- Характеристики на стратосферата
- местоположение
- структура
- Химичен състав
- температура
- Образуване на озон
- Характеристика
- Разрушаване на озоновия слой
- CFC съединения
- Азотни оксиди
- Изтъняване и дупки в озоновия слой
- Международни споразумения за ограничаване на използването на CFC
- Защо самолетите не летят в стратосферата?
- Самолет, който
- Защо е необходимо налягане под кабината?
- Полети в стратосферата, свръхзвукови самолети
- Недостатъци на свръхзвукови самолети, разработени до момента
- Препратки
В стратосферата е един от слоевете на атмосферата на Земята, разположени между тропосферата и мезосферата. Надморската височина на долната граница на стратосферата варира, но може да се приеме за 10 км за средните ширини на планетата. Горната му граница е 50 км надморска височина над земната повърхност.
Земната атмосфера е газообразната обвивка, която заобикаля планетата. Според химичния състав и изменението на температурата се разделя на 5 слоя: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и екзосфера.
Фигура 1. Стратосфера, гледана от космоса. Източник: Галическа космическа агенция NOSA
Тропосферата се простира от земната повърхност до 10 км височина. Следващият слой, стратосферата, се движи от 10 км до 50 км над земната повърхност.
Мезосферата варира от 50 км до 80 км височина. Термосферата от 80 км до 500 км и накрая екзосферата се простира от 500 км до 10 000 км височина, като е границата с междупланетното пространство.
Характеристики на стратосферата
местоположение
Стратосферата е разположена между тропосферата и мезосферата. Долната граница на този слой варира в зависимост от ширината или разстоянието от екваториалната линия на Земята.
На полюсите на планетата стратосферата започва между 6 и 10 км над земната повърхност. На екватора започва между 16 и 20 км надморска височина. Горната граница е на 50 км над земната повърхност.
структура
Стратосферата има собствена слоеста структура, която се определя от температурата: студените слоеве са на дъното, а горещите слоеве са в горната част.
Също така, стратосферата има слой, в който има висока концентрация на озон, наречен озонов слой или озоносфера, която се намира между 30 и 60 км над земната повърхност.
Химичен състав
Най-важното химично съединение в стратосферата е озонът. 85 до 90% от общия озон, присъстващ в земната атмосфера, се намира в стратосферата.
Озонът се образува в стратосферата чрез фотохимична реакция (химическа реакция, при която се намесва светлина), който кислородът претърпява. Голяма част от газовете в стратосферата влизат от тропосферата.
В стратосферата съдържа озон (О 3), азот (N 2), кислород (O 2), азотни оксиди, азотна киселина (HNO 3), сярна киселина (H 2 SO 4), силикати и халогенирани съединения, като хлорофлуоровъглеводороди. Някои от тези вещества идват от вулканични изригвания. Концентрацията на водна пара (H 2 O в газообразно състояние) в стратосферата е много ниска.
В стратосферата вертикалното смесване на газ е много бавно и на практика е нулево, поради липсата на турбуленция. Поради тази причина химикалите и другите материали, които влизат в този слой, остават в него дълго време.
температура
Температурата в стратосферата показва обратното поведение спрямо температурата на тропосферата. В този слой температурата се увеличава с надморската височина.
Това повишаване на температурата се дължи на появата на химични реакции, които отделят топлина, където озонът (O 3) се намесва. В стратосферата има значителни количества озон, който абсорбира високоенергийната ултравиолетова радиация от Слънцето.
Стратосферата е стабилен слой, без турбуленция за смесване на газове. Въздухът е студен и плътен в долната част, а в горната част е топъл и лек.
Образуване на озон
В стратосферата молекулярният кислород (O 2) се дисоциира под въздействието на ултравиолетовото (UV) лъчение от Слънцето:
O 2 + UV LIGHT → O + O
Кислород (О) атоми са високо реактивни и реагират с кислород (O 2) молекули към форма озон (О 3):
O + O 2 → O 3 + топлина
При този процес се отделя топлина (екзотермична реакция). Тази химическа реакция е източникът на топлина в стратосферата и причинява нейните високи температури в горните слоеве.
