Стратосфера, свойства, строение и структура

Температурные колебания

В отличие от тропосферы, в стратосфере температура воздуха возрастает. В предшествующей ей тропопаузе этот показатель перестает снижаться с повышением высоты. Эта особенность сохраняется и в нижней части слоя стратосферы, размещающейся на высоте от 11 до 25 км. В этой области температура имеет практически неизменные значения.

На высоте 40 км температурные показатели воздуха доходят до 0°C (если точнее, то до +273 К). Это значение остается неизменным до 55 км над Землей, где кончается стратопауза, служащая границей, отделяющей стратосферу от мезосферы.

Строение атмосферы Земли

Глядя на небо, особенно когда оно совершенно безоблачно, очень сложно даже предположить, что оно имеет такую сложную и многослойную структуру, что температура там на различных высотах очень сильно отличается, и что именно там, в высоте, происходят важнейшие процессы для всей флоры и фауны на Земле.

Если бы не такой сложный состав газового покрова планеты, то здесь бы просто не было никакой жизни и даже возможности для ее зарождения.

Первые попытки изучить эту часть окружающего мира были предприняты еще древними греками, но те не могли зайти в своих умозаключениях слишком далеко, так как не обладали необходимой технической базой. Они не видели границы разных слоев, не могли измерить их температуру, изучить компонентный состав и т. д.

В основном только погодные явления наталкивали самые прогрессивные умы на размышления о том, что видимое небо не такое простое, как кажется.

Считается, что структура современной газовой оболочки вокруг Земли образовалась в три этапа. Сначала была первичная атмосфера из водорода и гелия, захваченных из космического пространства.

Потом извержение вулканов наполнило воздух массой других частиц, и возникла вторичная атмосфера. После прохождения всех основных химических реакций и процессов релаксации частиц, возникла нынешняя ситуация.

Озоновый слой Земли

Главная отличительная черта стратосферы — это максимальная во всей атмосфере концентрация озона. Он формируется под действием солнечных лучей и защищает все живое на планете от их губительного излучения. Озоновый слой Земли располагается на высоте 20-25 км над уровнем моря. Молекулы О₃ распределены во всей стратосфере и даже есть у поверхности планеты, однако на этом уровне наблюдается их наибольшая концентрация.

Нужно заметить, что озоновый слой Земли составляет всего 3-4 мм. Такой будет его толщина, если разместить частицы этого газа в условиях нормального давления, например, у поверхности планеты. Озон образуется в результате распада молекулы кислорода под действием ультрафиолета на два атома. Один из них соединяется с «полноценной» молекулой и образуется озон — О₃.

Строение, структура, слои стратосферы:

Стратосфера состоит из нескольких слоев: нижнего и верхнего.

Нижний слой стратосферы располагается на высоте 10 – 25 км над уровнем моря. Вблизи экватора нижний край стратосферы начинается с высоты около 18 км, в средних широтах – около 12 км и на полюсах – около 10 км. Для нижнего слоя стратосферы характерно незначительное изменение температуры с изменением высоты. Температура составляет порядка −56,5 °С.

Верхний слой стратосферы находится на высоте 25 – 50 км от уровня моря. Температура в верхнем слое стратосферы по мере удаления от поверхности Земли до высоты 40 км повышается от −56,5 °С до 0 (до +0,8) °С. На расстоянии от 40 км до 55 км от Земли температура остается неизменной и составляет порядка 0 °С. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

Температура в пределах стратосферы также изменяются по мере смены сезонов года, достигая особенно низких температур в полярную ночь (зиму).

В стратосфере и выше на высоте от 15-20 до 55-60 км от Земли располагается озоновый слой, который определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон (от др.-греч. ὄζω – «пахну») – состоящая из трёхатомных молекул O₃ аллотропная модификация кислорода. Озон при нормальных условиях – голубой газ, обладающий резким специфическим запахом. Озон (О₃) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~30 км. Общий объём О₃, будь он сконцентрирован в одном отдельном слое, составил бы при нормальном давлении сплошной слой толщиной всего 1,7−4,0 мм.

Стратосфера

Стратосфера является вторым по величине слоём атмосферы, а также вторым, ближайшим к Земной поверхности. По оценкам, он содержит около 15% от общей массы атмосферы Земли.

Толщина стратосферы составляет 35 км от тропопаузы, что означает, что она расположена между тропосферой и мезосферой. Термин «стратосфера» происходит от греческого strato (значит «слой») для обозначения того факта, что сама стратосфера подразделяется на другие более тонкие слои.

