Tầng bình lưu: đặc điểm, chức năng, nhiệt độ
Tầng bình lưu 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. Lớp 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.
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 độ cao 16 đến 20 km. 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 trên 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 có trong bầu khí quyển của Trái đất được tìm thấy 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) chịu oxy. Phần lớn các khí trong tầng bình lưu đi vào từ tầng đối lưu.
Tầng bình lưu chứa ozone (O 3 ), nitơ (N 2 ), oxy (O 2 ), oxit nitơ, axit nitric (HNO 3 ), axit sulfuric (H 2 SO 4 ), 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 (H 2 O ở trạng thái khí) trong tầng bình lưu 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, trong đó ozone can thiệp (O 3 ). 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 tầng bình lưu oxy phân tử (O 2 ) bị phân ly do ảnh hưởng của bức xạ tia cực tím (UV) từ Mặt trời:
O 2 + UV ÁNH SÁNG → O + O
Các nguyên tử oxy (O) có tính phản ứng cao và phản ứng với các phân tử oxy (O 2 ) để tạo thành ozone (O 3 ):
O + O 2 → O 3 + 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 gây ra nhiệt độ cao ở 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 (O 2 ), như thể hiện qua phản ứng hóa học sau:
O 3 + UV ÁNH SÁNG → O + O 2
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 các hợp chất chlorofluorocarbon (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 CFCl 3 (Freon 11), CF 2 Cl 2 (Freon 12), C 2 F 3 Cl 3 (Freon 113) và C 2 F 4 Cl 2 (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 máy điều hòa không khí và tủ lạnh, thay thế ammonia (NH 3 ) và sulfur dioxide lỏng (SO 2 ) (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 lon aerosol và làm dung môi để làm sạch thẻ thiết bị điện tử.
Việc sử dụng rộng rãi và quy mô lớn của CFC đã tạo 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:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
Các nguyên tử clo phản ứng rất dễ dàng với ozone và phá hủy nó:
Cl + O 3 → ClO + O 2
Một nguyên tử clo duy nhất có thể phá hủy hơn 100.000 phân tử ozone.
Oxit nitơ
Nitơ oxit NO và NO 2 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 phía trên Bắc Cực và trên 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 có những 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 aerosol. Năm 1987, đại đa số các nước công nghiệp đã ký kết 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 tâm Trái đất.
Lực cản là một lực làm chậm hoặc ngăn cản bước tiến của máy bay. Lực cản này tác dụng theo hướng ngược 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 lực cản làm biến dạng chuyến bay của máy bay.
Máy bay bay trong tầng đối lưu
Các máy bay thương mại và dân dụng đến 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 có áp suất của cabin, bao gồm việc bơm khí nén trong buồng lái của máy bay.
Tại sao áp lực của cabin 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 có áp suất không được cung cấp cho 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 ít hơn.
Mặt khác, ở những độ cao này, hàm lượng oxy (O 2 ) trong không khí thấp 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 cho áp suất hiệu quả trong cabin.
Ở độ cao hơn 10.000 mét so với bề mặt Trái đất, máy bay phải đi 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, đó 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.
