СТРАТОСФЕРА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦИИ, ТЕМПЕРАТУРА - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА - 2026

Стратосферы являются один из слоев атмосферы Земли, расположенных между тропосферой и мезосферой. Высота нижней границы стратосферы варьируется, но для средних широт планеты ее можно принять равной 10 км. Его верхний предел составляет 50 км над земной поверхностью.

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

Рис. 1. Стратосфера из космоса. Источник: Галицкое космическое агентство NOSA.

Тропосфера простирается от поверхности Земли на высоту до 10 км. Следующий слой, стратосфера, находится на высоте от 10 км до 50 км над земной поверхностью.

Высота мезосферы колеблется от 50 до 80 км. Термосфера от 80 км до 500 км, и, наконец, экзосфера простирается от 500 до 10 000 км в высоту, что является пределом межпланетного пространства.

Характеристики стратосферы

Расположение

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

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

Структура

Стратосфера имеет свою собственную слоистую структуру, которая определяется температурой: холодные слои находятся внизу, а горячие - вверху.

Кроме того, в стратосфере есть слой с высокой концентрацией озона, называемый озоновым слоем или озоносферой, который находится на высоте от 30 до 60 км над поверхностью земли.

Химический состав

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

Озон образуется в стратосфере в результате фотохимической реакции (химической реакции, в которую вмешивается свет), которой подвергается кислород. Большая часть газов в стратосферу поступает из тропосферы.

Стратосфера содержит озон (O ₃ ), азот (N ₂ ), кислород (O ₂ ), оксиды азота, азотную кислоту (HNO ₃ ), серную кислоту (H ₂ SO ₄ ), силикаты и галогенированные соединения, такие как хлорфторуглероды. Некоторые из этих веществ возникают в результате извержений вулканов. Концентрация водяного пара (H ₂ O в газообразном состоянии) в стратосфере очень низкая.

В стратосфере вертикальное перемешивание газа происходит очень медленно и практически отсутствует из-за отсутствия турбулентности. По этой причине химические вещества и другие материалы, попадающие в этот слой, остаются в нем надолго.

температура

Температура в стратосфере демонстрирует поведение, обратное температуре тропосферы. В этом слое температура увеличивается с высотой.

Это повышение температуры происходит из-за протекания химических реакций с выделением тепла, в которые вступает озон (O ₃ ). В стратосфере имеется значительное количество озона, который поглощает высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца.

Стратосфера представляет собой стабильный слой без турбулентности для смешивания газов. В нижней части воздух холодный и плотный, а в верхней - теплый и легкий.

Образование озона

В стратосфере молекулярный кислород (O ₂ ) диссоциирует под действием ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца:

O ₂ + УФ-СВЕТ → O + O

Атомы кислорода (O) обладают высокой реакционной способностью и реагируют с молекулами кислорода (O ₂ ) с образованием озона (O ₃ ):

O + O _{2 →} O ₃ + тепло

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

Характеристики

Стратосфера выполняет защитную функцию для всех форм жизни, существующих на планете Земля. Озоновый слой предотвращает попадание высокоэнергетического ультрафиолетового (УФ) излучения на поверхность земли.

Озон поглощает ультрафиолетовый свет и разлагается на атомарный кислород (O) и молекулярный кислород (O ₂ ), как показано следующей химической реакцией:

O ₃ + УФ-СВЕТ → O + O ₂

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

Таким образом, озоновый слой работает как защитный экран от ультрафиолетового излучения, которое является причиной генетических мутаций, рака кожи, разрушения сельскохозяйственных культур и растений в целом.

Разрушение озонового слоя

CFC соединения

С 1970-х годов исследователи выражают серьезную обеспокоенность по поводу разрушительного воздействия хлорфторуглеродов (ХФУ) на озоновый слой.

В 1930 году было введено использование хлорфторуглеродных соединений, получивших коммерческое название фреонов. Среди них CFCl ₃ (фреон 11), CF ₂ Cl ₂ (фреон 12), C ₂ F ₃ Cl ₃ (фреон 113) и C ₂ F ₄ Cl ₂ (фреон 114). Эти соединения легко прессуются, относительно инертны и негорючие.

Их начали использовать в качестве хладагентов в кондиционерах и холодильниках, заменив аммиак (NH ₃ ) и жидкий диоксид серы (SO ₂ ) (высокотоксичный).

Впоследствии ХФУ в больших количествах использовались при производстве одноразовых пластиковых изделий, в качестве пропеллентов для коммерческих продуктов в виде аэрозолей в баллончиках и в качестве чистящих растворителей для карт электронных устройств.

Широкое использование в больших количествах ХФУ создало серьезную экологическую проблему, поскольку те, которые используются в промышленности и при использовании хладагентов, выбрасываются в атмосферу.

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

CFCl _{3 →} CFCl ₂ + Cl

CF ₂ Cl _{2 →} CF ₂ Cl + Cl

Атомы хлора очень легко реагируют с озоном и разрушают его:

Cl + O ₃ → ClO + O ₂

Один атом хлора может разрушить более 100 000 молекул озона.

Оксиды азота

Оксиды азота NO и NO ₂ реагируют с разрушением озона. Присутствие этих оксидов азота в стратосфере происходит из-за газов, выбрасываемых двигателями сверхзвуковых самолетов, выбросов в результате деятельности человека на Земле и вулканической активности.

