- Stratosphärenmerkmale
- Ort
- Struktur
- Chemische Zusammensetzung
- Temperatur
- Ozonbildung
- Eigenschaften
- Zerstörung der Ozonschicht
- FCKW-Verbindungen
- Stickoxide
- Ausdünnung und Löcher in der Ozonschicht
- Internationale Abkommen zur Beschränkung der Verwendung von FCKW
- Warum fliegen Flugzeuge nicht in der Stratosphäre?
- Flugzeuge das
- Warum ist eine Kabinendruckbeaufschlagung erforderlich?
- Flüge in der Stratosphäre, Überschallflugzeuge
- Bisher entwickelte Nachteile von Überschallflugzeugen
- Verweise
Die Stratosphäre ist eine der Schichten der Erdatmosphäre, die sich zwischen der Troposphäre und der Mesosphäre befindet. Die Höhe der unteren Grenze der Stratosphäre variiert, kann jedoch für die mittleren Breiten des Planeten als 10 km angenommen werden. Die Obergrenze liegt bei 50 km Höhe über der Erdoberfläche.
Die Erdatmosphäre ist die gasförmige Hülle, die den Planeten umgibt. Entsprechend der chemischen Zusammensetzung und der Temperaturschwankung ist es in 5 Schichten unterteilt: Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre und Exosphäre.
Abbildung 1. Stratosphäre vom Weltraum aus gesehen. Quelle: NOSA Galician Space Agency
Die Troposphäre erstreckt sich von der Erdoberfläche bis zu einer Höhe von 10 km. Die nächste Schicht, die Stratosphäre, liegt zwischen 10 km und 50 km über der Erdoberfläche.
Die Mesosphäre ist zwischen 50 km und 80 km hoch. Die Thermosphäre von 80 km bis 500 km und schließlich die Exosphäre erstreckt sich von 500 km bis 10.000 km in der Höhe und ist die Grenze des interplanetaren Raums.
Stratosphärenmerkmale
Ort
Die Stratosphäre befindet sich zwischen der Troposphäre und der Mesosphäre. Die Untergrenze dieser Schicht variiert mit dem Breitengrad oder der Entfernung von der Äquatorlinie der Erde.
An den Polen des Planeten beginnt die Stratosphäre zwischen 6 und 10 km über der Erdoberfläche. Am Äquator beginnt es zwischen 16 und 20 km Höhe. Die Obergrenze liegt 50 km über der Erdoberfläche.
Struktur
Die Stratosphäre hat eine eigene Schichtstruktur, die durch die Temperatur definiert wird: Kalte Schichten befinden sich unten und heiße Schichten befinden sich oben.
Die Stratosphäre hat auch eine Schicht mit einer hohen Ozonkonzentration, die als Ozonschicht oder Ozonosphäre bezeichnet wird und sich zwischen 30 und 60 km über der Erdoberfläche befindet.
Chemische Zusammensetzung
Die wichtigste chemische Verbindung in der Stratosphäre ist Ozon. 85 bis 90% des gesamten in der Erdatmosphäre vorhandenen Ozons befindet sich in der Stratosphäre.
Ozon wird in der Stratosphäre durch eine photochemische Reaktion (chemische Reaktion, bei der Licht interveniert) gebildet, die Sauerstoff durchläuft. Ein Großteil der Gase in der Stratosphäre tritt aus der Troposphäre ein.
Die Stratosphäre enthält Ozon (O 3 ), Stickstoff (N 2 ), Sauerstoff (O 2 ), Stickoxide, Salpetersäure (HNO 3 ), Schwefelsäure (H 2 SO 4 ), Silikate und halogenierte Verbindungen wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe. Einige dieser Substanzen stammen aus Vulkanausbrüchen. Die Konzentration von Wasserdampf (H 2 O im gasförmigen Zustand) in der Stratosphäre ist sehr gering.
In der Stratosphäre ist die vertikale Gasmischung aufgrund des Fehlens von Turbulenzen sehr langsam und praktisch gleich Null. Aus diesem Grund verbleiben Chemikalien und andere Materialien, die in diese Schicht gelangen, lange darin.
Temperatur
Die Temperatur in der Stratosphäre zeigt ein umgekehrtes Verhalten wie die der Troposphäre. In dieser Schicht steigt die Temperatur mit der Höhe.
Dieser Temperaturanstieg ist auf das Auftreten chemischer Reaktionen zurückzuführen, bei denen Wärme freigesetzt wird und Ozon (O 3 ) eingreift . In der Stratosphäre gibt es beträchtliche Mengen Ozon, das energiereiche ultraviolette Strahlung der Sonne absorbiert.
