STRATOSFÆREN: EGENSKAPER, FUNKSJONER, TEMPERATUR - MILJØ - 2026

Den stratosfæren er ett av lagene i jordens atmosfære, som ligger mellom troposfæren og mesosfæren. Høyden på den nedre grensen for stratosfæren varierer, men kan tas som 10 km for planetens mellomste breddegrader. Den øvre grensen er 50 km høyde over jordoverflaten.

Jordens atmosfære er den gassformede konvolutten som omgir planeten. I henhold til den kjemiske sammensetningen og variasjonen i temperatur, er den delt inn i 5 lag: troposfæren, stratosfæren, mesosfæren, termosfæren og eksosfæren.

Figur 1. Stratosfæren sett fra verdensrommet. Kilde: NOSA Galician Space Agency

Troposfæren strekker seg fra jordens overflate og opp til 10 km høy. Det neste laget, stratosfæren, varierer fra 10 km til 50 km over jordoverflaten.

Mesosfæren varierer fra 50 km til 80 km i høyden. Termosfæren fra 80 km til 500 km, og til slutt strekker eksosfæren seg fra 500 km til 10.000 km i høyden, og er grensen for interplanetarisk rom.

Stratosfærens egenskaper

plassering

Stratosfæren ligger mellom troposfæren og mesosfæren. Den nedre grensen for dette laget varierer med breddegrad eller avstand fra jordas ekvatoriale linje.

Ved planetens poler begynner stratosfæren mellom 6 og 10 km over jordoverflaten. Ved ekvator begynner det mellom 16 og 20 km høyde. Den øvre grensen er 50 km over jordoverflaten.

Struktur

Stratosfæren har sin egen lagdelte struktur, som er definert av temperatur: kalde lag er i bunnen, og varme lag er på toppen.

Dessuten har stratosfæren et lag der det er en høy konsentrasjon av ozon, kalt ozonlaget eller ozonosfæren, som ligger mellom 30 til 60 km over jordoverflaten.

Kjemisk oppbygning

Den viktigste kjemiske forbindelsen i stratosfæren er ozon. 85 til 90% av den totale ozon som er tilstede i jordas atmosfære, finnes i stratosfæren.

Ozon dannes i stratosfæren gjennom en fotokjemisk reaksjon (kjemisk reaksjon der lys griper inn) som oksygen gjennomgår. Mye av gassene i stratosfæren kommer inn fra troposfæren.

Stratosfæren inneholder ozon (O ₃ ), nitrogen (N ₂ ), oksygen (O ₂ ), nitrogenoksider, salpetersyre (HNO ₃ ), svovelsyre (H ₂ SO ₄ ), silikater og halogenerte forbindelser, så som klorfluorkarboner. Noen av disse stoffene kommer fra vulkanutbrudd. Konsentrasjonen av vanndamp (H ₂ O i gassformig tilstand) i stratosfæren er meget lav.

I stratosfæren er den vertikale gassblandingen veldig treg og praktisk talt null, på grunn av fraværet av turbulens. Av denne grunn forblir kjemikalier og andre materialer som kommer inn i dette laget i lang tid.

Temperatur

Temperaturen i stratosfæren viser en omvendt oppførsel til troposfæren. I dette laget øker temperaturen med høyden.

Denne økningen i temperatur skyldes forekomsten av kjemiske reaksjoner som frigjør varme, der ozon (O ₃ ) griper inn . Det er betydelige mengder ozon i stratosfæren, som absorberer høyenergi ultrafiolett stråling fra solen.

Stratosfæren er et stabilt lag uten turbulens for gasser å blande. Luften er kald og tett i den nedre delen og i den øvre delen er den varm og lett.

Ozondannelse

I stratosfæren er molekylært oksygen (O ₂ ) dissosiert av effekten av ultrafiolett (UV) stråling fra solen:

O ₂ + UV-LYS → O + O

Oksygenatomer er meget reaktive og reagerer med oksygenmolekyler (O ₂ ) for å danne ozon (O ₃ ):

O + O _{2 →} O ₃ + Varme

I denne prosessen frigjøres varme (eksoterm reaksjon). Denne kjemiske reaksjonen er kilden til varme i stratosfæren og forårsaker dens høye temperaturer i de øvre lag.