Слои стратосферы образуются из-за отсутствия климатических явлений, которые смешивают воздух. Таким образом, существует чёткое разделение между холодным и тяжёлым воздухом внизу и тёплым, лёгким воздухом сверху. Таким образом, с точки зрения температуры стратосфера работает точно противоположно тропосфере.

Поскольку эта зона более высокой вертикальной стабильности (без перемещений воздуха), пилоты самолётов, как правило, остаются в начале стратосферы, чтобы избежать турбулентности. Именно на этой высоте самолёты и воздушные шары достигают максимальной эффективности.

Некоторые самолёты, особенно реактивные, влетают в стратосферу, чтобы избежать воздухообмен.

Стратосфера также содержит хорошо известный озоновый слой, который поглощает большую часть ультрафиолетового излучения солнца. Без озонового слоя жизнь на Земле, какой мы её знаем, была бы невозможна.

Подобно тропосфере, стратосфера также имеет область, которая ограничивает её конец и показывает начало мезосферы, которая называется стратопауза.

Состав стратосферы

Большинство элементов, найденных на поверхности Земли и в тропосфере, не достигают стратосферы. Вместо этого они обычно:

разлагаются в тропосфере;
могут быть устранены солнечным светом;
могут переноситься на поверхность Земли через дождь или другие осадки.

Из-за инверсии в динамике температуры между тропосферой и стратосферой воздух практически не обменивается между двумя слоями, в результате чего испарения воды существуют в стратосфере только в незначительных количествах. По этой причине в этом слое чрезвычайно редко образование облаков.

Что касается газов, стратосфера образована преимущественно озоном, присутствующим в озоновом слое. Считается, что 90% всего озона в атмосфере находится в этой области. Кроме того, стратосфера содержит элементы, переносимые извержениями вулканов, такие, как оксиды азота, азотная кислота, галогены и т. д.

Температура стратосферы

Температура в стратосфере увеличивается с увеличением высоты, варьируя от -51 ° C в самой низкой точке (тропопауза) до -3 ° C в самой высокой точке (стратопауза).

Определение слова «Стратосфера» по БСЭ:

Стратосфера (от лат. stratum — слой и греч. sphaira — шар)слой атмосферы между тропосферой и мезосферой (от 8-16 км до 45-55 км), температура в С. в общем растет с высотой. Газовый состав воздуха в С. сходен с тропосферным, но в С. меньше водяного пара и больше озона (O₃). Наибольшая концентрация O₃ в слое от 20 до 30 км. Тепловой режим С. в основном определяется лучистым теплообменом, в меньшей степени — вертикальными движениями и горизонтальным переносом воздуха. В целом С. близка к лучистому равновесию, т. е. температура в ней определяется равенством энергии, поглощаемой и излучаемой молекулами H₂O, CO₂ и O₃. Нагревание воздуха С. вызывается главным образом поглощением ультрафиолетовой солнечной радиации озоном. Наоборот, длинноволновое излучение молекул H₂O и CO₂ приводит к охлаждению воздуха. Из-за этого в низких широтах, где повышено количество H₂O и CO₂, а O₃ меньше, С. холоднее, чем над высокими широтами.В умеренных и высоких широтах температура в нижней половине С. мало меняется с высотой, а выше — растет. Над экватором и тропиками во всей С. температура растет с высотой. На нижней границе С. температура меняется от -40°C (-60°C) в полярных и умеренных широтах до -70°C (-80°C) в тропиках. На верхней границе С. температура в среднем близка к 0°C. В С. наблюдаются большие скорости ветра, а также струйные течения. Летом выше 20-25 км преобладающее направление ветра в С. меняется с западного на восточное. Зимой во всей С. дуют западные ветры. Максимальные скорости ветра наблюдаются у верхней границы С. (до 80-100 м/сек зимой и 60-80 м/сек летом). На высоте 20-30 км иногда образуются т. н. перламутровые облака, состоящие, по-видимому, из кристалликов льда или переохлажденных капель воды. Нижняя С. на высоте до 20-25 км отличается повышенным содержанием аэрозольных частиц, в особенности сульфатных, заносимых сюда при вулканических извержениях. Они сохраняются здесь дольше, чем в тропосфере, вследствие малого турбулентного обмена и отсутствия вымывания осадками. Этот аэрозольный слой С., увеличивая атмосферное Альбедо, приводит к некоторому понижению температуры воздуха у земной поверхности, особенно сильному после больших взрывных извержений вулканов.Лит.: Хвостиков И. А., Высокие слои атмосферы, Л., 1964, гл. 5, § 14, гл. 9, § 27. Логвинов К. Т.. Метеорологические параметры стратосферы, Л., 1970.С. М. Шметер.

