STRATOSFÉRA: VLASTNOSTI, FUNKCE, TEPLOTA - ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ - 2025

Stratosféra je jedna z vrstev zemské atmosféry, která se nachází mezi troposféře a mezosféře. Nadmořská výška dolní hranice stratosféry se liší, ale může být považována za 10 km pro střední šířky planety. Jeho horní hranice je 50 km nad zemí.

Atmosféra Země je plynná obálka, která obklopuje planetu. Podle chemického složení a kolísání teploty se dělí na 5 vrstev: troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra a exosféra.

Obrázek 1. Stratosféra z vesmíru. Zdroj: NOSA Galician Space Agency

Troposféra sahá od zemského povrchu až do výšky 10 km. Další vrstva, stratosféra, se pohybuje od 10 km do 50 km nad zemským povrchem.

Mezosféra se pohybuje od 50 km do 80 km na výšku. Termosféra z 80 km na 500 km a konečně exosféra sahá od 500 km do 10 000 km na výšku, což je mezní meziplanetární prostor.

Vlastnosti stratosféry

Umístění

Stratosféra se nachází mezi troposférou a mezosférou. Spodní hranice této vrstvy se liší podle zeměpisné šířky nebo vzdálenosti od zemské rovníkové linie.

Na pólech planety začíná stratosféra 6 až 10 km nad zemským povrchem. Na rovníku začíná mezi 16 a 20 km nadmořské výšky. Horní hranice je 50 km nad zemským povrchem.

Struktura

Stratosféra má svou vlastní vrstvenou strukturu, která je definována teplotou: studené vrstvy jsou dole a horké vrstvy jsou nahoře.

Stratosféra má také vrstvu, kde je vysoká koncentrace ozonu, nazývaná ozonová vrstva nebo ozonosféra, která je mezi 30 až 60 km nad zemským povrchem.

Chemické složení

Nejdůležitější chemickou sloučeninou ve stratosféře je ozon. Ve stratosféře se nachází 85 až 90% celkového ozonu přítomného v zemské atmosféře.

Ozon se tvoří ve stratosféře fotochemickou reakcí (chemickou reakcí, kde světlo zasahuje), kterou kyslík podléhá. Většina plynů ve stratosféře vstupuje z troposféry.

Stratosféře obsahuje ozon (O ₃), dusík (N ₂), kyslík (O ₂), oxidy dusíku, kyseliny dusičné (HNO ₃), kyselinu sírovou (H ₂ SO ₄), silikáty a halogenované sloučeniny, jako jsou chlorfluoruhlovodíky. Některé z těchto látek pocházejí ze sopečných erupcí. Koncentrace vodní páry (H ₂ O v plynném stavu) ve stratosféře je velmi nízká.

Ve stratosféře je vertikální míchání plynu velmi pomalé a prakticky nulové kvůli absenci turbulence. Z tohoto důvodu zůstávají chemikálie a další materiály, které vstupují do této vrstvy, v ní dlouho.

Teplota

Teplota ve stratosféře projevuje inverzní chování k chování troposféry. V této vrstvě se teplota zvyšuje s nadmořskou výškou.

Toto zvýšení teploty je způsobeno výskytem chemických reakcí, které uvolňují teplo, kde zasahuje ozón (O ₃). Ve stratosféře je značné množství ozonu, který absorbuje vysokoenergetické ultrafialové záření ze Slunce.

Stratosféra je stabilní vrstva, bez plynů pro míchání plynů. Vzduch je chladný a hustý ve spodní části a v horní části je teplý a lehký.

Tvorba ozónu

Ve stratosféře je molekulární kyslík (O ₂) disociován účinkem ultrafialového (UV) záření od Slunce:

O ₂ + UV SVĚTLO → O + O

Atomy kyslíku (O) jsou vysoce reaktivní a reagují s molekulami kyslíku (O ₂) za vzniku ozonu (O ₃):

O + O _{2 →} O ₃ + Teplo

Při tomto procesu se uvolňuje teplo (exotermická reakce). Tato chemická reakce je zdrojem tepla ve stratosféře a způsobuje její vysoké teploty v horních vrstvách.

