Stratosfeerkenmerken, functies, temperatuur



de stratosfeer Het is een van de lagen van de atmosfeer van de aarde, gelegen tussen de troposfeer en de mesosfeer. De hoogte van de ondergrens van de stratosfeer varieert, maar het kan worden genomen als 10 km voor de middelste breedtegraden van de planeet. De bovenste limiet is de 50 km hoogte op het aardoppervlak.

De atmosfeer van de aarde is de gasvormige envelop die de planeet omringt. Volgens de chemische samenstelling en temperatuurvariatie, is het verdeeld in 5 lagen: troposfeer, stratosfeer, mesosfeer, thermosfeer en exosfeer.

De troposfeer strekt zich uit van het oppervlak van de aarde tot 10 km in de hoogte. De volgende laag, de stratosfeer, gaat van 10 km tot 50 km boven het aardoppervlak.

De mesosfeer varieert van 50 km tot 80 km in hoogte. De thermosfeer van 80 km tot 500 km, en tot slot strekt de exosfeer zich uit van 500 km tot 10.000 km in hoogte, de limiet met interplanetaire ruimte.

index

  • 1 Kenmerken van de stratosfeer
    • 1.1 Locatie
    • 1.2 Structuur
    • 1.3 Chemische samenstelling
  • 2 Temperatuur
  • 3 Ozonvorming
  • 4 functies
  • 5 Vernietiging van de ozonlaag
    • 5.1 CFC-verbindingen
    • 5.2 Stikstofoxiden
    • 5.3 Verdunnen en gaten in de ozonlaag
    • 5.4 Internationale overeenkomsten over beperkingen op het gebruik van CFK's
  • 6 Waarom vliegtuigen niet in de stratosfeer vliegen?
    • 6.1 Vliegtuigen die in de troposfeer vliegen
    • 6.2 Waarom drukopbouw op de kast vereist is?
    • 6.3 Vluchten in de stratosfeer, supersonische vliegtuigen
    • 6.4 Nadelen van supersonische vliegtuigen die tot nu toe zijn ontwikkeld
  • 7 Referenties

Kenmerken van de stratosfeer

plaats

De stratosfeer bevindt zich tussen de troposfeer en de mesosfeer. De ondergrens van deze laag varieert met de breedtegraad of afstand tot de equatoriale terrestrische lijn.

Aan de polen van de planeet begint de stratosfeer tussen 6 en 10 km boven het aardoppervlak. In de evenaar begint het tussen 16 en 20 km hoogte. De bovengrens ligt 50 km boven het aardoppervlak.

structuur

De stratosfeer heeft zijn eigen structuur in lagen, die worden gedefinieerd door temperatuur: de koude lagen bevinden zich onderaan en de hete lagen staan ​​bovenaan.

De stratosfeer heeft ook een laag met een hoge concentratie ozon, de ozonlaag of ozonosfeer genoemd, die zich tussen 30 en 60 km boven het aardoppervlak bevindt..

Chemische samenstelling

De belangrijkste chemische verbinding in de stratosfeer is ozon. 85 tot 90% van de totale ozon in de atmosfeer van de aarde bevindt zich in de stratosfeer.

Ozon wordt gevormd in de stratosfeer door middel van een fotochemische reactie (chemische reactie waarbij licht tussenkomt) die aan zuurstof lijdt. Veel van de gassen in de stratosfeer komen uit de troposfeer.

De stratosfeer bevat ozon (O3), stikstof (N.2), zuurstof (O2), stikstofoxiden, salpeterzuur (HNO)3), zwavelzuur (H.2SW4), silicaten en gehalogeneerde verbindingen, zoals chloorfluorkoolwaterstoffen. Sommige van deze stoffen komen van vulkaanuitbarstingen. De concentratie van waterdamp (H2Of in een gasvormige toestand) in de stratosfeer, het is erg laag.

In de stratosfeer is het mengsel van gassen verticaal erg langzaam en praktisch nul, vanwege de afwezigheid van turbulentie. Om deze reden blijven de chemische verbindingen en andere materialen die deze laag binnenkomen lang aanwezig.

temperatuur

De temperatuur in de stratosfeer vertoont een omgekeerd gedrag ten opzichte van dat in de troposfeer. In deze laag neemt de temperatuur toe met de hoogte.

Deze temperatuurstijging is het gevolg van het optreden van chemische reacties die warmte afgeven, waarbij ozon tussenkomt (O3). In de stratosfeer zijn er aanzienlijke hoeveelheden ozon, die hoogenergetische ultraviolette straling van de zon absorbeert.

De stratosfeer is een stabiele laag, zonder turbulentie die de gassen vermengt. De lucht is koud en dicht in het laagste gedeelte en in het hoogste gedeelte is het warm en licht.

