- Stratosfeer kenmerken
- Plaats
- Structuur
- Chemische samenstelling
- Temperatuur
- Vorming van ozon
- Kenmerken
- Vernietiging van de ozonlaag
- CFC-verbindingen
- Stikstofoxiden
- Verdunning en gaten in de ozonlaag
- Internationale afspraken over beperking van het gebruik van CFC's
- Waarom vliegen er geen vliegtuigen in de stratosfeer?
- Vliegtuigen dat
- Waarom is druk in de cabine vereist?
- Vluchten in de stratosfeer, supersonische vliegtuigen
- Nadelen van supersonische vliegtuigen die tot nu toe zijn ontwikkeld
- Referenties
De stratosfeer is een van de lagen van de aardatmosfeer, gelegen tussen de troposfeer en de mesosfeer. De hoogte van de ondergrens van de stratosfeer varieert, maar kan worden genomen als 10 km voor de middelste breedtegraden van de planeet. De bovengrens is 50 km hoogte boven het aardoppervlak.
De atmosfeer van de aarde is het gasvormige omhulsel dat de planeet omgeeft. Volgens de chemische samenstelling en de variatie in temperatuur is het verdeeld in 5 lagen: troposfeer, stratosfeer, mesosfeer, thermosfeer en exosfeer.
Figuur 1. Stratosfeer gezien vanuit de ruimte. Bron: NOSA Galicisch Ruimteagentschap
De troposfeer strekt zich uit vanaf het aardoppervlak tot 10 km hoog. De volgende laag, de stratosfeer, varieert van 10 km tot 50 km boven het aardoppervlak.
De mesosfeer varieert van 50 km tot 80 km hoog. De thermosfeer van 80 km tot 500 km, en tenslotte de exosfeer strekt zich uit van 500 km tot 10.000 km in hoogte, wat de limiet is met interplanetaire ruimte.
Stratosfeer kenmerken
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 lijn van de aarde.
Aan de polen van de planeet begint de stratosfeer tussen 6 en 10 km boven het aardoppervlak. Op de evenaar begint het tussen 16 en 20 km hoogte. De bovengrens is 50 km boven het aardoppervlak.
Structuur
De stratosfeer heeft zijn eigen gelaagde structuur, die wordt bepaald door temperatuur: koude lagen aan de onderkant en hete lagen aan de bovenkant.
Ook heeft de stratosfeer een laag met een hoge ozonconcentratie, de ozonlaag of ozonosfeer genaamd, 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 hoeveelheid ozon in de atmosfeer van de aarde bevindt zich in de stratosfeer.
Ozon wordt in de stratosfeer gevormd door een fotochemische reactie (chemische reactie waarbij licht ingrijpt) die zuurstof ondergaat. Veel van de gassen in de stratosfeer komen binnen vanuit de troposfeer.
De stratosfeer bevat ozon (O 3 ), stikstof (N 2 ), zuurstof (O 2 ), stikstofoxiden, salpeterzuur (HNO 3 ), zwavelzuur (H 2 SO 4 ), silicaten en gehalogeneerde verbindingen, zoals chloorfluorkoolwaterstoffen. Sommige van deze stoffen zijn afkomstig van vulkaanuitbarstingen. De concentratie van waterdamp (H 2 O in gasvormige toestand) in de stratosfeer is erg laag.
In de stratosfeer is de verticale gasmenging erg traag en praktisch nihil vanwege de afwezigheid van turbulentie. Om deze reden blijven chemicaliën en andere materialen die deze laag binnendringen er lang in.
Temperatuur
De temperatuur in de stratosfeer vertoont een omgekeerd gedrag ten opzichte van die van de troposfeer. In deze laag stijgt de temperatuur met de hoogte.
Deze temperatuurstijging is het gevolg van het optreden van chemische reacties waarbij warmte vrijkomt, waarbij ozon (O 3 ) ingrijpt . Er zijn aanzienlijke hoeveelheden ozon in de stratosfeer, die hoogenergetische ultraviolette straling van de zon absorbeert.
De stratosfeer is een stabiele laag, zonder turbulentie voor gassen om te mengen. De lucht is koud en dicht in het onderste deel en in het bovenste deel is het warm en licht.