Die Stratosphäre ist eine stabile Schicht ohne Turbulenzen für die Vermischung von Gasen. Die Luft ist im unteren Teil kalt und dicht und im oberen Teil warm und leicht.
Ozonbildung
In der Stratosphäre wird molekularer Sauerstoff (O 2 ) durch die Wirkung von ultravioletter (UV) Strahlung der Sonne dissoziiert:
O 2 + UV-LICHT → O + O.
Sauerstoffatome (O) sind hochreaktiv und reagieren mit Sauerstoffmolekülen (O 2 ) unter Bildung von Ozon (O 3 ):
O + O 2 → O 3 + Wärme
Dabei wird Wärme freigesetzt (exotherme Reaktion). Diese chemische Reaktion ist die Wärmequelle in der Stratosphäre und verursacht ihre hohen Temperaturen in den oberen Schichten.
Eigenschaften
Die Stratosphäre erfüllt eine Schutzfunktion aller Lebensformen, die auf dem Planeten Erde existieren. Die Ozonschicht verhindert, dass hochenergetische ultraviolette (UV) Strahlung die Erdoberfläche erreicht.
Ozon absorbiert ultraviolettes Licht und zerfällt in atomaren Sauerstoff (O) und molekularen Sauerstoff (O 2 ), wie die folgende chemische Reaktion zeigt:
O 3 + UV-LICHT → O + O 2
In der Stratosphäre befinden sich die Prozesse der Bildung und Zerstörung von Ozon in einem Gleichgewicht, das seine konstante Konzentration beibehält.
Auf diese Weise wirkt die Ozonschicht als Schutzschild vor UV-Strahlung, die die Ursache für genetische Mutationen, Hautkrebs, Zerstörung von Pflanzen und Pflanzen im Allgemeinen ist.
Zerstörung der Ozonschicht
FCKW-Verbindungen
Seit den 1970er Jahren haben Forscher große Besorgnis über die schädlichen Auswirkungen von Fluorchlorkohlenwasserstoffverbindungen (FCKW) auf die Ozonschicht geäußert.
1930 wurde die Verwendung von Fluorchlorkohlenwasserstoffverbindungen eingeführt, die im Handel als Freone bezeichnet werden. Unter diesen sind CFCl 3 (Freon 11), CF 2 Cl 2 (Freon 12), C 2 F 3 Cl 3 (Freon 113) und C 2 F 4 Cl 2 (Freon 114). Diese Verbindungen sind leicht komprimierbar, relativ unreaktiv und nicht brennbar.
Sie wurden als Kältemittel in Klimaanlagen und Kühlschränken eingesetzt und ersetzten Ammoniak (NH 3 ) und flüssiges Schwefeldioxid (SO 2 ) (hochgiftig).
In der Folge wurden FCKW in großen Mengen bei der Herstellung von Einweg-Kunststoffartikeln, als Treibmittel für kommerzielle Produkte in Form von Aerosolen in Dosen und als Reinigungslösungsmittel für elektronische Gerätekarten verwendet.
Die weit verbreitete Verwendung von FCKW in großen Mengen hat zu einem ernsthaften Umweltproblem geführt, da diejenigen, die in der Industrie und bei der Verwendung von Kältemitteln verwendet werden, in die Atmosphäre abgegeben werden.
In der Atmosphäre diffundieren diese Verbindungen langsam in die Stratosphäre; in dieser Schicht zersetzen sie sich aufgrund der Wirkung von UV-Strahlung:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
Chloratome reagieren sehr leicht mit Ozon und zerstören es:
Cl + O 3 → ClO + O 2
Ein einzelnes Chloratom kann mehr als 100.000 Ozonmoleküle zerstören.
Stickoxide
Die Stickoxide NO und NO 2 reagieren, um Ozon zu zerstören. Das Vorhandensein dieser Stickoxide in der Stratosphäre ist auf die von den Triebwerken von Überschallflugzeugen ausgestoßenen Gase, die Emissionen menschlicher Aktivitäten auf der Erde und die vulkanische Aktivität zurückzuführen.
Ausdünnung und Löcher in der Ozonschicht
In den 1980er Jahren wurde entdeckt, dass sich in der Ozonschicht über dem Südpolgebiet ein Loch gebildet hatte. In diesem Gebiet hatte sich die Ozonmenge halbiert.
Es wurde auch entdeckt, dass oberhalb des Nordpols und in der gesamten Stratosphäre die schützende Ozonschicht dünner geworden ist, dh ihre Breite verringert hat, weil die Ozonmenge erheblich abgenommen hat.
Der Ozonverlust in der Stratosphäre hat schwerwiegende Folgen für das Leben auf dem Planeten, und mehrere Länder haben akzeptiert, dass eine drastische Reduzierung oder vollständige Beseitigung des Einsatzes von FCKW notwendig und dringend ist.
