Путешествие в стратосферу пейзажем напоминает космический полет: звезды, четкая граница между голубыми небесами и космосом, далекая Земля внизу. Стратосферная область атмосферы – «дом» озона и быстрых ветров, в ней почти нет облаков, но жизнь существует. В статье дадим краткие характеристики и определение – стратосфера это что, будем описывать, как устроен этот слой атмосферы, на сколько километров удален от планеты.
Содержание
Что такое стратосфера
Атмосфера – газовая оболочка Земли, которая удерживается силой тяжести и вращается вместе с планетой. Состоит из слоев. Нижняя часть – тропосфера. Ее характеризуют динамика и турбулентность, она насыщена вертикальными движениями среды и облаками.
Стратосфера – это второй по удаленности от Земли слой атмосферы, лежащий между тропосферой и мезосферой. Обнаружили его, по историческим меркам, не так давно – в 1893 году – благодаря развитию воздухоплавания и использования шаров-зондов для исследования атмосферных показателей на больших высотах.
Стратосфера «уложена» ровными слоями, динамически не перемешивающимися. Отсюда и название – от латинского «stratum» («слой»). Эта область содержит 20 % запасов воздуха, внутри нее находится озоносфера, защищающая Землю от опасного УФ-излучения Солнца.
Расположение и высота от Земли
Верхняя граница стратосферы с нижним пределом тропопаузой и верхним пределом стратопаузой находится на высоте 50–55 км.
Контур нижней границы стратосферы повторяет ломаные очертания тропопаузы. Тропопауза расположена ниже над полюсами – на высоте около 10 км. В средних широтах она поднимается до 12 км, а экваториальное Солнце «выталкивает» эту область стратосферы на высоту до 17 км. Кроме того, над антициклонами она выше, а над циклонами – ниже. Эта зона составляет от нескольких сотен метров до 3 км.
Строение стратосферы
Толщина стратосферы – примерно 40 км. Стратосфера имеет слоистую структуру, состоит из нижней части, озоносферы, верхней части, стратопаузы.
Нижний слой называют изотермической границей. Эта зона стратосферы находится на высоте 10-25 км. Область инверсии (верхний слой) – на высоте 25-50 км.
Озоносфера (озоновый слой) начинается с высоты 15-20 км. Заканчивается эта область в 55-60 км над планетой – уже в мезосфере. Большая часть (около 90 %) всего атмосферного озона находится именно в этой зоне стратосферы, отсюда и название слоя.
Озон (O3) – модифицированный кислород, состоящий из трехатомных молекул вещества. Это голубой газ с резким специфическим запахом. Образуется в результате фотохимических реакций, при взаимодействии кислорода и УФ-лучей. Наиболее интенсивное образование озона происходит на высоте около 30 км.
Озон – парниковый газ, влияющий на погоду и климат планеты. Озоновый слой создает биологические условия, благоприятные для существования земных растений и обитателей. Вещество поглощает жесткий ультрафиолет Солнца, опасный для всего живого на Земле.
Атмосфера на 100 км вверх химически практически однородна. Какие вещества можно обнаружить в стратосфере, ее химический состав? Стратосфера содержит озон, азот, кислород, оксиды азота, азотную и серную кислоты, силикаты, галогенированные соединения. Газовая масса воздуха в стратосфере и тропосфере почти одинакова, но в первой неизмеримо выше концентрация озона и намного меньше водяного пара.
В нижней части стратосферы фиксируются повышенные концентрации аэрозольных частиц, особенно сульфатных – продуктов вулканических извержений. Здесь слабый турбулентный обмен, нет осадков, вымывающих вещества, поэтому частицы в этой области задерживаются дольше, чем в тропосферном слое.
Стратосфера очень разрежена, в ней практически нет воды (в виде пара), соответственно, не образуются «обычные» облака. Но именно в стратосфере встречается редкое и очень красивое явление – перламутровые облака. Конденсационные образования из кристалликов льда формируются в нижнем слое стратосферы, преимущественно в полярных широтах, при наступлении аномально низких температур.
Свойства и особенности
Плотность воздуха в сотни раз меньше, чем на уровне моря. Давление на нижней границе слоя в 10 раз меньше, чем у поверхности Земли, а на верхней – меньше почти в 1 000 раз.
В стратосфере задерживается преимущественная часть УФ-излучения. Там же преобразуется энергия его составляющих – коротких волн. Эти лучи влияют на такие явления и реакции, как ионизация, распад молекул, трансформация магнитных полей, образование химических соединений. Подобные процессы отражаются в форме различных небесных явлений – зарниц, северного сияния.
Характеристики стратосферы и тропосферы различны – первая является более однородной и стабильной атмосферной средой. Как уже сказано выше, в стратосфере почти не бывает облаков и других погодных явлений. Вертикальное перемещение воздуха происходит там диффузионно. Сформировавшиеся горизонтальные потоки не перемешивают нижние и верхние слои воздуха.
Турбулентности, свойственной тропосфере, здесь нет. В стратосфере устойчивые воздушные течения, но наблюдаются большие скорости ветра и струйные течения. В зимние месяцы преобладают западные ветры. Летом, на расстоянии выше 25 км, направление ветра становится восточным.
