STRATOSFÉRA: VLASTNOSTI, FUNKCIE, TEPLOTA - PROSTREDIE - 2026

Stratosféra je jedna z vrstiev zemskej atmosféry, ktorá sa nachádza medzi troposfére a mezosfére. Nadmorská výška spodnej hranice stratosféry sa mení, ale môže sa brať ako 10 km pre stredné šírky planéty. Jeho horná hranica je 50 km nad zemským povrchom.

Atmosféra Zeme je plynná obálka, ktorá obklopuje planétu. Podľa chemického zloženia a kolísania teploty sa delí na 5 vrstiev: troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra a exosféra.

Obrázok 1. Stratosféra z vesmíru. Zdroj: Galéria kozmickej agentúry NOSA

Troposféra siaha od zemského povrchu až do výšky 10 km. Ďalšia vrstva, stratosféra, sa pohybuje od 10 do 50 km nad zemským povrchom.

Medzosféra sa pohybuje od 50 km do 80 km. Termosféra z 80 km na 500 km a konečne exosféra siaha od 500 km do 10 000 km na výšku, čo je limit pre medziplanetárny priestor.

Charakteristika stratosféry

umiestnenia

Stratosféra sa nachádza medzi troposférou a mezosférou. Spodná hranica tejto vrstvy sa mení so zemepisnou šírkou alebo vzdialenosťou od zemskej rovníkovej čiary.

Na póloch planéty začína stratosféra 6 až 10 km nad zemským povrchom. Na rovníku začína medzi 16 a 20 km nadmorskej výšky. Horná hranica je 50 km nad zemským povrchom.

štruktúra

Stratosféra má svoju vlastnú vrstvenú štruktúru, ktorá je definovaná teplotou: studené vrstvy sú dole, horúce vrstvy sú hore.

Stratosféra má tiež vrstvu, v ktorej je vysoká koncentrácia ozónu, ktorá sa nazýva ozónová vrstva alebo ozonosféra, ktorá je medzi 30 až 60 km nad zemským povrchom.

Chemické zloženie

Najdôležitejšou chemickou zlúčeninou v stratosfére je ozón. 85 až 90% celkového ozónu prítomného v zemskej atmosfére sa nachádza v stratosfére.

Ozón sa vytvára vo stratosfére fotochemickou reakciou (chemická reakcia, pri ktorej zasahuje svetlo), ktorú prechádza kyslík. Väčšina plynov vo stratosfére vstupuje z troposféry.

Stratosfére obsahuje ozón (O ₃ ), dusík (N ₂ ), kyslík (O ₂ ), oxidy dusíka, kyseliny dusičnej (HNO ₃ ), kyselinu sírovú (H ₂ SO ₄ ), silikáty a halogénované zlúčeniny, ako sú chlórfluorované uhľovodíky. Niektoré z týchto látok pochádzajú zo sopečných erupcií. Koncentrácia vodnej pary (H ₂ O v plynnom stave) v stratosfére je veľmi nízka.

V stratosfére je vertikálne miešanie plynu veľmi pomalé a prakticky nulové, kvôli neprítomnosti turbulencií. Z tohto dôvodu chemikálie a iné materiály, ktoré vstupujú do tejto vrstvy, zostávajú v nej po dlhú dobu.

teplota

Teplota v stratosfére prejavuje inverzné správanie k správaniu troposféry. V tejto vrstve sa teplota zvyšuje s nadmorskou výškou.

Toto zvýšenie teploty je spôsobené výskytom chemických reakcií, ktoré uvoľňujú teplo, kde zasahuje ozón (O ₃ ). V stratosfére je značné množstvo ozónu, ktorý absorbuje vysokoenergetické ultrafialové žiarenie zo Slnka.

Stratosféra je stabilná vrstva, bez premiešavania plynov. Vzduch je studený a hustý v spodnej časti av hornej časti je teplý a ľahký.

Tvorba ozónu

V stratosfére je molekulárny kyslík (O ₂ ) disociovaný účinkom ultrafialového (UV) žiarenia od Slnka:

O ₂ + UV SVETLO → O + O

Atómy kyslíka (O) sú vysoko reaktívne a reagujú s molekulami kyslíka (O ₂ ) za vzniku ozónu (O ₃ ):

O + O _{2 →} O ₃ + Zahrievanie

V tomto procese sa uvoľňuje teplo (exotermická reakcia). Táto chemická reakcia je zdrojom tepla v stratosfére a spôsobuje vysoké teploty v horných vrstvách.

