Đặc điểm tầng bình lưu, chức năng, nhiệt độ

các tầng bình lưu Nó là một trong những tầng của khí quyển Trái đất, nằm giữa tầng đối lưu và tầng trung lưu. Độ cao của giới hạn dưới của tầng bình lưu khác nhau, nhưng nó có thể được lấy là 10 km cho các vĩ độ trung bình của hành tinh. Giới hạn trên của nó là độ cao 50 km trên bề mặt Trái đất.

Bầu khí quyển của Trái đất là lớp vỏ khí bao quanh hành tinh. Theo thành phần hóa học và sự biến đổi nhiệt độ, nó được chia thành 5 lớp: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung lưu, tầng đối lưu và ngoài không gian.

Tầng đối lưu kéo dài từ bề mặt Trái đất tới 10 km chiều cao. Tầng tiếp theo, tầng bình lưu, đi từ 10 km đến 50 km so với bề mặt Trái đất.

Các mesosphere có chiều cao từ 50 km đến 80 km. Tầng nhiệt độ từ 80 km đến 500 km, và cuối cùng là không gian vũ trụ kéo dài từ 500 km đến 10.000 km, là giới hạn với không gian liên hành tinh.

Chỉ số

• 1 Đặc điểm của tầng bình lưu
  • 1.1 Vị trí
  • 1.2 Cấu trúc
  • 1.3 Thành phần hóa học
• 2 Nhiệt độ
• 3 tầng ôzôn
• 4 chức năng
• 5 Phá hủy tầng ozone
  • 5.1 Hợp chất CFC
  • 5.2 Oxit nitơ
  • 5.3 Làm loãng và lỗ thủng trong tầng ozone
  • 5.4 Các thỏa thuận quốc tế về các hạn chế sử dụng CFC
• 6 Tại sao máy bay không bay trong tầng bình lưu?
  • 6.1 Máy bay bay trong tầng đối lưu
  • 6.2 Tại sao cần áp lực gian hàng?
  • 6.3 Các chuyến bay trong tầng bình lưu, máy bay siêu thanh
  • 6.4 Nhược điểm của máy bay siêu thanh được phát triển cho đến nay
• 7 tài liệu tham khảo

Đặc điểm của tầng bình lưu

Địa điểm

Tầng bình lưu nằm giữa tầng đối lưu và tầng trung lưu. Giới hạn dưới của lớp này thay đổi theo vĩ độ hoặc khoảng cách đến đường mặt đất xích đạo.

Ở hai cực của hành tinh, tầng bình lưu bắt đầu từ 6 đến 10 km so với bề mặt trái đất. Ở xích đạo, nó bắt đầu từ 16 đến 20 km độ cao. Giới hạn trên là 50 km so với bề mặt Trái đất.

Cấu trúc

Tầng bình lưu có cấu trúc riêng của nó trong các lớp, được xác định bởi nhiệt độ: các lớp lạnh ở dưới cùng và các lớp nóng ở trên cùng.

Ngoài ra, tầng bình lưu có một lớp nơi có nồng độ ozone cao, được gọi là tầng ozone hoặc tầng ozon, nằm trong khoảng từ 30 đến 60 km so với bề mặt Trái đất.

Thành phần hóa học

Hợp chất hóa học quan trọng nhất trong tầng bình lưu là ozone. 85 đến 90% tổng lượng ozone hiện diện trong bầu khí quyển của Trái đất nằm trong tầng bình lưu.

Ozone được hình thành trong tầng bình lưu bằng phản ứng quang hóa (phản ứng hóa học nơi ánh sáng can thiệp) gây ra oxy. Phần lớn các khí trong tầng bình lưu đi vào từ tầng đối lưu.

