STRATOSFÄÄRI: OMINAISUUDET, TOIMINNOT, LÄMPÖTILA - YMPÄRISTÖ - 2025

Stratosfääri on yksi kerroksista maapallon ilmakehään, välissä troposfäärin ja mesosfääri. Stratosfäärin alarajan korkeus vaihtelee, mutta sen voidaan pitää 10 km: nä planeetan keskimääräisillä leveysasteilla. Sen yläraja on 50 km korkeudesta maanpinnan yläpuolella.

Maapallon ilmapiiri on kaasumainen kirjekuori, joka ympäröi planeettaa. Kemiallisen koostumuksen ja lämpötilan vaihtelun mukaan se on jaettu viiteen kerrokseen: troposfääri, stratosfääri, mesosfääri, lämpökehä ja eksosfääri.

Kuva 1. Stratosfääri avaruudesta nähtynä. Lähde: NOSA Galician avaruusjärjestö

Troposfääri ulottuu maan pinnasta korkeintaan 10 km: iin. Seuraava kerros, stratosfääri, on 10–50 km maanpinnan yläpuolella.

Mesosfäärin korkeus on 50–80 km. Termosfääri 80 km: stä 500 km: iin ja lopulta eksosfääri ulottuu 500 km: stä 10 000 km: iin, mikä on rajoitus planeettojenväliselle avaruudelle.

Stratosfäärin ominaisuudet

Sijainti

Stratosfääri sijaitsee troposfäärin ja mesosfäärin välissä. Tämän kerroksen alaraja vaihtelee leveyden tai etäisyyden mukaan maapallon päiväntasaajasta nähden.

Maapallon navoissa stratosfääri alkaa 6–10 km maanpinnan yläpuolella. Päiväntasaajan kohdalla se alkaa 16–20 km korkeudesta. Yläraja on 50 km maanpinnan yläpuolella.

Rakenne

Stratosfäärillä on oma kerrosrakenne, jonka määrittelee lämpötila: kylmät kerrokset ovat alaosassa ja kuumat kerrokset ovat yläosassa.

Lisäksi stratosfäärissä on kerros, jossa on korkea otsonipitoisuus, nimeltään otsonikerros tai otsonipallo, joka on 30 - 60 km maanpinnan yläpuolella.

Kemiallinen koostumus

Tärkein kemiallinen yhdiste stratosfäärissä on otsoni. 85 - 90% maapallon ilmakehässä olevasta kokonaisesta otsonista löytyy stratosfääristä.

Otsoni muodostuu stratosfäärissä fotokemiallisen reaktion (kemiallinen reaktio, jossa valo puuttuu) läpi happea. Suuri stratosfäärin kaasuista tulee troposfääristä.

Stratosfäärissä sisältää otsonia (₃), typen (N ₂), happi (O ₂), typen oksidien, typpihapon (HNO ₃), rikkihappo (H ₂ SO ₄), silikaatit ja halogenoidut yhdisteet, kuten esimerkiksi kloorifluorihiilivetyjä. Jotkut näistä aineista ovat peräisin tulivuorenpurkauksista. Vesihöyryn (H ₂ O kaasumaisessa tilassa) konsentraatio stratosfäärissä on erittäin alhainen.

Stratosfäärissä vertikaalinen kaasusekoitus on erittäin hidasta ja käytännössä nolla, koska turbulenssia ei ole. Tästä syystä kemikaalit ja muut materiaalit, jotka pääsevät tähän kerrokseen, pysyvät siinä pitkään.

Lämpötila

Lämpötila stratosfäärissä osoittaa päinvastaista käyttäytymistä kuin troposfääri. Tässä kerroksessa lämpötila nousee korkeuden kanssa.

Tämä lämpötilan nousu johtuu kemiallisista reaktioista, jotka vapauttavat lämpöä ja joihin otsoni (O ₃) puuttuu. Stratosfäärissä on huomattavia määriä otsonia, joka imee aurinkoon korkean energian ultraviolettisäteilyn.

Stratosfääri on vakaa kerros, jossa ei ole turbulenssia sekoitettaville kaasuille. Ilma on kylmä ja tiheä alaosassa ja yläosassa on lämmin ja kevyt.

Otsonin muodostuminen

Stratosfäärissä molekyylin happi (O ₂) hajoaa auringon ultraviolettisäteilyn (UV) vaikutuksesta:

O ₂ + UV-VALO → O + O

Happi (O) -atomit ovat erittäin reaktiivisia ja reagoivat happi- (O ₂) -molekyylien kanssa otsonin (O ₃) muodostamiseksi:

O + O _{2 →} O ₃ + lämpö

Tässä prosessissa lämpö vapautuu (eksoterminen reaktio). Tämä kemiallinen reaktio on lämmön lähde stratosfäärissä ja aiheuttaa sen korkeat lämpötilat ylemmissä kerroksissa.

ominaisuudet

Stratosfääri täyttää suojatoimenpiteen kaikilla elämän muodoilla, joita esiintyy maapallolla. Otsonikerros estää korkean energian ultravioletti (UV) -säteilyä pääsemästä maan pinnalle.

