Особливості стратосфери, функції, температура

The стратосфері Це один з шарів атмосфери Землі, розташований між тропосферою і мезосферою. Висота нижньої межі стратосфери змінюється, але її можна взяти за 10 км для середніх широт планети. Його верхня межа - висота 50 км на поверхні Землі.

Атмосфера Землі - це газоподібний конверт, який оточує планету. За хімічним складом і зміною температури вона ділиться на 5 шарів: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу і екзосферу.

Тропосфера простягається від поверхні Землі до 10 км у висоту. Наступний шар, стратосфера, йде від 10 км до 50 км над земною поверхнею.

Мезосфера коливається від 50 км до 80 км у висоту. Термосфера від 80 км до 500 км, і, нарешті, екзосфера простягається від 500 км до 10 000 км у висоту, будучи межею міжпланетного простору.

Індекс

• 1 Характеристика стратосфери
  • 1.1 Розташування
  • 1.2 Структура
  • 1.3 Хімічний склад
• 2 Температура
• 3 Утворення озону
• 4 Функції
• 5 Знищення озонового шару
  • 5.1 Сполуки CFC
  • 5.2 Оксиди азоту
  • 5.3 Витончення і отвори в озоновому шарі
  • 5.4 Міжнародні угоди про обмеження використання ХФУ
• 6 Чому літаки не літають у стратосфері?
  • 6.1 Літаки, що літають у тропосфері
  • 6.2 Чому необхідний тиск в кабіні?
  • 6.3 Польоти в стратосферу, надзвукові літаки
  • 6.4 Недоліки розвинених на сьогоднішній день надзвукових літаків
• 7 Посилання

Характеристика стратосфери

Розташування

Стратосфера розташована між тропосферою і мезосферою. Нижня межа цього шару змінюється з широтою або відстанню до екваторіальної земної лінії.

На полюсах планети стратосфера починається від 6 до 10 км над земною поверхнею. На екваторі вона починається від 16 до 20 км. Верхня межа становить 50 км над поверхнею Землі.

Структура

Стратосфера має свою структуру в шарах, які визначаються температурою: холодні шари знаходяться на дні, а гарячі шари знаходяться на вершині..

Крім того, стратосфера має шар, де є висока концентрація озону, що називається озоновим шаром або озоносферою, яка знаходиться на відстані від 30 до 60 км над земною поверхнею..

Хімічний склад

Найбільш важливим хімічним з'єднанням в стратосфері є озон. Від 85 до 90% загального озону в атмосфері Землі знаходиться в стратосфері.

У стратосфері утворюється озон за допомогою фотохімічної реакції (хімічна реакція, в якій втручається світло), що страждає киснем. Значна частина газів в стратосфері надходить з тропосфери.

Стратосфера містить озон (O₃), азот (N₂), кисень (O₂), оксиди азоту, азотна кислота (HNO)₃), сірчана кислота (Н₂SO₄), силікати і галогеновані сполуки, такі як хлорфторуглероди. Деякі з цих речовин походять від вивержень вулканів. Концентрація водяної пари (Н₂Або в газоподібному стані) в стратосфері вона дуже низька.

У стратосфері суміш газів вертикально дуже повільна і практично нульова, через відсутність турбулентності. З цієї причини хімічні сполуки та інші матеріали, що входять у цей шар, залишаються в ньому протягом тривалого часу.

Температура

Температура в стратосфері має зворотне поведінку, ніж у тропосфері. У цьому шарі температура збільшується з висотою.

Це підвищення температури обумовлено виникненням хімічних реакцій, які виділяють тепло, в якому втручається озон (O₃). У стратосфері є значні кількості озону, який поглинає високоенергетичне ультрафіолетове випромінювання від Сонця.

Стратосфера є стійким шаром, без турбулентності, що змішує гази. Повітря холодне і щільне в найнижчій частині, а у верхній частині - гаряче і світле.