Internationale Abkommen zur Beschränkung der Verwendung von FCKW
1978 verboten viele Länder die Verwendung von FCKW als Treibmittel in kommerziellen Aerosolprodukten. 1987 unterzeichnete die überwiegende Mehrheit der Industrieländer das sogenannte Montrealer Protokoll, ein internationales Abkommen, in dem Ziele für die schrittweise Reduzierung der FCKW-Herstellung und deren vollständige Beseitigung bis zum Jahr 2000 festgelegt wurden.
Mehrere Länder haben das Montrealer Protokoll nicht eingehalten, weil diese Reduzierung und Beseitigung von FCKW ihre Wirtschaft beeinträchtigen und wirtschaftliche Interessen vor die Erhaltung des Lebens auf dem Planeten Erde stellen würde.
Warum fliegen Flugzeuge nicht in der Stratosphäre?
Während des Fluges eines Flugzeugs wirken 4 Grundkräfte: Auftrieb, Flugzeuggewicht, Luftwiderstand und Schub.
Das Anheben ist eine Kraft, die das Flugzeug stützt und nach oben drückt. Je höher die Luftdichte, desto größer der Auftrieb. Das Gewicht ist andererseits die Kraft, mit der die Schwerkraft der Erde das Flugzeug zum Erdmittelpunkt zieht.
Widerstand ist eine Kraft, die das Flugzeug verlangsamt oder daran hindert, sich vorwärts zu bewegen. Diese Widerstandskraft wirkt entgegengesetzt zum Flugweg des Flugzeugs.
Schub ist die Kraft, die das Flugzeug vorwärts bewegt. Wie wir sehen können, begünstigen Schub und Auftrieb den Flug; Das Gewicht und der Widerstand benachteiligen den Flug des Flugzeugs.
Flugzeuge das
Kommerzielle und zivile Flugzeuge fliegen auf kurze Distanz ungefähr 10.000 Meter über dem Meeresspiegel, dh an der Obergrenze der Troposphäre.
Alle Flugzeuge benötigen eine Kabinendruckbeaufschlagung, die darin besteht, Druckluft in die Flugzeugkabine zu pumpen.
Warum ist eine Kabinendruckbeaufschlagung erforderlich?
Wenn das Flugzeug in höhere Höhen steigt, nimmt der äußere atmosphärische Druck ab und auch der Sauerstoffgehalt nimmt ab.
Wenn der Kabine keine Druckluft zugeführt würde, würden die Passagiere an Hypoxie (oder Bergkrankheit) leiden, mit Symptomen wie Müdigkeit, Schwindel, Kopfschmerzen und Bewusstlosigkeit aufgrund von Sauerstoffmangel.
Wenn die Kabine mit Druckluft versorgt wird oder eine Dekompression auftritt, entsteht ein Notfall, bei dem das Flugzeug sofort absteigen muss und alle Insassen die Sauerstoffmasken tragen sollten.
Flüge in der Stratosphäre, Überschallflugzeuge
In Höhen von mehr als 10.000 Metern in der Stratosphäre ist die Dichte der Gasschicht geringer, und daher ist auch die Auftriebskraft, die den Flug begünstigt, geringer.
Andererseits ist in diesen Höhenlagen der Sauerstoffgehalt (O 2 ) in der Luft geringer, und dies ist sowohl für die Verbrennung des Dieselkraftstoffs, der das Flugzeugtriebwerk zum Funktionieren bringt, als auch für eine effektive Druckbeaufschlagung in der Kabine erforderlich.
In Höhen von mehr als 10.000 Metern über der Erdoberfläche muss das Flugzeug mit sehr hohen Geschwindigkeiten fliegen, die als Überschall bezeichnet werden und über 1.225 km / h auf Meereshöhe erreichen.
Abbildung 2. Concorde-Überschall-Verkehrsflugzeug. Quelle: Eduard Marmet
Bisher entwickelte Nachteile von Überschallflugzeugen
Überschallflüge erzeugen sogenannte Überschallknalle, bei denen es sich um sehr laute Donnergeräusche handelt. Diese Geräusche wirken sich negativ auf Tiere und Menschen aus.
Darüber hinaus müssen diese Überschallflugzeuge mehr Treibstoff verbrauchen und produzieren daher mehr Luftschadstoffe als Flugzeuge, die in niedrigeren Höhen fliegen.
Überschallflugzeuge erfordern viel leistungsstärkere Triebwerke und teure Spezialmaterialien für die Herstellung. Kommerzielle Flüge waren wirtschaftlich so kostspielig, dass ihre Implementierung nicht rentabel war.
Verweise
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