- Karakteristike stratosfere
- Mjesto
- Struktura
- Kemijski sastav
- Temperatura
- Formiranje ozona
- Značajke
- Uništavanje ozonskog omotača
- CFC spojevi
- Dušikovih oksida
- Stanje i rupe u ozonskom sloju
- Međunarodni sporazumi o ograničenju upotrebe CFC-a
- Zašto avioni ne lete u stratosferi?
- Zrakoplov koji
- Zašto je potrebna tlaka u kabini?
- Letovi u stratosferi, nadzvučni avioni
- Nedostaci nadzvučnih zrakoplova razvijeni do danas
- Reference
Stratosfera je jedan od slojeva Zemljine atmosfere, koji se nalazi između troposfere i mezosfera. Visina donje granice stratosfere varira, ali može se uzeti kao 10 km za srednje geografske širine planeta. Njegova gornja granica je 50 km nadmorske visine iznad Zemljine površine.
Zemljina atmosfera je plinovita ovojnica koja okružuje planet. Prema kemijskom sastavu i promjenama temperature dijeli se na 5 slojeva: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera i egzosfera.
Slika 1. Stratosfera promatrana iz svemira. Izvor: Gazijska svemirska agencija NOSA
Troposfera se proteže od Zemljine površine do visine od 10 km. Sljedeći sloj, stratosfera, proteže se od 10 km do 50 km iznad zemljine površine.
Mezosfera se kreće od 50 km do 80 km visine. Termosfera s 80 km na 500 km, a na kraju se egzosfera proteže od visine od 500 km do 10 000 km, što predstavlja granicu s međuplanetarnim prostorom.
Karakteristike stratosfere
Mjesto
Stratosfera je smještena između troposfere i mezosfere. Donja granica ovog sloja varira od zemljopisne širine ili udaljenosti od Zemljine ekvatorijalne crte.
Na polovima planeta stratosfera počinje između 6 i 10 km iznad zemljine površine. Na ekvatoru počinje između 16 i 20 km nadmorske visine. Gornja granica je 50 km iznad Zemljine površine.
Struktura
Stratosfera ima svoju slojevitu strukturu koja je definirana temperaturom: hladni slojevi su na dnu, a vrući slojevi na vrhu.
Također, stratosfera ima sloj u kojem postoji visoka koncentracija ozona, nazvan ozonski omotač ili ozonosfera, koji se nalazi između 30 i 60 km iznad zemljine površine.
Kemijski sastav
Najvažniji kemijski spoj u stratosferi je ozon. 85 do 90% ukupnog ozona prisutnog u Zemljinoj atmosferi nalazi se u stratosferi.
Ozon nastaje u stratosferi fotokemijskom reakcijom (kemijskom reakcijom gdje intervenira svjetlost) u kojoj prolazi kisik. Veliki dio plinova u stratosferi ulazi iz troposfere.
Stratosferi sadrži ozon (O 3), dušik (N 2), kisika (O 2), dušikove okside, dušična kiselina (HNO 3), sumporna kiselina (H 2 SO 4), silikati i halogeni spojevi, poput klorofluorougljika. Neke od ovih tvari potječu od erupcija vulkana. Koncentracija vodene pare (H 2 O u plinovitom stanju) u stratosferi je vrlo niska.
U stratosferi je vertikalno miješanje plina vrlo sporo i praktično nulte, zbog nepostojanja turbulencije. Iz tog razloga, kemikalije i drugi materijali koji uđu u ovaj sloj ostaju dugo u njemu.
Temperatura
Temperatura u stratosferi pokazuje obrnuto ponašanje kao u troposferi. U ovom sloju temperatura raste s nadmorskom visinom.
To povećanje temperature nastaje zbog pojave kemijskih reakcija koje oslobađaju toplinu, gdje intervenira ozon (O 3). U stratosferi postoji znatna količina ozona koji apsorbira visokoenergetsko ultraljubičasto zračenje iz Sunca.
Stratosfera je stabilan sloj, bez turbulencija za miješanje plinova. Zrak je u donjem dijelu hladan i gust, a u gornjem dijelu je topao i lagan.