Истончение и дыры в озоновом слое

В 1980-х годах было обнаружено, что в озоновом слое над районом Южного полюса образовалась дыра. В этой области количество озона сократилось вдвое.

Также было обнаружено, что над Северным полюсом и по всей стратосфере защитный озоновый слой истончился, то есть его ширина уменьшилась, потому что количество озона значительно уменьшилось.

Потеря озона в стратосфере имеет серьезные последствия для жизни на планете, и несколько стран признали необходимость и срочность радикального сокращения или полного отказа от использования ХФУ.

Международные соглашения об ограничении использования ХФУ

В 1978 году многие страны запретили использование ХФУ в качестве пропеллентов в коммерческих аэрозольных продуктах. 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 к 2000 году.

Некоторые страны не соблюдают Монреальский протокол, потому что это сокращение и устранение ХФУ повлияет на их экономику, поставив экономические интересы выше сохранения жизни на планете Земля.

Почему в стратосфере не летают самолеты?

Во время полета самолета действуют 4 основные силы: подъемная сила, вес самолета, лобовое сопротивление и тяга.

Подъем - это сила, которая поддерживает самолет и толкает его вверх; чем выше плотность воздуха, тем больше подъемная сила. С другой стороны, вес - это сила, с которой гравитация Земли притягивает самолет к центру Земли.

Сопротивление - это сила, которая замедляет или препятствует движению самолета вперед. Эта сила сопротивления действует в направлении, противоположном направлению движения самолета.

Тяга - это сила, которая перемещает самолет вперед. Как видим, тяга и подъемная сила благоприятствуют полету; вес и сопротивление препятствуют полету самолета.

Самолет, который

Коммерческие и гражданские самолеты на короткие дистанции летают примерно на 10 000 метров над уровнем моря, то есть у верхней границы тропосферы.

Все самолеты требуют герметизации кабины, которая заключается в нагнетании сжатого воздуха в кабину самолета.

Почему требуется герметизация кабины?

По мере того, как самолет поднимается на большую высоту, внешнее атмосферное давление уменьшается, а также уменьшается содержание кислорода.

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

Если произойдет сбой подачи сжатого воздуха в кабину или произойдет декомпрессия, возникнет аварийная ситуация, когда самолет должен немедленно снизиться, и все его пассажиры должны будут носить кислородные маски.

Полеты в стратосфере, сверхзвуковые самолеты

На высоте более 10 000 метров в стратосфере плотность газового слоя ниже, и поэтому подъемная сила, благоприятствующая полету, также ниже.

С другой стороны, на этих больших высотах содержание кислорода (O ₂ ) в воздухе ниже, и это требуется как для сгорания дизельного топлива, которое заставляет работать двигатель самолета, так и для эффективного создания избыточного давления в салоне.

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

Рис. 2. Сверхзвуковой коммерческий самолет Concorde. Источник: Эдуард Мармет

Недостатки сверхзвуковых самолетов, разработанных на сегодняшний день

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

Кроме того, этим сверхзвуковым самолетам необходимо использовать больше топлива и, следовательно, производить больше загрязняющих веществ в воздухе, чем самолетам, которые летают на меньшей высоте.

Для изготовления сверхзвуковых самолетов требуются гораздо более мощные двигатели и дорогие специальные материалы. Коммерческие полеты были настолько дорогостоящими, что их выполнение было нерентабельным.

Ссылки

1. С.М., Хегглин, М.И., Фудзивара, М., Драгани, Р., Харада, Й. и др. (2017). Оценка содержания водяного пара и озона в верхних слоях тропосферы и стратосферы при повторном анализе в рамках S-RIP. Химия и физика атмосферы. 17: 12743-12778. DOI: 10.5194 / acp-17-12743-2017
2. Хоши, К., Укита, Дж., Хонда, М. Накамура, Т., Ямазаки, К. и др. (2019). События слабого стратосферного полярного вихря, модулируемые арктическим морем - потеря льда. Журнал геофизических исследований: атмосферы. 124 (2): 858-869. DOI: 10.1029 / 2018JD029222
3. Икбал, В., Ханначи, А., Хироока, Т., Чафик, Л., Харада, Ю. и др. (2019). Динамическое взаимодействие тропосферы и стратосферы в связи с изменчивостью струй, вызываемой вихрями Северной Атлантики. Японское агентство науки и технологий. DOI: 10.2151 / jmsj.2019-037
4. Кидстон, Дж., Скайф, А.А., Хардиман, С.К., Митчелл, Д.М., Бутчарт, Н. и др. (2015). Влияние стратосферы на тропосферные струйные течения, штормовые траектории и погоду на поверхности. Природа 8: 433-440.
5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. и др. (2003). Стратосфера - тропосферный обмен: обзор и то, что мы узнали из STACCATO. Журнал геофизических исследований: атмосферы. 108 (D12). DOI: 10.1029 / 2002jD002490
6. Роуленд Ф.С. (2009) Разрушение стратосферного озона. В: Зерефос К., Контопулос Г., Скалкеас Г. (ред.) Двадцать лет снижения уровня озона. Springer. DOI: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5