- Característiques de l'estratosfera
- ubicació
- estructura
- composició química
- temperatura
- Formació d'ozó
- funcions
- Destrucció de la capa d'ozó
- compostos CFC
- Òxids de nitrogen
- Aprimament i orificis a la capa d'ozó
- Acords internacionals sobre restricció en l'ús de CFC
- Per què els avions no volen en l'estratosfera?
- avions que
- Per què es requereix la pressurització de la cabina?
- Vols a l'estratosfera, avions supersònics
- Desavantatges dels avions supersònics desenvolupats fins a l'actualitat
- referències
La estratosfera és una de les capes de l'atmosfera terrestre, situada entre la troposfera i la mesosfera. L'altitud de el límit inferior de l'estratosfera varia, però es pot prendre com 10 km per a les latituds mitjanes de l'planeta. El seu límit superior són els 50 km d'altitud sobre la superfície de la Terra.
L'atmosfera terrestre és l'embolcall gasós que envolta el planeta. D'acord a la composició química ia la variació de la temperatura, es divideix en 5 capes: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera i exosfera.
Figura 1. Estratosfera vista des de l'espai. Font: NOSA Axencia Espacial Galega
La troposfera s'estén des de la superfície de la Terra fins als 10 km d'altura. La següent capa, l'estratosfera, va des dels 10 km fins als 50 km d'altura sobre la superfície terrestre.
La mesosfera abasta des dels 50 km fins als 80 km d'altura. La termosfera des dels 80 km fins als 500 km, i finalment l'exosfera s'estén des dels 500 km fins als 10.000 km d'altura, sent el límit amb l'espai interplanetari.
Característiques de l'estratosfera
ubicació
L'estratosfera està situada entre la troposfera i la mesosfera. El límit inferior d'aquesta capa varia amb la latitud o distància a la línia equatorial terrestre.
En els pols de la planeta, l'estratosfera comença entre els 6 i els 10 km d'altura sobre la superfície terrestre. A l'equador comença entre els 16 i els 20 km d'altitud. El límit superior és de 50 km sobre la superfície de la Terra.
estructura
L'estratosfera té la seva pròpia estructura en capes, les quals es defineixen per la temperatura: les capes fredes estan a la part inferior, i les capes calentes es troben a la part superior.
També, l'estratosfera presenta una capa on hi ha alta concentració d'ozó, anomenada la capa d'ozó o ozonosfera, la qual està entre els 30 a 60 km d'altura sobre la superfície terrestre.
composició química
El compost químic més important de l'estratosfera és l'ozó. Un 85 a 90% del l'ozó total present en l'atmosfera terrestre es troba a l'estratosfera.
L'ozó es forma a l'estratosfera per mitjà d'una reacció fotoquímica (reacció química on intervé la llum) que pateix l'oxigen. Gran part dels gasos que hi ha a l'estratosfera ingressen des de la troposfera.
L'estratosfera conté ozó (O 3), nitrogen (N 2), oxigen (O 2), òxids de nitrogen, àcid nítric (HNO 3), àcid sulfúric (H 2 SO 4), silicats i compostos halogenats, com els clorofluorocarbonats. Algunes d'aquestes substàncies provenen d'erupcions volcàniques. La concentració de vapor d'aigua (H 2 O en estat gasós) a l'estratosfera, és molt baixa.
En l'estratosfera la barreja dels gasos en sentit vertical és molt lenta i pràcticament nul·la, per l'absència de turbulència. Per aquesta raó, els compostos químics i altres materials que ingressen en aquesta capa romanen en ella per molt temps.
temperatura
La temperatura a l'estratosfera presenta un comportament invers a què té a la troposfera. En aquesta capa la temperatura augmenta amb l'altitud.
Aquest augment de temperatura es deu a l'ocurrència de reaccions químiques que alliberen calor, on intervé l'ozó (O 3). A l'estratosfera hi ha quantitats considerables d'ozó, el qual absorbeix la radiació ultraviolada d'alta energia provinent de el Sol.
L'estratosfera és una capa estable, sense turbulència que barregin els gasos. L'aire és fred i dens a la part més baixa ia la part més alta és calent i lleuger.