Egenskaper

Stratosfæren oppfyller en beskyttende funksjon av alle livsformer som eksisterer på planeten Jorden. Ozonlaget forhindrer høyenergi ultrafiolett (UV) stråling fra å komme til jordoverflaten.

Ozon absorberer ultrafiolett lys og spaltes til atomisk oksygen (O) og molekylært oksygen (O ₂ ), som vist ved følgende kjemiske reaksjon:

O ₃ + UV-LYS → O + O ₂

I stratosfæren er prosessene for dannelse og ødeleggelse av ozon i en likevekt som opprettholder sin konstante konsentrasjon.

På denne måten fungerer ozonlaget som et beskyttende skjold mot UV-stråling, som er årsaken til genetiske mutasjoner, hudkreft, ødeleggelse av avlinger og planter generelt.

Ødeleggelse av ozonlaget

KFK-forbindelser

Siden 1970-tallet har forskere uttrykt stor bekymring for de skadelige effektene av klorfluorkarboner (CFC-er) på ozonlaget.

I 1930 ble bruken av klorfluorkarbonforbindelser kommersielt kalt freoner introdusert. Blant disse er CFCl ₃ (Freon 11), CF ₂ Cl ₂ (Freon 12), C ₂ F ₃ Cl ₃ (Freon 113) og C ₂ F ₄ Cl ₂ (Freon 114). Disse forbindelsene er lett komprimerbare, relativt ureaktive og ikke brennbare.

De begynte å bli brukt som kjølemedier i klimaanlegg og kjøleskap, og erstattet ammoniakk (NH ₃ ) og flytende svoveldioksid (SO ₂ ) (svært giftig).

Deretter har CFC-er blitt brukt i store mengder for fremstilling av engangsplastartikler, som drivmidler for kommersielle produkter i form av aerosoler i bokser, og som rengjøringsmiddel for kort med elektroniske apparater.

Den utbredte bruken i store mengder CFC-er har skapt et alvorlig miljøproblem, siden de som brukes i industrier og kuldemediumbruk slippes ut i atmosfæren.

I atmosfæren diffunderer disse forbindelsene sakte inn i stratosfæren; i dette laget lider de av nedbrytning på grunn av effekten av UV-stråling:

CFCl _{3 →} CFCl ₂ + Cl

CF ₂ Cl _{2 →} CF ₂ Cl + Cl

Kloratomer reagerer veldig enkelt med ozon og ødelegger det:

Cl + O ₃ → ClO + O ₂

Et enkelt kloratom kan ødelegge mer enn 100 000 ozonmolekyler.

Nitrogenoksider

Nitrogenoksider NO og NO ₂ reagerer på å ødelegge ozon. Tilstedeværelsen av disse nitrogenoksidene i stratosfæren skyldes gassene som sendes ut av motorene fra supersoniske fly, utslipp fra menneskelige aktiviteter på jorden og vulkansk aktivitet.

Tynning og hull i ozonlaget

På 1980-tallet ble det oppdaget at det hadde dannet seg et hull i ozonlaget over Sydpolenområdet. I dette området hadde mengden ozon blitt halvert.

Det ble også oppdaget at over Nordpolen og i hele stratosfæren har det beskyttende ozonlaget tynnet, det vil si at det har redusert bredden fordi mengden ozon har sunket betraktelig.

Tap av ozon i stratosfæren har alvorlige konsekvenser for livet på planeten, og flere land har akseptert at en drastisk reduksjon eller fullstendig eliminering av bruken av CFC-er er nødvendig og presserende.

Internasjonale avtaler om begrensning i bruken av CFC-er

I 1978 forbød mange land bruk av KFK-er som drivmidler i kommersielle aerosolprodukter. I 1987 signerte de aller fleste industrialiserte land den såkalte Montreal-protokollen, en internasjonal avtale der det ble satt mål om gradvis reduksjon av CFC-produksjonen og total eliminering av dette innen år 2000.

