- خصائص الستراتوسفير
- موقعك
- بناء
- التركيب الكيميائي
- درجة الحرارة
- تكوين الأوزون
- المميزات
- تدمير طبقة الأوزون
- مركبات الكلوروفلوروكربون
- أكاسيد النيتروجين
- رقيق وثقوب في طبقة الأوزون
- الاتفاقات الدولية بشأن تقييد استخدام مركبات الكربون الكلورية فلورية
- لماذا لا تطير الطائرات في الستراتوسفير؟
- الطائرات التي
- لماذا يتطلب ضغط الكابينة؟
- رحلات جوية في الستراتوسفير ، طائرات تفوق سرعة الصوت
- تم تطوير عيوب الطائرات الأسرع من الصوت حتى الآن
- المراجع
في طبقة الستراتوسفير هي واحدة من طبقات الغلاف الجوي للأرض، وتقع بين طبقة التروبوسفير وميزوسفير. يختلف ارتفاع الحد الأدنى للستراتوسفير ، ولكن يمكن اعتباره 10 كيلومترات لخطوط العرض الوسطى للكوكب. يبلغ حده الأعلى 50 كم من الارتفاع فوق سطح الأرض.
الغلاف الجوي للأرض هو الغلاف الغازي الذي يحيط بالكوكب. وفقًا للتركيب الكيميائي والتغير في درجة الحرارة ، يتم تقسيمها إلى 5 طبقات: طبقة التروبوسفير ، والستراتوسفير ، والميزوسفير ، والغلاف الحراري ، والغلاف الخارجي.
الشكل 1. رؤية الستراتوسفير من الفضاء. المصدر: وكالة الفضاء الجاليكية NOSA
يمتد التروبوسفير من سطح الأرض حتى ارتفاع 10 كم. الطبقة التالية ، الستراتوسفير ، تتراوح من 10 كم إلى 50 كم فوق سطح الأرض.
يتراوح ارتفاع طبقة الميزوسفير من 50 كم إلى 80 كم. يمتد الغلاف الحراري من 80 كم إلى 500 كم ، وأخيراً يمتد الغلاف الخارجي من 500 كم إلى 10000 كم في الارتفاع ، وهو الحد الأقصى للفضاء بين الكواكب.
خصائص الستراتوسفير
موقعك
يقع الستراتوسفير بين طبقة التروبوسفير والميزوسفير. يختلف الحد الأدنى لهذه الطبقة باختلاف خط العرض أو المسافة من الخط الاستوائي للأرض.
عند قطبي الكوكب ، تبدأ طبقة الستراتوسفير بين 6 و 10 كيلومترات فوق سطح الأرض. عند خط الاستواء يبدأ ارتفاعه بين 16 و 20 كم. الحد الأعلى هو 50 كم فوق سطح الأرض.
بناء
لطبقة الستراتوسفير هيكلها الطبقي الخاص ، والتي تحددها درجة الحرارة: توجد الطبقات الباردة في الأسفل ، والطبقات الساخنة في الأعلى.
أيضًا ، يحتوي الستراتوسفير على طبقة يوجد بها تركيز عالٍ من الأوزون ، تسمى طبقة الأوزون أو طبقة الأوزون ، والتي تقع بين 30 إلى 60 كم فوق سطح الأرض.
التركيب الكيميائي
أهم مركب كيميائي في الستراتوسفير هو الأوزون. تم العثور على 85 إلى 90 ٪ من إجمالي الأوزون الموجود في الغلاف الجوي للأرض في الستراتوسفير.
يتكون الأوزون في طبقة الستراتوسفير من خلال تفاعل كيميائي ضوئي (تفاعل كيميائي حيث يتدخل الضوء) يمر به الأكسجين. يدخل الكثير من الغازات في الستراتوسفير من طبقة التروبوسفير.
يحتوي الستراتوسفير على الأوزون (O 3) والنيتروجين (N 2) والأكسجين (O 2) وأكاسيد النيتروجين وحمض النيتريك (HNO 3) وحمض الكبريتيك (H 2 SO 4) والسيليكات والمركبات المهلجنة ، مثل مركبات الكربون الكلورية فلورية. بعض هذه المواد تأتي من الانفجارات البركانية. تركيز بخار الماء (H 2 O في الحالة الغازية) في الستراتوسفير منخفض جدًا.
