الستراتوسفير: الخصائص والوظائف ودرجة الحرارة
طبقة الستراتوسفير هي إحدى طبقات الغلاف الجوي للأرض ، وتقع بين طبقة التروبوسفير والميزوسفير. يتفاوت ارتفاع الحد الأدنى من الستراتوسفير ، ولكن يمكن اعتباره 10 كم بالنسبة لخطوط العرض الوسطى للكوكب. الحد الأقصى هو ارتفاع 50 كم على سطح الأرض.
الغلاف الجوي للأرض هو الغلاف الغازي المحيط بالكوكب. وفقًا للتركيب الكيميائي وتغير درجة الحرارة ، يتم تقسيمه إلى 5 طبقات: التروبوسفير ، الستراتوسفير ، الميزوسفير ، الغلاف الحراري والغلاف الخارجي.
يمتد التروبوسفير من سطح الأرض إلى ارتفاع 10 كم. الطبقة التالية ، الستراتوسفير ، تمتد من 10 كم إلى 50 كم فوق سطح الأرض.
يتراوح حجم الميسوسفير من 50 كم إلى 80 كم. الغلاف الحراري من 80 كم إلى 500 كم ، وأخيراً يمتد الغلاف الخارجي من 500 كم إلى 10000 كم في الارتفاع ، حيث يكون الحد الأقصى مع الفضاء بين الكواكب.
خصائص الستراتوسفير
موقع
يقع الستراتوسفير بين التروبوسفير والميزوسفير. يختلف الحد الأدنى لهذه الطبقة باختلاف خط العرض أو المسافة إلى خط الأرض الاستوائي.
في أقطاب الكوكب ، يبدأ الستراتوسفير بين 6 و 10 كيلومترات فوق سطح الأرض. في خط الاستواء يبدأ بين ارتفاع 16 و 20 كم. الحد العلوي هو 50 كم فوق سطح الأرض.
هيكل
يتكون الستراتوسفير من هيكل خاص به في طبقات ، والتي يتم تحديدها بواسطة درجة الحرارة: تكون الطبقات الباردة في القاع ، وتكون الطبقات الساخنة في الأعلى.
أيضًا ، يوجد في طبقة الستراتوسفير طبقة عالية من الأوزون ، تسمى طبقة الأوزون أو طبقة الأوزون ، والتي تتراوح ما بين 30 و 60 كم فوق سطح الأرض.
التركيب الكيميائي
المركب الكيميائي الأكثر أهمية في الستراتوسفير هو الأوزون. يوجد 85 إلى 90٪ من إجمالي الأوزون الموجود في الغلاف الجوي للأرض في الستراتوسفير.
يتكون الأوزون في الستراتوسفير عن طريق تفاعل كيميائي ضوئي (تفاعل كيميائي حيث يتداخل الضوء) الذي يعاني من الأكسجين. معظم الغازات في الستراتوسفير تدخل من التروبوسفير.
يحتوي الستراتوسفير على الأوزون (O 3 ) ، النيتروجين (N 2 ) ، الأكسجين (O 2 ) ، أكاسيد النيتروجين ، حمض النيتريك (HNO 3 ) ، حمض الكبريتيك (H 2 SO 4 ) ، السيليكات والمركبات المهلجنة ، مثل مركبات الكربون الكلورية فلورية. بعض هذه المواد تأتي من الانفجارات البركانية. تركيز بخار الماء (H 2 O في حالة غازية) في الستراتوسفير منخفض للغاية.
في الستراتوسفير ، يكون خليط الغازات عموديًا بطيئًا للغاية ولا شيء عمليًا ، بسبب عدم وجود اضطراب. لهذا السبب ، فإن المركبات الكيميائية والمواد الأخرى التي تدخل هذه الطبقة تبقى فيها لفترة طويلة.
درجة الحرارة
تقدم درجة الحرارة في الستراتوسفير سلوكًا عكسيًا لذلك في التروبوسفير. في هذه الطبقة ترتفع درجة الحرارة مع الارتفاع.
ترجع هذه الزيادة في درجة الحرارة إلى حدوث تفاعلات كيميائية تطلق الحرارة ، حيث يتدخل الأوزون (O 3 ). في الستراتوسفير توجد كميات كبيرة من الأوزون الذي يمتص الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة من الشمس.
الستراتوسفير هو طبقة مستقرة ، دون اضطراب يمزج الغازات. الهواء بارد وكثيف في الجزء السفلي وفي الجزء الأعلى يكون الجو حارًا وخفيفًا.