Утворення озону

У стратосфері молекулярний кисень (O₂) відмежовується впливом ультрафіолетового (УФ) випромінювання від Сонця:

O₂  +  УФ-СВІТЛО → O + O

Атоми кисню (O) є високореакційними і реагують з молекулами кисню (O₂) утворювати озон (O₃):

O + O_{2 →}  O₃  +  Тепло

У цьому процесі виділяється тепло (екзотермічна реакція). Ця хімічна реакція є джерелом тепла в стратосфері і породжує її високі температури у верхніх шарах.

Функції

Стратосфера виконує захисну функцію всіх форм життя, що існують на планеті Земля. Озоновий шар запобігає потраплянню до поверхні землі високоенергетичного ультрафіолетового (УФ) випромінювання.

Озон поглинає ультрафіолетове світло і розкладається на атомарний кисень (O) і молекулярний кисень (O₂), як показано наступною хімічною реакцією:

O₃  + УФ-СВІТЛО → O + O₂

У стратосфері процеси утворення та руйнування озону знаходяться в рівновазі, що зберігає її постійну концентрацію.

Таким чином, озоновий шар працює як захисний щит від УФ-випромінювання, що є причиною генетичних мутацій, раку шкіри, знищення культур і рослин в цілому.

Руйнування озонового шару

З'єднання CFC

З 1970-х років дослідники висловлювали велику стурбованість шкідливим впливом хлорфторуглеродов (ХФУ) на озоновий шар..

У 1930 році було введено хлорофторвуглецеві сполуки, названі комерційними фреонами. Серед них CFCl₃ (Фреон 11), CF₂Cl₂ (Фреон 12), С₂F₃Cl₃ (Фреон 113) і С₂F₄Cl₂ (Фреон 114). Ці сполуки легко стискаються, відносно нереактивні і негорючі.

Вони стали використовуватися в якості холодоагентів в кондиціонерах і холодильниках, замінюючи аміак (NH₃) і діоксид сірки (SO)₂) рідина (високотоксична).

Згодом ХФУ використовувалися у великих кількостях у виробництві одноразових пластикових виробів, як пропеллент для комерційних виробів у вигляді консервованих аерозолів, і як розчинники для очищення карт електронних пристроїв..

Широке і широкомасштабне використання ХФУ спричинило серйозну екологічну проблему, оскільки ті, що використовуються в промисловості і використовують холодоагент, скидаються в атмосферу.

У атмосфері ці сполуки повільно дифундують у стратосферу; в цьому шарі вони піддаються розкладанню через УФ-випромінювання:

CFCl_{3 →} CFCl₂  +  Cl

CF₂Cl_{2  →} CF₂Cl + Cl

Атоми хлору дуже легко реагують на озон і руйнують його:

Cl + O₃  → ClO + O₂

Один атом хлору може знищити більше 100 000 молекул озону.

Оксиди азоту

NOx та NOx оксиди азоту₂ вони реагують, знищуючи озон. Присутність цих оксидів азоту в стратосфері пов'язано з газами, що випускаються надзвуковими двигунами літаків, до викидів від діяльності людини на Землі і до вулканічної активності.

Розрідження і отвори в озоновому шарі

У 1980-х роках було виявлено, що над зоною Південного полюсу утворився отвір озонового шару. У цій області кількість озону скоротилася вдвічі.

Також було виявлено, що над Північним полюсом і по всій стратосфері озоновий шар стоншується, тобто він зменшує його ширину, оскільки кількість озону значно зменшилася..

Втрата озону в стратосфері має серйозні наслідки для життя на планеті, і кілька країн прийняли, що різке скорочення або повна ліквідація використання ХФУ є необхідним і терміновим..

Міжнародні угоди щодо обмеження використання ХФУ

У 1978 році багато країн заборонили використання ХФУ як пропеллентов для комерційних продуктів у вигляді аерозолів. У 1987 році переважна більшість промислово розвинених країн підписали так званий Монреальський протокол, міжнародну угоду, де були встановлені цілі для поступового скорочення виробництва ХФУ та його повної ліквідації в 2000 році..

Кілька країн порушили Монреальський протокол, оскільки це скорочення та ліквідація ХФУ вплине на їхню економіку, поставивши економічні інтереси перед збереженням життя на планеті Земля.