في الستراتوسفير ، يكون الخلط العمودي للغاز بطيئًا للغاية ولا شيء عمليًا ، بسبب عدم وجود اضطراب. لهذا السبب ، تبقى المواد الكيميائية والمواد الأخرى التي تدخل هذه الطبقة فيها لفترة طويلة.
درجة الحرارة
تُظهر درجة الحرارة في الستراتوسفير سلوكًا عكسيًا لتلك الموجودة في طبقة التروبوسفير. في هذه الطبقة تزداد درجة الحرارة مع الارتفاع.
هذه الزيادة في درجة الحرارة ناتجة عن حدوث تفاعلات كيميائية تطلق الحرارة ، حيث يتدخل الأوزون (O 3). توجد كميات كبيرة من الأوزون في طبقة الستراتوسفير ، والتي تمتص الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة من الشمس.
الستراتوسفير عبارة عن طبقة مستقرة ، لا يوجد بها اضطراب تختلط فيه الغازات. الهواء بارد وكثيف في الجزء السفلي وفي الجزء العلوي دافئ وخفيف.
تكوين الأوزون
في طبقة الستراتوسفير ، يتم فصل الأكسجين الجزيئي (O 2) عن طريق تأثير الأشعة فوق البنفسجية (UV) عن الشمس:
O 2 + UV LIGHT → O + O
ذرات الأكسجين (O) شديدة التفاعل وتتفاعل مع جزيئات الأكسجين (O 2) لتكوين الأوزون (O 3):
O + O 2 → O 3 + حرارة
في هذه العملية يتم إطلاق الحرارة (تفاعل طارد للحرارة). هذا التفاعل الكيميائي هو مصدر الحرارة في الستراتوسفير ويسبب درجات حرارة عالية في الطبقات العليا.
المميزات
يؤدي الستراتوسفير وظيفة وقائية لجميع أشكال الحياة الموجودة على كوكب الأرض. تمنع طبقة الأوزون وصول الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة 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 + UV LIGHT ← O + O 2
في الستراتوسفير ، تكون عمليات تكوين الأوزون وتدميره في توازن يحافظ على تركيزه الثابت.
وبهذه الطريقة تعمل طبقة الأوزون كدرع واقي من الأشعة فوق البنفسجية التي تسبب الطفرات الجينية وسرطان الجلد وتدمير المحاصيل والنباتات بشكل عام.
تدمير طبقة الأوزون
مركبات الكلوروفلوروكربون
منذ السبعينيات ، أعرب الباحثون عن قلقهم الشديد بشأن الآثار الضارة لمركبات الكلوروفلوروكربون (CFCs) على طبقة الأوزون.
في عام 1930 ، تم إدخال استخدام مركبات الكربون الكلورية فلورية التي تسمى تجاريًا الفريونات. من بينها CFCl 3 (Freon 11) و CF 2 Cl 2 (Freon 12) و C 2 F 3 Cl 3 (Freon 113) و C 2 F 4 Cl 2 (Freon 114). هذه المركبات قابلة للانضغاط بسهولة وغير متفاعلة نسبيًا وغير قابلة للاشتعال.
بدأ استخدامها كمبردات في مكيفات الهواء والثلاجات ، لتحل محل الأمونيا (NH 3) وثاني أكسيد الكبريت السائل (SO 2) (شديد السمية).
بعد ذلك ، تم استخدام مركبات الكربون الكلورية فلورية بكميات كبيرة في تصنيع المواد البلاستيكية التي تستخدم لمرة واحدة ، وكوقود دفع للمنتجات التجارية في شكل رذاذ في العلب ، وكمذيبات تنظيف لبطاقات الأجهزة الإلكترونية.
أدى الاستخدام الواسع النطاق بكميات كبيرة من مركبات الكربون الكلورية فلورية إلى حدوث مشكلة بيئية خطيرة ، حيث يتم تصريف تلك المستخدمة في الصناعات واستخدامات المبردات في الغلاف الجوي.