Funkce

Stratosféra plní ochrannou funkci všech forem života, které existují na planetě Zemi. Ozonová vrstva zabraňuje tomu, aby se ultrafialové (UV) záření s vysokou energií dostalo na zemský povrch.

Ozon absorbuje ultrafialové světlo a rozkládá se na atomový kyslík (O) a molekulární kyslík (O ₂), jak ukazuje následující chemická reakce:

O ₃ + UV SVĚTLO → O + O ₂

Ve stratosféře jsou procesy tvorby a ničení ozonu v rovnováze, která udržuje jeho konstantní koncentraci.

Tímto způsobem ozonová vrstva funguje jako ochranný štít před UV zářením, které je příčinou genetických mutací, rakoviny kůže, ničení plodin a rostlin obecně.

Ničení ozónové vrstvy

CFC sloučeniny

Od 70. let 20. století vědci vyjádřili velké znepokojení nad škodlivými účinky sloučenin chlorfluoruhlovodíků (CFC) na ozonovou vrstvu.

V roce 1930 bylo zavedeno použití chlorfluoruhlovodíkových sloučenin komerčně nazývaných freony. Mezi nimi jsou CFCl ₃ (Freon 11), CF ₂ Cl ₂ (Freon 12), C ₂ F ₃ Cl ₃ (Freon 113) a C ₂ F ₄ Cl ₂ (Freon 114). Tyto sloučeniny jsou snadno stlačitelné, relativně nereaktivní a nehořlavé.

Začali se používat jako chladiva v klimatizacích a chladničkách a nahrazovali čpavek (NH ₃) a kapalný oxid siřičitý (SO ₂) (vysoce toxické).

Následně byly CFC používány ve velkých množstvích při výrobě jednorázových plastových předmětů, jako hnací látky pro komerční výrobky ve formě aerosolů v plechovkách, a jako čisticí rozpouštědla pro karty elektronických zařízení.

Rozšířené použití ve velkém množství CFC způsobilo vážný problém v oblasti životního prostředí, protože ty, které se používají v průmyslových odvětvích a při používání chladiv, jsou vypouštěny do atmosféry.

V atmosféře tyto sloučeniny pomalu difundují do stratosféry; v této vrstvě trpí rozkladem vlivem UV záření:

CFCl _{3 →} CFCl ₂ + Cl

CF ₂ Cl _{2 →} CF ₂ Cl + Cl

Atomy chloru velmi snadno reagují s ozonem a ničí ho:

Cl + O ₃ → ClO + O ₂

Jeden atom chloru může zničit více než 100 000 molekul ozonu.

Oxidy dusíku

Oxidy dusíku NO a NO ₂ reagují na ničení ozónu. Přítomnost těchto oxidů dusíku ve stratosféře je způsobena plyny emitovanými motory nadzvukových letadel, emisemi z lidské činnosti na Zemi a sopečnou činností.

Ředění a díry v ozónové vrstvě

V 80. letech bylo objeveno, že v ozonové vrstvě nad oblastí jižního pólu se vytvořila díra. V této oblasti bylo množství ozonu sníženo na polovinu.

Bylo také zjištěno, že nad severním pólem a v celé stratosféře se ochranná ozonová vrstva ztenčila, tj. Zmenšila svou šířku, protože množství ozonu se výrazně snížilo.

Ztráta ozonu ve stratosféře má vážné důsledky pro život na planetě a několik zemí uznalo, že je nezbytné a naléhavé drastické snížení nebo úplné odstranění používání CFC.

Mezinárodní dohody o omezení používání CFC

V roce 1978 mnoho zemí zakázalo používání CFC jako pohonných hmot v komerčních aerosolových produktech. V roce 1987 drtivá většina průmyslových zemí podepsala tzv. Montrealský protokol, mezinárodní dohodu, v níž byly stanoveny cíle pro postupné snižování výroby CFC a jeho úplné odstranění do roku 2000.

Několik zemí nesplnilo Montrealský protokol, protože toto snížení a odstranění CFC by mělo dopad na jejich ekonomiku, čímž by ekonomické zájmy před uchováním života na planetě Zemi zůstaly.

Proč nelétají letadla ve stratosféře?

Během letu letounu působí 4 základní síly: výtah, hmotnost letadla, odpor a tah.

