STRATOSFÄR: EGENSKAPER, FUNKTIONER, TEMPERATUR - MILJÖ - 2025

Den stratosfären är ett av skikten av jordens atmosfär, som ligger mellan troposfären och mesosfären. Höjden på stratosfärens nedre gräns varierar, men kan tas som 10 km för planetens mellanlängder. Dess övre gräns är 50 km höjd över jordens yta.

Jordens atmosfär är det gasformiga kuvertet som omger planeten. Enligt den kemiska sammansättningen och variationen i temperatur är den uppdelad i 5 lager: troposfär, stratosfär, mesosfär, termosfär och exosfär.

Figur 1. Stratosfär sett från rymden. Källa: NOSA Galician Space Agency

Troposfären sträcker sig från jordens yta upp till 10 km hög. Nästa skikt, stratosfären, sträcker sig från 10 km till 50 km över jordytan.

Mesosfären sträcker sig från 50 km till 80 km i höjd. Termosfären från 80 km till 500 km, och slutligen sträcker sig exosfären från 500 km till 10 000 km i höjd, vilket är gränsen för interplanetens rymd.

Stratosfäregenskaper

Plats

Stratosfären är belägen mellan troposfären och mesosfären. Den nedre gränsen för detta lager varierar med latitud eller avstånd från jordens ekvatorial linje.

Vid planetens poler börjar stratosfären mellan 6 och 10 km över jordytan. Vid ekvatorn börjar det mellan 16 och 20 km höjd. Den övre gränsen är 50 km över jordens yta.

Strukturera

Stratosfären har sin egen skiktade struktur, som definieras av temperatur: kalla lager är i botten, och heta lager är i toppen.

Stratosfären har också ett lager där det finns en hög koncentration av ozon, kallat ozonskiktet eller ozonosfären, som ligger mellan 30 och 60 km över jordytan.

Kemisk sammansättning

Den viktigaste kemiska föreningen i stratosfären är ozon. 85 till 90% av den totala ozon som finns i jordens atmosfär finns i stratosfären.

Ozon bildas i stratosfären genom en fotokemisk reaktion (kemisk reaktion där ljus intervenerar) som syre genomgår. Mycket av gaserna i stratosfären kommer in från troposfären.

Stratosfären innehåller ozon (O ₃ ), kväve (N ₂ ), syre (O ₂ ), kväveoxider, salpetersyra (HNO ₃ ), svavelsyra (H ₂ SO ₄ ), silikater och halogenerade föreningar, såsom klorfluorkolföreningar. Vissa av dessa ämnen kommer från vulkanutbrott. Koncentrationen av vattenånga (H ₂ O i gasformigt tillstånd) i stratosfären är mycket låg.

I stratosfären är den vertikala gasblandningen mycket långsam och praktiskt taget noll på grund av frånvaron av turbulens. Av denna anledning förblir kemikalier och andra material som kommer in i detta lager i det under lång tid.

Temperatur

Temperaturen i stratosfären uppvisar ett omvänt beteende än troposfärens. I detta lager ökar temperaturen med höjden.

Denna temperaturökning beror på förekomsten av kemiska reaktioner som släpper värme, där ozon (O ₃ ) ingriper . Det finns stora mängder ozon i stratosfären, som absorberar högenergi ultraviolett strålning från solen.

Stratosfären är ett stabilt skikt utan turbulens för gaser att blandas. Luften är kall och tät i den nedre delen och i den övre delen är den varm och lätt.

Ozonbildning

I stratosfären är molekylärt syre (O ₂ ) dissocierat av effekten av ultraviolett (UV) strålning från solen:

O ₂ + UV-LJUS → O + O

Syre (O) -atomer är starkt reaktiva och reagerar med syre (O ₂ ) -molekyler för att bilda ozon (O ₃ ):

O + O _{2 →} O ₃ + Värme

I denna process frigörs värme (exoterm reaktion). Denna kemiska reaktion är värmekällan i stratosfären och orsakar dess höga temperaturer i de övre skikten.

