- Stratosfēras raksturojums
- Atrašanās vieta
- Uzbūve
- Ķīmiskais sastāvs
- Temperatūra
- Ozona veidošanās
- Iespējas
- Ozona slāņa iznīcināšana
- CFC savienojumi
- Slāpekļa oksīdi
- Ozona slāņa retināšana un caurumi
- Starptautiski nolīgumi par CFC lietošanas ierobežošanu
- Kāpēc lidmašīnas nelido stratosfērā?
- Gaisa kuģis, kas
- Kāpēc nepieciešama salona spiediena paaugstināšana?
- Lidojumi stratosfērā, virsskaņas lidmašīnās
- Līdz šim izstrādāto virsskaņas lidmašīnu trūkumi
- Atsauces
Stratosfērā ir viens no slāņiem Zemes atmosfērā, kas atrodas starp troposfērā un mezosfēra. Stratosfēras apakšējās robežas augstums ir atšķirīgs, bet to var uzskatīt par 10 km planētas vidējiem platuma grādiem. Tā augšējā robeža ir 50 km augstumā virs Zemes virsmas.
Zemes atmosfēra ir gāzveida aploksne, kas ieskauj planētu. Atbilstoši ķīmiskajam sastāvam un temperatūras izmaiņām tas ir sadalīts 5 slāņos: troposfērā, stratosfērā, mezosfērā, termosfērā un eksosfērā.
1. attēls. Stratosfēra no kosmosa. Avots: NOSA Galisijas kosmosa aģentūra
Troposfēra sniedzas no Zemes virsmas līdz 10 km augstumam. Nākamais slānis - stratosfēra - svārstās no 10 km līdz 50 km virs zemes virsmas.
Mezosfēras garums ir no 50 līdz 80 km. Termosfēra no 80 km līdz 500 km, un visbeidzot eksosfēra sniedzas no 500 km līdz 10 000 km augstumā, kas ir robeža ar starpplanētu telpu.
Stratosfēras raksturojums
Atrašanās vieta
Stratosfēra atrodas starp troposfēru un mezosfēru. Šī slāņa apakšējā robeža mainās atkarībā no platuma vai attāluma no Zemes ekvatoriālās līnijas.
Pie planētas poliem stratosfēra sākas no 6 līdz 10 km virs zemes virsmas. Pie ekvatora tas sākas no 16 līdz 20 km augstumā. Augšējā robeža atrodas 50 km virs Zemes virsmas.
Uzbūve
Stratosfērai ir sava slāņveida struktūra, kuru nosaka temperatūra: auksti slāņi atrodas apakšā, un karsti slāņi ir augšpusē.
Stratosfērā ir arī slānis, kurā ir augsta ozona koncentrācija, ko sauc par ozona slāni vai ozonosfēru un atrodas 30 līdz 60 km virs zemes virsmas.
Ķīmiskais sastāvs
Vissvarīgākais ķīmiskais savienojums stratosfērā ir ozons. Stratosfērā ir no 85 līdz 90% no visa Zemes atmosfērā esošā ozona.
Ozons stratosfērā veidojas ar fotoķīmisku reakciju (ķīmisku reakciju, kur iedarbojas gaisma), kurā notiek skābeklis. Liela daļa stratosfēras gāzu nonāk troposfērā.
Stratosfēra satur ozonu (O 3 ), slāpekli (N 2 ), skābekli (O 2 ), slāpekļa oksīdus, slāpekļskābi (HNO 3 ), sērskābi (H 2 SO 4 ), silikātus un halogenētus savienojumus, piemēram, hlorfluorogļūdeņražus. Dažas no šīm vielām nāk no vulkānu izvirdumiem. Ūdens tvaiku (H 2 O gāzveida stāvoklī) koncentrācija stratosfērā ir ļoti zema.
Stratosfērā vertikālā gāzes sajaukšanās notiek ļoti lēni un praktiski nav nulles, jo turbulences nav. Šī iemesla dēļ ķīmiskās vielas un citi materiāli, kas nonāk šajā slānī, tajā ilgstoši paliek.
Temperatūra
Temperatūra stratosfērā parāda pretēju izturēšanos pret troposfēru. Šajā slānī temperatūra paaugstinās līdz ar augstumu.
Šis temperatūras paaugstināšanās iemesls ir ķīmisku reakciju rašanās, kas izdala siltumu, kur iejaucas ozons (O 3 ). Stratosfērā ir ievērojams ozona daudzums, kas no saules absorbē augstas enerģijas ultravioleto starojumu.
Stratosfēra ir stabils slānis bez gāzu sajaukšanās turbulences. Gaiss apakšējā daļā ir auksts un blīvs, bet augšējā daļā - silts un viegls.