Formació d'ozó
En l'estratosfera l'oxigen molecular (O 2) es dissocia per efecte de la radiació ultraviolada (UV) provinent de el Sol:
O 2 + LLUM UV → O + O
Els àtoms d'oxigen (O) són altament reactius i reaccionen amb molècules d'oxigen (O 2) per formar l'ozó (O 3):
O + O 2 → O 3 + Calor
En aquest procés s'allibera calor (reacció exotèrmica). Aquesta reacció química és la font de calor a l'estratosfera i origina les seves altes temperatures a les capes superiors.
funcions
L'estratosfera compleix una funció protectora de totes les formes de vida que hi ha al planeta Terra. La capa d'ozó evita que arribi a la superfície terrestre la radiació ultraviolada (UV) d'alta energia.
L'ozó absorbeix la llum ultraviolada i es descompon en oxigen atòmic (O) i oxigen molecular (O 2), segons mostra la següent reacció química:
O 3 + LLUM UV → O + O 2
En l'estratosfera, els processos de formació i destrucció de l'ozó estan en un equilibri que manté la seva concentració constant.
D'aquesta manera, la capa d'ozó funciona com un escut protector de la radiació UV, la qual és causa de mutacions genètiques, càncer de pell, destrucció de cultius i plantes en general.
Destrucció de la capa d'ozó
compostos CFC
Des de la dècada de 1970 els investigadors han expressat la seva gran preocupació pels efectes nocius dels compostos clorofluorocarbonats (CFC) sobre la capa d'ozó.
El 1930 es va introduir l'ús dels compostos clorofluorocarbonats anomenats comercialment freons. Entre aquests hi ha el CFCl 3 (freó 11), el CF 2 Cl 2 (freó 12), C 2 F 3 Cl 3 (freó 113) i C 2 F 4 Cl 2 (freó 114). Aquests compostos són fàcilment compressibles, relativament poc reactius i no inflamables.
Es van començar a utilitzar com a refrigerants en aires condicionats i refrigeradors, substituint a l'amoníac (NH 3) i a l'diòxid de sofre (SO 2) líquid (altament tòxic).
Posteriorment, els CFC s'han emprat en grans quantitats en la fabricació d'articles plàstics sol ús, com propulsors de productes comercials en forma d'aerosols en llauna, i com solvents per a neteja de targetes de dispositius electrònics.
L'ús generalitzat i en grans quantitats dels CFC ha originat un greu problema ambiental, ja que els utilitzats en indústries i usos refrigerants s'aboquen a l'atmosfera.
En l'atmosfera aquests compostos es difonen lentament cap a l'estratosfera; en aquesta capa pateixen descomposició per efecte de la radiació UV:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
Els àtoms de clor reaccionen molt fàcilment amb l'ozó i el destrueixen:
Cl + O 3 → ClO + O 2
Un sol àtom de clor pot destruir més de 100.000 molècules d'ozó.
Òxids de nitrogen
Els òxids de nitrogen NO i NO 2 reaccionen destruint a l'ozó. La presència d'aquests òxids de nitrogen en l'estratosfera es deu als gasos emesos pels motors dels avions supersònics, a emissions provinents d'activitats humanes a la Terra, ia l'activitat volcànica.
Aprimament i orificis a la capa d'ozó
En la dècada de 1980 es va descobrir que s'havia format un orifici a la capa d'ozó sobre de la zona de l'Pol Sud. En aquesta zona la quantitat d'ozó s'havia reduït a la meitat.
També es va descobrir que a sobre de l'Pol nord i en tota l'estratosfera, la capa protectora d'ozó s'ha aprimat, és a dir, ha reduït el seu ample perquè la quantitat d'ozó ha disminuït considerablement.
La pèrdua de l'ozó a l'estratosfera té conseqüències greus per a la vida al planeta, i diversos països han acceptat que és necessària i urgent una reducció dràstica o una eliminació completa de l'ús dels CFC.
Acords internacionals sobre restricció en l'ús de CFC
El 1978 molts països van prohibir l'ús dels CFC com propulsors dels productes comercials en forma d'aerosols. El 1987 la gran majoria dels països industrialitzats va signar l'anomenat Protocol de Mont-real, acord internacional on es van fixar metes per a la reducció gradual de la fabricació de CFC i la seva eliminació total l'any 2000.
