- Stratoszféra jellemzői
- Elhelyezkedés
- Szerkezet
- Kémiai összetétel
- Hőfok
- Ózonképződés
- Jellemzők
- Az ózonréteg pusztulása
- CFC vegyületek
- Nitrogén-oxidok
- Elvékonyodás és lyukak az ózonrétegben
- Nemzetközi megállapodások a CFC-k felhasználásának korlátozásáról
- Miért nem repülnek repülőgépek a sztratoszférában?
- Repülőgép
- Miért szükséges az utastér túlnyomás?
- Repülések a sztratoszférában, a szuperszonikus síkokban
- A mai napig kifejlesztett szuperszonikus repülőgépek hátrányai
- Irodalom
A sztratoszféra a Föld légkörének egyik rétege, amely a troposzféra és a mezoszféra között helyezkedik el. A sztratoszféra alsó határának magassága változó, de a bolygó középső szélességénél 10 km-nek lehet venni. A felső határa 50 km magasság a Föld felszíne felett.
A Föld légköre a gáz halmazállapotú boríték, amely körülveszi a bolygót. A kémiai összetétel és a hőmérséklet-változás szerint 5 rétegre osztható: troposzféra, sztratoszféra, mezoszféra, termoszféra és exoszféra.
1. ábra: Stratoszféra az űrből nézve. Forrás: NOSA Galícia Űrügynökség
A troposzféra a Föld felszínétől 10 km magasra terjed ki. A következő réteg, a sztratoszféra 10-50 km-re fekszik a Föld felszíne felett.
A mezoszféra 50 km-től 80 km-ig terjed. A termoszféra 80 km-től 500 km-ig, végül az exoszféra 500 km-től 10 000 km-ig terjed, ez a határ a bolygóközi térrel.
Stratoszféra jellemzői
Elhelyezkedés
A sztratoszféra a troposzféra és a mezoszféra között helyezkedik el. Ennek a rétegnek az alsó határa a föld szélességétől vagy a Föld egyenlítői vonaltól való távolságától függ.
A bolygó oszlopánál a sztratoszféra a föld felszíne felett 6-10 km-re kezdődik. Az Egyenlítőn 16 és 20 km magasság között kezdődik. A felső határ 50 km-re van a Föld felszíne felett.
Szerkezet
A sztratoszféra saját rétegezett szerkezettel rendelkezik, amelyet a hőmérséklet határoz meg: a hideg rétegek alján, a forró rétegek pedig a felső részén vannak.
Ezenkívül a sztratoszféra egy olyan réteggel rendelkezik, ahol magas az ózon koncentrációja, az úgynevezett ózonréteg vagy ózonoszféra, amely a föld felszíne felett 30–60 km-re fekszik.
Kémiai összetétel
A sztratoszférában a legfontosabb vegyi anyag az ózon. A Föld légkörében található összes ózon 85-90% -a a sztratoszférában található.
Az ózon képződése a sztratoszférában egy fotokémiai reakción (kémiai reakción keresztül, ahol a fény beavatkozik) az oxigén megy keresztül. A sztratoszférában levő gázok nagy része a troposzférából jut be.
A sztratoszféra ózonot (O 3), nitrogént (N 2), oxigént (O 2), nitrogén-oxidokat, salétromsavat (HNO 3), kénsavat (H 2 SO 4), szilikátokat és halogénezett vegyületeket, például klór-fluor-szénhidrogéneket tartalmaz. Ezen anyagok némelyike vulkáni kitörésekből származik. A vízgőz (H 2 O gáz halmazállapotban) koncentrációja a sztratoszférában nagyon alacsony.
A sztratoszférában a vertikális gázkeverés nagyon lassú és gyakorlatilag nulla, a turbulencia hiánya miatt. Ezért az ebbe a rétegbe belépő vegyi anyagok és egyéb anyagok sokáig maradnak benne.
Hőfok
A sztratoszféra hőmérséklete fordított viselkedést mutat, mint a troposzféra. Ebben a rétegben a hőmérséklet a magassággal növekszik.
A hőmérséklet növekedése a hőt kibocsátó kémiai reakciók következménye, amelyekben az ózon (O 3) beavatkozik. Jelentős mennyiségű ózon van a sztratoszférában, amely abszorbeálja a Nap magas energiájú ultraibolya sugárzását.
A sztratoszféra stabil réteg, gázok turbulenciája nélkül. A levegő alsó részén hideg és sűrű, felső részén meleg és könnyű.