Formiranje ozona
U stratosferi, molekularni kisik (O 2) je razdvojena u učinak ultraljubičastog zračenja (UV) od Sunca:
O 2 + UV SVJETLO → O + O
Kisik (O) atoma vrlo reaktivna i reagiraju s kisikom (O 2) molekule u obliku ozon (O 3):
O + O 2 → O 3 + Toplina
U tom se procesu oslobađa toplina (egzotermna reakcija). Ova kemijska reakcija je izvor topline u stratosferi i uzrokuje njezine visoke temperature u gornjim slojevima.
Značajke
Stratosfera ispunjava zaštitnu funkciju svih oblika života koji postoje na planeti Zemlji. Ozonski omotač sprečava da visokoenergetsko ultraljubičasto (UV) zračenje prodre do zemljine površine.
Ozon apsorbira ultraljubičastu svjetlost i razlaže se na atomski kisik (O) i molekulski kisik (O 2), što pokazuje sljedeća kemijska reakcija:
O 3 + UV SVJETLO → O + O 2
U stratosferi su procesi formiranja i uništavanja ozona u ravnoteži koja održava njegovu stalnu koncentraciju.
Na ovaj način ozonski omotač djeluje kao zaštitni štit od UV zračenja, što je uzrok genetskih mutacija, raka kože, uništavanja usjeva i biljaka uopće.
Uništavanje ozonskog omotača
CFC spojevi
Od 1970-ih, istraživači su izrazili veliku zabrinutost zbog štetnih učinaka klorofluorougljikovodika (CFC) na ozonski omotač.
1930. uvedena je upotreba klorofluorokarbonskih spojeva koji se komercijalno nazivaju freoni. Među njima su CFCl 3 (freon 11), CF 2 Cl 2 (freon 12), C 2 F 3 Cl 3 (freon 113) i C 2 F 4 Cl 2 (freon 114). Ovi spojevi su lako stisljivi, relativno nereaktivni i nezapaljivi.
Počeli su se koristiti kao rashladna sredstva u klima uređajima i hladnjacima, zamjenjujući amonijak (NH 3) i tekući sumpor dioksid (SO 2) (vrlo toksičan).
Nakon toga, CFC-i su korišteni u velikim količinama u proizvodnji plastičnih proizvoda za jednokratnu upotrebu, kao potisna sredstva za komercijalne proizvode u obliku aerosola u limenkama i kao otapala za čišćenje kartica elektroničkih uređaja.
Raširena i velika uporaba CFC-a stvorila je ozbiljan problem zaštite okoliša, jer se oni koji se koriste u industriji i rashladnim sredstvima ispuštaju u atmosferu.
U atmosferi se ovi spojevi polako difuzuju u stratosferu; u ovom sloju trpe raspad zbog djelovanja UV zračenja:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
Atomi klora vrlo lako reagiraju s ozonom i uništavaju ga:
CI + O 3 → Cio + O 2
Jedan atom klora može uništiti više od 100 000 molekula ozona.
Dušikovih oksida
Dušikovi oksidi NO i NO 2 reagiraju na uništavanje ozona. Prisutnost ovih dušikovih oksida u stratosferi nastaje zbog plinova koje ispuštaju motori nadzvučnih zrakoplova, emisija iz ljudskih aktivnosti na Zemlji i vulkanske aktivnosti.
Stanje i rupe u ozonskom sloju
1980-ih otkriveno je da se u ozonskom omotaču iznad područja Južnog pola stvorila rupa. Na ovom području količina ozona je prepolovljena.
Otkriveno je i da se iznad Sjevernog pola i na cijeloj stratosferi zaštitni ozonski sloj stanjivao, odnosno smanjio je širinu jer se količina ozona znatno smanjila.
Gubitak ozona u stratosferi ima ozbiljne posljedice za život na planeti, a nekoliko je zemalja prihvatilo da je drastično smanjenje ili potpuno uklanjanje upotrebe CFC-a nužno i hitno.
Međunarodni sporazumi o ograničenju upotrebe CFC-a
1978. godine mnoge su države zabranile upotrebu CFC-a kao potisnih sredstava u komercijalnim aerosolnim proizvodima. Godine 1987., velika većina industrijaliziranih zemalja potpisala je takozvani Montrealski protokol, međunarodni sporazum u kojem su postavljeni ciljevi za postupno smanjenje proizvodnje CFC-a i njegovo potpuno uklanjanje do 2000. godine.
Nekoliko zemalja se nije pridržavalo Montrealskog protokola, jer bi to smanjenje i uklanjanje CFC-a utjecalo na njihovo gospodarstvo, stavljajući ekonomske interese pred očuvanje života na planeti Zemlji.