Vorming van ozon
In de stratosfeer wordt moleculaire zuurstof (O 2 ) gescheiden door het effect van ultraviolette (UV) straling van de zon:
O 2 + UV LICHT → O + O
Zuurstof (O) -atomen zijn zeer reactief en reageren met zuurstof (O 2 ) -moleculen om ozon (O 3 ) te vormen:
O + O 2 → O 3 + Warmte
Hierbij komt warmte vrij (exotherme reactie). Deze chemische reactie is de warmtebron in de stratosfeer en veroorzaakt hoge temperaturen in de bovenste lagen.
Kenmerken
De stratosfeer vervult een beschermende functie van alle levensvormen die op planeet Aarde bestaan. De ozonlaag voorkomt dat hoogenergetische ultraviolette (UV) straling het aardoppervlak bereikt.
Ozon absorbeert ultraviolet licht en valt uiteen in atomaire zuurstof (O) en moleculaire zuurstof (O 2 ), zoals blijkt uit de volgende chemische reactie:
O 3 + UV LICHT → O + O 2
In de stratosfeer bevinden de processen van vorming en vernietiging van ozon zich in een evenwicht dat zijn constante concentratie handhaaft.
Op deze manier werkt de ozonlaag als een beschermend schild tegen UV-straling, die 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 geuit over de schadelijke effecten van chloorfluorkoolstofverbindingen (CFK's) op de ozonlaag.
In 1930 werd het gebruik van chloorfluorkoolstofverbindingen geïntroduceerd die in de handel freonen worden genoemd. Daartoe behoren CFCl 3 (Freon 11), CF 2 Cl 2 (Freon 12), C 2 F 3 Cl 3 (Freon 113) en C 2 F 4 Cl 2 (Freon 114). Deze verbindingen zijn gemakkelijk samendrukbaar, relatief niet-reactief en niet-ontvlambaar.
Ze werden gebruikt als koelmiddel in airconditioners en koelkasten, ter vervanging van ammoniak (NH 3 ) en vloeibaar zwaveldioxide (SO 2 ) (zeer giftig).
Vervolgens zijn CFK's in grote hoeveelheden gebruikt bij de vervaardiging van plastic wegwerpartikelen, als drijfgassen voor commerciële producten in de vorm van spuitbussen in blikjes en als reinigingsoplosmiddel voor elektronische apparaatkaarten.
Het wijdverbreide gebruik van grote hoeveelheden CFK's heeft een ernstig milieuprobleem veroorzaakt, aangezien de stoffen die in de industrie worden gebruikt en het gebruik van koelmiddelen in de atmosfeer worden geloosd.
In de atmosfeer diffunderen deze verbindingen langzaam in de stratosfeer; in deze laag worden ze afgebroken door de invloed van UV-straling:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
Chlooratomen reageren heel gemakkelijk met ozon en vernietigen het:
Cl + O 3 → ClO + O 2
Een enkel chlooratoom kan meer dan 100.000 ozonmoleculen vernietigen.
Stikstofoxiden
Stikstofoxiden NO en NO 2 reageren om ozon te vernietigen. De aanwezigheid van deze stikstofoxiden in de stratosfeer is te wijten aan de gassen die worden uitgestoten door de motoren van supersonische vliegtuigen, emissies van menselijke activiteiten op aarde en vulkanische activiteit.
Verdunning en gaten in de ozonlaag
In de jaren tachtig werd ontdekt dat er zich een gat had gevormd in de ozonlaag boven het zuidpoolgebied. In dit gebied was de hoeveelheid ozon gehalveerd.
Er werd ook ontdekt dat boven de Noordpool en in de hele stratosfeer de beschermende ozonlaag 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 uitbanning van het gebruik van CFK's noodzakelijk en urgent is.
Internationale afspraken over beperking van het gebruik van CFC's
In 1978 hebben veel landen het gebruik van CFK's als drijfgassen in commerciële spuitbussen verboden. In 1987 ondertekenden de overgrote meerderheid van de geïndustrialiseerde landen het zogenaamde Montreal-protocol, een internationale overeenkomst waarin doelen werden gesteld voor de geleidelijke vermindering van de productie van CFK's en de totale eliminatie ervan tegen het jaar 2000.
Verschillende landen hebben het Protocol van Montreal niet nageleefd, omdat deze vermindering en afschaffing van CFC's hun economie zou aantasten en economische belangen boven het behoud van het leven op planeet Aarde zou stellen.