تنتشر هذه المركبات ببطء في الغلاف الجوي في الستراتوسفير ؛ في هذه الطبقة يعانون من التحلل بفعل 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 كلور واحدة تدمير أكثر من 100000 جزيء أوزون.
أكاسيد النيتروجين
تتفاعل أكاسيد النيتروجين NO و NO 2 لتدمير الأوزون. يرجع وجود أكاسيد النيتروجين في طبقة الستراتوسفير إلى الغازات المنبعثة من محركات الطائرات الأسرع من الصوت ، والانبعاثات من الأنشطة البشرية على الأرض ، والنشاط البركاني.
رقيق وثقوب في طبقة الأوزون
في الثمانينيات ، تم اكتشاف وجود ثقب في طبقة الأوزون فوق منطقة القطب الجنوبي. في هذا المجال ، تم خفض كمية الأوزون إلى النصف.
وقد وجد أيضًا أنه فوق القطب الشمالي وفي جميع أنحاء الستراتوسفير ، تضعف طبقة الأوزون الواقية ، أي أنها قللت من عرضها بسبب انخفاض كمية الأوزون بشكل كبير.
يترتب على فقدان الأوزون في الستراتوسفير عواقب وخيمة على الحياة على هذا الكوكب ، وقد قبلت العديد من البلدان أن الخفض الشديد أو الإزالة الكاملة لاستخدام مركبات الكربون الكلورية فلورية أمر ضروري وملح.
الاتفاقات الدولية بشأن تقييد استخدام مركبات الكربون الكلورية فلورية
في عام 1978 ، حظرت العديد من البلدان استخدام مركبات الكربون الكلورية فلورية كوقود دفع في منتجات الهباء الجوي التجارية. في عام 1987 ، وقعت الغالبية العظمى من البلدان الصناعية على ما يسمى بروتوكول مونتريال ، وهو اتفاق دولي تم فيه تحديد أهداف التخفيض التدريجي لتصنيع مركبات الكربون الكلورية فلورية وإزالتها بالكامل بحلول عام 2000.
فشلت عدة دول في الامتثال لبروتوكول مونتريال ، لأن هذا التقليل من مركبات الكربون الكلورية فلورية والقضاء عليها سيؤثران على اقتصادها ، مما يضع المصالح الاقتصادية قبل الحفاظ على الحياة على كوكب الأرض.
لماذا لا تطير الطائرات في الستراتوسفير؟
أثناء تحليق طائرة ، تعمل 4 قوى أساسية: الرفع ، ووزن الطائرة ، والسحب ، والدفع.
قوة الرفع تدعم الطائرة وتدفعها لأعلى ؛ كلما زادت كثافة الهواء ، زاد المصعد. الوزن ، من ناحية أخرى ، هو القوة التي تسحب بها جاذبية الأرض الطائرة نحو مركز الأرض.
المقاومة هي القوة التي تبطئ أو تمنع الطائرة من التحرك للأمام. تعمل قوة المقاومة هذه في الاتجاه المعاكس لمسار الطائرة.
الدفع هو القوة التي تحرك الطائرة للأمام. كما نرى ، فإن الدفع والرفع لصالح الطيران ؛ يعمل الوزن والمقاومة على إضرار طيران الطائرة.
الطائرات التي
الطائرات التجارية والمدنية على مسافات قصيرة تطير ما يقرب من 10000 متر فوق مستوى سطح البحر ، أي عند الحد الأعلى من طبقة التروبوسفير.
تتطلب جميع الطائرات ضغط الكابينة ، والذي يتكون من ضخ الهواء المضغوط في مقصورة الطائرة.
لماذا يتطلب ضغط الكابينة؟
مع صعود الطائرة إلى ارتفاعات أعلى ، ينخفض الضغط الجوي الخارجي ويقل محتوى الأكسجين أيضًا.
إذا لم يتم تزويد المقصورة بالهواء المضغوط ، سيعاني الركاب من نقص الأكسجة (أو داء الجبل) ، مع أعراض مثل التعب والدوار والصداع وفقدان الوعي بسبب نقص الأكسجين.