Flere land har ikke overholdt Montreal-protokollen, fordi denne reduksjonen og eliminering av KFK-er vil påvirke deres økonomi og sette økonomiske interesser før bevaring av livet på planeten Jorden.

Hvorfor flyr det ikke fly i stratosfæren?

Under flyvningen til et fly virker 4 grunnleggende krefter: løft, flyvekt, dra og skyve.

Løft er en kraft som støtter flyet og skyver det oppover; jo høyere tetthet av luften, desto større er heisen. Vekt er derimot kraften som jordens tyngdekraft trekker planet mot jordens sentrum.

Motstand er en kraft som bremser eller forhindrer at flyet beveger seg fremover. Denne motstandskraften virker i motsatt retning av flyets bane.

Skyvkraft er kraften som beveger flyet fremover. Som vi ser, favoriserer drivkraften og løftet fly; vekten og motstanden påvirker flyets flyging.

Fly som

Kommersielle og sivile fly på korte avstander flyr omtrent 10.000 meter over havet, det vil si ved den øvre grensen av troposfæren.

Alle fly krever hyttetrykk, som består av å pumpe trykkluft inn i flykabinen.

Hvorfor kreves hyttetrykk?

Når flyet stiger opp til større høyder, synker det ytre atmosfæretrykket, og oksygeninnholdet synker også.

Hvis ikke trykkluft ble tilført kabinen, ville passasjerene lide av hypoksi (eller fjellsykdom), med symptomer som tretthet, svimmelhet, hodepine og bevissthetstap på grunn av oksygenmangel.

Hvis det oppstår en svikt i tilførselen av trykkluft til kupeen eller en dekompresjon, vil det oppstå en nødsituasjon der flyet umiddelbart må gå ned, og alle beboerne bør ha oksygenmasker.

Flyvninger i stratosfæren, supersoniske fly

I høyder over 10.000 meter, i stratosfæren, er tettheten til det gassformede laget lavere, og derfor er løftekraften som favoriserer flyging også lavere.

På denne høye høyden er innholdet av oksygen (O ₂ ) i luften derimot lavere, og dette kreves både for forbrenning av diesel som får flymotoren til å fungere, og for effektiv trykksetting i kabinen.

I høyder over 10 000 meter over jordoverflaten må flyet gå i svært høye hastigheter, kalt supersonisk, og nå over 1225 km / time ved havnivået.

Figur 2. Concorde supersoniske kommersielle fly. Kilde: Eduard Marmet

Ulemper med supersoniske fly utviklet seg til dags dato

Supersonic-flyreiser produserer såkalte soniske bommer, som er veldig høye lyder som ligner torden. Disse støyene påvirker dyr og mennesker negativt.

I tillegg trenger disse supersoniske flyene å bruke mer drivstoff, og produserer derfor mer luftforurensning enn fly som flyr i lavere høyder.

Supersonic-fly krever mye kraftigere motorer og dyre spesialmaterialer å produsere. Kommersielle flyreiser var så kostbare økonomisk at implementeringen av dem ikke har vært lønnsom.

referanser

1. SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y et all. (2017). Vurdering av øvre troposfærisk og stratosfærisk vanndamp og ozon i reanalyser som del av S-RIP. Atmosfærisk kjemi og fysikk. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
2. Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. et all. (2019). Svake stratosfæriske polarvortexhendelser modulert av Ishavet - istap. 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 all. (2019). Dynamisk kobling av troposfære-stratosfæren i forhold til den nordatlantiske Eddy-drevne jetvariabiliteten. Japans byrå for vitenskap og teknologi. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. et all. (2015). Stratosfærisk innflytelse på troposfæriske jetstrømmer, stormspor og overflatevær. Natur 8: 433-440.
5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et all. (2003). Stratosphere - troposphere exchange: En gjennomgang og hva vi har lært av STACCATO. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland FS (2009) Stratosfærisk ozonutslipp. I: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Twenty Years of Ozone Decline. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5