STRATOSFÆREN: EGENSKABER, FUNKTIONER, TEMPERATUR - MILJØ - 2025

Den stratosfæren er et af lagene i jordens atmosfære, beliggende mellem troposfæren og mesosfæren. Højden på den nedre grænse for stratosfæren varierer, men kan tages som 10 km for planetens midterste breddegrader. Dets øvre grænse er 50 km høj over jordoverfladen.

Jordens atmosfære er den gasformige kuvert, der omgiver planeten. I henhold til den kemiske sammensætning og variationen i temperatur er den opdelt i 5 lag: troposphere, stratosphere, mesosphere, thermosphere og exosphere.

Figur 1. Stratosfære set fra rummet. Kilde: NOSA Galician Space Agency

Troposfæren strækker sig fra jordoverfladen op til 10 km høj. Det næste lag, stratosfæren, spænder fra 10 km til 50 km over jordoverfladen.

Mesosfæren spænder fra 50 km til 80 km i højden. Termosfæren fra 80 km til 500 km, og til sidst strækker eksosfæren sig fra 500 km til 10.000 km i højden, hvilket er grænsen for det interplanetære rum.

Stratosfæreegenskaber

Beliggenhed

Stratosfæren er placeret mellem troposfæren og mesosfæren. Den nedre grænse for dette lag varierer med breddegrad eller afstand fra jordens ækvatoriale linje.

Ved planetens poler begynder stratosfæren mellem 6 og 10 km over jordoverfladen. Ved ækvator begynder det mellem 16 og 20 km højde. Den øverste grænse er 50 km over jordoverfladen.

Struktur

Stratosfæren har sin egen lagdelte struktur, der er defineret ved temperatur: kolde lag er i bunden, og varme lag er i toppen.

Stratosfæren har også et lag, hvor der er en høj koncentration af ozon, kaldet ozonlaget eller ozonosfæren, som er mellem 30 og 60 km over jordoverfladen.

Kemisk sammensætning

Den vigtigste kemiske forbindelse i stratosfæren er ozon. 85 til 90% af den samlede ozon, der findes i jordens atmosfære, findes i stratosfæren.

Ozon dannes i stratosfæren gennem en fotokemisk reaktion (kemisk reaktion, hvor lys griber ind), som ilt gennemgår. Meget af gasserne i stratosfæren kommer ind fra troposfæren.

Stratosfæren indeholder ozon (O ₃), kvælstof (N ₂), oxygen (O ₂), nitrogenoxider, salpetersyre (HNO ₃), svovlsyre (H ₂ SO ₄), silicater og halogenerede forbindelser, såsom chlorfluorcarboner. Nogle af disse stoffer kommer fra vulkanudbrud. Koncentrationen af vanddamp (H ₂ O i gasformig tilstand) i stratosfæren er meget lav.

I stratosfæren er den lodrette gasblanding meget langsom og praktisk talt nul på grund af fraværet af turbulens. Af denne grund forbliver kemikalier og andre materialer, der kommer ind i dette lag i lang tid.

Temperatur

Temperaturen i stratosfæren udviser en omvendt opførsel i forhold til troposfærens. I dette lag stiger temperaturen med højden.

Denne stigning i temperatur skyldes forekomsten af ​​kemiske reaktioner, der frigiver varme, hvor ozon (O ₃) griber ind. Der er betydelige mængder ozon i stratosfæren, der absorberer højenergi ultraviolet stråling fra solen.

Stratosfæren er et stabilt lag uden turbulens for gasser at blande. Luften er kold og tæt i den nedre del, og i den øvre del er den varm og lys.

Ozondannelse

I stratosfæren adskilles molekylært ilt (O ₂) af virkningen af ​​ultraviolet (UV) stråling fra solen:

O ₂ + UV-LYS → O + O

Oxygen (O) atomer er meget reaktive og reagerer med oxygen (O ₂) molekyler til formular ozon (O ₃):

O + O _{2 →} O ₃ + Varme

I denne proces frigives varme (eksoterm reaktion). Denne kemiske reaktion er varmekilden i stratosfæren og forårsager dens høje temperaturer i de øverste lag.

