СТРАТОСФЕРА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦІЇ, ТЕМПЕРАТУРА - СЕРЕДОВИЩЕ - 2025

Стратосфери є один з шарів атмосфери Землі, розташованих між тропосферою і мезосферою. Висота нижньої межі стратосфери змінюється, але може сприйматися як 10 км для середніх широт планети. Його верхня межа - 50 км висоти над земною поверхнею.

Атмосфера Землі - це газоподібна оболонка, яка оточує планету. За хімічним складом та коливанням температури він поділяється на 5 шарів: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу та екзосферу.

Малюнок 1. Стратосфера, видно з космосу. Джерело: Галицьке космічне агентство NOSA

Тропосфера простягається від поверхні Землі до висоти 10 км. Наступний шар - стратосфера - від 10 км до 50 км над земною поверхнею.

Мезосфера становить 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.

Характеристики стратосфери

Розташування

Стратосфера розташована між тропосферою та мезосферою. Нижня межа цього шару змінюється залежно від широти або відстані від екваторіальної лінії Землі.

На полюсах планети стратосфера починається між 6 та 10 км над земною поверхнею. На екваторі він починається між 16 і 20 км висоти. Верхня межа знаходиться на 50 км над земною поверхнею.

Будова

Стратосфера має свою шарувату структуру, яка визначається температурою: холодні шари знаходяться внизу, а гарячі шари - вгорі.

Також у стратосфері є шар, де спостерігається висока концентрація озону, що називається озоновим шаром або озоносферою, що знаходиться на відстані від 30 до 60 км над земною поверхнею.

Хімічний склад

Найважливішою хімічною сполукою стратосфери є озон. 85-90% всього озону, присутнього в атмосфері Землі, знаходиться в стратосфері.

Озон утворюється в стратосфері за допомогою фотохімічної реакції (хімічної реакції, де втручається світло), що потрапляє кисень. Значна частина газів у стратосфері надходить з тропосфери.

Стратосфера містить озон (O ₃ ), азот (N ₂ ), кисень (O ₂ ), оксиди азоту, азотна кислота (HNO ₃ ), сірчана кислота (H ₂ SO ₄ ), силікати та галогеновані сполуки, такі як хлорфторвуглеводи. Деякі з цих речовин походять від вивержень вулканів. Концентрація водяної пари (H ₂ O в газоподібному стані) в стратосфері дуже низька.

У стратосфері вертикальне перемішування газу відбувається дуже повільно і практично нульове, через відсутність турбулентності. З цієї причини хімічні речовини та інші матеріали, які потрапляють у цей шар, залишаються в ньому тривалий час.

Температура

Температура в стратосфері виявляє зворотну поведінку до температури тропосфери. У цьому шарі температура зростає з висотою.

Це підвищення температури пояснюється виникненням хімічних реакцій, які виділяють тепло, де озон (O ₃ ) втручається . У стратосфері є значна кількість озону, який поглинає високоенергетичне ультрафіолетове випромінювання від Сонця.

Стратосфера - це стійкий шар, без турбулентності для змішування газів. Повітря холодне і густе в нижній частині, а у верхній - тепле і легке.

Утворення озону

У стратосфері молекулярний кисень (O ₂ ) дисоціюється під дією ультрафіолетового (УФ) випромінювання від Сонця:

O ₂ + УФ-СВІТЛО → O + O

Атоми кисню (O) є високореакційними і реагують з молекулами кисню (O ₂ ) , утворюючи озон (O ₃ ):

O + O _{2 →} O ₃ + Тепло

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

Особливості

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

Озон поглинає ультрафіолетове світло і розкладається на атомний кисень (O) і молекулярний кисень (O ₂ ), як показано наступною хімічною реакцією:

O ₃ + УФ-СВІТЛО → O + O ₂

У стратосфері процеси утворення та руйнування озону знаходяться в рівновазі, що підтримує його постійну концентрацію.

Таким чином озоновий шар працює як захисний щит від ультрафіолетового випромінювання, що є причиною генетичних мутацій, раку шкіри, руйнування культур і рослин загалом.

Руйнування озонового шару

CFC сполуки

Починаючи з 1970-х років, дослідники висловлюють велику стурбованість згубним впливом хлорфторуглеводородов на озоновий шар.

У 1930 р. Було введено використання хлорфторуглеродних сполук, комерційно названих фреонами. Серед них CFCl ₃ (Фреон 11), CF ₂ Cl ₂ (Фреон 12), C ₂ F ₃ Cl ₃ (Фреон 113) і C ₂ F ₄ Cl ₂ (Фреон 114). Ці сполуки легко стисливі, відносно нереакційні та негорючі.

Вони почали використовуватись як холодоагенти в кондиціонерах та холодильниках, замінюючи аміак (NH ₃ ) та рідкий сірчистий газ (SO ₂ ) (сильно токсичний).

Згодом КФУ у великих кількостях використовувались у виробництві одноразових пластикових виробів, як паливні засоби для комерційної продукції у вигляді аерозолів у банках, і як очищувачі розчинників для електронних карт приладів.

Широке використання у великих кількостях CFC створило серйозну екологічну проблему, оскільки ті, які застосовуються у промисловості та вживання холодоагенту, скидаються в атмосферу.

