- Caracteristicile stratosferei
- Locație
- Structura
- Compoziție chimică
- Temperatura
- Formarea de ozon
- Caracteristici
- Distrugerea stratului de ozon
- Compuși CFC
- Oxizi de azot
- Subțierea și găurile în stratul de ozon
- Acorduri internaționale privind restricția de utilizare a CFC-urilor
- De ce avioanele nu zboară în stratosferă?
- Aeronave care
- De ce este necesară presurizarea cabinei?
- Zboruri în stratosferă, avioane supersonice
- Dezavantajele aeronavelor supersonice dezvoltate până în prezent
- Referințe
Stratosferă este unul dintre straturile atmosferei Pământului, situate între troposferă și mezosfera. Altitudinea limitei inferioare a stratosferei variază, dar poate fi luată ca 10 km pentru latitudinile medii ale planetei. Limita sa superioară este de 50 km altitudine deasupra suprafeței Pământului.
Atmosfera Pământului este plicul gazos care înconjoară planeta. În funcție de compoziția chimică și variația temperaturii, aceasta este împărțită în 5 straturi: troposferă, stratosferă, mezosferă, termosferă și exosferă.
Figura 1. Stratosfera văzută din spațiu. Sursa: Agenția Spațială Galosă NOSA
Troposfera se extinde de la suprafața Pământului până la 10 km înălțime. Următorul strat, stratosfera, variază de la 10 km la 50 km deasupra suprafeței pământului.
Mezosfera variază de la 50 km la 80 km înălțime. Termosfera de la 80 km la 500 km, iar în final exosfera se extinde de la 500 km la 10.000 km înălțime, fiind limita cu spațiul interplanetar.
Caracteristicile stratosferei
Locație
Stratosfera este situată între troposferă și mezosferă. Limita inferioară a acestui strat variază cu latitudinea sau distanța față de linia ecuatorială a Pământului.
La polii planetei, stratosfera începe între 6 și 10 km deasupra suprafeței pământului. La ecuator începe între 16 și 20 km de altitudine. Limita superioară este de 50 km deasupra suprafeței Pământului.
Structura
Stratosfera are propria structură stratificată, care sunt definite de temperatură: straturile reci sunt în partea de jos, iar straturile fierbinți sunt în partea de sus.
De asemenea, stratosfera are un strat în care există o concentrație mare de ozon, numit strat de ozon sau ozonosferă, care se află între 30 până la 60 km deasupra suprafeței pământului.
Compoziție chimică
Cel mai important compus chimic din stratosferă este ozonul. 85 - 90% din totalul ozonului prezent în atmosfera Pământului se găsește în stratosferă.
Ozonul se formează în stratosferă printr-o reacție fotochimică (reacție chimică unde intervine lumina) pe care o suferă oxigenul. O mare parte din gazele din stratosferă intră din troposferă.
Stratosferă conține ozon (O 3 ), azot (N 2 ), oxigen (O 2 ), oxizi de azot, acid azotic (HNO 3 ), acid sulfuric (H 2 SO 4 ), silicați și compuși halogenați, cum ar fi clorofluorocarburi. Unele dintre aceste substanțe provin din erupții vulcanice. Concentrația de vapori de apă (H 2 O în stare gazoasă) în stratosferă este foarte mică.
În stratosferă, amestecarea verticală a gazelor este foarte lentă și practic nulă, din cauza absenței turbulenței. Din acest motiv, substanțele chimice și alte materiale care intră în acest strat rămân mult timp în el.
Temperatura
Temperatura din stratosferă prezintă un comportament invers celui al troposferei. În acest strat temperatura crește odată cu altitudinea.
Această creștere a temperaturii se datorează apariției de reacții chimice care eliberează căldură, unde intervine ozonul (O 3 ). Există cantități considerabile de ozon în stratosferă, care absoarbe radiații ultraviolete cu energie mare de la Soare.
Stratosfera este un strat stabil, fără turbulențe pentru amestecarea gazelor. Aerul este rece și dens în partea inferioară, iar în partea superioară este cald și ușor.
Formarea de ozon
În stratosferă, oxigenul molecular (O 2 ) este disociat de efectul radiațiilor ultraviolete (UV) de la Soare:
O 2 + LUMINĂ UV → O + O
Atomii de oxigen (O) sunt foarte reactivi și reacționează cu moleculele de oxigen (O 2 ) pentru a forma ozonul (O 3 ):
O + O 2 → O 3 + Căldură
În acest proces se eliberează căldură (reacție exotermică). Această reacție chimică este sursa de căldură în stratosferă și provoacă temperaturi ridicate în straturile superioare.