Слои газовой оболочки

Атмосферу подразделяют на несколько слоев, располагающихся друг над другом и имеющих особенности в составе:

пограничный слой — непосредственно прилегает к поверхности планеты, простирается до высоты в 1-2 км;
тропосфера — второй слой, внешняя граница в среднем располагается на высоте 11 км, здесь сконцентрирован практически весь водяной пар атмосферы, образуются облака, возникают циклоны и антициклоны, по мере увеличения высоты подает температура;
тропопауза — переходный слой, характеризующийся прекращением снижения температуры;
стратосфера — это слой, простирающийся до высоты 50 км и делящийся на три зоны: с 11 до 25 км температура меняется незначительно, с 25 до 40 — температура повышается, с 40 до 50 — температура остается постоянной (стратопауза);
мезосфера простирается на высоту до 80-90 км;
термосфера достигает отметки 700-800 км над уровнем моря, здесь на высоте 100 км располагается линия Кармана, которую принимают за границу между атмосферой Земли и космосом;
экзосфера также называется зоной рассеяния, здесь сильно разреженный газ теряет частицы вещества, и они улетают в космос.

Особенности стратосферы

Стратосфера Земли содержит около 20% массы всей атмосферы. Воздух здесь настолько разрежен, что пребывание человека без специального скафандра невозможно. Этот факт — одна из причин, по которой полеты в стратосферу стали осуществляться лишь сравнительно недавно.

Другая особенность газовой оболочки планеты на высоте 11-50 км заключается в очень небольшом количестве водяного пара. В стратосфере по этой причине практически никогда не образуются облака. Для них просто нет строительного материала. Однако редко все же можно наблюдать так называемые перламутровые облака, которыми «украшается» стратосфера (фото представлено ниже) на высоте 20-30 км над уровнем моря. Тонкие, как бы светящиеся изнутри образования можно наблюдать после заката или перед восходом. Формой перламутровые облака похожи на перистые или перисто-кучевые.

Слои газовой оболочки

Атмосферу подразделяют на несколько слоев, располагающихся друг над другом и имеющих особенности в составе:

пограничный слой — непосредственно прилегает к поверхности планеты, простирается до высоты в 1-2 км;
тропосфера — второй слой, внешняя граница в среднем располагается на высоте 11 км, здесь сконцентрирован практически весь водяной пар атмосферы, образуются облака, возникают циклоны и антициклоны, по мере увеличения высоты подает температура;
тропопауза — переходный слой, характеризующийся прекращением снижения температуры;
стратосфера — это слой, простирающийся до высоты 50 км и делящийся на три зоны: с 11 до 25 км температура меняется незначительно, с 25 до 40 — температура повышается, с 40 до 50 — температура остается постоянной (стратопауза);
мезосфера простирается на высоту до 80-90 км;
термосфера достигает отметки 700-800 км над уровнем моря, здесь на высоте 100 км располагается линия Кармана, которую принимают за границу между атмосферой Земли и космосом;
экзосфера также называется зоной рассеяния, здесь сильно разреженный газ теряет частицы вещества, и они улетают в космос.

Стратосфера:

Стратосфера (от лат. stratum – «настил, слой») – один из основных слоев атмосферы, который располагается между тропосферой и мезосферой на высоте от 10 – 50 км от уровня моря.

Нижней границей стратосферы служит тропопауза, верхней – стратопауза.

Стратосфера по своему строению не однородна. Она состоит из нескольких слоев: нижнего – более холодного и верхнего – более теплого. Увеличение температуры верхнего слоя стратосферы с высотой является результатом поглощения ультрафиолетового излучения Солнца озоновым слоем. В этом стратосфера отличается от тропосферы, расположенной вблизи поверхности Земли, где температура снижается с высотой.

Сама стратосфера очень разрежена, влага (водяной пар) в ней практически отсутствует, а потому в ней не образуются облака, за исключением перламутровых. Перламутровые облака представляют собой конденсационные образования, которые образуются в нижнем слое стратосфере на высотах от 15 до 27 км в зимне-весенний период, преимущественно в полярных широтах (иногда – в средних широтах) при аномально низких температурах (менее –78 оС). Перламутровые облака являются достаточно редким явлением. Лучшее время для их наблюдений – сумерки, когда Солнце опускается на 1-6 градусов за горизонт.

