ลักษณะของสตราโตสเฟียร์ฟังก์ชันอุณหภูมิ - สิ่งแวดล้อม - 2025

บรรยากาศเป็นหนึ่งในชั้นบรรยากาศของโลกที่ตั้งอยู่ระหว่าง troposphere และ mesosphere ระดับความสูงของขีด จำกัด ล่างของสตราโตสเฟียร์แตกต่างกันไป แต่สามารถถ่ายได้เป็น 10 กม. สำหรับละติจูดกลางของดาวเคราะห์ ขีด จำกัด บนของมันคือ 50 กม. ของระดับความสูงเหนือพื้นผิวโลก

ชั้นบรรยากาศของโลกเป็นซองก๊าซที่ล้อมรอบโลก ตามองค์ประกอบทางเคมีและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิแบ่งออกเป็น 5 ชั้น ได้แก่ โทรโพสเฟียร์สตราโตสเฟียร์มีโซสเฟียร์เทอร์โมสเฟียร์และเอ็กโซสเฟียร์

รูปที่ 1. Stratosphere มองเห็นได้จากอวกาศ ที่มา: NOSA Galician Space Agency

โทรโพสเฟียร์ยื่นออกมาจากพื้นผิวโลกสูงถึง 10 กม. ชั้นถัดไปคือสตราโตสเฟียร์มีความสูงตั้งแต่ 10 กม. ถึง 50 กม. เหนือพื้นผิวโลก

มีโซสเฟียร์มีความสูงตั้งแต่ 50 กม. ถึง 80 กม. เทอร์โมสเฟียร์จาก 80 กม. เป็น 500 กม. และในที่สุดเอ็กโซสเฟียร์ก็ขยายจากความสูง 500 กม. เป็น 10,000 กม. ซึ่งเป็นขีด จำกัด ของอวกาศระหว่างดาวเคราะห์

ลักษณะของสตราโตสเฟียร์

ที่ตั้ง

สตราโตสเฟียร์ตั้งอยู่ระหว่างโทรโพสเฟียร์และมีโซสเฟียร์ ขีด จำกัด ล่างของชั้นนี้จะแตกต่างกันไปตามละติจูดหรือระยะห่างจากเส้นศูนย์สูตรของโลก

ที่ขั้วของดาวเคราะห์สตราโตสเฟียร์เริ่มต้นระหว่าง 6 ถึง 10 กม. เหนือพื้นผิวโลก ที่เส้นศูนย์สูตรเริ่มต้นระหว่างความสูง 16 ถึง 20 กม. ขีด จำกัด บนคือ 50 กม. เหนือพื้นผิวโลก

โครงสร้าง

สตราโตสเฟียร์มีโครงสร้างเป็นชั้น ๆ ของตัวเองซึ่งกำหนดโดยอุณหภูมิ: ชั้นเย็นอยู่ที่ด้านล่างและชั้นร้อนอยู่ที่ด้านบน

นอกจากนี้สตราโตสเฟียร์ยังมีชั้นที่มีโอโซนความเข้มข้นสูงเรียกว่าชั้นโอโซนหรือโอโซนซึ่งอยู่ระหว่าง 30 ถึง 60 กม. เหนือพื้นผิวโลก

องค์ประกอบทางเคมี

สารประกอบทางเคมีที่สำคัญที่สุดในสตราโตสเฟียร์คือโอโซน 85 ถึง 90% ของโอโซนทั้งหมดที่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศโลกพบได้ในสตราโตสเฟียร์

โอโซนเกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์โดยใช้ปฏิกิริยาโฟโตเคมี (ปฏิกิริยาเคมีที่แสงเข้ามาแทรกแซง) ที่ออกซิเจนได้รับ ก๊าซส่วนใหญ่ในสตราโตสเฟียร์เข้ามาจากโทรโพสเฟียร์

ชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ประกอบด้วยโอโซน (O ₃ ) ไนโตรเจน (N ₂ ) ออกซิเจน (O ₂ ) ไนโตรเจนออกไซด์กรดไนตริก (HNO ₃ ) กรดซัลฟิวริก (H ₂ SO ₄ ) ซิลิเกตและสารประกอบฮาโลเจนเช่นคลอโรฟลูออโรคาร์บอน สารเหล่านี้บางส่วนมาจากการระเบิดของภูเขาไฟ ความเข้มข้นของไอน้ำ (H ₂ O ในสถานะก๊าซ) ในชั้นสตราโตสเฟียร์ต่ำมาก

ในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์การผสมของก๊าซในแนวตั้งจะช้ามากและแทบไม่มีเลยเนื่องจากไม่มีความปั่นป่วน ด้วยเหตุนี้สารเคมีและวัสดุอื่น ๆ ที่เข้าสู่ชั้นนี้จึงยังคงอยู่ในนั้นเป็นเวลานาน

อุณหภูมิ

อุณหภูมิในสตราโตสเฟียร์แสดงพฤติกรรมผกผันกับโทรโพสเฟียร์ ในชั้นนี้อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นตามระดับความสูง

อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้เกิดจากการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีที่ปล่อยความร้อนโดยที่โอโซน (O ₃ ) เข้ามาแทรกแซง มีโอโซนจำนวนมากในสตราโตสเฟียร์ซึ่งดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์

ชั้นสตราโตสเฟียร์เป็นชั้นที่เสถียรและไม่มีความปั่นป่วนให้ก๊าซผสมกัน อากาศเย็นและหนาแน่นทางตอนล่างและตอนบนจะอบอุ่นและเบาบาง

การก่อตัวของโอโซน

ในสตราโตสเฟียร์โมเลกุลออกซิเจน (O ₂ ) ถูกแยกตัวออกจากผลของรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) จากดวงอาทิตย์:

O ₂ + แสง UV → O + O

อะตอมของออกซิเจน (O) มีปฏิกิริยาสูงและทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของออกซิเจน (O ₂ ) เพื่อสร้างโอโซน (O ₃ ):

O + O _{2 →} O ₃ + ความร้อน

ในกระบวนการนี้ความร้อนจะถูกปล่อยออกมา (ปฏิกิริยาคายความร้อน) ปฏิกิริยาเคมีนี้เป็นแหล่งกำเนิดความร้อนในชั้นสตราโตสเฟียร์และทำให้เกิดอุณหภูมิสูงในชั้นบน

คุณสมบัติ

สตราโตสเฟียร์ทำหน้าที่ป้องกันสิ่งมีชีวิตทุกรูปแบบที่มีอยู่บนโลก ชั้นโอโซนป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) พลังงานสูงไม่ให้มาถึงพื้นผิวโลก

โอโซนดูดซับแสงอัลตราไวโอเลตและสลายตัวเป็นออกซิเจนอะตอม (O) และออกซิเจนโมเลกุล (O ₂ ) ดังที่แสดงโดยปฏิกิริยาทางเคมีต่อไปนี้:

O ₃ + แสง UV → O + O ₂

ในสตราโตสเฟียร์กระบวนการก่อตัวและการทำลายโอโซนอยู่ในสภาวะสมดุลที่คงความเข้มข้นให้คงที่

ด้วยวิธีนี้ชั้นโอโซนจึงทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันจากรังสี UV ซึ่งเป็นสาเหตุของการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมมะเร็งผิวหนังการทำลายพืชผลและพืชโดยทั่วไป

การทำลายชั้นโอโซน

สารประกอบ CFC

ตั้งแต่ทศวรรษ 1970 นักวิจัยได้แสดงความกังวลอย่างมากเกี่ยวกับผลกระทบที่เป็นอันตรายของสารประกอบคลอโรฟลูออโรคาร์บอน (CFCs) ในชั้นโอโซน

