.3 Chemické zloženie
  • 2 Teplota
  • 3 Tvorba ozónu
  • 4 Funkcie
  • 5 Zničenie ozónovej vrstvy
    • 5.1 Zlúčeniny CFC
    • 5.2 Oxidy dusíka
    • 5.3 Riedenie a otvory v ozónovej vrstve
    • 5.4 Medzinárodné dohody o obmedzeniach používania CFC
  • 6 Prečo lietadlá nelietajú v stratosfére?
    • 6.1 Lietadlá, ktoré lietajú v troposfére
    • 6.2 Prečo sa vyžaduje natlakovanie kabíny?
    • 6.3 Lety v stratosfére, nadzvukové lietadlá
    • 6.4 Nevýhody doteraz vyvinutých nadzvukových lietadiel
  • 7 Referencie

Charakteristiky stratosféry

umiestnenia

Stratosféra sa nachádza medzi troposférou a mezosférou. Spodná hranica tejto vrstvy sa mení so zemepisnou šírkou alebo vzdialenosťou od rovníkovej zemskej čiary.

V póloch planéty začína stratosféra medzi 6 a 10 km nad zemským povrchom. V rovníku začína v nadmorskej výške 16 až 20 km. Horná hranica je 50 km nad povrchom Zeme.

štruktúra

Stratosféra má svoju vlastnú štruktúru vo vrstvách, ktoré sú definované teplotou: studené vrstvy sú na dne a horúce vrstvy sú na vrchole.

Stratosféra má tiež vrstvu, v ktorej je vysoká koncentrácia ozónu, nazývaná ozónová vrstva alebo ozonosféra, ktorá je medzi 30 až 60 km nad zemským povrchom..

Chemické zloženie

Najdôležitejšou chemickou zlúčeninou v stratosfére je ozón. 85 až 90% celkového ozónu prítomného v atmosfére Zeme je v stratosfére.

Ozón sa vytvára v stratosfére pomocou fotochemickej reakcie (chemická reakcia, do ktorej svetlo zasahuje), ktorá trpí kyslíkom. Veľká časť plynov v stratosfére vstupuje z troposféry.

Stratosféra obsahuje ozón (O3), dusík (N2), kyslíka (O2), oxidy dusíka, kyselina dusičná (HNO)3), kyselina sírová (H2SW4), silikátov a halogénovaných zlúčenín, ako sú chlórfluórované uhľovodíky. Niektoré z týchto látok pochádzajú zo sopečných erupcií. Koncentrácia vodnej pary (H. \ T2Alebo v plynnom stave) v stratosfére je veľmi nízka.

V stratosfére je zmes plynov vertikálne veľmi pomalá a prakticky nulová, kvôli absencii turbulencií. Z tohto dôvodu zostávajú chemické zlúčeniny a iné materiály, ktoré vstupujú do tejto vrstvy, po dlhú dobu.

teplota

Teplota v stratosfére predstavuje opačné správanie ako v troposfére. V tejto vrstve sa teplota zvyšuje s nadmorskou výškou.

Toto zvýšenie teploty je spôsobené výskytom chemických reakcií, ktoré uvoľňujú teplo, kde ozón zasahuje (O3). V stratosfére sú značné množstvá ozónu, ktorý absorbuje vysokoenergetické ultrafialové žiarenie zo Slnka.

Stratosféra je stabilná vrstva, bez turbulencie, ktorá mieša plyny. Vzduch je studený a hustý v najnižšej časti av najvyššej časti je horúci a ľahký.

Tvorba ozónu

V stratosfére molekulárny kyslík (O2) je disociovaný pôsobením ultrafialového (UV) žiarenia zo Slnka: \ t

O +  UV SVETLO → O + O

Atómy kyslíka (O) sú vysoko reaktívne a reagujú s molekulami kyslíka (O2) za vzniku ozónu (O3):

O + O2 →  O3  +  teplo

V tomto procese sa uvoľňuje teplo (exotermická reakcia). Táto chemická reakcia je zdrojom tepla v stratosfére a vytvára vysoké teploty v horných vrstvách.

funkcie

Stratosféra plní ochrannú funkciu všetkých foriem života, ktoré existujú na planéte Zem. Ozónová vrstva zabraňuje vysokoenergetickému ultrafialovému (UV) žiareniu, aby sa dostalo na zemský povrch.