Vlastnosti

Stratosféra plní ochrannú funkciu všetkých foriem života, ktoré existujú na planéte Zem. Ozónová vrstva zabraňuje prenikaniu ultrafialového (UV) žiarenia s vysokou energiou na zemský povrch.

Ozón absorbuje ultrafialové svetlo a rozkladá sa na atómový kyslík (O) a molekulárny kyslík (O ₂ ), ako ukazuje nasledujúca chemická reakcia:

O ₃ + UV SVETLO → O + O ₂

V stratosfére sú procesy tvorby a ničenia ozónu v rovnováhe, ktorá udržuje jeho konštantnú koncentráciu.

Týmto spôsobom ozónová vrstva funguje ako ochranný štít pred UV žiarením, ktoré je príčinou genetických mutácií, rakoviny kože, ničenia plodín a rastlín všeobecne.

Deštrukcia ozónovej vrstvy

CFC zlúčeniny

Od 70. rokov 20. storočia vedci vyjadrili veľké znepokojenie nad škodlivými účinkami chlórfluórovaných uhľovodíkov (CFC) na ozónovú vrstvu.

V roku 1930 sa zaviedlo používanie chlórfluórovaných uhľovodíkových zlúčenín komerčne nazývaných freóny. Medzi nimi sú CFCl ₃ (Freon 11), CF ₂ Cl ₂ (Freon 12), C ₂ F ₃ Cl ₃ (Freon 113) a C ₂ F ₄ Cl ₂ (Freon 114). Tieto zlúčeniny sú ľahko stlačiteľné, relatívne nereaktívne a nehorľavé.

Začali byť používaný ako chladiace médiá v klimatizačných a chladničky, nahradením amoniaku (NH ₃ ) a kvapalný oxid siričitý (SO ₂ ) (vysoko toxické).

Následne sa CFC vo veľkých množstvách používali na výrobu jednorazových plastových výrobkov, ako hnacie plyny pre komerčné výrobky vo forme aerosólov v plechovkách a ako čistiace rozpúšťadlá pre karty elektronických zariadení.

Rozšírené použitie vo veľkých množstvách CFC spôsobilo vážny environmentálny problém, pretože tie, ktoré sa používajú v priemysle a pri používaní chladív, sa vypúšťajú do atmosféry.

V atmosfére tieto zlúčeniny pomaly difundujú do stratosféry; v tejto vrstve dochádza k rozkladu v dôsledku pôsobenia UV žiarenia:

CFCl _{3 →} CFCl ₂ + Cl

CF ₂ Cl _{2 →} CF ₂ Cl + Cl

Atómy chlóru veľmi ľahko reagujú s ozónom a ničia ho:

Cl + O ₃ → ClO + O ₂

Jeden atóm chlóru môže zničiť viac ako 100 000 molekúl ozónu.

Oxidy dusíka

Oxidy dusíka NO a NO ₂ reagujú na ničenie ozónu. Prítomnosť týchto oxidov dusíka v stratosfére je spôsobená plynmi emitovanými motormi nadzvukových lietadiel, emisiami z ľudskej činnosti na Zemi a sopečnou aktivitou.

Riedenie a diery v ozónovej vrstve

V 80. rokoch sa zistilo, že v ozónovej vrstve nad južným pólom sa vytvorila diera. V tejto oblasti bolo množstvo ozónu znížené na polovicu.

Zistilo sa tiež, že nad severným pólom a v celej stratosfére sa ochranná ozónová vrstva zoslabla, to znamená, že zmenšila svoju šírku, pretože množstvo ozónu sa výrazne znížilo.

Strata ozónu v stratosfére má vážne následky na život na planéte a niekoľko krajín uznalo, že je nevyhnutné a naliehavé drastické zníženie alebo úplné odstránenie používania CFC.

Medzinárodné dohody o obmedzení používania CFC

V roku 1978 mnoho krajín zakázalo používanie CFC ako pohonných látok v komerčných aerosólových výrobkoch. V roku 1987 drvivá väčšina industrializovaných krajín podpísala tzv. Montrealský protokol, medzinárodnú dohodu, v ktorej boli stanovené ciele postupného znižovania výroby CFC a jeho úplného odstránenia do roku 2000.

Niekoľko krajín nedodržalo Montrealský protokol, pretože toto zníženie a eliminácia CFC by ovplyvnilo ich hospodárstvo, čím by sa ekonomické záujmy pred zachovaním života na planéte Zem ohrozili.

Prečo nelietajú lietadlá vo stratosfére?

Počas letu lietadla pôsobia 4 základné sily: zdvih, hmotnosť lietadla, odpor a ťah.

