Стратосферата: характеристики, функции, температура
Стратосферата е един от слоевете на земната атмосфера, разположен между тропосферата и мезосферата. Надморската височина на долната граница на стратосферата варира, но може да се приеме за 10 км за средните ширини на планетата. Неговата горна граница е на 50 км надморска височина на повърхността на Земята.
Земната атмосфера е газообразната обвивка, която обгражда планетата. Според химическия състав и температурните колебания той е разделен на 5 слоя: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и екзосфера.
Тропосферата се простира от повърхността на Земята до 10 км височина. Следващият слой, стратосферата, преминава от 10 км до 50 км над земната повърхност.
Мезосферата варира от 50 км до 80 км височина. Термосферата от 80 км до 500 км и накрая екзосферата се простира от 500 км до 10 000 км височина, което е границата с междупланетното пространство.
Характеристики на стратосферата
местоположение
Стратосферата е разположена между тропосферата и мезосферата. Долната граница на този слой варира с географската ширина или разстояние до екваториалната земна линия.
На полюсите на планетата стратосферата започва между 6 и 10 км над земната повърхност. В екватора започва между 16 и 20 км надморска височина. Горната граница е на 50 км над повърхността на Земята.
структура
Стратосферата има своя структура в слоеве, които се определят от температурата: студените слоеве са на дъното, а горещите слоеве са на върха.
Също така, стратосферата има слой, където има висока концентрация на озон, наречен озонов слой или озоносфера, който е между 30 и 60 км над земната повърхност.
Химичен състав
Най-важното химично съединение в стратосферата е озонът. От 85 до 90% от общия озон в атмосферата на Земята се намира в стратосферата.
Озона се образува в стратосферата чрез фотохимична реакция (химическа реакция, при която светлината се намесва), която страда от кислород. Голяма част от газовете в стратосферата влизат от тропосферата.
Стратосферата съдържа озон (O 3 ), азот (N2), кислород (O 2 ), азотни оксиди, азотна киселина (HNO 3 ), сярна киселина (H 2 SO 4 ), силикати и халогенирани съединения, като хлорофлуоровъглероди. Някои от тези вещества идват от вулканични изригвания. Концентрацията на водните пари (H 2 O в газообразно състояние) в стратосферата е много ниска.
В стратосферата сместа от газове вертикално е много бавна и практически нулева, поради липсата на турбулентност. Поради тази причина, химически съединения и други материали, които влизат в този слой, остават в него дълго време.
температура
Температурата в стратосферата представлява обратното поведение на тази в тропосферата. В този слой температурата се увеличава с надморска височина.
Това повишаване на температурата се дължи на появата на химични реакции, които отделят топлина, където озонът се намесва (O 3 ). В стратосферата има значителни количества озон, който абсорбира ултравиолетовата радиация от слънцето.
Стратосферата е стабилен слой, без турбуленция, която смесва газовете. Въздухът е студен и гъст в най-ниската част и в най-високата част е горещ и светъл.
Образуване на озон
В стратосферата молекулярният кислород (O 2 ) се отделя от ефекта на ултравиолетовото (UV) излъчване от Слънцето:
O 2 + UV LIGHT → O + O
Кислородните атоми (О) са силно реактивни и реагират с кислородни молекули (О2), за да образуват озон (О3):
O + O 2 → О 3 + топлина
В този процес се отделя топлина (екзотермична реакция). Тази химическа реакция е източник на топлина в стратосферата и причинява високите й температури в горните слоеве.
функции
Стратосферата изпълнява защитна функция на всички форми на живот, които съществуват на планетата Земя. Озоновият слой предотвратява достигането на ултравиолетова (UV) радиация до земната повърхност.
Озонът абсорбира ултравиолетовата светлина и се разгражда до атомен кислород (O) и молекулен кислород (O 2 ), както се вижда от следната химическа реакция:
O 3 + UV LIGHT → O + O 2
В стратосферата процесите на образуване и разрушаване на озона са в баланс, който поддържа постоянната му концентрация.
По този начин озоновият слой действа като защитен щит срещу ултравиолетовите лъчи, което е причина за генетични мутации, рак на кожата, унищожаване на култури и растения като цяло.
Унищожаване на озоновия слой
CFC съединения
От 70-те години на миналия век изследователите изразяват голяма загриженост относно вредното въздействие на хлорфлуорвъглеродните (CFC) съединения върху озоновия слой.
През 1930 г. беше въведено използването на хлорофлуоровъглеводородни съединения, наречени търговски фреони. Сред тях са CFCl3 (фреон 11), CF2C12 (фреон 12), C2F3CI3 (фреон 113) и C2F4CI2 (фреон 114). Тези съединения са лесно сгъстими, относително нереактивни и незапалими.
Те започнаха да се използват като хладилни агенти в климатици и хладилници, заменяйки амоняка (NH 3 ) и течния серен диоксид (SO 2 ) (силно токсични).