Ózonképződés
A sztratoszférában a molekuláris oxigént (O 2) elkülöníti a Nap ultraibolya (UV) sugárzása:
O 2 + UV FÉNY → O + O
Az oxigén (O) atomok nagyon reagálnak és az oxigén (O 2) molekulákkal reagálva ózonot (O 3) képeznek:
O + O 2 → O 3 + Hő
Ebben a folyamatban a hő felszabadul (exoterm reakció). Ez a kémiai reakció a sztratoszféra hőforrása és magas hőmérsékletet okoz a felső rétegekben.
Jellemzők
A sztratoszféra ellátja a Föld bolygón létező életmódok minden formáját. Az ózonréteg megakadályozza a nagy energiájú ultraibolya (UV) sugárzás elérését a föld felszínére.
Az ózon elnyeli az ultraibolya fényt és bomlik atomi oxigénné (O) és molekuláris oxigénné (O 2), amint azt a következő kémiai reakció mutatja:
O 3 + UV FÉNY → O + O 2
A sztratoszférában az ózon kialakulásának és megsemmisítésének egyensúlyi állapotában vannak, amely fenntartja állandó koncentrációját.
Ilyen módon az ózonréteg védőpajzsként működik az UV-sugárzástól, amely genetikai mutációk, bőrrák, a növények és általában a növények megsemmisülésének az oka.
Az ózonréteg pusztulása
CFC vegyületek
Az 1970-es évek óta a kutatók nagy aggodalmát fejezték ki a klór-fluorozott szénhidrogének (CFC-k) ózonrétegre gyakorolt káros hatásaival kapcsolatban.
1930-ban bevezették a klór-fluorozott szénhidrogének vegyületének használatát, amelyet kereskedelemben freonnak hívnak. Ezek közül a CFCI 3 (Freon 11), CF 2 Cl 2 (Freon 12), C 2 F 3 Cl 3 (Freon 113), és a C 2 F 4 Cl 2 (Freon 114). Ezek a vegyületek könnyen összenyomhatók, viszonylag nem reagálnak és nem gyúlékonyak.
Elkezdték hűtőközegként használni a légkondicionálókat és a hűtőket, ammóniát (NH 3) és folyékony kén-dioxidot (SO 2) helyettesítve (erősen mérgező).
Ezt követően a CFC-ket nagy mennyiségben használták eldobható műanyag termékek gyártásában, a kereskedelemben kapható termékek hajtóanyagaként kannákban lévő aeroszolok formájában és az elektronikus eszközkártyák tisztító oldószereiként.
A CFC-k nagy mennyiségben történő elterjedése komoly környezeti problémát okozott, mivel az iparban használt és a hűtőközeg-felhasználás során a légkörbe kerülnek.
A légkörben ezek a vegyületek lassan diffundálnak a sztratoszférába; ebben a rétegben az UV sugárzás hatására bomlanak:
CFCI 3 → CFCi 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
A klóratomok nagyon könnyen reagálnak az ózonnal és elpusztítják azt:
Cl + O 3 → ClO + O 2
Egy klóratom több mint 100 000 ózonmolekulát képes elpusztítani.
Nitrogén-oxidok
A NO és NO 2 nitrogén-oxidok az ózon elpusztítására reagálnak. Ezen nitrogén-oxidok jelenléte a sztratoszférában a szuperszonikus repülőgépek motorjai által kibocsátott gázoknak, a földi emberi tevékenységekből származó kibocsátásoknak és a vulkáni aktivitásnak köszönhető.
Elvékonyodás és lyukak az ózonrétegben
Az 1980-as években felfedezték, hogy egy lyuk képződött az ózonrétegben a déli pólus feletti terület felett. Ezen a területen az ózon mennyiségét felére csökkentették.
Azt is felfedezték, hogy az északi sark felett és a sztratoszférában a védő ózonréteg vékonyodott, vagyis csökkentette annak szélességét, mivel az ózon mennyisége jelentősen csökkent.
Az ózonvesztés a sztratoszférában súlyos következményekkel jár a bolygó életére, és számos ország elfogadta, hogy a CFC-k drasztikus csökkentése vagy teljes megszüntetése sürgős.
Nemzetközi megállapodások a CFC-k felhasználásának korlátozásáról
1978-ban sok ország betiltotta a CFC-k hajtógázként való használatát a kereskedelemben alkalmazott aeroszoltermékekben. 1987-ben az iparosodott országok túlnyomó többsége aláírta az úgynevezett Montreali Jegyzőkönyvet, egy nemzetközi megállapodást, amelyben célokat tűztek ki a CFC-gyártás fokozatos csökkentésére és annak teljes megszüntetésére 2000-ig.
Több ország nem teljesítette a Montreali Jegyzőkönyvet, mivel a CFC-k csökkentése és megszüntetése befolyásolná a gazdaságukat, a gazdasági érdekeket pedig a Föld bolygó életének megóvása elé helyezve.