Tầng bình lưu chứa ozone (O₃), nitơ (N₂), oxy (O₂), oxit nitơ, axit nitric (HNO)₃), axit sunfuric (H₂VẬY₄), silicat và các hợp chất halogen, như chlorofluorocarbons. Một số chất này đến từ các vụ phun trào núi lửa. Nồng độ của hơi nước (H₂Hoặc ở trạng thái khí) trong tầng bình lưu, nó rất thấp.

Trong tầng bình lưu, hỗn hợp khí theo chiều dọc rất chậm và thực tế là không, do không có nhiễu loạn. Vì lý do này, các hợp chất hóa học và các vật liệu khác xâm nhập vào lớp này tồn tại trong một thời gian dài.

Nhiệt độ

Nhiệt độ trong tầng bình lưu thể hiện một hành vi ngược với nhiệt độ trong tầng đối lưu. Trong lớp này, nhiệt độ tăng theo độ cao.

Sự gia tăng nhiệt độ này là do sự xuất hiện của các phản ứng hóa học giải phóng nhiệt, nơi ozon can thiệp (O₃). Trong tầng bình lưu có một lượng đáng kể ozone, hấp thụ bức xạ cực tím năng lượng cao từ Mặt trời.

Tầng bình lưu là một lớp ổn định, không có nhiễu loạn trộn lẫn các khí. Không khí lạnh và dày đặc ở phần thấp nhất và ở phần cao nhất là nóng và nhẹ.

Sự hình thành ôzôn

Trong phân tử oxy tầng bình lưu (O₂) bị phân tách bởi ảnh hưởng của tia cực tím (UV) từ Mặt trời:

Ôi₂  +  ÁNH SÁNG UV → O + O

Nguyên tử oxy (O) có tính phản ứng cao và phản ứng với các phân tử oxy (O₂) để tạo thành ozone (O₃):

O + O_{2 →}  Ôi₃  +  Nhiệt

Trong quá trình này nhiệt được giải phóng (phản ứng tỏa nhiệt). Phản ứng hóa học này là nguồn nhiệt trong tầng bình lưu và bắt nguồn nhiệt độ cao ở các tầng trên.

Chức năng

Tầng bình lưu đáp ứng chức năng bảo vệ của tất cả các dạng sự sống tồn tại trên hành tinh Trái đất. Tầng ozone ngăn bức xạ tia cực tím năng lượng cao (UV) đến bề mặt trái đất.

Ozone hấp thụ ánh sáng cực tím và phân hủy thành oxy nguyên tử (O) và oxy phân tử (O₂), như thể hiện bởi phản ứng hóa học sau:

Ôi₃  + ÁNH SÁNG UV → O + O₂

Trong tầng bình lưu, các quá trình hình thành và phá hủy ozone nằm trong sự cân bằng duy trì nồng độ không đổi của nó.

Theo cách này, tầng ozone hoạt động như một lá chắn bảo vệ chống lại bức xạ UV, là nguyên nhân gây đột biến gen, ung thư da, phá hủy cây trồng và thực vật nói chung.

Sự phá hủy tầng ozone

Hợp chất CFC

Từ những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã bày tỏ mối quan tâm lớn về tác hại của chlorofluorocarbons (CFC) đối với tầng ozone..

Năm 1930, việc sử dụng các hợp chất chlorofluorocarbon được gọi là freon thương mại đã được giới thiệu. Trong số này có CFCl₃ (Freon 11), CF₂Cl₂ (Freon 12), C₂F₃Cl₃ (Freon 113) và C₂F₄Cl₂ (Freon 114). Các hợp chất này dễ nén, tương đối không hợp lý và không bắt lửa.

Chúng bắt đầu được sử dụng làm chất làm lạnh trong điều hòa không khí và tủ lạnh, thay thế amoniac (NH₃) và sulfur dioxide (SO)₂) chất lỏng (rất độc).

Sau đó, CFC đã được sử dụng với số lượng lớn trong sản xuất các mặt hàng nhựa dùng một lần, làm chất đẩy cho các sản phẩm thương mại dưới dạng bình xịt đóng hộp và làm dung môi để làm sạch thẻ thiết bị điện tử.