Výtah je síla, která podporuje letadlo a tlačí ho nahoru; čím vyšší je hustota vzduchu, tím větší je výtah. Na druhé straně hmotnost je síla, se kterou zemská gravitace táhne letadlo směrem ke středu Země.

Odpor je síla, která zpomaluje nebo zabraňuje letadlu v pohybu vpřed. Tato odporová síla působí v opačném směru než dráha letadla.

Tah je síla, která posouvá letadlo dopředu. Jak vidíme, tah a zdvih laskavosti letu; hmotnost a odpor působí na úkor letu letounu.

Letadlo to

Obchodní a civilní letadla na krátké vzdálenosti létají přibližně 10 000 metrů nad hladinou moře, tj. Na horní hranici troposféry.

Všechna letadla vyžadují natlakování kabiny, které spočívá v čerpání stlačeného vzduchu do kabiny letadla.

Proč je nutný tlak v kabině?

Jak letadlo stoupá do vyšších nadmořských výšek, vnější atmosférický tlak klesá a také se snižuje obsah kyslíku.

Pokud by do kabiny nebyl přiváděn stlačený vzduch, cestující by trpěli hypoxií (nebo horskou nemocí) se symptomy, jako je únava, závratě, bolesti hlavy a ztráta vědomí v důsledku nedostatku kyslíku.

Pokud dojde k poruše v dodávce stlačeného vzduchu do kabiny nebo k dekompresi, dojde k nouzové situaci, kdy letoun musí okamžitě sestoupit a všichni jeho cestující by měli nosit kyslíkové masky.

Lety ve stratosféře, nadzvukové letouny

Ve výškách vyšších než 10 000 metrů je ve stratosféře hustota plynné vrstvy nižší, a proto je také nižší zdvihací síla, která zvýhodňuje let.

Na druhé straně, v těchto vysokých nadmořských výškách je obsah kyslíku (O ₂) ve vzduchu nižší, a to je nutné jak pro spalování dieselového paliva, které způsobuje práci leteckého motoru, tak pro účinné natlakování v kabině.

V nadmořských výškách nad 10 000 metrů nad zemským povrchem musí letadlo postupovat velmi vysokými rychlostmi, které se nazývají nadzvukové, a dosahovat hladiny moře přes 1225 km / h.

Obrázek 2. Nadzvukový komerční letoun Concorde. Zdroj: Eduard Marmet

Nevýhody nadzvukových letadel se dosud vyvinuly

Nadzvukové lety produkují takzvané zvukové rozmachy, které jsou velmi hlasité zvuky podobné hromu. Tyto zvuky negativně ovlivňují zvířata a lidi.

Navíc tato nadzvuková letadla musí používat více paliva, a proto produkují více látek znečišťujících ovzduší než letadla létající v nižších nadmořských výškách.

Nadzvuková letadla vyžadují k výrobě mnohem výkonnější motory a drahé speciální materiály. Obchodní lety byly tak ekonomicky nákladné, že jejich implementace nebyla ziskována.

Reference

1. SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y a další. (2017). Posouzení vodních par a ozonu v horní troposféře a stratosféře v reanalýzách v rámci S-RIP. Atmosférická chemie a fyzika. 17: 12743-12778. doi: 10,5194 / acp-17-12743-2017
2. Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. a další. (2019). Slabé stratosférické události s polárním vírem modulované Arktickým mořem - ztráta ledu. Žurnál geofyzikálního výzkumu: Atmosféry. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
3. Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. a další. (2019). Dynamická vazba troposféricko-stratosférické v porovnání s variabilitou tryskového pohonu na severním Atlantiku. Japonská agentura pro vědu a techniku. doi: 10,2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. a další. (2015). Stratosférický vliv na troposférické proudové proudy, bouřkové stopy a povětrnostní počasí. Nature 8: 433-440.
5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. a další. (2003). Stratosféra - výměna troposfér: Recenze a co jsme se naučili od STACCATO. Žurnál geofyzikálního výzkumu: Atmosféry. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland FS (2009) Stratospheric Ozone Depletion. In: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Dvacet let ozonu klesá. Springer. doi: 10,1007 / 978-90-481-2469-5_5