Caracteristici
Stratosfera îndeplinește o funcție protectoare a tuturor formelor de viață care există pe planeta Pământ. Stratul de ozon împiedică radiațiile ultraviolete (UV) de mare energie să ajungă la suprafața pământului.
Ozonul absoarbe lumina ultravioletă și se descompune în oxigen atomic (O) și oxigen molecular (O 2 ), așa cum se arată în următoarea reacție chimică:
O 3 + LUMINĂ UV → O + O 2
În stratosferă, procesele de formare și distrugere a ozonului se află într-un echilibru care își menține concentrația constantă.
În acest fel, stratul de ozon funcționează ca un scut protector împotriva radiațiilor UV, care este cauza mutațiilor genetice, cancerului de piele, distrugerii culturilor și plantelor în general.
Distrugerea stratului de ozon
Compuși CFC
Începând cu anii '70, cercetătorii și-au exprimat îngrijorarea cu privire la efectele nocive ale clorofluorocarburilor (CFC) asupra stratului de ozon.
În 1930 a fost introdusă utilizarea compușilor clorofluorocarbonici, numiți freoni. Printre acestea se numără CFCl 3 (Freon 11), CF 2 Cl 2 (Freon 12), C 2 F 3 Cl 3 (Freon 113) și C 2 F 4 Cl 2 (Freon 114). Acești compuși sunt ușor comprimabili, relativ nereactivi și neinflamabili.
Acestea au început să fie utilizate ca agenți de răcire în aparate de aer condiționat și frigidere, înlocuind amoniacul (NH 3 ) și dioxidul de sulf lichid (SO 2 ) (foarte toxic).
Ulterior, CFC-urile au fost utilizate în cantități mari la fabricarea articolelor din plastic de unică folosință, ca agenți de propulsie pentru produse comerciale sub formă de aerosoli în conserve și ca solvenți de curățare pentru cardurile dispozitivelor electronice.
Utilizarea pe scară largă în cantități mari de CFC-uri a creat o problemă serioasă de mediu, deoarece cele utilizate în industrii și utilizări de agenți de refrigerare sunt evacuate în atmosferă.
În atmosferă, acești compuși difuzează lent în stratosferă; în acest strat suferă descompunere datorită efectului radiațiilor UV:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
Atomii de clor reacționează foarte ușor cu ozonul și îl distrug:
Cl + O 3 → ClO + O 2
Un singur atom de clor poate distruge peste 100.000 de molecule de ozon.
Oxizi de azot
Oxizii de azot NO și NO 2 reacționează pentru a distruge ozonul. Prezența acestor oxizi de azot în stratosferă se datorează gazelor emise de motoarele aeronavelor supersonice, emisiilor din activitățile umane pe Pământ și activității vulcanice.
Subțierea și găurile în stratul de ozon
În anii 1980 s-a descoperit că s-a format o gaură în stratul de ozon de deasupra zonei Polului Sud. În această zonă, cantitatea de ozon a fost redusă la jumătate.
De asemenea, s-a descoperit că deasupra Polului Nord și în întreaga stratosferă, stratul protector de ozon s-a subțiat, adică și-a redus lățimea, deoarece cantitatea de ozon a scăzut considerabil.
Pierderea ozonului în stratosferă are consecințe grave asupra vieții pe planetă, iar mai multe țări au acceptat că este necesară și urgentă o reducere drastică sau o eliminare completă a utilizării CFC-urilor.
Acorduri internaționale privind restricția de utilizare a CFC-urilor
În 1978, multe țări au interzis utilizarea CFC-urilor ca propulsori în produsele aerosolului comercial. În 1987, marea majoritate a țărilor industrializate au semnat așa-numitul Protocol de la Montreal, un acord internațional prin care au fost stabilite obiective pentru reducerea treptată a producției de CFC și eliminarea totală a acesteia până în anul 2000.
Mai multe țări nu au reușit să respecte Protocolul de la Montreal, deoarece această reducere și eliminare a CFC-urilor ar afecta economia lor, punând interese economice înainte de păstrarea vieții pe planeta Pământ.