ในปีพ. ศ. 2473 ได้มีการใช้สารประกอบคลอโรฟลูออโรคาร์บอนในเชิงพาณิชย์ที่เรียกว่าฟรีออน ในจำนวนนี้ ได้แก่ CFCl ₃ (Freon 11), CF ₂ Cl ₂ (Freon 12), C ₂ F ₃ Cl ₃ (Freon 113) และ C ₂ F ₄ Cl ₂ (Freon 114) สารประกอบเหล่านี้สามารถบีบอัดได้ง่ายไม่ออกฤทธิ์และไม่ติดไฟ

เริ่มใช้เป็นสารทำความเย็นในเครื่องปรับอากาศและตู้เย็นแทนที่แอมโมเนีย (NH ₃ ) และซัลเฟอร์ไดออกไซด์เหลว(SO ₂ ) (เป็นพิษสูง)

ต่อจากนั้นมีการใช้สาร CFC ในปริมาณมากในการผลิตชิ้นส่วนพลาสติกที่ใช้แล้วทิ้งเป็นตัวขับเคลื่อนสำหรับผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ในรูปแบบของละอองลอยในกระป๋องและเป็นตัวทำละลายทำความสะอาดสำหรับการ์ดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การใช้สารซีเอฟซีในปริมาณมากอย่างแพร่หลายได้สร้างปัญหาสิ่งแวดล้อมที่รุนแรงเนื่องจากสารที่ใช้ในอุตสาหกรรมและการใช้สารทำความเย็นจะถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ

ในบรรยากาศสารประกอบเหล่านี้ค่อยๆแพร่กระจายไปในสตราโตสเฟียร์ ในชั้นนี้พวกมันจะถูกสลายตัวเนื่องจากผลกระทบของรังสี UV:

CFCl _{3 →} CFCl ₂ + Cl

CF ₂ Cl _{2 →} CF ₂ Cl + Cl

อะตอมของคลอรีนทำปฏิกิริยากับโอโซนได้ง่ายมากและทำลายมัน:

Cl + O ₃ → ClO + O ₂

คลอรีนอะตอมเดียวสามารถทำลายโมเลกุลของโอโซนได้มากกว่า 100,000 โมเลกุล

ไนโตรเจนออกไซด์

ไนโตรเจนออกไซด์ NO และ NO ₂ทำปฏิกิริยาทำลายโอโซน การปรากฏตัวของไนโตรเจนออกไซด์เหล่านี้ในสตราโตสเฟียร์เกิดจากก๊าซที่ปล่อยออกมาจากเครื่องยนต์ของเครื่องบินความเร็วเหนือเสียงการปล่อยก๊าซจากกิจกรรมของมนุษย์บนโลกและการระเบิดของภูเขาไฟ

การผอมบางและรูในชั้นโอโซน

ในช่วงทศวรรษที่ 1980 มีการค้นพบว่ามีหลุมเกิดขึ้นในชั้นโอโซนเหนือบริเวณขั้วโลกใต้ ในพื้นที่นี้ปริมาณโอโซนถูกตัดลงครึ่งหนึ่ง

นอกจากนี้ยังค้นพบว่าเหนือขั้วโลกเหนือและทั่วสตราโตสเฟียร์ชั้นโอโซนป้องกันได้ลดลงนั่นคือมีความกว้างลดลงเนื่องจากปริมาณโอโซนลดลงอย่างมาก

การสูญเสียโอโซนในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ส่งผลกระทบร้ายแรงต่อสิ่งมีชีวิตบนโลกใบนี้และหลายประเทศยอมรับว่าการลดลงอย่างมากหรือการกำจัดการใช้สารซีเอฟซีเป็นสิ่งที่จำเป็นและเร่งด่วน

ข้อตกลงระหว่างประเทศเกี่ยวกับการ จำกัด การใช้ CFCs

ในปีพ. ศ. 2521 หลายประเทศได้ห้ามการใช้สารซีเอฟซีเป็นตัวขับเคลื่อนในผลิตภัณฑ์สเปรย์เชิงพาณิชย์ ในปี 2530 ประเทศอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ได้ลงนามในพิธีสารมอนทรีออลซึ่งเป็นข้อตกลงระหว่างประเทศที่กำหนดเป้าหมายในการลดการผลิต CFC อย่างค่อยเป็นค่อยไปและการกำจัดทั้งหมดภายในปี 2543