تشكيل الأوزون
في طبقة الستراتوسفير يتم فصل الأكسجين الجزيئي (O 2 ) بتأثير الأشعة فوق البنفسجية (UV) من الشمس:
O 2 + الأشعة فوق البنفسجية الخفيفة → O + O
ذرات الأكسجين (O) شديدة التفاعل وتتفاعل مع جزيئات الأكسجين (O 2 ) لتكوين الأوزون (O 3 ):
O + O 2 → يا 3 + الحرارة
في هذه العملية يتم إطلاق الحرارة (تفاعل طارد للحرارة). هذا التفاعل الكيميائي هو مصدر الحرارة في الستراتوسفير ويسبب درجات حرارة عالية في الطبقات العليا.
وظائف
يفي الستراتوسفير بوظيفة وقائية لجميع أشكال الحياة الموجودة على كوكب الأرض. تمنع طبقة الأوزون الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة من الوصول إلى سطح الأرض.
يمتص الأوزون الضوء فوق البنفسجي ويتحلل إلى الأكسجين الذري (O) والأكسجين الجزيئي (O 2 ) ، كما يتضح من التفاعل الكيميائي التالي:
O 3 + الأشعة فوق البنفسجية الخفيفة → O + O 2
في الستراتوسفير ، تكون عمليات تكوين وتدمير الأوزون في توازن يحافظ على تركيزه المستمر.
بهذه الطريقة ، تعمل طبقة الأوزون كدرع واقي ضد الأشعة فوق البنفسجية ، والتي هي سبب الطفرات الوراثية ، وسرطان الجلد ، وتدمير المحاصيل والنباتات بشكل عام.
تدمير طبقة الأوزون
مركبات CFC
منذ سبعينيات القرن العشرين ، أعرب الباحثون عن قلقهم البالغ إزاء الآثار الضارة لمركبات الكلوروفلوروكربون (CFC) على طبقة الأوزون.
في عام 1930 تم استخدام مركبات الكلوروفلوروكربون التي تسمى الفريونات التجارية. من بين هذه CFCl 3 (الفريون 11) ، CF 2 Cl 2 (الفريون 12) ، C 2 F 3 Cl 3 (الفريون 113) و C 2 F 4 Cl 2 (الفريون 114). هذه المركبات قابلة للانضغاط بسهولة ، غير متفاعلة نسبيًا وغير قابلة للاشتعال.
بدأ استخدامها كمبرد في مكيفات الهواء والثلاجات ، لتحل محل الأمونيا (NH 3 ) وثاني أكسيد الكبريت السائل (SO 2 ) (شديد السمية).
بعد ذلك ، استخدمت مركبات الكربون الكلورية فلورية بكميات كبيرة في تصنيع المواد البلاستيكية التي يمكن التخلص منها ، كمادة دافعة للمنتجات التجارية في شكل علب الهباء الجوي ، ومذيبات لتنظيف بطاقات الأجهزة الإلكترونية.
إن الاستخدام الواسع النطاق والواسع النطاق لمركبات الكربون الكلورية فلورية أوجد مشكلة بيئية خطيرة ، حيث يتم تصريف تلك المستخدمة في الصناعات واستخدامات المبردات في الغلاف الجوي.
في الغلاف الجوي ، تنتشر هذه المركبات ببطء في الستراتوسفير ؛ في هذه الطبقة يتعرضون للتحلل بسبب الأشعة فوق البنفسجية:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
تتفاعل ذرات الكلور بسهولة شديدة مع الأوزون وتدمره:
Cl + O 3 → ClO + O 2
يمكن لذرة الكلور الواحدة أن تدمر أكثر من 100.000 جزيء من الأوزون.
أكاسيد النيتروجين
تتفاعل أكاسيد النيتروجين NO و NO 2 بتدمير الأوزون. يرجع وجود أكاسيد النيتروجين هذه في الستراتوسفير إلى الغازات المنبعثة من محركات الطائرات الأسرع من الصوت ، والانبعاثات الناجمة عن الأنشطة البشرية على الأرض ، والنشاط البركاني.
ترقق والثقوب في طبقة الأوزون
في الثمانينيات ، اكتشف أن فتحة في طبقة الأوزون تشكلت فوق منطقة القطب الجنوبي. في هذا المجال تم تخفيض كمية الأوزون بمقدار النصف.
اكتشف أيضًا أنه فوق القطب الشمالي وفي جميع أنحاء الستراتوسفير ، تضاءلت طبقة الأوزون ، أي أنها خفضت عرضها لأن كمية الأوزون قد انخفضت بشكل كبير.
إن فقدان الأوزون في الستراتوسفير له عواقب وخيمة على الحياة على هذا الكوكب ، وقد قبلت عدة بلدان أن الخفض الشديد أو الإزالة الكاملة لاستخدام مركبات الكربون الكلورية فلورية أمر ضروري وعاجل.