Việc sử dụng rộng rãi và quy mô lớn của CFC đã gây ra một vấn đề môi trường nghiêm trọng, vì những chất được sử dụng trong các ngành công nghiệp và sử dụng chất làm lạnh được thải vào khí quyển.

Trong khí quyển, các hợp chất này khuếch tán chậm vào tầng bình lưu; trong lớp này chúng trải qua quá trình phân hủy do bức xạ UV:

CFC_{3 →} CFC₂  +  Cl

CF₂Cl_{2  →} CF₂Cl + Cl

Các nguyên tử clo phản ứng rất dễ dàng với ozone và phá hủy nó:

Cl + O₃  → ClO + O₂

Một nguyên tử clo có thể phá hủy hơn 100.000 phân tử ozone.

Oxit nitơ

Ôxit nitơ NOx và NOx₂ họ phản ứng bằng cách phá hủy ozone. Sự hiện diện của các oxit nitơ này trong tầng bình lưu là do các khí phát ra từ động cơ máy bay siêu thanh, do khí thải từ các hoạt động của con người trên Trái đất và do hoạt động của núi lửa.

Làm loãng và lỗ thủng trong tầng ozone

Vào những năm 1980, người ta đã phát hiện ra rằng một lỗ hổng trong tầng ozone đã hình thành bên trên khu vực Nam Cực. Trong khu vực này, lượng ozone đã giảm một nửa.

Người ta cũng phát hiện ra rằng ở Bắc Cực và khắp tầng bình lưu, tầng ozone đã mỏng đi, nghĩa là nó đã giảm chiều rộng vì lượng ozone đã giảm đáng kể.

Việc mất ozone trong tầng bình lưu gây hậu quả nghiêm trọng đối với sự sống trên hành tinh và một số quốc gia đã chấp nhận rằng việc giảm mạnh hoặc loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng CFC là cần thiết và cấp bách..

Các thỏa thuận quốc tế về việc hạn chế sử dụng CFC

Năm 1978, nhiều quốc gia đã cấm sử dụng CFC làm chất đẩy cho các sản phẩm thương mại dưới dạng sol khí. Năm 1987, đại đa số các nước công nghiệp đã ký Nghị định thư Montreal, một thỏa thuận quốc tế nơi các mục tiêu được đặt ra cho việc giảm dần sản xuất CFC và loại bỏ hoàn toàn vào năm 2000.

Một số quốc gia đã vi phạm Nghị định thư Montreal, bởi vì việc giảm và loại bỏ CFC này sẽ ảnh hưởng đến nền kinh tế của họ, đặt lợi ích kinh tế trước việc bảo tồn sự sống trên hành tinh Trái đất.

Tại sao máy bay không bay trong tầng bình lưu?

Trong quá trình bay của một chiếc máy bay có 4 lực cơ bản: lực nâng, trọng lượng của máy bay, lực cản và lực đẩy.

Thang máy là một lực giữ máy bay và đẩy nó lên; mật độ không khí càng cao, lực nâng càng lớn. Mặt khác, trọng lượng là lực mà trọng lực của Trái đất kéo máy bay về phía trung tâm Trái đất.

Điện trở là một lực làm chậm hoặc ngăn cản bước tiến của máy bay. Lực cản này tác dụng ngược hướng với quỹ đạo của máy bay.

Lực đẩy là lực di chuyển máy bay về phía trước. Như chúng ta thấy, việc đẩy và nâng thuận lợi cho chuyến bay; trọng lượng và sức cản hành động gây bất lợi cho chuyến bay của máy bay.

Máy bay mà chúng bay trong tầng đối lưu

Các máy bay thương mại và dân dụng đến các khoảng cách ngắn, bay cao khoảng 10.000 mét, nghĩa là ở giới hạn trên của tầng đối lưu.

Trong tất cả các máy bay, cần phải có áp suất của cabin, bao gồm việc bơm khí nén trong buồng lái của máy bay.