De ce avioanele nu zboară în stratosferă?
În timpul zborului unui avion, acționează 4 forțe de bază: ridicarea, greutatea avionului, tracțiunea și tracțiunea.
Ridicarea este o forță care susține avionul și îl împinge în sus; cu cât densitatea aerului este mai mare, cu atât ridicarea este mai mare. Greutatea, pe de altă parte, este forța cu care gravitația Pământului trage planul spre centrul Pământului.
Rezistența este o forță care încetinește sau împiedică aeronava să înainteze. Această forță de rezistență acționează în direcția opusă traseului avionului.
Împingerea este forța care mișcă avionul înainte. După cum putem vedea, traiectoria și ridicarea favorizează zborul; greutatea și rezistența acționează pentru a dezavantaja zborul avionului.
Aeronave care
Aeronavele comerciale și civile la distanțe scurte zboară la aproximativ 10.000 de metri deasupra nivelului mării, adică la limita superioară a troposferei.
Toate aeronavele necesită presurizare în cabină, care constă în pomparea aerului comprimat în cabina aeronavei.
De ce este necesară presurizarea cabinei?
Pe măsură ce aeronava urcă la altitudini mai mari, presiunea atmosferică externă scade și conținutul de oxigen scade și el.
Dacă nu s-a furnizat aer sub presiune în cabină, pasagerii ar suferi de hipoxie (sau boală de munte), cu simptome precum oboseală, amețeli, dureri de cap și pierderea cunoștinței din cauza lipsei de oxigen.
Dacă apare o defecțiune de furnizare a aerului comprimat în cabină sau o decompresie, apare o urgență în care avionul trebuie să coboare imediat și toți ocupanții săi trebuie să poarte măști de oxigen.
Zboruri în stratosferă, avioane supersonice
La altitudini mai mari de 10.000 de metri, în stratosferă, densitatea stratului gazos este mai mică și, prin urmare, forța de ridicare care favorizează zborul este, de asemenea, mai mică.
Pe de altă parte, la aceste altitudini mari conținutul de oxigen (O 2 ) din aer este mai mic, iar acest lucru este necesar atât pentru arderea combustibilului diesel care face ca motorul aeronavei să funcționeze, cât și pentru o presurizare eficientă în cabină.
La altitudini mai mari de 10.000 de metri deasupra suprafeței pământului, avionul trebuie să meargă cu viteze foarte mari, numite supersonice, atingând peste 1.225 km / oră la nivelul mării.
Figura 2. Aeronave comerciale supersonice Concorde. Sursa: Eduard Marmet
Dezavantajele aeronavelor supersonice dezvoltate până în prezent
Zborurile supersonice produc așa-numitele boomuri sonice, care sunt zgomote foarte puternice similare cu tunetul. Aceste zgomote au un impact negativ asupra animalelor și oamenilor.
În plus, aceste aeronave supersonice trebuie să utilizeze mai mult combustibil și, prin urmare, produc mai mulți poluanți ai aerului decât aeronavele care zboară la altitudini mai mici.
Aeronavele supersonice necesită motoare mult mai puternice și materiale speciale costisitoare pentru fabricare. Zborurile comerciale au fost atât de costisitoare din punct de vedere economic, încât implementarea lor nu a fost rentabilă.
Referințe
- SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y și toate. (2017). Evaluarea vaporilor de apă troposferici și stratosferici superiori și a ozonului în reanalize, ca parte a S-PIR. Chimie și fizică atmosferică. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
- Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. et all. (2019). Slab Evenimente stratosferice Polort Vortex modulate de Marea Arctică - Pierderea gheții. Journal of Geophysical Research: Atmosfere. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
- Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. și tot. (2019). Cuplarea dinamică a troposferei-stratosferei în ceea ce privește variabilitatea jetului condus de Eddy Atlanticul de Nord. Agenția pentru Știință și Tehnologie din Japonia doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
- Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. și tot. (2015). Influență stratosferică asupra fluxurilor de jet troposferice, a pistelor de furtună și a vremii de suprafață. Natura 8: 433-440.
- Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. și tot. (2003). Stratosfera - schimb de troposferă: o recenzie și ce am învățat de la STACCATO. Journal of Geophysical Research: Atmosfere. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
- Rowland FS (2009) Epuizarea stratului de ozon stratosferic. În: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Douăzeci de ani de declin al ozonului. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5