Стратосферные характеристики, функции, температура

стратосфера Это один из слоев земной атмосферы, расположенный между тропосферой и мезосферой. Высота нижней границы стратосферы варьируется, но она может быть принята за 10 км для средних широт планеты. Его верхний предел - высота 50 км на поверхности Земли..

Атмосфера Земли - это газовая оболочка, которая окружает планету. По химическому составу и изменению температуры он делится на 5 слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера.

Тропосфера простирается от поверхности Земли до 10 км в высоту. Следующий слой, стратосфера, проходит от 10 до 50 км над поверхностью Земли..

Мезосфера имеет высоту от 50 до 80 км. Термосфера от 80 до 500 км, и, наконец, экзосфера простирается на высоту от 500 до 10000 км, являясь пределом межпланетного пространства..

индекс

• 1 Характеристики стратосферы
  • 1.1 Местоположение
  • 1.2 Структура
  • 1.3 Химический состав
• 2 Температура
• 3 Образование озона
• 4 функции
• 5 Разрушение озонового слоя
  • 5.1 Соединения ХФУ
  • 5.2 Оксиды азота
  • 5.3 Истончение и дыры в озоновом слое
  • 5.4 Международные соглашения об ограничениях на использование ХФУ
• 6 Почему самолеты не летают в стратосфере?
  • 6.1 Самолеты, которые летают в тропосфере
  • 6.2 Почему требуется герметизация стенда?
  • 6.3 Полеты в стратосфере, сверхзвуковые самолеты
  • 6.4 Недостатки сверхзвуковых самолетов, разработанных на сегодняшний день
• 7 ссылок

Характеристики стратосферы

место

Стратосфера расположена между тропосферой и мезосферой. Нижний предел этого слоя зависит от широты или расстояния до экваториальной земной линии.

На полюсах планеты стратосфера начинается между 6 и 10 км над земной поверхностью. На экваторе он начинается на высоте от 16 до 20 км. Верхний предел составляет 50 км над поверхностью Земли.

структура

Стратосфера имеет свою собственную структуру в слоях, которые определяются температурой: холодные слои находятся внизу, а горячие слои находятся сверху.

Кроме того, стратосфера имеет слой с высокой концентрацией озона, называемый озоновым слоем или озоносферой, который находится на расстоянии от 30 до 60 км над поверхностью Земли..

Химический состав

Наиболее важным химическим соединением в стратосфере является озон. От 85 до 90% всего озона, присутствующего в атмосфере Земли, находится в стратосфере.

Озон образуется в стратосфере с помощью фотохимической реакции (химическая реакция, где свет вмешивается), которая страдает от кислорода. Большая часть газов в стратосфере поступает из тропосферы.

В стратосфере содержится озон (О₃), азот (N₂), кислород (O₂), оксиды азота, азотная кислота (HNO)₃), серная кислота (Н₂SW₄), силикаты и галогенированные соединения, такие как хлорфторуглероды. Некоторые из этих веществ происходят от извержений вулканов. Концентрация водяного пара (ч₂Или в газообразном состоянии) в стратосфере она очень низкая.

В стратосфере смесь газов по вертикали очень медленная и практически нулевая из-за отсутствия турбулентности. По этой причине химические соединения и другие материалы, попадающие в этот слой, остаются в нем в течение длительного времени..

температура

Температура в стратосфере представляет собой поведение, противоположное тропосферному. В этом слое температура увеличивается с высотой.

Это повышение температуры связано с возникновением химических реакций, которые выделяют тепло, когда озон вмешивается (O₃). В стратосфере содержится значительное количество озона, который поглощает ультрафиолетовое излучение высокой энергии от Солнца.

Стратосфера представляет собой стабильный слой без турбулентности, которая смешивает газы. В самой низкой части воздух холодный и плотный, а в самой высокой - горячий и легкий..

Образование озона

В стратосфере молекулярный кислород (O₂) диссоциируется действием ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца:

О₂  +  УФ СВЕТ → O + O

Атомы кислорода (O) очень реактивны и реагируют с молекулами кислорода (O)₂) с образованием озона (O₃):

O + O_{2 →}  О₃  +  тепла

В этом процессе выделяется тепло (экзотермическая реакция). Эта химическая реакция является источником тепла в стратосфере и вызывает ее высокие температуры в верхних слоях..