Funktioner

Stratosfæren udfylder en beskyttende funktion af alle livsformer, der findes på planeten Jorden. Ozonlaget forhindrer ultraviolet stråling fra høj energi i at nå jordoverfladen.

Ozon absorberer ultraviolet lys og nedbrydes til atomisk ilt (O) og molekylært ilt (O ₂), som vist ved følgende kemiske reaktion:

O ₃ + UV-LYS → O + O ₂

I stratosfæren er processerne til dannelse og ødelæggelse af ozon i en ligevægt, der opretholder sin konstante koncentration.

På denne måde fungerer ozonlaget som et beskyttende skjold mod UV-stråling, som er årsagen til genetiske mutationer, hudkræft, ødelæggelse af afgrøder og planter generelt.

Ozonlags ødelæggelse

CFC-forbindelser

Siden 1970'erne har forskere udtrykt stor bekymring over de skadelige virkninger af chlorofluorcarbons (CFC'er) på ozonlaget.

I 1930 blev brugen af ​​chlorfluorcarbonforbindelser introduceret kommercielt kaldte freoner. Blandt disse er CFCI ₃ (Freon 11), CF ₂ Cl ₂ (Freon 12), C ₂ F ₃ Cl ₃ (Freon 113) og C ₂ F ₄ Cl ₂ (Freon 114). Disse forbindelser er let komprimerbare, relativt ureaktive og ikke-antændelige.

De begyndte at blive brugt som kølemidler i klimaanlæg og køleskabe, og erstattede ammoniak (NH ₃) og flydende svovldioxid (SO ₂) (meget giftig).

Efterfølgende er CFC'er blevet anvendt i store mængder til fremstilling af engangsplastartikler, som drivmidler til kommercielle produkter i form af aerosoler i dåser og som rengøringsopløsningsmidler til kort til elektroniske enheder.

Den udbredte og store anvendelse af CFC'er har skabt et alvorligt miljøproblem, da dem, der bruges i industrier og kølemiddelanvendelser, udledes i atmosfæren.

I atmosfæren diffunderer disse forbindelser langsomt ind i stratosfæren; i dette lag lider de nedbrydning på grund af virkningen af ​​UV-stråling:

CFCI _{3 →} CFCI ₂ + Cl

CF ₂ Cl _{2 →} CF ₂ Cl + Cl

Kloratomer reagerer meget let med ozon og ødelægger det:

Cl + O ₃ → ClO + O ₂

Et enkelt kloratom kan ødelægge mere end 100.000 ozonmolekyler.

Kvælstofoxider

Kvælstofoxider NO og NO ₂ reagerer på at ødelægge ozon. Tilstedeværelsen af ​​disse nitrogenoxider i stratosfæren skyldes de gasser, der udsendes af motorerne fra supersoniske fly, emissioner fra menneskelige aktiviteter på Jorden og vulkansk aktivitet.

Fortynding og huller i ozonlaget

I 1980'erne blev det opdaget, at der var dannet et hul i ozonlaget over Sydpolenområdet. I dette område var mængden af ​​ozon reduceret til halvdelen.

Det blev også opdaget, at over den nordlige pol og over hele stratosfæren er det beskyttende ozonlag tyndet, det vil sige, det har reduceret sin bredde, fordi mængden af ​​ozon er faldet betydeligt.

Tab af ozon i stratosfæren har alvorlige konsekvenser for livet på planeten, og flere lande har accepteret, at en drastisk reduktion eller fuldstændig eliminering af brugen af ​​CFC'er er nødvendig og presserende.

Internationale aftaler om begrænsning af brugen af ​​CFC'er

I 1978 forbød mange lande brugen af ​​CFC'er som drivmidler i kommercielle aerosolprodukter. I 1987 underskrev det store flertal af de industrialiserede lande den såkaldte Montreal-protokol, en international aftale, hvor der blev sat mål for en gradvis reduktion af CFC-fremstillingen og dens samlede eliminering inden år 2000.