الاتفاقات الدولية بشأن تقييد استخدام مركبات الكربون الكلورية فلورية
في عام 1978 ، حظرت العديد من البلدان استخدام مركبات الكربون الكلورية فلورية كوقود للدفع للمنتجات التجارية في شكل الهباء الجوي. في عام 1987 وقعت الغالبية العظمى من البلدان الصناعية على ما يسمى بروتوكول مونتريال ، وهو اتفاق دولي حيث تم وضع أهداف للحد التدريجي من تصنيع مركبات الكربون الكلورية فلورية والقضاء التام عليها في عام 2000.
لقد انتهكت عدة بلدان بروتوكول مونتريال ، لأن هذا الخفض والتخلص من مركبات الكربون الكلورية فلورية سيؤثر على اقتصادها ، مما يضع المصالح الاقتصادية قبل الحفاظ على الحياة على كوكب الأرض.
لماذا لا تطير الطائرات في الستراتوسفير؟
خلال رحلة الطائرة هناك 4 قوى أساسية: المصعد ، وزن الطائرة ، المقاومة والتوجه.
المصعد هو القوة التي تحمل الطائرة وتدفعها للأعلى. كلما زادت كثافة الهواء ، زاد المصعد. الوزن ، من ناحية أخرى ، هو القوة التي تجذب بها جاذبية الأرض الطائرة باتجاه مركز الأرض.
المقاومة هي القوة التي تبطئ أو تمنع تقدم الطائرة. تعمل قوة المقاومة هذه في الاتجاه المعاكس لمسار الطائرة.
الدفع هو القوة التي تحرك الطائرة للأمام. كما نرى ، فإن الشد والرفع يفضلان الرحلة ؛ الوزن والمقاومة الفعل استخفاف رحلة الطائرة.
الطائرات التي تحلق في التروبوسفير
تطير الطائرات التجارية والمدنية على مسافات قصيرة ، ويبلغ ارتفاعها حوالي 10000 متر ، أي في الحد العلوي من التروبوسفير.
في جميع الطائرات ، من الضروري وجود ضغط في المقصورة ، والذي يتكون من ضخ الهواء المضغوط في قمرة القيادة للطائرة.
لماذا هو الضغط من المقصورة المطلوبة؟
مع صعود الطائرة إلى ارتفاعات أعلى ، ينخفض الضغط الجوي الخارجي وينخفض محتوى الأكسجين أيضًا.
إذا لم يتم توفير الهواء المضغوط إلى المقصورة ، فإن الركاب سيعانون من نقص الأكسجة (أو مرض الجبال) ، مع أعراض مثل التعب والدوار والصداع وفقدان الوعي بسبب نقص الأكسجين.
إذا حدث عطل في تزويد الهواء المضغوط إلى المقصورة أو بإزالة الضغط ، فستظهر حالة طوارئ حيث يجب أن تنزل الطائرة فورًا ، ويجب على جميع ركابها ارتداء أقنعة أكسجين.
الرحلات الجوية في الستراتوسفير ، الطائرات الأسرع من الصوت
عند ارتفاعات أكبر من 10000 متر ، في طبقة الستراتوسفير ، تكون كثافة الطبقة الغازية أقل ، وبالتالي فإن المصعد الذي يفضل الطيران أقل أيضًا.
من ناحية أخرى ، في هذه المناطق المرتفعة ، يكون محتوى الأكسجين (O 2 ) في الهواء أقل ، وهذا أمر ضروري لاحتراق وقود الديزل الذي يجعل محرك الطائرة يعمل ، وللضغط الفعال في المقصورة.
على ارتفاعات تزيد عن 10000 متر فوق سطح الأرض ، يتعين على الطائرة السير بسرعة عالية جدًا ، تسمى الأسرع من الصوت ، حيث تصل إلى أكثر من 1225 كم / ساعة عند مستوى سطح البحر.
عيوب الطائرة الأسرع من الصوت وضعت حتى الآن
الرحلات الجوية الأسرع من الصوت تنتج ما يسمى الانفجارات الصوتية ، والتي هي ضوضاء عالية جدا تشبه الرعد. هذه الضوضاء تؤثر سلبا على الحيوانات والبشر.
بالإضافة إلى ذلك ، تحتاج هذه الطائرات الأسرع من الصوت إلى استخدام المزيد من الوقود ، وبالتالي تنتج ملوثات هواء أكثر من الطائرات التي تطير على ارتفاعات منخفضة.
تتطلب الطائرات الأسرع من الصوت محركات أكثر قوة ومواد خاصة باهظة الثمن لتصنيعها. كانت الرحلات الجوية التجارية باهظة الثمن اقتصاديًا لدرجة أن تنفيذها لم يكن مربحًا.