Впоследствие, CFCs се използват в големи количества при производството на пластмасови изделия за еднократна употреба, като пропеленти за търговски продукти под формата на аерозолни кутии и като разтворители за почистване на карти на електронни устройства.
Широко разпространеното и широкомащабно използване на ХФВ създаде сериозен екологичен проблем, тъй като използваните в промишлеността и хладилните агенти се изхвърлят в атмосферата.
В атмосферата тези съединения се разпространяват бавно в стратосферата; в този слой те се подлагат на разлагане поради UV радиация:
CFCl3 → CFCl2 + Cl
CF2C12 → CF2C1 + С1
Хлорните атоми реагират много лесно с озона и го разрушават:
Cl + O3 → ClO + O2
Един единствен хлорен атом може да унищожи повече от 100 000 молекули озон.
Азотни оксиди
Азотните оксиди NO и NO 2 реагират чрез разрушаване на озона. Наличието на тези азотни оксиди в стратосферата се дължи на газовете, излъчвани от свръхзвукови авиационни двигатели, на емисиите от човешката дейност на Земята и към вулканичната активност.
Разреждане и отвори в озоновия слой
През 80-те години се установи, че над зоната на Южния полюс се е образувал отвор в озоновия слой. В тази област количеството на озона беше намалено наполовина.
Открито е също така, че над северния полюс и в цялата стратосфера озоновият слой се разрежда, т.е. намалява ширината си, тъй като количеството на озона значително намалява.
Загубата на озон в стратосферата има сериозни последици за живота на планетата и няколко страни са приели, че драстичното намаляване или пълното премахване на употребата на CFC е необходимо и неотложно.
Международни споразумения за ограничаване на използването на CFC
През 1978 г. много страни забраняват използването на CFC като пропеленти за търговски продукти под формата на аерозоли. През 1987 г. по-голямата част от индустриализираните страни подписаха така наречения Монреалски протокол - международно споразумение, в което бяха поставени цели за постепенно намаляване на производството на CFC и пълното му елиминиране през 2000 година.
Няколко страни са нарушили Протокола от Монреал, защото това намаляване и елиминиране на CFC ще засегне тяхната икономика, поставяйки икономически интереси преди запазването на живота на планетата Земя.
Защо самолети не летят в стратосферата?
По време на полета на самолет има 4 основни сили: асансьора, теглото на самолета, съпротивлението и тягата.
Лифтът е сила, която държи равнината и я избутва; колкото по-висока е плътността на въздуха, толкова по-голям е асансьорът. От друга страна, теглото е силата, с която гравитацията на Земята издърпва равнината към центъра на Земята.
Съпротивлението е сила, която забавя или предотвратява напредъка на равнината. Тази сила на съпротивление действа в посока, обратна на траекторията на самолета.
Натискането е силата, която движи равнината напред. Както виждаме, натискането и издигането благоприятстват полета; тежестта и съпротивата действат неблагоприятно за полета на самолета.
Самолети, летящи в тропосферата
Търговските и гражданските самолети на къси разстояния летят приблизително до 10 000 метра височина, тоест в горната граница на тропосферата.
Във всички самолети е необходимо да има херметизация на кабината, която се състои в изпомпване на сгъстен въздух в кабината на самолета.
Защо е необходимо повишаване на налягането на кабината?
Тъй като самолетът се изкачва на по-високи височини, външното атмосферно налягане намалява и съдържанието на кислород също намалява.
Ако в кабината не се подаваше въздух под налягане, пътниците щяха да страдат от хипоксия (или планинска болест) със симптоми като умора, замаяност, главоболие и загуба на съзнание поради липса на кислород.
Ако се получи повреда в подаването на сгъстен въздух в кабината или в декомпресия, ще възникне извънредна ситуация, при която самолетът трябва да слезе незабавно и всичките му пътници да носят кислородни маски.
Полети в стратосферата, свръхзвукови самолети
На височина по-голяма от 10 000 метра, в стратосферата, плътността на газовия слой е по-ниска и затова лифтът, който благоприятства полета, също е по-малък.
От друга страна, на тези високи височини съдържанието на кислород (О2) във въздуха е по-ниско и това е необходимо както за горенето на дизеловото гориво, което прави двигателя на самолета, така и за ефективно налягане в кабината.
На височина над 10 000 метра над земната повърхност, самолетът трябва да се движи с много високи скорости, наречени свръхзвукови, достигащи над 1225 км / час на морското равнище.
Недостатъци на свръхзвукови самолети, разработени до момента
Свръхзвуковите полети произвеждат така наречените звукови експлозии, които са много силни звуци, подобни на гръмотевиците. Тези шумове влияят негативно върху животните и хората.
Освен това, тези свръхзвукови въздухоплавателни средства трябва да използват повече гориво и следователно да произвеждат повече замърсители на въздуха, отколкото самолетите, които летят на по-ниски височини.
Свръхзвукови самолети изискват много по-мощни двигатели и скъпи специални материали за тяхното производство. Търговските полети бяха толкова икономически скъпи, че изпълнението им не беше печелившо.