Ozonvorming

In de stratosfeer moleculaire zuurstof (O2) wordt gedissocieerd door het effect van ultraviolette (UV) straling van de zon:

O2  +  UV-LICHT → O + O

Zuurstofatomen (O) zijn zeer reactief en reageren met zuurstofmoleculen (O2) om ozon te vormen (O3):

O + O2 →  O3  +  hitte

In dit proces wordt warmte afgegeven (exotherme reactie). Deze chemische reactie is de warmtebron in de stratosfeer en vindt zijn hoge temperaturen in de bovenste lagen.

functies

De stratosfeer vervult een beschermende functie van alle vormen van leven die op planeet Aarde bestaan. De ozonlaag voorkomt dat ultraviolette (UV) straling van hoge energie het aardoppervlak bereikt.

Ozon absorbeert ultraviolet licht en ontleedt tot atomaire zuurstof (O) en moleculaire zuurstof (O2), zoals blijkt uit de volgende chemische reactie:

O3  + UV-LICHT → O + O2

In de stratosfeer bevinden de processen van vorming en vernietiging van ozon zich in een evenwicht dat zijn constante concentratie behoudt.

Op deze manier werkt de ozonlaag als een beschermend schild tegen UV-straling, wat de oorzaak is van genetische mutaties, huidkanker, vernietiging van gewassen en planten in het algemeen.

Vernietiging van de ozonlaag

CFC-verbindingen

Sinds de jaren zeventig hebben onderzoekers grote bezorgdheid uitgesproken over de schadelijke effecten van chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's) op de ozonlaag..

In 1930 werd het gebruik van chloorfluorkoolstofverbindingen, commercieel genaamd freons, geïntroduceerd. Onder deze zijn CFCl3 (Freon 11), CF2cl2 (Freon 12), C2F3cl3 (Freon 113) en C2F4cl2 (Freon 114). Deze verbindingen zijn gemakkelijk samendrukbaar, relatief niet-reactief en niet-ontvlambaar.

Ze begonnen te worden gebruikt als koelmiddelen in airconditioners en koelkasten, ter vervanging van ammoniak (NH3) en zwaveldioxide (SO)2) vloeistof (zeer giftig).

Vervolgens zijn CFK's in grote hoeveelheden gebruikt bij de vervaardiging van wegwerpbare plastic artikelen, als drijfgassen voor commerciële producten in de vorm van ingeblikte aerosolen, en als oplosmiddelen voor het reinigen van elektronische apparaatkaarten..

Het wijdverspreide en grootschalige gebruik van CFK's heeft een serieus milieuprobleem veroorzaakt, omdat die worden gebruikt in industrieën en koelmiddelengebruik worden geloosd in de atmosfeer.

In de atmosfeer diffunderen deze verbindingen langzaam in de stratosfeer; in deze laag ondergaan ze ontleding als gevolg van UV-straling:

CFCl3 → CFCl2  +  cl

CF2cl2  → CF2Cl + Cl

Chlooratomen reageren heel gemakkelijk met ozon en vernietigen het:

Cl + O3  → ClO + O2

Een enkel chlooratoom kan meer dan 100.000 ozonmoleculen vernietigen.

Stikstofoxiden

NOx en NOx stikstofoxiden2 ze reageren door ozon te vernietigen. De aanwezigheid van deze stikstofoxiden in de stratosfeer is te wijten aan de gassen die worden uitgestoten door supersonische vliegtuigmotoren, aan emissies door menselijke activiteiten op aarde en aan vulkanische activiteit.

Verdunnen en gaten in de ozonlaag

In de jaren tachtig werd ontdekt dat zich boven het zuidpoolgebied een opening in de ozonlaag had gevormd. In dit gebied was de hoeveelheid ozon gehalveerd.

Ook werd ontdekt dat de ozonlaag op de Noordpool en in de hele stratosfeer dunner is geworden, dat wil zeggen dat deze zijn breedte heeft verkleind omdat de hoeveelheid ozon aanzienlijk is afgenomen.

Het verlies van ozon in de stratosfeer heeft ernstige gevolgen voor het leven op aarde en verschillende landen hebben aanvaard dat een drastische vermindering of volledige eliminatie van het gebruik van CFK's noodzakelijk en dringend is..

Internationale afspraken over beperking van het gebruik van CFK's

In 1978 verbood veel landen het gebruik van CFK's als stuwstof voor commerciële producten in de vorm van aërosolen. In 1987 ondertekende de overgrote meerderheid van de geïndustrialiseerde landen het zogenaamde Montreal-protocol, een internationale overeenkomst waarbij doelstellingen werden vastgesteld voor de geleidelijke vermindering van de CFK-productie en de totale eliminatie daarvan in het jaar 2000.