Výťah je sila, ktorá podopiera rovinu a tlačí ju nahor; čím vyššia je hustota vzduchu, tým väčší je zdvih. Na druhej strane hmotnosť je sila, s ktorou gravitácia Zeme ťahá rovinu smerom do stredu Zeme.

Odpor je sila, ktorá spomaľuje alebo zabraňuje lietadlu v pohybe vpred. Táto odporová sila pôsobí opačným smerom ako je rovina dráhy.

Ťah je sila, ktorá posúva rovinu vpred. Ako vidíme, ťah a výťah zvýhodňujú let; hmotnosť a odpor pôsobia tak, že znevýhodňujú let lietadla.

Lietadlo to

Obchodné a civilné lietadlo na krátke vzdialenosti letí približne 10 000 metrov nad morom, to znamená na hornú hranicu troposféry.

Všetky lietadlá si vyžadujú natlakovanie v kabíne, ktoré spočíva v čerpaní stlačeného vzduchu do kabíny lietadla.

Prečo je potrebné natlakovanie v kabíne?

Keď lietadlo stúpa do vyšších nadmorských výšok, vonkajší atmosférický tlak klesá a tiež sa znižuje obsah kyslíka.

Ak by sa do kabíny nedostal stlačený vzduch, cestujúci by trpeli hypoxiou (alebo horskou chorobou) so symptómami, ako sú únava, závraty, bolesti hlavy a strata vedomia v dôsledku nedostatku kyslíka.

Ak dôjde k poruche v dodávke stlačeného vzduchu do kabíny alebo k dekompresii, nastane núdzová situácia, keď letún musí okamžite zostúpiť a všetci jeho cestujúci by mali nosiť kyslíkové masky.

Lety vo stratosfére, nadzvukové lietadlá

Vo výškach nad 10 000 metrov v stratosfére je hustota plynnej vrstvy nižšia, a preto je tiež nižšia zdvíhacia sila, ktorá uprednostňuje let.

Na druhej strane, pri týchto vysokých výškach obsah kyslíka (O ₂ ) vo vzduchu je nižšia, a to je nutné ako pre spaľovanie motorovej nafty, ktorý umožňuje prácu letecký motor, a pre účinné pretlakom v kabíne.

V nadmorských výškach nad 10 000 metrov nad zemským povrchom musí lietadlo jazdiť veľmi vysokými rýchlosťami, ktoré sa nazývajú nadzvukové, a ktorých hladina mora dosahuje viac ako 1 225 km / h.

Obrázok 2. Nadzvukové komerčné lietadlá podľa dohody. Zdroj: Eduard Marmet

Doteraz vyvinuté nevýhody nadzvukových lietadiel

Nadzvukové lety vytvárajú takzvané zvukové rozmachy, ktoré sú veľmi hlasné zvuky podobné hromu. Tieto zvuky negatívne ovplyvňujú zvieratá a ľudí.

Navyše tieto nadzvukové lietadlá musia používať viac paliva, a preto produkujú viac látok znečisťujúcich ovzdušie ako lietadlá, ktoré lietajú v nižších nadmorských výškach.

Nadzvukové lietadlá vyžadujú na výrobu oveľa výkonnejšie motory a drahé špeciálne materiály. Komerčné lety boli ekonomicky také nákladné, že ich vykonávanie nebolo ziskové.

Referencie

1. SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y a ďalšie. (2017). Posúdenie vodnej pary a ozónu v horných troposférických a stratosférických vrstvách v reanalýzach ako súčasť S-RIP. Atmosférická chémia a fyzika. 17: 12743-12778. doi: 10,5194 / acp-17-12743-2017
2. Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. a ďalšie. (2019). Slabé straty stratosférického polaru s vírmi modulované podľa Arktického mora - strata ľadu. Žurnál geofyzikálneho výskumu: Atmosféry. 124 (2): 858 - 869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
3. Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. a ďalšie. (2019). Dynamické spájanie troposféricko-stratosféry vzhľadom na variabilitu prúdov poháňaných vírmi v severnom Atlantiku. Japonská agentúra pre vedu a techniku. doi: 10,2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. a ďalšie. (2015). Stratosférický vplyv na troposférické prúdové prúdy, búrkové dráhy a povrchové počasie. Náture 8: 433-440.
5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. a kol. (2003). Stratosféra - výmena troposféry: prehľad a čo sme sa naučili od spoločnosti STACCATO. Žurnál geofyzikálneho výskumu: Atmosféry. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland FS (2009) Stratosférické vyčerpanie ozónu. In: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Dvadsať rokov poklesu ozónu. Springer. doi: 10,1007 / 978-90-481-2469-5_5