функции

Стратосфера выполняет защитную функцию всех форм жизни, которые существуют на планете Земля. Озоновый слой предотвращает попадание высокоэнергетического ультрафиолетового (УФ) излучения на поверхность Земли.

Озон поглощает ультрафиолетовое излучение и разлагается на атомарный кислород (O) и молекулярный кислород (O₂), как показано следующей химической реакцией:

О₃  + УФ СВЕТ → O + O₂

В стратосфере процессы образования и разрушения озона находятся в равновесии, что поддерживает его постоянную концентрацию.

Таким образом, озоновый слой защищает от ультрафиолетового излучения, которое является причиной генетических мутаций, рака кожи, уничтожения сельскохозяйственных культур и растений в целом..

Разрушение озонового слоя

Соединения ХФУ

С 1970-х годов исследователи выражали большую обеспокоенность по поводу вредного воздействия хлорфторуглеродов (ХФУ) на озоновый слой..

В 1930 году было введено использование хлорфторуглеродных соединений, называемых коммерчески фреонами. Среди них CFCl₃ (Фреон 11), CF₂Cl₂ (Фреон 12), С₂F₃Cl₃ (Фреон 113) и С₂F₄Cl₂ (Фреон 114). Эти соединения легко сжимаются, относительно не реагируют и не горючи..

Они стали использоваться в качестве хладагентов в кондиционерах и холодильниках, заменяя аммиак (NH₃) и диоксид серы (SO)₂) жидкий (высокотоксичный).

Впоследствии ХФУ использовались в больших количествах при изготовлении одноразовых пластиковых изделий, в качестве пропеллентов для коммерческих продуктов в форме консервированных аэрозолей и в качестве растворителей для очистки карточек электронных устройств..

Широкое и широкомасштабное использование ХФУ вызвало серьезную экологическую проблему, поскольку те, которые используются в промышленности и использовании хладагентов, выбрасываются в атмосферу.

В атмосфере эти соединения медленно диффундируют в стратосферу; в этом слое они подвергаются разложению под действием УФ-излучения:

CFCl_{3 →} CFCl₂  +  Cl

CF₂Cl_{2  →} CF₂Cl + Cl

Атомы хлора очень легко реагируют с озоном и разрушают его:

Cl + O₃  → ClO + O₂

Один атом хлора может уничтожить более 100 000 молекул озона.

Оксиды азота

Оксиды азота NOx и NOx₂ они реагируют, разрушая озон. Присутствие этих оксидов азота в стратосфере обусловлено выбросами газов сверхзвуковыми авиационными двигателями, выбросами от человеческой деятельности на Земле и вулканической активности..

Истончение и дыры в озоновом слое

В 1980-х годах было обнаружено, что отверстие в озоновом слое сформировалось над областью Южного полюса. В этой области количество озона сократилось вдвое.

Также было обнаружено, что над Северным полюсом и по всей стратосфере озоновый слой истончился, то есть сократил свою ширину, потому что количество озона значительно уменьшилось.

Потеря озона в стратосфере имеет серьезные последствия для жизни на планете, и несколько стран согласились с необходимостью и срочностью радикального сокращения или полной ликвидации использования ХФУ..

Международные соглашения об ограничении использования ХФУ

В 1978 году многие страны запретили использование ХФУ в качестве пропеллентов для коммерческих продуктов в форме аэрозолей. В 1987 году подавляющее большинство промышленно развитых стран подписали так называемый Монреальский протокол, международное соглашение, в котором были поставлены цели постепенного сокращения производства ХФУ и его полной ликвидации в 2000 году..

Несколько стран нарушили Монреальский протокол, потому что это сокращение и устранение ХФУ повлияет на их экономику, ставя экономические интересы перед сохранением жизни на планете Земля.

Почему самолеты не летают в стратосферу?

Во время полета самолета существует 4 основных силы: подъемная сила, вес самолета, сопротивление и тяга..