Verschillende landen hebben het Montreal Protocol geschonden, omdat deze reductie en eliminatie van CFK's hun economie zou beïnvloeden, waardoor economische belangen vóór het behoud van het leven op de planeet Aarde zouden komen.

Waarom vliegtuigen niet in de stratosfeer vliegen?

Tijdens de vlucht van een vliegtuig zijn er 4 basiskrachten: de lift, het gewicht van het vliegtuig, de weerstand en de stuwkracht.

De lift is een kracht die het vliegtuig vasthoudt en omhoog duwt; hoe hoger de luchtdichtheid, hoe groter de lift. Gewicht daarentegen is de kracht waarmee de zwaartekracht van de aarde het vliegtuig naar het centrum van de aarde trekt.

Weerstand is een kracht die de voortgang van het vliegtuig vertraagt ​​of voorkomt. Deze weerstandskracht werkt in de tegenovergestelde richting van de baan van het vlak.

De druk is de kracht die het vliegtuig naar voren beweegt. Zoals we zien, geven de push en lift de voorkeur aan de vlucht; het gewicht en de weerstand werken om de vlucht van het vliegtuig te benadelen.

Vliegtuigen dat ze vliegen in de troposfeer

De commerciële en civiele vliegtuigen naar korte afstanden vliegen ongeveer tot 10.000 meter hoogte, dat wil zeggen in de bovengrens van de troposfeer.

In alle vliegtuigen is het noodzakelijk dat er druk op de cabine is, die bestaat uit het pompen van perslucht in de cockpit van het vliegtuig.

Waarom drukopbouw op de kast vereist is?

Naarmate het vliegtuig stijgt naar hogere hoogten, neemt de externe atmosferische druk af en neemt ook het zuurstofgehalte af.

Als er geen perslucht wordt toegevoerd aan de cabine, zouden passagiers lijden aan hypoxie (of bergziekte), met symptomen zoals vermoeidheid, duizeligheid, hoofdpijn en bewustzijnsverlies als gevolg van zuurstofgebrek.

Als er een storing optreedt in de toevoer van perslucht naar de cabine of een decompressie, zou er een noodgeval ontstaan ​​waarbij het vliegtuig onmiddellijk moet afdalen en alle inzittenden zuurstofmaskers moeten dragen.

Vluchten in de stratosfeer, supersonische vliegtuigen

Op hoogtes van meer dan 10.000 meter, in de stratosfeer, is de dichtheid van de gasvormige laag lager en daarom is de lift die de vlucht bevordert ook lager.

Aan de andere kant, op deze grote hoogte is het zuurstofgehalte (O2) in de lucht is kleiner, en dit is vereist zowel voor de verbranding van dieselbrandstof die de motor van het vliegtuig laat werken, als voor een effectieve drukverhoging in de cabine.

Op hoogten van meer dan 10.000 meter boven het aardoppervlak moet het vliegtuig met zeer hoge snelheden gaan, supersonisch genoemd, met een snelheid van meer dan 1,225 km / uur op zeeniveau.

Nadelen van supersonische vliegtuigen ontwikkeld tot het heden

Supersonische vluchten produceren supersonische knallen gesprekken, die zeer harde geluiden als de donder zijn. Deze geluiden hebben een negatieve invloed op dieren en mensen.

Bovendien moeten deze supersonische vliegtuigen meer brandstof gebruiken en daarom meer luchtverontreinigende stoffen produceren dan vliegtuigen die op lagere hoogten vliegen..

Supersonische vliegtuigen vereisen meer krachtige motoren en dure speciale materialen voor de productie ervan. Commerciële vluchten waren zo economisch duur dat hun implementatie niet winstgevend was.

referenties

  1. S.M., Hegglin, M.I., Fujiwara, M., Dragani, R., Harada en et. (2017). Beoordeling van bovenste troposfeer- en stratosferische waterdamp en ozon in reanalyses als onderdeel van S-RIP. Atmosferische chemie en fysica. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
  2. Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. et al. (2019). Zwakke Stratospherische Polar Vortex-gebeurtenissen Gemoduleerd door het Arctische zee-ijsverlies. 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 al. (2019). Troposphere-Stratosphere Dynamische koppeling in verband met de Noord-Atlantische Eddy-Driven straalvariatie. Japan Science and Technology Agency. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
  4. Kidston, J., Scaife, A.A., Hardiman, S.C., Mitchell, D.M., Butchart, N. et al. (2015). Stratosferische invloed op troposferische jetstromen, stormbanen en oppervlakteweer. Nature 8: 433-440.
  5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et al. (2003). Uitwisseling van stratosfeer en troposfeer: een evaluatie en wat we van STACCATO hebben geleerd. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
  6. Rowland F.S. (2009) Stratosferische ozonafbraak. In: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Twintig jaar ozonafname. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5