Чому літаки не летять в стратосферу?

Під час польоту літака діють 4 основні сили: підйомник, вага літака, опір і тяга.

Підйомник - це сила, яка тримає площину і штовхає її вгору; чим вище щільність повітря, тим більше ліфт. Вага, з іншого боку, є силою, з якою гравітація Землі тягне площину до центру Землі.

Опір - це сила, яка уповільнює або запобігає просуванню літака. Ця сила опору діє в протилежному напрямку до траєкторії літака.

Поштовх - це сила, яка рухає літак вперед. Як ми бачимо, поштовх і підйом сприяють польоту; Вага і опір діють, щоб зашкодити польоту літака.

Літак, що вони літають в тропосфері

Комерційні та цивільні літаки на короткі відстані літають приблизно до 10000 метрів висоти, тобто у верхній межі тропосфери.

На всіх літаках необхідно, щоб був тиск кабіни, що полягає у відкачуванні стисненого повітря в кабіні літака.

Чому необхідний тиск в кабіні?

Оскільки повітряне судно піднімається на більшу висоту, зовнішній атмосферний тиск зменшується, а вміст кисню також зменшується.

Якщо в салон не подається повітря під тиском, пасажири будуть страждати від гіпоксії (або гірської хвороби), при цьому такі симптоми, як стомлюваність, запаморочення, головний біль і втрата свідомості через відсутність кисню.

Якщо виникне збій у подачі стисненого повітря до салону або декомпресії, виникла б надзвичайна ситуація, коли повітряне судно повинно опуститися негайно, і всі його пасажири повинні носити кисневі маски.

Польоти в стратосферу, надзвукові літаки

На висотах понад 10 000 метрів, в стратосфері, щільність газоподібного шару нижче, і тому ліфт, що сприяє польоту, також нижчий.

З іншого боку, при цих великих висотах вміст кисню (O₂) у повітрі менше, і це потрібно як для спалювання дизельного палива, що робить двигун літака роботою, так і для ефективного наддуву в кабіні.

На висотах, що перевищують 10 000 метрів над земною поверхнею, літак повинен рухатися на дуже високих швидкостях, які називаються надзвуковими, досягаючи 1225 км / год на рівні моря.

Недоліки надзвукового літака розроблені до теперішнього часу

Звукові вибухи викликають так звані звукові вибухи, які дуже гучні звуки, подібні до грому. Ці шуми негативно впливають на тварин і людей.

Крім того, ці надзвукові літаки повинні використовувати більше палива, а тому виробляти більше забруднювачів повітря, ніж літаки, що літають на менших висотах..

Сверхзвукові літаки вимагають набагато більш потужних двигунів і дорогих спеціальних матеріалів для їх виготовлення. Комерційні рейси були настільки економічно дорогими, що їх реалізація не була прибутковою.

Список літератури

1. S.M., Hegglin, M.I., Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, et. (2017). Оцінка верхніх тропосферних і стратосферних водяних парів і озону в реаналісах як частина S-RIP. Атмосферна хімія та фізика. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
2. Хоші, К., Укіта, Дж., Хонда, М. Накамура, Т., Ямазакі, К. і ін. (2019). Слабкі події стратосферних полярних вихорів, модульовані втратою арктичного морського льоду. Журнал геофізичних досліджень: Атмосфери. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
3. Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. et al. (2019). Динамічне зчеплення тропосферо-стратосфери з північноатлантичною зміною струменя, що управляється вихором. Японське науково-технічне агентство. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J., Scaife, A.A., Hardiman, S.C., Mitchell, D.M., Butchart, N. et al. (2015). Вплив стратосфери на тропосферні струменеві потоки, штормові шляхи та поверхневу погоду. Nature 8: 433-440.
5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et al. (2003). Обмін стратосфери-тропосфери: огляд і те, що ми дізналися від STACCATO. Журнал геофізичних досліджень: Атмосфери. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland F.S. (2009) Виснаження стратосферного озону. У: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Двадцять років зниження озону. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5