Плотность воздуха в стратосфере в десятки и сотни раз меньше, чем на уровне моря. Давление на нижней границе стратосферы в 10 раз меньше, чем у поверхности Земли, а на верхней – меньше почти в 1000 раз.

В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180-200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн.

По сравнению с тропосферой стратосфера представляет более однородную и более стабильную атмосферную среду, которая создает очень стабильные атмосферные условия. Поэтому в стратосфере отсутствует атмосферная турбулентность, которая так распространена в тропосфере. Здесь присутствуют устойчивые воздушные течения. Скорость ветра в стратосфере может значительно превышать скорость ветра в тропосфере, достигая 300 км/ч.

Полеты в стратосфере

Освоение стратосферы началось в 30-х годах прошлого столетия. Сегодня до высоты 20 км поднимаются боевые и сверхзвуковые коммерческие самолеты. Отметки в 40 км над уровнем моря достигают метеозонды. Рекордная высота, которой достиг беспилотный аэростат — 51,8 км.

Постепенно осваивают эту часть воздушной оболочки и любители экстремального спорта. В 2012 году австрийский парашютист Феликс Баумгартнер совершил прыжок со стратосферы с высоты почти 39 км. Преодолев во время полета звуковой барьер, он благополучно приземлился. Рекорд Баумгартнера побил вице-президент компании Google Алан Юстас. За 15 минут он пролетел, также достигнув скорости звука, 40 км.

Таким образом, сегодня стратосфера — это более изведанный слой атмосферы, нежели в начале прошлого века. Однако по-прежнему не очень понятным остается будущее озонового слоя, без которого не возникла бы жизнь на Земле. Пока страны сокращают производство фреона, одни ученые говорят, что это не принесет особой пользы, по крайней мере, такими темпами, а другие, что это и вовсе не нужно, поскольку основная часть вредных веществ образуется естественным путем. Кто прав — рассудит время.

Опасные явления связанные с ветрами

Ещё одно опасное явление — ветры разрушительной силы. На обширных безлесных равнинах сильные ветры вызывают зимой снежные бураны, а летом пыльные бури. Особенно пыльные бури вредят сельскому хозяйству Китая, США, России, стран Африки. Ветер поднимает в воздух и переносит на значительные расстояния миллионы тонн рыхлых пород и почвы, засыпая песком и пылью поля, сады и пастбища, уничтожая посевы.

Над сушей во время грозы часто возникают смерчи. Из нависающих грозовых туч опускается тёмный «хобот», вращающийся с бешеной скоростью. Подобно гигантскому пылесосу, он вздымает облака пыли, засасывает всё, что попадается на пути.

Из-за сильных перепадов давления в тропических широтах над океанами формируются гигантские воздушные вихри (циклоны). Они движутся со скоростью более 300 километров в час. В Тихом океане их называют тайфунами, в Атлантическом — ураганами, в Индийском — циклонами.

Тропические ураганы сопровождаются штормовыми волнами, ливневыми дождями и грозами. Основные пути тропических циклонов проходят над территориями Карибского моря, Мексики, США, Японии, Китая, Индии.

Строение стратосферы

По своему устройству эта часть атмосферы включает 4 слоя. К ним относятся:

нижняя часть;
озоносфера;
верхняя часть;
стратопауза.

Общая высота этой области составляет около 40 километров. Нижняя часть занимает пространство от 11 до 25 км, а верхняя (она же — область инверсии) — от 25 до 50 км. Такое разделение напрямую связано с расположением озонового щита.

Слой из этого вещества распространяется на всю стратосферу и даже выходит за ее верхнюю границу. Озоносфера начинается на высоте 15-20 км. Заканчивается она в 55-60 км над Землей, т.е. уже в мезосфере. Образование озона осуществляется через фотохимические реакции или процесс взаимодействия кислорода с ультрафиолетом. Их наибольшая интенсивность зафиксирована на высоте 30 км. Но максимальная концентрация вещества размещается в 25 км над земным шаром. По этой причине стратосфера делится на 2 части на этом уровне.

Верхняя часть описываемого атмосферного слоя оканчивается стратопаузой. Она является границей, отделяющей стратосферу от мезосферы. Для стратопаузы характерна постоянная температура воздуха около 0°C.