Характеристика
Стратосферата изпълнява защитна функция на всички форми на живот, които съществуват на планетата Земя. Озоновият слой пречи на високоенергийното ултравиолетово (UV) лъчение да достигне земната повърхност.
Озонът абсорбира ултравиолетовата светлина и се разлага на атомен кислород (O) и молекулен кислород (O 2), както се вижда от следната химическа реакция:
O 3 + UV LIGHT → O + O 2
В стратосферата процесите на образуване и разрушаване на озон са в равновесие, което поддържа неговата постоянна концентрация.
По този начин озоновият слой действа като защитен щит от UV лъчение, което е причина за генетични мутации, рак на кожата, унищожаване на културите и растенията като цяло.
Разрушаване на озоновия слой
CFC съединения
От 70-те години на миналия век изследователите изразяват голяма загриженост относно вредните ефекти на хлорофлуоровъглеродните съединения (CFCs) върху озоновия слой.
През 1930 г. се въвежда използването на хлорофлуоровъглеродни съединения, които се наричат в търговската мрежа фреони. Сред тях са CFCl 3 (Фреон 11), CF 2 Cl 2 (Фреон 12), C 2 F 3 Cl 3 (Фреон 113) и C 2 F 4 Cl 2 (Фреон 114). Тези съединения са лесно сгъваеми, сравнително нереактивни и незапалими.
Те започнаха да се използват като хладилни агенти в климатици и хладилници, замествайки амоняк (NH 3) и течен серен диоксид (SO 2) (силно токсичен).
Впоследствие CFC се използват в големи количества при производството на пластмасови изделия за еднократна употреба, като горива за търговски продукти под формата на аерозоли в кутии и като почистващи разтворители за карти с електронни устройства.
Широкото използване на големи количества CFC създаде сериозен екологичен проблем, тъй като използваните в промишлеността и употребата на хладилен агент се изхвърлят в атмосферата.
В атмосферата тези съединения бавно дифундират в стратосферата; в този слой те търпят разлагане поради ефекта на UV лъчението:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
Хлоровите атоми реагират много лесно с озона и го унищожават:
Cl + O 3 → СЮ + O 2
Един единствен хлорен атом може да унищожи повече от 100 000 озонови молекули.
Азотни оксиди
Азотните оксиди NO и NO 2 реагират, за да унищожат озона. Наличието на тези азотни оксиди в стратосферата се дължи на газовете, отделяни от двигателите на свръхзвуков самолет, емисиите от човешки дейности на Земята и вулканичната активност.
Изтъняване и дупки в озоновия слой
През 80-те години беше установено, че в озоновия слой над района на Южния полюс се е образувала дупка. В този район количеството озон беше намалено наполовина.
Установено е също, че над Северния полюс и в цялата стратосфера защитният озонов слой е изтънял, тоест е намалял ширината му, тъй като количеството на озона е намаляло значително.
Загубата на озон в стратосферата има сериозни последици за живота на планетата и няколко страни приеха, че е необходимо и спешно да се намали драстично намаляване или пълно премахване на използването на CFC.
Международни споразумения за ограничаване на използването на CFC
През 1978 г. много държави забраняват използването на CFC като горива в търговски аерозолни продукти. През 1987 г. по-голямата част от индустриализираните страни подписват така наречения Монреалски протокол, международно споразумение, в което са поставени цели за постепенното намаляване на производството на CFC и пълното му премахване до 2000 г.
Няколко държави не успяха да се съобразят с Монреалския протокол, защото това намаляване и премахване на CFC би повлияло на тяхната икономика, поставяйки икономически интереси преди запазването на живота на планетата Земя.