في حالة حدوث فشل في إمداد الكابينة بالهواء المضغوط أو تخفيف الضغط ، ستنشأ حالة طارئة حيث يجب أن تهبط الطائرة على الفور ، ويجب على جميع ركابها ارتداء أقنعة الأكسجين.
رحلات جوية في الستراتوسفير ، طائرات تفوق سرعة الصوت
على ارتفاعات تزيد عن 10000 متر ، في طبقة الستراتوسفير ، تكون كثافة الطبقة الغازية أقل ، وبالتالي فإن قوة الرفع التي تفضل الطيران تكون أقل أيضًا.
من ناحية أخرى ، في هذه الارتفاعات العالية ، يكون محتوى الأكسجين (O 2) في الهواء أقل ، وهذا مطلوب لكل من احتراق وقود الديزل الذي يجعل محرك الطائرة يعمل ، وللضغط الفعال في المقصورة.
على ارتفاعات تزيد عن 10000 متر فوق سطح الأرض ، يجب أن تسير الطائرة بسرعات عالية جدًا ، تسمى الأسرع من الصوت ، تصل إلى أكثر من 1225 كم / ساعة عند مستوى سطح البحر.
الشكل 2. طائرات كونكورد التجارية الأسرع من الصوت. المصدر: إدوارد مارمت
تم تطوير عيوب الطائرات الأسرع من الصوت حتى الآن
تنتج الرحلات الجوية الأسرع من الصوت ما يسمى بدقائق الصوت ، وهي أصوات عالية جدًا تشبه الرعد. تؤثر هذه الضوضاء سلبًا 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 مكلفة لتصنيعها. كانت الرحلات الجوية التجارية باهظة التكلفة من الناحية الاقتصادية لدرجة أن تنفيذها لم يكن مربحًا.
المراجع
- SM ، Hegglin ، MI ، Fujiwara ، M. ، Dragani ، R. ، Harada ، Y et all. (2017). تقييم بخار الماء والأوزون في التروبوسفير والستراتوسفير في عمليات إعادة التحليل كجزء من S-RIP. كيمياء الغلاف الجوي والفيزياء. 17: 12743-12778. دوى: 10.5194 / acp-17-12743-2017
- Hoshi، K.، Ukita، J.، Honda، M. Nakamura، T.، Yamazaki، K. et all. (2019). أحداث دوامة الستراتوسفير القطبية الضعيفة التي تم تعديلها بواسطة بحر القطب الشمالي - فقدان الجليد. مجلة البحوث الجيوفيزيائية: الغلاف الجوي. 124 (2): 858-869. دوى: 10.1029 / 2018JD029222
- إقبال ، دبليو ، حناشي ، أ ، هيروكا ، ت ، شفيق ، إل ، هارادا ، واي وآخرون. (2019). الاقتران الديناميكي بين التروبوسفير والستراتوسفير فيما يتعلق بتقلبات الطائرات النفاثة الدوامية الشمالية الأطلسية. وكالة العلوم والتكنولوجيا اليابانية. دوى: 10.2151 / jmsj.2019-037
- كيدستون ، جيه ، سكيف ، إيه إيه ، هاردمان ، إس سي ، ميتشل ، دي إم ، بوتشارت ، إن وآخرون. (2015). تأثير الستراتوسفير على التيارات النفاثة التروبوسفيرية ومسارات العواصف والطقس السطحي. طبيعة 8: 433-440.
- Stohl، A.، Bonasoni P.، Cristofanelli، P.، Collins، W.، Feichter J. et all. (2003). تبادل الستراتوسفير - التروبوسفير: مراجعة ، وما تعلمناه من STACCATO. مجلة البحوث الجيوفيزيائية: الغلاف الجوي. 108 (D12). دوى: 10.1029 / 2002jD002490
- Rowland FS (2009) استنفاد طبقة الأوزون الستراتوسفيرية. في: Zerefos C. ، Contopoulos G. ، Skalkeas G. (eds) عشرون عامًا من تراجع الأوزون. سبرينغر. دوى: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5