Miért nem repülnek repülőgépek a sztratoszférában?
A repülőgép repülése során 4 alapvető erő hat: emelés, repülőgép súlya, húzása és tolóerő.
Az emelés olyan erő, amely támogatja a síkot és felfelé tolja azt. minél nagyobb a levegő sűrűsége, annál nagyobb az emelés. A súly viszont az az erő, amellyel a Föld gravitációja a síkot a Föld középpontja felé húzza.
Az ellenállás olyan erő, amely lelassítja vagy megakadályozza a repülőgép előrehaladását. Ez az ellenállási erő a sík útjának ellenkező irányba hat.
A tolóerő az az erő, amely előremozgatja a síkot. Mint láthatjuk, a tolóerő és az emelkedés kedvező repülése; a súly és az ellenállás hátrányosan érinti a repülőgép repülését.
Repülőgép
A kereskedelmi és polgári repülőgépek rövid távolságra körülbelül 10 000 méter tengerszint felett, azaz a troposzféra felső határán repülnek.
Minden repülőgépnek kabinnyomás szükséges, amely sűrített levegő pumpálását foglalja magában a repülőgép kabinjába.
Miért szükséges az utastér túlnyomás?
Ahogy a repülőgép magasabb szintre emelkedik, csökken a külső légköri nyomás és az oxigéntartalom is.
Ha a kabinba nem jutnak nyomás alatt álló levegő, az utasokat hypoxia (vagy hegyi betegség) szenvedheti, olyan tünetekkel, mint fáradtság, szédülés, fejfájás és eszméletvesztés az oxigén hiánya miatt.
Ha meghibásodik a kabin sűrített levegőellátása vagy dekompresszió, vészhelyzet merül fel, amikor a légi járműnek azonnal le kell szállnia, és minden utasának oxigénmaszkot kell viselnie.
Repülések a sztratoszférában, a szuperszonikus síkokban
10 000 méternél nagyobb tengerszint feletti magasságokban a sztratoszférában a gáznemű réteg sűrűsége alacsonyabb, ezért a repülést támogató emelőerő szintén alacsonyabb.
Másrészt ezekben a nagy tengerszint feletti magasságokban az oxigén (O 2) tartalma a levegőben alacsonyabb, és ez szükséges mind a dízelüzemanyag égéshez, amely a repülőgép motorját működteti, mind a kabinban a hatékony nyomáshoz.
A földfelszín feletti 10 000 méternél magasabb tengerszint feletti magasságban a síknak nagyon nagy sebességgel kell mennie, úgynevezett szuperszonikussá, és tengerszint feletti 1225 km / órás sebességet kell elérnie.
2. ábra: Concorde szuperszonikus kereskedelmi repülőgépek. Forrás: Eduard Marmet
A mai napig kifejlesztett szuperszonikus repülőgépek hátrányai
A szuperszonikus repülések úgynevezett hangszórókat eredményeznek, amelyek nagyon mennyire zajosak, mint a mennydörgés. Ezek a zajok negatívan befolyásolják az állatokat és az embereket.
Ezen túlmenően ezeknek a szuperszonikus repülőgépeknek több üzemanyagot kell felhasználniuk, és ezért több légszennyező anyagot kell előállítaniuk, mint az alacsonyabb magasságban repülő repülőgépeknek.
A szuperszonikus repülőgépek gyártásához sokkal erősebb motorok és drága speciális anyagok szükségesek. A kereskedelmi járatok gazdaságilag oly költségesek voltak, hogy végrehajtásuk nem volt jövedelmező.
Irodalom
- SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y et al. (2017). A felső troposzféra és sztratoszféra vízgőzének és ózonjának értékelése az újraanalízisben az S-RIP részeként. Légköri kémia és fizika. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
- Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. és mások. (2019). A Jeges tenger által modulált gyenge sztratoszférikus sarki vortex események - jégveszteség. Geofizikai kutatási folyóirat: Légkörök. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
- Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. és mindegyik. (2019). Troposzféra-sztratoszféra dinamikus kapcsolása az észak-atlanti örvény-vezérelt sugárhajtású variációval kapcsolatban. Japán Tudományos és Technológiai Ügynökség. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
- Kidston, J., Scaife, A. A., Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. és mások. (2015). Stratoszférikus hatás a troposzféra sugárfolyamokra, viharpályákra és a felszíni időjárásra. Nature 8: 433-440.
- Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. és mások. (2003). Stratoszféra - troposzféra cseréje: Áttekintés, és mit tudtunk meg a STACCATO-tól. Geofizikai kutatási folyóirat: Légkörök. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
- Rowland FS (2009) Stratoszférikus ózonréteg lebontás. In: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (szerk.) Az ózon csökkenésének húsz éve. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5