Ozón absorbuje ultrafialové svetlo a rozkladá sa na atómový kyslík (O) a molekulárny kyslík (O2), ako ukazuje nasledujúca chemická reakcia: \ t

O+ UV SVETLO → O + O2

V stratosfére sú procesy tvorby a ničenia ozónu v rovnováhe, ktorá si udržiava konštantnú koncentráciu.

Týmto spôsobom ozónová vrstva funguje ako ochranný štít proti UV žiareniu, ktoré je príčinou genetických mutácií, rakoviny kože, ničenia plodín a rastlín vo všeobecnosti..

Zničenie ozónovej vrstvy

Zlúčeniny CFC

Od 70. rokov 20. storočia výskumníci vyjadrili veľké znepokojenie nad škodlivými účinkami chlórfluórovaných uhľovodíkov (CFC) na ozónovú vrstvu..

V roku 1930 bolo zavedené používanie chlórfluórovaných uhľovodíkov. Medzi nimi sú CFCl3 (Freon 11), CF2cl2 (Freon 12), C2F3cl3 (Freon 113) a C2F4cl2 (Freon 114). Tieto zlúčeniny sú ľahko stlačiteľné, relatívne nereaktívne a nehorľavé.

Začali sa používať ako chladivá v klimatizačných jednotkách a chladničkách a nahrádzali amoniak (NH3) a oxidu siričitého (SO) \ t2) kvapalný (vysoko toxický).

Následne sa CFC používali vo veľkých množstvách na výrobu jednorazových plastových predmetov, ako pohonných látok pre komerčné výrobky vo forme konzervovaných aerosólov a ako rozpúšťadlá na čistenie kariet elektronických zariadení.

Rozsiahle a rozsiahle využívanie CFC spôsobilo vážny environmentálny problém, pretože tie, ktoré sa používajú v priemyselných odvetviach a chladiarenských aplikáciách, sa vypúšťajú do ovzdušia..

V atmosfére tieto zlúčeniny pomaly difundujú do stratosféry; v tejto vrstve podliehajú rozkladu vplyvom UV žiarenia:

CFCl3 → CFCl2  +  cl

CF2clCF2Cl + Cl

Atómy chlóru veľmi ľahko reagujú s ozónom a ničia ho:

Cl + O3  → ClO + O2

Jeden atóm chlóru môže zničiť viac ako 100 000 ozónových molekúl.

Oxidy dusíka

Oxidy dusíka NOx a NOx2 reagujú ničením ozónu. Prítomnosť týchto oxidov dusíka v stratosfére je spôsobená plynmi emitovanými nadzvukovými lietadlovými motormi, emisiami z ľudských činností na Zemi a sopečnou činnosťou..

Riedenie a otvory v ozónovej vrstve

V 80. rokoch sa zistilo, že nad oblasťou južného pólu sa vytvoril otvor v ozónovej vrstve. V tejto oblasti sa množstvo ozónu znížilo o polovicu.

Bolo tiež zistené, že cez severný pól a v celej stratosfére sa ozónová vrstva zmenšila, to znamená, že zmenšila svoju šírku, pretože množstvo ozónu sa značne znížilo..

Strata ozónu v stratosfére má vážne následky na život na planéte a niekoľko krajín súhlasilo s tým, že je nevyhnutné a naliehavé radikálne zníženie alebo úplné odstránenie používania CFC..

Medzinárodné dohody o obmedzení používania CFC

V roku 1978 mnohé krajiny zakázali používanie CFC ako hnacích plynov pre komerčné produkty vo forme aerosólov. V roku 1987 podpísala prevažná väčšina priemyselných krajín tzv. Montrealský protokol, medzinárodnú dohodu, v ktorej boli stanovené ciele postupného znižovania výroby CFC a jeho úplného odstránenia v roku 2000..

Niekoľko krajín porušilo Montrealský protokol, pretože toto zníženie a eliminácia CFC by ovplyvnilo ich hospodárstvo, čím by sa ekonomické záujmy dostali pred zachovaním života na planéte Zem..

Prečo lietadlá nelietajú v stratosfére?

Počas letu letúna sú 4 základné sily: zdvih, hmotnosť letúna, odpor a ťah.