หลายประเทศล้มเหลวในการปฏิบัติตามพิธีสารมอนทรีออลเนื่องจากการลดและกำจัดสารซีเอฟซีนี้จะส่งผลกระทบต่อเศรษฐกิจของพวกเขาโดยให้ผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจก่อนการรักษาสิ่งมีชีวิตบนโลกใบนี้

ทำไมเครื่องบินไม่บินในสตราโตสเฟียร์?

ในระหว่างการบินของเครื่องบินกองกำลังพื้นฐาน 4 ประการทำหน้าที่: ยกน้ำหนักเครื่องบินลากและแรงผลัก

ลิฟท์เป็นแรงที่รองรับเครื่องบินและดันขึ้น ยิ่งความหนาแน่นของอากาศสูงเท่าใดก็ยิ่งมีแรงยกมากขึ้นเท่านั้น ในทางกลับกันน้ำหนักคือแรงที่แรงโน้มถ่วงของโลกดึงเครื่องบินเข้าหาศูนย์กลางของโลก

แรงต้านคือแรงที่ชะลอหรือป้องกันไม่ให้เครื่องบินเคลื่อนที่ไปข้างหน้า แรงต้านนี้กระทำในทิศทางตรงกันข้ามกับเส้นทางของเครื่องบิน

แรงขับคือแรงที่ทำให้เครื่องบินเคลื่อนที่ไปข้างหน้า อย่างที่เราเห็นคือแรงขับและการบินที่โปรดปราน น้ำหนักและแรงต้านทำให้เครื่องบินเสียเปรียบ

เครื่องบินนั้น

เครื่องบินพาณิชย์และพลเรือนในระยะทางสั้น ๆ บินสูงจากระดับน้ำทะเลประมาณ 10,000 เมตรนั่นคือที่ขีด จำกัด บนของโทรโพสเฟียร์

เครื่องบินทุกลำต้องใช้แรงดันในห้องโดยสารซึ่งประกอบด้วยการสูบอากาศอัดเข้าไปในห้องโดยสารเครื่องบิน

เหตุใดจึงต้องใช้แรงดันในห้องโดยสาร

เมื่อเครื่องบินขึ้นสู่ระดับความสูงที่สูงขึ้นความดันบรรยากาศภายนอกจะลดลงและปริมาณออกซิเจนจะลดลงด้วย

หากไม่มีการจ่ายอากาศที่มีแรงดันเข้าไปในห้องโดยสารผู้โดยสารจะมีอาการขาดออกซิเจน (หรือเจ็บป่วยจากภูเขา) โดยมีอาการเช่นอ่อนเพลียเวียนศีรษะปวดศีรษะและหมดสติเนื่องจากขาดออกซิเจน

หากเกิดความล้มเหลวในการจ่ายอากาศอัดไปยังห้องโดยสารหรือการบีบอัดเกิดขึ้นจะเกิดเหตุฉุกเฉินขึ้นซึ่งเครื่องบินจะต้องร่อนลงทันทีและผู้โดยสารทุกคนควรสวมหน้ากากออกซิเจน

เที่ยวบินในสตราโตสเฟียร์เครื่องบินความเร็วเหนือเสียง

ที่ระดับความสูงมากกว่า 10,000 เมตรในชั้นสตราโตสเฟียร์ความหนาแน่นของชั้นก๊าซจะต่ำกว่าดังนั้นแรงยกที่ช่วยในการบินจึงต่ำกว่าด้วย