В атмосфері ці сполуки повільно дифундують у стратосферу; в цьому шарі вони зазнають розкладання через вплив УФ-випромінювання:

CFCl _{3 →} CFCl ₂ + Cl

CF ₂ Cl _{2 →} CF ₂ Cl + Cl

Атоми хлору дуже легко реагують з озоном і руйнують його:

Cl + O ₃ → ClO + O ₂

Один атом хлору може знищити більше 100 000 молекул озону.

Оксиди азоту

Оксиди азоту NO і NO ₂ реагують на руйнування озону. Наявність цих оксидів азоту в стратосфері обумовлено газами, що виділяються двигунами надзвукових літаків, викидами від людської діяльності на Землі та вулканічною активністю.

Проріджування та дірки в озоновому шарі

У 1980-х роках було виявлено, що в озоновому шарі над районом Південного полюсу утворилася дірка. У цій області кількість озону було скорочено вдвічі.

Було також виявлено, що над Північним полюсом і по всій стратосфері захисний озоновий шар стоншується, тобто зменшує його ширину, оскільки кількість озону значно зменшилась.

Втрата озону в стратосфері має серйозні наслідки для життя на планеті, і кілька країн визнали, що різке зменшення або повне усунення використання ХФУ є необхідним і терміновим.

Міжнародні угоди про обмеження використання CFC

У 1978 р. Багато країн заборонили використовувати CFC в якості палива в комерційних аерозольних продуктах. У 1987 р. Переважна більшість промислово розвинених країн підписали так званий Монреальський протокол, міжнародну угоду, де були поставлені цілі поступового скорочення виробництва CFC та його повного усунення до 2000 року.

Кілька країн не дотримуються Монреальського протоколу, оскільки це зменшення та ліквідація CFC вплине на їх економіку, поставивши економічні інтереси перед збереженням життя на планеті Земля.

Чому літаки не літають у стратосфері?

Під час польоту літака діють 4 основні сили: підйом, вага літака, перетягування і тяга.

Підйом - це сила, яка підтримує площину і штовхає її вгору; чим вище щільність повітря, тим більше підйом. Вага, з іншого боку, - це сила, з якою сила тяжіння Землі тягне площину до центру Землі.

Опір - це сила, яка уповільнює або заважає літаку рухатися вперед. Ця сила опору діє у зворотному напрямку до шляху площини.

Тяга - це сила, яка рухає площину вперед. Як ми бачимо, тяга і підйом сприяють польоту; вага та опір впливають на несприятливість польоту літака.

Літак, що

Комерційні та цивільні літаки на невеликих відстанях пролітають приблизно на 10 000 метрів над рівнем моря, тобто на верхній межі тропосфери.

Всі літальні апарати потребують тиску в кабіні, що складається з закачування стисненого повітря в кабіну літака.

Чому потрібен тиск у кабіні?

Коли літальний апарат піднімається на більш високу висоту, зовнішній атмосферний тиск зменшується, а вміст кисню також зменшується.

Якщо в кабіну повітря не надходило під тиском, пасажири страждали б від гіпоксії (або гірської хвороби) з такими симптомами, як втома, запаморочення, головний біль та втрата свідомості через брак кисню.

Якщо трапляються збої в подачі стислого повітря в кабіну або відбувається декомпресія, виникає надзвичайна ситуація, коли літак повинен негайно спуститися, а всі його мешканці повинні носити кисневі маски.

Польоти в стратосфері, надзвукові літаки

На висотах більше 10 000 метрів у стратосфері щільність газоподібного шару є нижчою, а отже, сила підйому, що сприяє польоту, також нижча.

З іншого боку, на цих великих висотах вміст кисню (O ₂ ) у повітрі є нижчим, і це потрібно як для спалювання дизельного палива, що змушує роботу двигуна літака, так і для ефективного тиску в салоні.

На висоті більше 10 000 метрів над земною поверхнею літак повинен рухатися з дуже високою швидкістю, званою надзвуковою, досягаючи понад 1,225 км / год на рівні моря.

Малюнок 2. Concorde надзвуковий комерційний літак. Джерело: Едуард Мармет

Недоліки надзвукових літаків, розроблених на сьогоднішній день

Надзвукові польоти створюють так звані звукові бури, які дуже гучні звуки, схожі на грім. Ці шуми негативно впливають на тварин і людей.

Крім того, цим надзвуковим літальним апаратам потрібно використовувати більше палива, а тому виробляти більше забруднювачів повітря, ніж літаки, що літають на менших висотах.

Для виготовлення надзвукових літаків потрібні значно потужніші двигуни та дорогі спеціальні матеріали. Комерційні рейси були настільки економічно дорогими, що їх виконання не було вигідним.

Список літератури

1. С.М., Гегглін, М.І., Фуджівара, М., Драгані, Р., Харада, Ю та ін. (2017). Оцінка верхньої тропосферної та стратосферної водяної пари та озону в реаналізах 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. та ін. (2019). Слабкі стратосферні полярні вихрові події, модульовані Арктичним морем - льодовикові втрати. Журнал геофізичних досліджень: Атмосфера. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
3. Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. et all. (2019). Динамічна сполука тропосфери-стратосфери щодо змінної струменя північноатлантичного вихру. Японське науково-технічне агентство. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. та ін. (2015). Стратосферний вплив на струменеві потоки тропосфери, зливові траси та поверхневу погоду. Природа 8: 433-440.
5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et al. (2003). Стратосфера - обмін тропосферою: огляд, і що ми дізналися з STACCATO. Журнал геофізичних досліджень: Атмосфера. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland FS (2009) Стратосферне руйнування озону. У: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Двадцять років спаду озону. Спрингер. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5