Výťah je sila, ktorá drží lietadlo a tlačí ho hore; Čím vyššia je hustota vzduchu, tým je výťah väčší. Na druhej strane, hmotnosť je sila, ktorou gravitácia Zeme ťahá rovinu smerom k stredu Zeme.

Odpor je sila, ktorá spomaľuje alebo zabraňuje posunu roviny. Táto sila odporu pôsobí v opačnom smere ako trajektória lietadla.

Tlak je sila, ktorá posúva rovinu dopredu. Ako vidíme, tlač a výťah uprednostňujú let; hmotnosť a odolnosť pôsobia tak, že neoslabujú let lietadla.

Lietadlo, ktoré lietajú v troposfére

Komerčné a civilné lietadlá na krátke vzdialenosti lietajú približne do 10 000 metrov výšky, to znamená do hornej hranice troposféry..

Vo všetkých letúnoch je potrebné, aby bola kabína natlakovaná, ktorá pozostáva z čerpania stlačeného vzduchu v kokpite letúna..

Prečo sa vyžaduje natlakovanie kabíny?

Ako lietadlo stúpa do vyšších nadmorských výšok, externý atmosférický tlak sa znižuje a obsah kyslíka tiež klesá.

Ak nie je do kabíny privádzaný stlačený vzduch, cestujúci by trpeli hypoxiou (alebo horskou chorobou) s príznakmi ako únava, závraty, bolesť hlavy a strata vedomia v dôsledku nedostatku kyslíka..

Ak dôjde k poruche v dodávke stlačeného vzduchu do kabíny alebo dekompresiu, vznikne núdzová situácia, keď lietadlo musí okamžite zostúpiť a všetci jeho obyvatelia by mali nosiť kyslíkové masky..

Lety v stratosfére, nadzvukové lietadlá

Vo výškach väčších ako 10 000 metrov, v stratosfére, je hustota plynnej vrstvy nižšia, a preto je výťah, ktorý uprednostňuje let, tiež nižší..

Na druhej strane, v týchto veľkých výškach obsah kyslíka (O2) vo vzduchu je menšia a to je potrebné pre spaľovanie motorovej nafty, ktorá robí motor lietadla, ako aj pre účinné natlakovanie v kabíne.

Vo výškach väčších ako 10 000 metrov nad zemským povrchom musí lietadlo ísť veľmi vysokými rýchlosťami, nazývanými nadzvukové, s výškou nad 1,225 km / hod..

Nevýhody nadzvukových lietadiel sa vyvíjali do súčasnosti

Nadzvukové lety produkujú takzvané zvukové explózie, ktoré sú veľmi hlasné zvuky podobné hromu. Tieto zvuky negatívne ovplyvňujú zvieratá a ľudí.

Navyše, tieto nadzvukové lietadlá musia používať viac paliva, a preto produkujú viac látok znečisťujúcich ovzdušie ako lietadlá, ktoré lietajú v nižších nadmorských výškach..

Supersonické lietadlá vyžadujú oveľa výkonnejšie motory a drahé špeciálne materiály na ich výrobu. Komerčné lety boli tak ekonomicky nákladné, že ich realizácia nebola zisková.

referencie

  1. S.M., Hegglin, M.I., Fujiwara, M., Dragani, R., Harada a kol. (2017). Posúdenie horných troposférických a stratosférických vodných pár a ozónu v reanalýzach ako súčasť S-RIP. Atmosférická chémia a fyzika. 17: 12743-12778. doi: 10,5194 / acp-17-12743-2017
  2. Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. et al. (2019). Slabé stratosférické polárne vortexové udalosti modulované stratou ľadu v Arktíde. Journal of Geophysical Research: Atmosféry. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
  3. Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. et al. (2019). Dynamická spojka Troposphere-Stratosphere v súvislosti so severoatlantickou variabilitou Jet-Driven. Japonská agentúra pre vedu a techniku. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
  4. Kidston, J., Scaife, A.A., Hardiman, S.C., Mitchell, D.M., Butchart, N. a kol. (2015). Stratosférický vplyv na troposférické prúdové prúdy, búrkové cesty a povrchové počasie. Nature 8: 433-440.
  5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. a kol. (2003). Stratosphere-výmena troposféry: Prehľad a to, čo sme sa naučili od STACCATO. Journal of Geophysical Research: Atmosféry. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
  6. Rowland F.S. (2009) Stratosférické poškodenie ozónu. In: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Dvadsať rokov Ozone Decline. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5