Funktioner

Stratosfären uppfyller en skyddande funktion av alla livsformer som finns på planeten Jorden. Ozonskiktet förhindrar ultraviolett (UV) strålning från hög energi från att nå jordytan.

Ozon absorberar ultraviolett ljus och sönderdelas till atomärt syre (O) och molekylärt syre (O ₂ ), vilket visas med följande kemiska reaktion:

O ₃ + UV-LJUS → O + O ₂

I stratosfären är processerna för bildning och förstörelse av ozon i en jämvikt som upprätthåller sin konstanta koncentration.

På detta sätt fungerar ozonskiktet som ett skyddande skydd mot UV-strålning, vilket är orsaken till genetiska mutationer, hudcancer, förstörelse av grödor och växter i allmänhet.

Ozonskikt förstörelse

CFC-föreningar

Sedan 1970-talet har forskare uttryckt stor oro över de skadliga effekterna av klorfluorkolväten (CFC: er) på ozonskiktet.

1930 infördes användningen av klorfluorkolföreningar som kommersiellt kallades freoner. Bland dessa är CFCl ₃ (Freon 11), CF ₂ Cl ₂ (Freon 12), C ₂ F ₃ Cl ₃ (Freon 113) och C ₂ F ₄ Cl ₂ (Freon 114). Dessa föreningar är lätt komprimerbara, relativt oreaktiva och icke-brandfarliga.

De började användas som kylmedel i luftkonditioneringsapparater och kylskåp, och ersatte ammoniak (NH ₃ ) och flytande svaveldioxid (SO ₂ ) (mycket giftigt).

Därefter har CFC: er använts i stora mängder för tillverkning av engångsplastartiklar, som drivmedel för kommersiella produkter i form av aerosoler i burkar och som rengöringsmedel för kort för elektroniska apparater.

Den utbredda och stora användningen av CFC: er har skapat ett allvarligt miljöproblem, eftersom de som används i industrier och kylmedelsanvändning släpps ut i atmosfären.

I atmosfären diffunderar dessa föreningar långsamt in i stratosfären; i detta lager har de nedbrytning på grund av effekten av UV-strålning:

CFCl _{3 →} CFCl ₂ + Cl

CF ₂ Cl _{2 →} CF ₂ Cl + Cl

Kloratomer reagerar mycket lätt med ozon och förstör det:

Cl + O ₃ → ClO + O ₂

En enda kloratom kan förstöra mer än 100 000 ozonmolekyler.

Kväveoxider

Kväveoxider NO och NO ₂ reagerar för att förstöra ozon. Närvaron av dessa kväveoxider i stratosfären beror på de gaser som släpps ut från motorerna från supersoniska flygplan, utsläpp från mänskliga aktiviteter på jorden och vulkanisk aktivitet.

Tunnning och hål i ozonskiktet

På 1980-talet upptäcktes att ett hål hade bildats i ozonskiktet ovanför Sydpolenområdet. I detta område hade mängden ozon minskats till hälften.

Det upptäcktes också att ovanför Nordpolen och i hela stratosfären har det skyddande ozonskiktet tunnit, det vill säga det har minskat sin bredd eftersom mängden ozon har minskat avsevärt.

Förlusten av ozon i stratosfären har allvarliga konsekvenser för livet på planeten, och flera länder har accepterat att en drastisk minskning eller fullständig eliminering av användningen av CFC: er är nödvändig och brådskande.

Internationella avtal om begränsning av användningen av CFC: er

1978 förbjöd många länder användningen av CFC: er som drivmedel i kommersiella aerosolprodukter. 1987 undertecknade den stora majoriteten av de industrialiserade länderna det så kallade Montreal-protokollet, ett internationellt avtal där målen fastställdes för gradvis minskning av CFC-tillverkningen och dess totala eliminering år 2000.