Flere lande har ikke overholdt Montreal-protokollen, fordi denne reduktion og eliminering af CFC'er ville påvirke deres økonomi og sætte økonomiske interesser før bevarelsen af ​​livet på planeten Jorden.

Hvorfor flyver fly ikke i stratosfæren?

Under flyvningen fra et fly fungerer 4 grundlæggende kræfter: løft, flyvægt, træk og skyvekraft.

Lift er en kraft, der understøtter flyet og skubber det opad; jo højere lufttæthed, jo større er elevatoren. Vægt er på den anden side den kraft, som jordens tyngdekraft trækker flyet mod Jordens centrum.

Modstand er en kraft, der bremser eller forhindrer flyet i at bevæge sig fremad. Denne modstandskraft virker i den modsatte retning af planetens bane.

Skub er den kraft, der bevæger flyet fremad. Som vi kan se, er drivkraften og løftet fordel for flyvningen; vægten og modstanden virker til skade for flyvningen.

Fly der

Kommercielle og civile fly på korte afstande flyver ca. 10.000 meter over havets overflade, det vil sige ved den øvre grænse af troposfæren.

Alle fly kræver kabinetryk, som består af at pumpe trykluft ind i flykabinen.

Hvorfor kræves tryk i kabinen?

Når flyet stiger til højere højder, falder det udvendige atmosfæretryk, og iltindholdet falder også.

Hvis der ikke blev tilført trykluft til kabinen, ville passagererne lide af hypoxi (eller bjergsyge) med symptomer som træthed, svimmelhed, hovedpine og bevidsthedstab på grund af iltmangel.

Hvis der opstår en fiasko i tilførslen af ​​komprimeret luft til kabinen eller en dekomprimering, vil der opstå en nødsituation, hvor flyet straks skal ned, og alle dets beboere skulle bære iltmaskerne.

Flyvninger i stratosfæren, supersoniske fly

I højder over 10.000 meter i stratosfæren er densiteten af ​​det gasformige lag lavere, og derfor er løftekraften, der favoriserer flyvning, også lavere.

På den anden side er indholdet af ilt (O ₂) i luften i disse høje højder lavere, og dette kræves både til forbrænding af dieselbrændstof, der får flymotoren til at fungere, og for effektiv tryksætning i kabinen.

I højder over 10.000 meter over jordoverfladen skal flyet køre i meget høje hastigheder, kaldet supersonisk, og nå over 1.225 km / time ved havets overflade.

Figur 2. Concorde supersoniske kommercielle fly. Kilde: Eduard Marmet

Ulemper ved supersoniske fly udviklet til dags dato

Supersonic-flyvninger producerer såkaldte soniske bommer, som er meget høje lyde, der ligner torden. Disse støj påvirker dyr og mennesker negativt.

Derudover skal disse supersoniske fly bruge mere brændstof og derfor producere flere luftforurenende stoffer end fly, der flyver i lavere højder.

Supersonic-fly kræver meget mere kraftfulde motorer og dyre specialmaterialer til fremstilling. Kommercielle flyvninger var så dyre økonomisk, at deres implementering ikke har været rentabel.

Referencer

1. SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y et all. (2017). Vurdering af øvre troposfærisk og stratosfærisk vanddamp og ozon i reanalyser som en del af S-RIP. Atmosfærisk kemi og fysik. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
2. Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. et all. (2019). Svage stratosfæriske polarvortexbegivenheder moduleret af det arktiske hav - istab. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
3. Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. et all. (2019). Troposphere-Stratosphere Dynamisk kobling i forhold til den nordatlantiske Eddy-Driven Jet-variation. Japans agentur for videnskab og teknologi. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. et all. (2015). Stratosfærisk indflydelse på troposfæriske jetstrømme, stormspor og overfladevejr. Natur 8: 433-440.
5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et all. (2003). Stratosfære - troposfæreudveksling: En gennemgang og hvad vi har lært af STACCATO. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland FS (2009) Stratosfærisk ozonnedbrydning. I: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (red.) 20 års ozonfald. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5