Diversos països han incomplert el Protocol de Mont-real, a causa que aquesta reducció i eliminació dels CFC afectaria la seva economia, anteposant els interessos econòmics a la preservació de la vida al planeta Terra.
Per què els avions no volen en l'estratosfera?
Durant el vol d'un avió actuen abril forces bàsiques: la sustentació, el pes de l'avió, la resistència i l'empenta.
La sustentació és una força que sosté a l'avió i l'empeny cap amunt; a major densitat de l'aire, més gran és la sustentació. El pes, per contra, és la força amb la qual la gravetat terrestre atrau l'avió cap al centre de la Terra.
La resistència és una força que retarda o impedeix l'avanç de l'avió. Aquesta força de resistència actua en la direcció contrària a la trajectòria de l'avió.
L'empenta és la força que mou a l'avió cap endavant. Com veiem, l'empenta i la sustentació afavoreixen el vol; el pes i la resistència actuen desfavorint el vol de l'avió.
avions que
Els avions comercials i civils a curtes distàncies, volen aproximadament a 10.000 metres d'altura, és a dir, en el límit superior de la tropósfera.
En tots els avions cal que hi hagi pressurització de la cabina, que consisteix en el bombament d'aire comprimit a la cabina de l'avió.
Per què es requereix la pressurització de la cabina?
A mesura que l'avió ascendeix a majors altures, la pressió atmosfèrica externa disminueix i també descendeix el contingut d'oxigen.
Si no subministrés aire pressuritzat a la cabina, els passatgers patirien d'hipòxia (o mal de muntanya), amb símptomes com fatiga, marejos, mal de cap i pèrdua de consciència per la falta d'oxigen.
Si ocorregués una fallada en el subministrament d'aire comprimit a la cabina o una descompressió, es presentaria una emergència on l'avió ha de descendir immediatament, i tots els seus ocupants han d'usar les màscares d'oxigen.
Vols a l'estratosfera, avions supersònics
A alçades superiors a 10.000 metres, a l'estratosfera, la densitat de la capa gasosa és menor, i per tant la força de sustentació que afavoreix el vol també és menor.
D'altra banda, a aquestes grans altures el contingut d'oxigen (O 2) en l'aire és menor, i aquest es requereix tant per a la combustió de el combustible dièsel que fa funcionar a el motor de l'avió, com per a una efectiva pressurització a la cabina.
A alçades superiors a 10.000 metres sobre la superfície terrestre, l'avió ha d'anar a velocitats molt altes, anomenades supersòniques, arribant a superar els 1.225 km / hora a el nivell de la mar.
Figura 2. Avió comercial supersònic Concorde. Font: Eduard Marmet
Desavantatges dels avions supersònics desenvolupats fins a l'actualitat
Els vols supersònics produeixen les anomenades explosions sòniques, que són sorolls molt alts semblants als trons. Aquests sorolls impacten negativament animals ja humans.
Addicionalment, aquests avions supersònics necessiten utilitzar més combustible, i per tant produeixen més contaminants atmosfèrics que els avions que volen a menors altures.
Els avions supersònics requereixen de motors molt més potents i materials especials costosos per a la seva fabricació. Els vols comercials van resultar tan costosos econòmicament que la seva posada en pràctica no ha estat rendible.
referències
- SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, I et all. (2017). Assessment of upper tropospheric and stratospheric water vapor and ozone in reanalyses es part of S-RIP. Atmospheric Chemistry and Physics. 17: 12.743-12.778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
- Hoshi, K., Ukita, J., Honda, el Sr. Nakamura, T., Yamazaki, K. et all. (2019). Weak Stratospheric Polar Vortex Events Modulated by the Arctic Sea-Ice Loss. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
- Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, I. et all. (2019). Troposphere-Stratosphere Dynamical Coupling in Regard to the North Atlantic Eddy-Driven Jet Variability. Japan Science and Technology Agency. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
- Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. et all. (2015). Stratospheric influence on tropospheric jet streams, storm tracks and surface weather. Nature 8: 433-440.
- Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et all. (2003). Stratosphere-troposphere exchange: A review, and what we have learned from staccato. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
- Rowland FS (2009) Stratospheric Ozone Depletion. En: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Twenty Years of Ozone Declini. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5