Защо самолетите не летят в стратосферата?
По време на полета на самолет действат 4 основни сили: повдигане, тегло на самолета, влачене и тяга.
Повдигането е сила, която поддържа равнината и я избутва нагоре; колкото по-голяма е плътността на въздуха, толкова по-голям е повдигането. Теглото, от друга страна, е силата, с която земната гравитация дърпа равнината към центъра на Земята.
Съпротивата е сила, която забавя или пречи на самолета да се движи напред. Тази сила на съпротивление действа в обратна посока на пътя на равнината.
Тягата е силата, която движи равнината напред. Както виждаме, тягата и повдигането благоприятстват полета; теглото и съпротивлението действат неблагоприятно на полета на самолета.
Самолет, който
Търговските и гражданските самолети на къси разстояния летят на приблизително 10 000 метра надморска височина, тоест в горната граница на тропосферата.
Всички въздухоплавателни средства изискват налягане в кабината, което се състои в изпомпване на сгъстен въздух в кабината на самолета.
Защо е необходимо налягане под кабината?
С издигането на самолета на по-голяма надморска височина външното атмосферно налягане намалява и съдържанието на кислород също намалява.
Ако не се подава въздух под налягане в кабината, пътниците биха страдали от хипоксия (или планинска болест), със симптоми като умора, виене на свят, главоболие и загуба на съзнание поради липса на кислород.
Ако възникне повреда в подаването на сгъстен въздух в кабината или се стигне до декомпресия, възниква аварийна ситуация, при която самолетът трябва да се спусне незабавно и всички негови обитатели трябва да носят кислородните маски.
Полети в стратосферата, свръхзвукови самолети
На височина, по-голяма от 10 000 метра, в стратосферата плътността на газообразния слой е по-ниска и следователно силата на повдигане, която благоприятства полета, също е по-ниска.
От друга страна, на тези големи височини съдържанието на кислород (O 2) във въздуха е по-ниско и това е необходимо както за изгарянето на дизеловото гориво, което кара двигателя на самолета да работи, така и за ефективното налягане в кабината.
На височина, по-голяма от 10 000 метра над земната повърхност, самолетът трябва да върви с много висока скорост, наречена свръхзвукова, достигаща над 1,225 км / час на морско равнище.
Фигура 2. Concorde свръхзвуков търговски самолет. Източник: Едуард Мармет
Недостатъци на свръхзвукови самолети, разработени до момента
Свръхзвукови полети произвеждат така наречените звукови стрели, които са много силни шумове, подобни на гръмотевици. Тези шумове влияят негативно на животните и хората.
Освен това тези свръхзвукови самолети трябва да използват повече гориво и следователно произвеждат повече замърсители на въздуха от самолети, които летят на по-ниска височина.
Свръхзвуковият самолет изисква много по-мощни двигатели и скъпи специални материали за производството. Търговските полети бяха толкова скъпи икономически, че тяхното изпълнение не беше печелившо.
Препратки
- SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y et al. (2017). Оценка на горните тропосферни и стратосферни водни пари и озон в реанализати като част от S-RIP. Атмосферна химия и физика. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
- Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. et al. (2019). Слаби стратосферни полярни вихрови събития, модулирани от Арктическо море - Ледена загуба. Списание за геофизични изследвания: Атмосфери. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
- Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. et al. (2019). Динамично свързване на тропосфера-стратосфера по отношение на променливата на реактивни двигатели на северния Атлантически океан Японска агенция за наука и технологии. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
- Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. et al. (2015). Стратосферно влияние върху тропосферните струйни потоци, бурята и повърхностното време. Природа 8: 433-440.
- Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et al. (2003 г.). Стратосфера - обмен на тропосфера: преглед и какво научихме от STACCATO. Списание за геофизични изследвания: Атмосфери. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
- Rowland FS (2009) Стратосферно озоново изчерпване. В: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Двадесет години спад на озона. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5