Стратосфера — слой атмосферы, высота которого равна примерно 40 км. Credit: mirkosmosa.ru.

Состав

Высокая устойчивость стратосферы обусловлена возрастанием температуры с высотой. В отличие от тропосферы, в этом слое отсутствует упорядоченное вертикальное движение воздуха и его перемешивание, а существуют небольшие вертикальные движения в виде медленного оседания или подъема, охватывающие слои стратосферы на огромных пространствах. Нагревание воздуха в стратосфере происходит за счет поглощения озоном ультрафиолетового излучения, а охлаждение – за счет длинноволнового излучения молекул H2O и CO2. Поэтому в низких широтах, где повышено содержание H2O и CO2, а O3 меньше, холоднее, чем над высокими широтами стратосферы. В стратосфере на высоте 20 — 25 км летом характерно изменение направления ветра с западного на восточное, а зимой постоянно дуют западные ветры. У верхней границы стратосферы наблюдаются максимально большие скорости ветра, а также струйные течения.

В нижней части стратосферы на высоте до 20 — 25 км отмечается повышенное содержание аэрозольных частиц, в особенности сульфатных, которые заносятся сюда во время извержения вулканов. Здесь они сохраняются дольше, чем в тропосфере, из-за малого турбулентного обмена и отсутствия вымывания осадками.

В стратосфере очень мало водяного пара, но иногда в высоких широтах наблюдаются перламутровые облака на высоте 22 — 24 км. Особенно они хорошо видны ночью, освещенные Солнцем, находящимся под горизонтом. Предполагается, что эти облака образуются из переохлажденных капель или кристалликов льда.

В стратосфере газовый состав воздуха практически не отличается от такового в тропосфере, но имеет отличие, а именно, повышенное содержание озона (O3). Стратосферу можно назвать озоносферой, из-за наличия в ней слоя озона. Озоновый слой образовался и сохраняется, благодаря взаимодействию ультрафиолетовых лучей Солнца с молекулами кислорода, и служит надежным препятствием для ультрафиолета, который губителен для всех живых организмов. При поглощении солнечной энергии слоем озона температура атмосферы повышается, а следовательно, слой озона является своеобразным резервуаром тепла в атмосфере. До высоты 10 км и более 60 км атмосфера почти полностью лишена озона, а максимальная концентрация его сосредоточена на высоте 20 — 30 км. В стратосфере тепловой режим, в основном, определяется лучистым теплообменом. Озон разрушается при взаимодействии с NO, со свободными радикалами, галогенсодержащими соединениями.

В стратосфере остается основная доля коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180 — 200 нм) и трансформируется энергия коротких волн. Под влиянием ультрафиолетовых лучей происходит изменение магнитных полей, распад молекул, ионизация, образуются новые газы и другие химические соединения. В природе эти процессы наблюдаются как северные сияния, зарницы и другие свечения.

Полеты в стратосфере:

Коммерческие авиалайнеры обычно летают на высотах 9-12 км, которые находятся в нижних слоях стратосферы в умеренных широтах. Это связано с экономией топлива при полете, в основном за счет низких температур, возникающих вблизи тропопаузы, и низкой плотности воздуха, уменьшающей лобовое сопротивление летательного аппарата.

Современные боевые и сверхзвуковые коммерческие самолёты летают в стратосфере на больших высотах – до 20 км ввиду более стабильных летных условий (хотя динамический потолок может быть значительно выше). Высотные метеозонды поднимаются до 40 км. Рекорд высоты для беспилотного аэростата составляет 51,8 км.

Примечание: Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

карта сайта

Коэффициент востребованности
183

Полеты в стратосфере:

Примечание: Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

Коэффициент востребованности 4

Озоновый слой Земли

Опасный защитник

Молекулы озона поглощают ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче 0,1–0,2 мкм. В этом заключается его защитная роль. Тонкий слой голубоватого газа предотвращает попадание на Землю солнечной радиации, губительной для живых организмов.

С потоком ветра озон попадает близко к поверхности планеты. Образуется он и на Земле во время грозы, работы копировальной техники или рентгена. Интересно, что большая концентрация озона губительна для человека. Он образуется под действие солнечных лучей в сильно загазованных областях. Прибывание в условиях так называемого озонового смога опасно для жизни. Голубоватый газ способен разрушить легкие. Сказывается его присутствие и на растениях — они перестают нормально развиваться.