Подъем - это сила, которая удерживает самолет и толкает его вверх; чем выше плотность воздуха, тем больше подъемная сила. Вес, с другой стороны, это сила, с которой сила тяжести Земли притягивает плоскость к центру Земли..

Сопротивление - это сила, которая замедляет или препятствует продвижению самолета. Эта сила сопротивления действует в направлении, противоположном траектории самолета.

Толчок - это сила, которая перемещает самолет вперед. Как мы видим, толчок и подъем способствуют полету; вес и сопротивление препятствуют полету самолета.

Самолеты, которые они летят в тропосфере

Коммерческие и гражданские самолеты на короткие расстояния летают примерно до 10000 метров в высоту, то есть в верхней границе тропосферы..

Во всех самолетах необходимо, чтобы в кабине было наддува, заключающееся в прокачке сжатого воздуха в кабине самолета..

Почему требуется герметизация стенда?

По мере того, как самолет поднимается на более высокие высоты, внешнее атмосферное давление уменьшается, и содержание кислорода также уменьшается.

Если сжатый воздух не подается в салон, пассажиры могут страдать от гипоксии (или горной болезни) с такими симптомами, как усталость, головокружение, головная боль и потеря сознания из-за недостатка кислорода.

Если произойдет сбой в подаче сжатого воздуха в салон или при декомпрессии, возникнет аварийная ситуация, когда самолет должен немедленно спуститься, и все его пассажиры должны надеть кислородные маски.

Полеты в стратосферу, сверхзвуковые самолеты

На высотах более 10000 метров в стратосфере плотность газообразного слоя ниже, и поэтому подъемная сила, способствующая полету, также ниже.

С другой стороны, на этих больших высотах содержание кислорода (O₂) в воздухе меньше, и это необходимо как для сгорания дизельного топлива, которое заставляет работать двигатель самолета, так и для эффективного наддува в салоне.

На высоте более 10 000 метров над поверхностью земли самолет должен лететь с очень высокой скоростью, называемой сверхзвуковой, достигая более 1225 км / час на уровне моря..

Недостатки сверхзвукового самолета, разработанного до настоящего времени

Сверхзвуковые полеты производят так называемые звуковые взрывы, которые очень громкие, похожие на гром. Эти шумы негативно влияют на животных и людей.

Кроме того, эти сверхзвуковые самолеты должны использовать больше топлива и, следовательно, производить больше загрязняющих воздух веществ, чем самолеты, которые летают на малых высотах..

Сверхзвуковые самолеты требуют гораздо более мощных двигателей и дорогостоящих специальных материалов для их изготовления. Коммерческие полеты были настолько экономически дорогостоящими, что их реализация не была прибыльной.

ссылки

1. S.M., Hegglin M.I., Fujiwara M., Dragani R., Harada и др. (2017). Оценка верхних тропосферных и стратосферных водяных паров и озона в повторных анализах в рамках S-RIP. Атмосферная химия и физика. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
2. Хоши, К., Укита, Дж., Хонда, М. Накамура, Т., Ямазаки, К. и др. (2019). Слабые стратосферные полярные вихревые явления, модулируемые потерей арктического морского льда. Журнал геофизических исследований: атмосфера. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
3. Икбал В., Ханначи А., Хироока Т., Чафик Л., Харада Ю. и др. (2019). Динамическая связь тропосфера-стратосфера в отношении изменчивости вихревых струй в Северной Атлантике. Японское научно-техническое агентство. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J., Scaife, A.A., Hardiman, S.C., Mitchell, D.M., Butchart, N. et al. (2015). Влияние стратосферы на тропосферные реактивные потоки, штормовые треки и приземную погоду. Природа 8: 433-440.
5. Stohl A., Bonasoni P., Cristofanelli P., Collins W., Feichter J. et al. (2003). Обмен стратосферой и тропосферой: обзор и то, что мы узнали из STACCATO. Журнал геофизических исследований: атмосфера. 108 (Д12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland F.S. (2009) Истощение стратосферного озона. В: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Двадцать лет снижения озона. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5