Tại sao áp lực gian hàng là cần thiết?

Khi máy bay lên độ cao lớn hơn, áp suất khí quyển bên ngoài giảm và hàm lượng oxy cũng giảm.

Nếu không được cung cấp không khí điều áp vào cabin, hành khách sẽ bị thiếu oxy (hoặc bệnh trên núi), với các triệu chứng như mệt mỏi, chóng mặt, đau đầu và mất ý thức do thiếu oxy.

Nếu xảy ra lỗi trong việc cung cấp khí nén cho cabin hoặc giải nén, trường hợp khẩn cấp sẽ xảy ra khi máy bay phải hạ xuống ngay lập tức và tất cả những người ngồi trên máy bay phải đeo mặt nạ oxy.

Các chuyến bay trong tầng bình lưu, máy bay siêu thanh

Ở độ cao lớn hơn 10.000 mét, trong tầng bình lưu, mật độ của lớp khí thấp hơn, và do đó lực nâng ủng hộ chuyến bay cũng thấp hơn.

Mặt khác, ở những độ cao lớn này, hàm lượng oxy (O₂) trong không khí nhỏ hơn, và điều này là cần thiết cho cả việc đốt cháy nhiên liệu diesel làm cho động cơ của máy bay hoạt động, và để tạo áp lực hiệu quả trong cabin.

Ở độ cao hơn 10.000 mét so với bề mặt trái đất, máy bay phải bay với tốc độ rất cao, được gọi là siêu âm, đạt hơn 1.225 km / giờ ở mực nước biển.

Nhược điểm của máy bay siêu thanh phát triển cho đến hiện tại

Các chuyến bay siêu thanh tạo ra cái gọi là vụ nổ âm thanh, là những tiếng động rất lớn tương tự như sấm sét. Những tiếng động này tác động tiêu cực đến động vật và con người.

Ngoài ra, các máy bay siêu thanh này cần sử dụng nhiều nhiên liệu hơn và do đó tạo ra nhiều chất gây ô nhiễm không khí hơn so với máy bay bay ở độ cao thấp hơn..

Máy bay siêu thanh đòi hỏi động cơ mạnh hơn nhiều và vật liệu đặc biệt đắt tiền cho sản xuất của họ. Các chuyến bay thương mại rất tốn kém về kinh tế đến mức việc thực hiện chúng không mang lại lợi nhuận.

Tài liệu tham khảo

1. S.M., Hegglin, M.I., Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, và et. (2017). Đánh giá hơi nước tầng đối lưu và tầng bình lưu và tầng ozone trong reanalyses như là một phần của S-RIP. Hóa học và vật lý khí quyển. 17: 12743-12778. đổi: 10,5194 / acp-17-12743-2017
2. Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. et tất cả. (2019). Các sự kiện xoáy cực địa tầng yếu được điều chế bởi sự mất mát băng ở Bắc Cực. Tạp chí nghiên cứu địa vật lý: Khí quyển. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
3. Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. et tất cả. (2019). Khớp nối động lực tầng đối lưu-tầng đối lưu đối với biến thiên phản lực xoáy Bắc Đại Tây Dương. Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J., Scaife, A.A., Hardiman, S.C., Mitchell, D.M., Butchart, N. et al. (2015). Ảnh hưởng địa tầng đối với các luồng phản lực tầng đối lưu, theo dõi bão và thời tiết bề mặt. Thiên nhiên 8: 433-440.
5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et al. (2003). Trao đổi tầng đối lưu - tầng đối lưu: Một đánh giá, và những gì chúng ta đã học được từ STACCATO. Tạp chí nghiên cứu địa vật lý: Khí quyển. 108 (D12). đổi: 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland F.S. (2009) Sự suy giảm tầng ozone tầng bình lưu. Trong: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (chủ biên) Hai mươi năm suy giảm ôzôn. Mùa xuân. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5