Otsoni absorboi ultraviolettivaloa ja hajoaa atomihappoon (O) ja molekyylieksi happeksi (O ₂) seuraavan kemiallisen reaktion osoittamalla:

O ₃ + UV-VALO → O + O ₂

Stratosfäärissä otsonin muodostumis- ja tuhoamisprosessit ovat tasapainossa, joka ylläpitää vakiopitoisuutensa.

Tällä tavalla otsonikerros toimii suojana suojana UV-säteilyltä, mikä on syynä geneettisiin mutaatioihin, ihosyöpään, viljelykasvien ja kasvien tuhoamiseen yleensä.

Otsonikerroksen tuhoaminen

CFC-yhdisteet

1970-luvulta lähtien tutkijat ovat ilmaisseet suuren huolensa kloorifluorihiilivetyjen (CFC) haitallisista vaikutuksista otsonikerrokseen.

Vuonna 1930 otettiin käyttöön kloorifluorihiilivetyyhdisteitä, joita kutsutaan kaupallisesti freoneiksi. Näitä ovat cfcl ₃ (Freon 11), CF ₂ Cl ₂ (Freon 12), C ₂ F ₃: lla ₃ (Freon 113), ja C ₂ F ₄: lla ₂ (Freon 114). Nämä yhdisteet ovat helposti puristuvia, suhteellisen reaktiivisia ja palamattomia.

Niitä alettiin käyttää kylmäaineina ilmastointilaitteissa ja jääkaappeissa korvaamalla ammoniakki (NH ₃) ja nestemäinen rikkidioksidi (SO ₂) (erittäin myrkyllinen).

Myöhemmin CFC-yhdisteitä on käytetty suurina määrinä kertakäyttöisten muovituotteiden valmistuksessa, kaupallisten tuotteiden ponneaineina aerosoleina tölkeissä ja puhdistusliuottimina elektronisille laitekorteille.

CFC-yhdisteiden laaja käyttö suurissa määrissä on aiheuttanut vakavan ympäristöongelman, koska teollisuudessa käytettävät ja kylmäaineen käytöt johdetaan ilmakehään.

Ilmakehässä nämä yhdisteet diffundoituvat hitaasti stratosfääriin; tässä kerroksessa ne kärsivät hajoamisesta UV-säteilyn vaikutuksesta:

Cfcl _{3 →} cfcl ₂ + CI

CF ₂ Cl _{2 →} CF ₂ Cl + Cl

Klooriatomit reagoivat erittäin helposti otsonin kanssa ja tuhoavat sen:

Cl + O ₃ → ClO + O ₂

Yksi klooriatomi voi tuhota yli 100 000 otsonimolekyyliä.

Typpioksidit

Typpioksidit NO ja NO ₂ reagoivat otsonin tuhoamiseen. Näiden typen oksidien läsnäolo stratosfäärissä johtuu ylääänen lentokoneiden moottorien päästöistä, ihmisen toiminnan aiheuttamista päästöistä maan päällä ja tulivuoren toiminnasta.

Oheneminen ja reikät otsonikerroksessa

1980-luvulla havaittiin, että otsonikerrokseen oli muodostunut reikä etelänavan alueen yläpuolelle. Tällä alueella otsonin määrä oli leikattu puoleen.

Todettiin myös, että pohjoisnavan yläpuolella ja koko stratosfäärissä suojaava otsonikerros on ohennettu, ts. Se on pienentänyt leveyttä, koska otsonin määrä on vähentynyt huomattavasti.

Otsonin häviämisellä stratosfäärissä on vakavia vaikutuksia planeetan elämään, ja useat maat ovat myöntäneet, että CFC-yhdisteiden käytön dramaattinen vähentäminen tai poistaminen kokonaan on välttämätöntä ja kiireellistä.

CFC-yhdisteiden käytön rajoittamista koskevat kansainväliset sopimukset

Vuonna 1978 monet maat kielsivät CFC-yhdisteiden käytön ponneaineina kaupallisissa aerosolituotteissa. Vuonna 1987 valtaosa teollisuusmaista allekirjoitti ns. Montrealin pöytäkirjan, kansainvälisen sopimuksen, jossa asetettiin tavoitteet CFC-valmistuksen asteittaiselle vähentämiselle ja sen kokonaan poistamiselle vuoteen 2000 mennessä.

Useat maat eivät ole noudattaneet Montrealin pöytäkirjaa, koska tämä CFC-yhdisteiden vähentäminen ja poistaminen vaikuttaisi niiden talouteen, asettamalla taloudelliset edut ennen maapallon elämän säilyttämistä.

Miksi koneet eivät lentä stratosfäärissä?