Ozona veidošanās
Stratosfērā molekulāro skābekli (O 2 ) izdala saules ultravioletā (UV) starojuma ietekme:
O 2 + UV GAISMA → O + O
Skābekļa (O) atomi ir ļoti reaģējoši un reaģē ar skābekļa (O 2 ) molekulām , veidojot ozonu (O 3 ):
O + O 2 → O 3 + siltums
Šajā procesā izdalās siltums (eksotermiska reakcija). Šī ķīmiskā reakcija ir siltuma avots stratosfērā un izraisa tās augsto temperatūru augšējos slāņos.
Iespējas
Stratosfēra veic visu dzīvības formu, kas pastāv uz Zemes, aizsardzības funkciju. Ozona slānis neļauj augstas enerģijas ultravioletajam (UV) starojumam sasniegt zemes virsmu.
Ozons absorbē ultravioleto gaismu un sadalās atomu skābeklī (O) un molekulārajā skābeklī (O 2 ), kā parādīts šādā ķīmiskajā reakcijā:
O 3 + UV GAISMA → O + O 2
Stratosfērā ozona veidošanās un iznīcināšanas procesi ir līdzsvarā, kas uztur nemainīgu koncentrāciju.
Tādā veidā ozona slānis darbojas kā aizsargājošs vairogs no UV starojuma, kas ir ģenētisko mutāciju, ādas vēža, kultūraugu un augu iznīcināšanas cēlonis kopumā.
Ozona slāņa iznīcināšana
CFC savienojumi
Kopš pagājušā gadsimta 70. gadiem pētnieki ir pauduši lielas bažas par hlorfluorogļūdeņražu (CFC) kaitīgo ietekmi uz ozona slāni.
1930. gadā tika ieviesti hlorfluorogļūdeņražu savienojumi, ko komerciāli sauc par freoniem. Tie ietver CFCl 3 (freons 11), CF 2 Cl 2 (freons 12), C 2 F 3 Cl 3 (freons 113) vai C 2 F 4 Cl 2 (freons 114). Šie savienojumi ir viegli saspiežami, samērā nereaģējoši un neuzliesmojoši.
Tos sāka izmantot kā aukstumnesējus kondicionieros un ledusskapjos, aizstājot amonjaku (NH 3 ) un šķidro sēra dioksīdu (SO 2 ) (ļoti toksisks).
Pēc tam CFC lielos daudzumos izmantoja vienreizlietojamu plastmasas izstrādājumu ražošanā, kā komerciālu izstrādājumu degvielu aerosolu veidā kārbās un kā tīrīšanas šķīdinātājus elektronisko ierīču kartēm.
Plaši izplatītā CFC lietošana daudzos daudzumos ir radījusi nopietnas vides problēmas, jo atmosfērā tiek izvadīti tie, ko izmanto rūpniecībā un izmanto aukstumnesējus.
Atmosfērā šie savienojumi lēnām izkliedējas stratosfērā; šajā slānī UV starojuma ietekmē tie sadalās:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
Hlora atomi ļoti viegli reaģē ar ozonu un iznīcina to:
Cl + O 3 → ClO + O 2
Viens hlora atoms var iznīcināt vairāk nekā 100 000 ozona molekulu.
Slāpekļa oksīdi
Slāpekļa oksīdi NO un NO 2 reaģē, lai iznīcinātu ozonu. Šo slāpekļa oksīdu klātbūtne stratosfērā ir saistīta ar gāzēm, kuras izstaro virsskaņas lidmašīnu dzinēji, cilvēku darbību uz Zemes radītajām emisijām un vulkāniskajām darbībām.
Ozona slāņa retināšana un caurumi
Astoņdesmitajos gados tika atklāts, ka ozona slānī virs Dienvidpola apgabala ir izveidojies caurums. Šajā apgabalā ozona daudzums tika samazināts uz pusi.
Tika arī atklāts, ka virs ziemeļpola un visā stratosfērā aizsargājošais ozona slānis ir atšķaidīts, tas ir, tas ir samazinājis tā platumu, jo ozona daudzums ir ievērojami samazinājies.
Ozona zudumam stratosfērā ir nopietnas sekas uz planētas dzīvību, un vairākas valstis ir atzinušas, ka ir nepieciešama steidzama krasa samazināšana vai pilnīga CFC lietošanas pārtraukšana.
Starptautiski nolīgumi par CFC lietošanas ierobežošanu
1978. gadā daudzas valstis aizliedza izmantot CFC kā degvielu komerciālos aerosola izstrādājumos. 1987. gadā lielais vairums rūpnieciski attīstīto valstu parakstīja tā saukto Monreālas protokolu - starptautisku nolīgumu, kurā tika izvirzīti mērķi pakāpeniski samazināt CFC ražošanas apjomus un to pilnībā atcelt līdz 2000. gadam.
Vairākas valstis nav ievērojušas Monreālas protokolu, jo šāds CFC samazinājums un likvidēšana ietekmētu viņu ekonomiku, nostādot ekonomiskās intereses pirms dzīvības saglabāšanas uz planētas Zeme.
Kāpēc lidmašīnas nelido stratosfērā?