ในทางกลับกันที่ระดับความสูงเหล่านี้ปริมาณออกซิเจน (O ₂ ) ในอากาศจะต่ำลงและสิ่งนี้จำเป็นสำหรับการเผาไหม้ของน้ำมันดีเซลที่ทำให้เครื่องยนต์ของเครื่องบินทำงานและเพื่อให้เกิดแรงดันในห้องโดยสารได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ที่ระดับความสูงมากกว่า 10,000 เมตรเหนือพื้นผิวโลกเครื่องบินจะต้องวิ่งด้วยความเร็วสูงมากที่เรียกว่าซูเปอร์โซนิกซึ่งมีความเร็วสูงกว่า 1,225 กม. / ชม. ที่ระดับน้ำทะเล

รูปที่ 2. เครื่องบินพาณิชย์คองคอร์ดความเร็วเหนือเสียง ที่มา: Eduard Marmet

ข้อเสียของเครื่องบินความเร็วเหนือเสียงที่พัฒนาจนถึงปัจจุบัน

เที่ยวบินความเร็วเหนือเสียงผลิตสิ่งที่เรียกว่าโซนิคบูมซึ่งมีเสียงดังมากคล้ายกับฟ้าร้อง เสียงเหล่านี้ส่งผลเสียต่อสัตว์และมนุษย์

นอกจากนี้เครื่องบินความเร็วเหนือเสียงเหล่านี้จำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิงมากขึ้นดังนั้นจึงก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศมากกว่าเครื่องบินที่บินในระดับความสูงที่ต่ำกว่า

เครื่องบินความเร็วเหนือเสียงต้องการเครื่องยนต์ที่ทรงพลังกว่ามากและวัสดุพิเศษราคาแพงในการผลิต เที่ยวบินเชิงพาณิชย์มีค่าใช้จ่ายทางเศรษฐกิจมากจนการนำไปใช้งานไม่ได้รับผลกำไร

อ้างอิง

1. SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M. , Dragani, R. , Harada, Y และทั้งหมด (2017) การประเมินไอน้ำและโอโซนในชั้นบรรยากาศชั้นสูงและชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ใน reanalyses ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ S-RIP เคมีบรรยากาศและฟิสิกส์. 17: 12743-12778 ดอย: 10.5194 / acp-17-12743-2017
2. Hoshi, K. , Ukita, J. , Honda, M. Nakamura, T. , Yamazaki, K. และอื่น ๆ (2019) เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นใน Stratospheric Polar Vortex ที่อ่อนแอซึ่งถูกดัดแปลงโดยทะเลอาร์กติก - การสูญเสียน้ำแข็ง วารสารการวิจัยธรณีฟิสิกส์: บรรยากาศ. 124 (2): 858-869 ดอย: 10.1029 / 2018JD029222
3. Iqbal, W. , Hannachi, A. , Hirooka, T. , Chafik, L. , Harada, Y. และทั้งหมด (2019) Troposphere-Stratosphere Dynamical Coupling สำหรับความแปรปรวนของเจ็ทที่ขับเคลื่อนด้วยวนของมหาสมุทรแอตแลนติกเหนือ สำนักงานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งญี่ปุ่น ดอย: 10.2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J. , Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. และทั้งหมด (2015) อิทธิพลของสตราโตสเฟียร์ต่อสตรีมเจ็ทโทรโพสเฟียร์แทร็กพายุและสภาพอากาศบนพื้นผิว ธรรมชาติ 8: 433-440.
5. Stohl, A. , Bonasoni P. , Cristofanelli, P. , Collins, W. , Feichter J. และทั้งหมด (2003) Stratosphere - การแลกเปลี่ยนโทรโพสเฟียร์: บทวิจารณ์และสิ่งที่เราได้เรียนรู้จาก STACCATO วารสารการวิจัยธรณีฟิสิกส์: บรรยากาศ. 108 (D12) ดอย: 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland FS (2009) การพร่องโอโซนในชั้นบรรยากาศ. ใน: Zerefos C. , Contopoulos G. , Skalkeas G. (eds) การลดลงของโอโซนยี่สิบปี สปริงเกอร์ ดอย: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5