Flera länder har misslyckats med att följa Montrealprotokollet, eftersom denna minskning och eliminering av CFC: er skulle påverka deras ekonomi och sätta ekonomiska intressen före bevarandet av livet på planeten Jorden.

Varför flyger inte flygplan i stratosfären?

Under flygningen av ett flygplan verkar 4 grundkrafter: lyft, flygvikt, drag och tryck.

Lift är en kraft som stöder planet och skjuter uppåt; ju högre lufttäthet, desto större är lyft. Vikt är å andra sidan den kraft som jordens tyngdkraft drar planet mot jordens centrum.

Motstånd är en kraft som bromsar eller förhindrar att flygplanet rör sig framåt. Denna motståndskraft verkar i motsatt riktning mot planets väg.

Tryck är kraften som förflyttar planet framåt. Som vi kan se, företräder drivkraften och lyft flygningen; vikten och motståndet påverkar flygplanets flygning.

Flygplan som

Kommersiella och civila flygplan på korta avstånd flyger ungefär 10 000 meter över havet, det vill säga vid troposfärens övre gräns.

Alla flygplan kräver kabintryck, som består av att pumpa tryckluft in i flygkabinen.

Varför krävs kabintryck?

När flygplanet stiger upp till högre höjder minskar det yttre atmosfärstrycket och syrehalten minskar också.

Om trycksatt luft inte tillfördes kabinen skulle passagerarna drabbas av hypoxi (eller bergsjukdom), med symtom som trötthet, yrsel, huvudvärk och medvetenhetsförlust på grund av syrebrist.

Om ett fel i tillförseln av tryckluft till kabinen eller en dekomprimering inträffar skulle det uppstå en nödsituation där flygplanet måste stiga omedelbart, och alla dess passagerare bör bära syrgasmaskerna.

Flyg i stratosfären, supersoniska plan

Vid höjder över 10 000 meter i stratosfären är densiteten för det gasformiga lagret lägre, och därför är lyftkraften som gynnar flyget också lägre.

Å andra sidan, i dessa höga höjder är halten syre (O ₂ ) i luften lägre, och detta krävs både för förbränning av dieselbränslet som gör att flygmotorn fungerar och för en effektiv trycksättning i kabinen.

I höjder högre än 10 000 meter över jordytan måste planet gå med mycket höga hastigheter, kallad supersoniskt, och nå över 1225 km / timme vid havsnivån.

Bild 2. Concorde supersoniska kommersiella flygplan. Källa: Eduard Marmet

Nackdelar med supersoniska flygplan utvecklats hittills

Supersonic-flygningar producerar så kallade soniska bom, som är mycket höga ljud som liknar åska. Dessa ljud påverkar djur och människor negativt.

Dessutom måste dessa supersoniska flygplan använda mer bränsle och därför producera mer luftföroreningar än flygplan som flyger i lägre höjder.

Supersonic flygplan kräver mycket kraftigare motorer och dyra specialmaterial att tillverka. Kommersiella flygningar var så kostsamma ekonomiskt att genomförandet inte har varit lönsamt.

referenser

1. SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y et all. (2017). Bedömning av övre troposfäriska och stratosfäriska vattenånga och ozon i reanalyser som en del av S-RIP. Atmosfärisk kemi och 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). Svaga stratosfäriska polarvortexhändelser modulerade av Arktiska havet - isförlust. 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). Dynamisk koppling av troposfär-stratosfär med avseende på den nordatlantiska Eddy-Driven Jet-variationen. Japans byrå för vetenskap och teknik. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. et all. (2015). Stratosfäriskt inflytande på troposfäriska jetströmmar, stormspår och ytväder. Natur 8: 433-440.
5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et all. (2003). Stratosphere - troposphere exchange: En översikt och vad vi har lärt oss av STACCATO. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland FS (2009) Stratosfärisk ozonnedbrytning. I: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Twenty Years of Ozone Decline. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5