Lidmašīnas lidojuma laikā darbojas 4 pamata spēki: celšana, lidmašīnas svars, vilkšana un vilce.
Pacelšana ir spēks, kas atbalsta plakni un nospiež to uz augšu; jo lielāks ir gaisa blīvums, jo lielāks ir lifts. Savukārt svars ir spēks, ar kuru Zemes gravitācija velk plakni Zemes centra virzienā.
Pretestība ir spēks, kas palēnina vai neļauj gaisa kuģim virzīties uz priekšu. Šis pretestības spēks darbojas pretējā virzienā pret plaknes ceļu.
Vilces spēks ir spēks, kas pārvieto plakni uz priekšu. Kā redzam, vilces un pacelšanās labvēlības lidojums; svars un pretestība nelabvēlīgi ietekmē lidmašīnas lidojumu.
Gaisa kuģis, kas
Tirdzniecības un civilās aviācijas lidaparāti nelielos attālumos lido apmēram 10 000 metru virs jūras līmeņa, tas ir, troposfēras augšējā robeža.
Visiem gaisa kuģiem nepieciešama hermetizācija salonā, kas sastāv no saspiesta gaisa iesūknēšanas gaisa kuģa salonā.
Kāpēc nepieciešama salona spiediena paaugstināšana?
Lidmašīnai paceļoties augstākā augstumā, pazeminās ārējais atmosfēras spiediens un samazinās arī skābekļa saturs.
Ja salonā netiktu piegādāts paaugstināts spiediens, pasažieri cieš no hipoksijas (vai kalnu slimības) ar tādiem simptomiem kā nogurums, reibonis, galvassāpes un samaņas zudums skābekļa trūkuma dēļ.
Ja rodas problēmas ar saspiesta gaisa padevi salonā vai dekompresija, rodas ārkārtas situācijas, kad lidmašīnai nekavējoties jānolaižas, un visiem tās iemītniekiem jāvalkā skābekļa maskas.
Lidojumi stratosfērā, virsskaņas lidmašīnās
Augstumā virs 10 000 metriem stratosfērā gāzveida slāņa blīvums ir zemāks, tāpēc arī lidojumam labvēlīgais celšanas spēks ir mazāks.
No otras puses, šajos lielos augstumos skābekļa (O 2 ) saturs gaisā ir zemāks, un tas ir vajadzīgs gan dīzeļdegvielas sadedzināšanai, kas liek lidmašīnas motoram darboties, gan efektīvai spiediena paaugstināšanai salonā.
Augstumā, kas pārsniedz 10 000 metru virs zemes virsmas, lidmašīnai jāiet ar ļoti lielu ātrumu, ko sauc par virsskaņu, jūras līmenī sasniedzot vairāk nekā 1225 km / stundā.
2. attēls. Concorde virsskaņas komerciālie gaisa kuģi. Avots: Eduards Marmets
Līdz šim izstrādāto virsskaņas lidmašīnu trūkumi
Virsskaņas lidojumi rada tā sauktos skaņas strēles, kas ir ļoti skaļi trokšņi, kas līdzīgi pērkonam. Šie trokšņi negatīvi ietekmē dzīvniekus un cilvēkus.
Turklāt šiem virsskaņas gaisa kuģiem ir jālieto vairāk degvielas, un tāpēc tie rada vairāk gaisa piesārņotāju nekā lidmašīnas, kas lido zemākā augstumā.
Virsskaņas lidmašīnu ražošanai nepieciešami daudz jaudīgāki dzinēji un dārgi speciāli materiāli. Komerciālie lidojumi bija tik dārgi ekonomiski, ka to īstenošana nav bijusi rentabla.
Atsauces
- SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y et all. (2017). Augšējā troposfēras un stratosfēras ūdens tvaiku un ozona novērtējums reanalīzēs kā S-RIP sastāvdaļa. Atmosfēras ķīmija un fizika. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
- Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. et all. (2019. gads). Vāja Stratosfēras polārā virpuļa notikumi, kurus modulē Arktiskā jūra - ledus zudums. Ģeofizisko pētījumu žurnāls: Atmosfēras. 124 (2): 858–869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
- Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. et visi. (2019. gads). Troposfēras un stratosfēras dinamiskā saikne attiecībā uz Ziemeļatlantijas virpuļpūtēju mainīgumu. Japānas Zinātnes un tehnoloģijas aģentūra. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
- Kidstons, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. et all. (2015). Stratosfēras ietekme uz troposfēras strūklu straumēm, vētru trasēm un virszemes laikapstākļiem. Daba 8: 433-440.
- Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et all. (2003). Stratosfēra - troposfēras apmaiņa: pārskats un tas, ko mēs esam iemācījušies no STACCATO. Ģeofizisko pētījumu žurnāls: Atmosfēras. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
- Rowland FS (2009) Stratosfēras ozona noārdīšana. In: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Divdesmit gadu ozona līmeņa pazemināšanās. Springers. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5