Waarom vliegen er geen vliegtuigen in de stratosfeer?
Tijdens de vlucht van een vliegtuig werken 4 basiskrachten: lift, vliegtuiggewicht, weerstand en stuwkracht.
Lift is een kracht die het vliegtuig ondersteunt en omhoog duwt; hoe hoger de dichtheid van de lucht, hoe groter de lift. Gewicht, aan de andere kant, is de kracht waarmee de zwaartekracht van de aarde het vliegtuig naar het midden van de aarde trekt.
Weerstand is een kracht die het vliegtuig vertraagt of verhindert vooruit te bewegen. Deze weerstandskracht werkt in de tegenovergestelde richting van het pad van het vliegtuig.
Stuwkracht is de kracht die het vliegtuig naar voren beweegt. Zoals we kunnen zien, begunstigen de stuwkracht en lift de vlucht; het gewicht en de weerstand zijn nadelig voor de vlucht van het vliegtuig.
Vliegtuigen dat
Commerciële en civiele vliegtuigen vliegen op korte afstanden ongeveer 10.000 meter boven zeeniveau, dat wil zeggen aan de bovengrens van de troposfeer.
Alle vliegtuigen hebben cabinedruk nodig, die bestaat uit het pompen van perslucht in de vliegtuigcabine.
Waarom is druk in de cabine vereist?
Naarmate het vliegtuig opstijgt naar grotere hoogten, neemt de externe atmosferische druk af en neemt ook het zuurstofgehalte af.
Als er geen perslucht naar de cabine werd gevoerd, zouden passagiers last hebben van hypoxie (of bergziekte), met symptomen als vermoeidheid, duizeligheid, hoofdpijn en bewustzijnsverlies door zuurstofgebrek.
Als er een storing optreedt in de toevoer van perslucht naar de cabine of als er een decompressie optreedt, ontstaat er een noodgeval waarbij het vliegtuig onmiddellijk moet dalen en alle inzittenden de zuurstofmaskers moeten dragen.
Vluchten in de stratosfeer, supersonische vliegtuigen
Op hoogtes groter dan 10.000 meter, in de stratosfeer, is de dichtheid van de gaslaag lager, en daarom is de opwaartse kracht die de vlucht bevordert ook lager.
Aan de andere kant is op deze grote hoogten het zuurstofgehalte (O 2 ) in de lucht lager, en dit is zowel nodig voor de verbranding van de dieselbrandstof die de vliegtuigmotor laat werken als voor een effectieve drukregeling in de cabine.
Op hoogtes 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.
Figuur 2. Concorde supersonische commerciële vliegtuigen. Bron: Eduard Marmet
Nadelen van supersonische vliegtuigen die tot nu toe zijn ontwikkeld
Supersonische vluchten produceren zogenaamde sonische dreunen, die zeer harde geluiden zijn die lijken op onweer. Deze geluiden hebben een negatieve invloed op dieren en mensen.
Bovendien hebben deze supersonische vliegtuigen meer brandstof nodig en produceren ze daarom meer luchtverontreinigende stoffen dan vliegtuigen die op lagere hoogten vliegen.
Supersonische vliegtuigen hebben veel krachtigere motoren en dure speciale materialen nodig om te produceren. Commerciële vluchten waren economisch zo duur dat de uitvoering ervan niet rendabel was.
Referenties
- SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y et al. (2017). Beoordeling van bovenste troposferische en stratosferische waterdamp en ozon bij heranalyses als onderdeel van S-RIP. Atmosferische chemie en fysica. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
- Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. et al. (2019). Zwakke stratosferische polaire vortexgebeurtenissen gemoduleerd door de Noordelijke IJszee - IJsverlies. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
- Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. et al. (2019). Troposphere-Stratosphere dynamische koppeling met betrekking tot de variabiliteit van de Noord-Atlantische wervelgestuurde jet. Japan Science and Technology Agency. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
- Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. et al. (2015). Stratosferische invloed op troposferische straalstromen, stormbanen en oppervlakteweer. Nature 8: 433-440.
- Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et al. (2003). Stratosfeer - troposfeer uitwisseling: een overzicht, en wat we hebben geleerd van STACCATO. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
- Rowland FS (2009) Stratosferische ozonafbreking. In: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Twintig jaar ozonafname. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5