Zašto avioni ne lete u stratosferi?
Tijekom leta aviona djeluju 4 osnovne sile: dizanje, težina zrakoplova, povlačenje i potisak.
Podizanje je sila koja podupire ravninu i gura je prema gore; što je veća gustoća zraka, to je veće dizanje. Težina, s druge strane, je sila kojom Zemljina gravitacija povlači ravninu prema središtu Zemlje.
Otpor je sila koja usporava ili sprječava kretanje zrakoplova prema naprijed. Ova sila otpora djeluje u suprotnom smjeru od putanje ravnine.
Potisak je sila koja pomiče ravninu prema naprijed. Kao što vidimo, potisak i dizanje pogoduju letu; težina i otpor djeluju na štetno stanje aviona.
Zrakoplov koji
Komercijalni i civilni zrakoplovi na kratkim udaljenostima lete oko 10 000 metara nadmorske visine, to jest na gornjoj granici troposfere.
Svi zrakoplovi zahtijevaju pritisak pod kabinom, koji se sastoji od ubacivanja komprimiranog zraka u kabinu zrakoplova.
Zašto je potrebna tlaka u kabini?
Kako se zrakoplov penje na veće visine, smanjuje se i vanjski atmosferski tlak, a smanjuje se i sadržaj kisika.
Ako se zrak pod tlakom ne dovodi u kabinu, putnici bi patili od hipoksije (ili planinske bolesti), sa simptomima poput umora, vrtoglavice, glavobolje i gubitka svijesti zbog nedostatka kisika.
Ako dođe do kvara u opskrbi komprimiranim zrakom u kabinu ili dolazi do dekompresije, nastao bi hitan slučaj gdje se avion mora odmah spustiti, a svi njegovi putnici trebaju nositi maske s kisikom.
Letovi u stratosferi, nadzvučni avioni
Na visinama većim od 10 000 metara u stratosferi je gustoća plinovitog sloja niža, pa je i sila podizanja koja pogoduje letu.
S druge strane, na ovim visokim visinama sadržaj kisika (O 2) u zraku je niži, a to je potrebno i za izgaranje dizelskog goriva zbog kojeg motor zrakoplova radi, kao i za učinkovit pritisak u kabini.
Na visinama većim od 10 000 metara iznad zemljine površine, avion mora ići vrlo velikim brzinama, nazvanim nadzvučnim, dostižući više od 1.225 km / sat na razini mora.
Slika 2. Concorde nadzvučni komercijalni zrakoplovi. Izvor: Eduard Marmet
Nedostaci nadzvučnih zrakoplova razvijeni do danas
Nadzvučni letovi proizvode takozvane zvučne bum, koji su vrlo glasni zvukovi slični grmljavini. Ove buke negativno utječu na životinje i ljude.
Uz to, ti nadzvučni zrakoplovi moraju trošiti više goriva i na taj način stvaraju više zagađivača zraka od zrakoplova koji lete na nižim visinama.
Nadzvučni zrakoplovi zahtijevaju mnogo moćnije motore i skupe posebne materijale za proizvodnju. Komercijalni letovi bili su toliko ekonomični da njihova primjena nije bila isplativa.
Reference
- SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y i svi. (2017). Procjena gornje troposferske i stratosferske vodene pare i ozona u reakcijama kao dio S-RIP-a. Atmosferska kemija i fizika. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
- Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. i svi. (2019). Slabi stratosferski događaji polarnog vrtloga koji su modulirani Arktičkim morem - gubitak leda. Časopis za geofizička istraživanja: Atmosfere. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
- Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. i dr. (2019). Dinamičko povezivanje troposfere i stratosfere u odnosu na varijabilnost mlazne snage sjevernog Atlantika. Japanska agencija za znanost i tehnologiju. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
- Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. i dr. (2015). Stratosferski utjecaj na mlazne tokove troposfere, olujne staze i površinsko vrijeme. Priroda 8: 433-440.
- Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. i dr. (2003). Razmjena stratosfere - troposfere: pregled i ono što smo naučili od STACCATO. Časopis za geofizička istraživanja: Atmosfere. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
- Rowland FS (2009) stratosfersko ispuštanje ozona. U: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (ur.) Dvadeset godina opadanja ozona. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5