Lentokoneen lennon aikana toimii 4 perusvoimaa: nosto, lentokoneen paino, vetäminen ja työntövoima.

Nosto on voima, joka tukee tasoa ja työntää sitä ylöspäin; mitä korkeampi ilman tiheys, sitä suurempi hissi. Paino sitä vastoin on voima, jolla maapallon painovoima vetää tasoa kohti maan keskustaa.

Vastus on voima, joka hidastaa tai estää lentokoneen liikkumista eteenpäin. Tämä vastusvoima vaikuttaa vastakkaiseen suuntaan kuin koneen polku.

Työntövoima on voima, joka liikuttaa tasoa eteenpäin. Kuten voimme nähdä, työntövoima ja nosto-suosiolento; paino ja vastus estävät lentokoneen lentoa.

Ilma-alus että

Kaupalliset ja siviili-ilma-alukset lentävät lyhyillä matkoilla noin 10 000 metriä merenpinnan yläpuolella, toisin sanoen troposfäärin ylärajalla.

Kaikki ilma-alukset vaativat matkustamon paineistamista, joka koostuu paineilman pumppaamisesta lentokoneen matkustamoon.

Miksi matkustamon paineistus vaaditaan?

Ilma-aluksen noustessa korkeampaan korkeuteen ulkoinen ilmanpaine pienenee ja myös happipitoisuus pienenee.

Jos matkustamoon ei syötetä paineistettua ilmaa, matkustajat kärsivät hypoksiasta (tai vuoristosairaudesta), oireina kuten väsymys, huimaus, päänsärky ja tajunnan menetys hapen puutteen vuoksi.

Jos matkustamon paineilman toimituksessa ilmenee vikaa tai purkautuu paine, syntyy hätätilanne, jossa lentokoneen on laskeuduttava heti ja kaikkien sen matkustajien on käytettävä happimaskeja.

Lennot stratosfäärissä, yliäänen tasoilla

Yli 10 000 metrin korkeudessa stratosfäärissä kaasumaisen kerroksen tiheys on pienempi, joten myös lentoa suosittava nostovoima on pienempi.

Toisaalta näillä korkeilla korkeuksilla hapen (O ₂) pitoisuus ilmassa on alhaisempi, ja sitä tarvitaan sekä dieselpolttoaineen palamiseksi, joka saa lentokoneen moottorin toimimaan, että tehokkaaseen paineeseen matkustamossa.

Korkeudessa, joka on yli 10 000 metriä maanpinnan yläpuolella, koneen on mentävä erittäin suurilla nopeuksilla, joita kutsutaan yliääniksi, saavuttaen yli 1 225 km / tunnissa merenpinnan tasolla.

Kuva 2. Concorde-ylikuoriset kaupalliset ilma-alukset. Lähde: Eduard Marmet

Tähän mennessä kehitettyjen yliäänikoneiden haitat

Yliääniset lennot tuottavat ns. Äänipuomit, jotka ovat erittäin kovia ääniä, jotka ovat samanlaisia ​​kuin ukkosen. Nämä kohinat vaikuttavat negatiivisesti eläimiin ja ihmisiin.

Lisäksi näiden yliäänikoneiden on käytettävä enemmän polttoainetta, ja siten ne tuottavat enemmän ilman epäpuhtauksia kuin lentokoneet, jotka lentävät alemmalla korkeudella.

Ylijäämäkoneiden valmistukseen tarvitaan paljon tehokkaampia moottoreita ja kalliita erikoismateriaaleja. Kaupalliset lennot olivat niin kalliita taloudellisesti, että niiden toteuttaminen ei ole ollut kannattavaa.

Viitteet

1. SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y et kaikki. (2017). Arviointi reanalyyseissä olevasta troposfäärin ja stratosfäärin ylemmistä vesihöyryistä ja otsonista osana S-RIP: tä. Ilmakehän kemia ja fysiikka. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
2. Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. ym. (2019). Heikko Stratospheric Polar Vortex -tapahtuma, jota Jäämeri moduloi - Jäähäviö. Geofysikaalisen tutkimuksen lehti: Atmospheres. 124 (2): 858 - 869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
3. Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. ym. (2019). Troposfäärin ja Stratosfäärin dynaaminen kytkentä suhteessa Pohjois-Atlantin pyörrepohjaiseen suihkumuuttuvuuteen. Japanin tiede- ja teknologiavirasto. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. et ai. (2015). Stratosfäärin vaikutus troposfäärin suihkumassa, myrskyraiteissa ja pintasäässä. Nature 8: 433-440.
5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et ai. (2003). Stratosfääri - troposfäärivaihto: Katsaus ja mitä olemme oppineet STACCATOsta. Geofysikaalisen tutkimuksen lehti: Atmospheres. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland FS (2009) Stratospheric otsonikato. Julkaisussa: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (toim.) Kaksikymmentä vuotta otsonin heikkenemistä. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5