Коэффициент диэлектрической проницаемости равен 1, поэтому стратосфера слабо влияет на радиоволновое распространение.
Минимальная концентрация водяного пара, и, как следствие, – практически нулевая облачность делает стратосферу стабильной областью для полетов. Большинство современных сверхзвуковых самолетов коммерческого и военного назначения летают в этой зоне на высоте 20 км.
В этой же атмосферной области, но уже на высоте 40 км от Земли, работают беспилотные аэростаты – метеозонды. Максимальная высота, на которую поднимаются такие аппараты, – 52 км. Это означает, что аэростат способен пересечь весь стратосферный слой и добраться до его верхней границы.
Температурные колебания
Стабильная стратосфера отличается от изменчивой тропосферы и особенностями температурного «поведения». Эта область атмосферы состоит из стратифицированных температурных слоев – теплых в высоком небе, и прохладных – в низком.
Первые 15 км имеют практически неизменную температуру -56,5°C. Для верхнего слоя характерно резкое потепление. На «отметке» около 25 км температура, как это ни покажется странным, начинает расти. На промежутке от 25 до 40 км происходит инверсия показателей – температура стратосферы поднимается до 0 °C и больше не изменяется. Эта область постоянной температуры – стратопауза. Нулевое значение температуры остается неизменным до 55 км над Землей, где кончается стратопауза, и начинается мезосфера.
Нагревание происходит в результате поглощения озоном излучения Солнца в диапазоне длин волн 240-280 нм. А длинноволновое излучение молекул углекислого газа и воды способствует охлаждению воздуха. В низких широтах концентрация этих веществ выше, а озона – ниже, поэтому здесь стратосферы температура ниже, чем над высокими широтами. Температура нижнего слоя над умеренными и средними широтами с высотой почти не меняется, начиная подниматься в верхнем слое. Над экватором и тропиками температура возрастает по всей области стратосферы.
Температура в стратосфере изменяется также по мере смены сезонов, достигая особенно низких значений в полярную ночь (зиму).
Такое строение стратосферы – одинаковый холод в нижней трети и постепенный прогрев верхних слоев по мере подъема – делает ее «устройство» и состояние стабильными. При таких температурных колебаниях условия для вертикальной тепловой конвекции отсутствуют.
Функции стратосферы
Стратосфера – область активных фотохимических процессов. Здесь сосредоточен озон, благодаря которому основное значение стратосферы – быть щитом, предотвращать попадание УФ-излучения на поверхность Земли. Озоновый слой защищает от губительного жесткого ультрафиолета – причины рака, генетических мутаций, уничтожения растительности, в том числе и сельскохозяйственных культур.
Процессы образования и разрушения озона уравновешены. Высокодинамичные молекулы вещества перемещаются и создают постоянные концентрации.
Последствия дыры в озоновом слое
Технический прогресс разрушает озоновый слой. В стратосферу попадают озоноразрушающие компоненты – вещества, которые появляются из-за химических выбросов промышленных предприятий, полетов реактивных самолетов, при запуске ракет.
Побочные продукты антропогенной деятельности распадаются в стратосфере под воздействием ультрафиолета, выделяя разрушающие молекулы озона хлор и бром. Так образуются озоновые дыры.
На снимках из космоса видно, что «озоновые дыры» не являются «дырами» в буквальном смысле. Это метафорический термин, обозначающий участки с локальным утончением озонового слоя, с явно сниженной концентрацией озона.
Наиболее истончившийся озоновый слой наблюдается над Антарктидой – особое сочетание метеорологических условий и химического состава атмосферы над южным полюсом усиливает разрушающее антропогенное воздействие.
«Прохудившийся» озоновый слой уже не так эффективно поглощает опасный ультрафиолет. УФ-излучение в высоких дозах снижает иммунитет, опасно для органов зрения. Люди страдают от аллергии, преждевременного старения, меланомы.
От избыточной солнечной радиации снижается плодородие почв, нарушается фотосинтез растений. При этом активно развиваются токсичные сине-зеленые водоросли, от которых условия обитания рыб (особенно икринок и мальков), устриц, крабов и других мелких животных становятся неподходящими.
Удары самолетов в стратосфере
Стратосфера важна тем, что является полетным пространством для реактивных самолетов и метеорологических зондов. Спокойствие стратосферы экономит топливо на парирование различных возмущений, что особенно важно в дальнем полете. Кроме того, отсутствие турбулентности снижает нагрузку на летательный аппарат и уменьшает накопление усталости металла, продляя эксплуатационный ресурс.
Коммерческие авиалайнеры летают в нижних слоях стратосферы. Это связано с отсутствием вертикальных потоков и низкой плотностью воздуха, уменьшающей лобовое сопротивление летательного аппарата.
Современные боевые и сверхзвуковые коммерческие самолеты поднимаются в стратосферу на высоту 20 км. Высотные метеозонды на аэростатах работают в зоне 40 км. Данные с приборов передаются на Землю по радиоканалу. Рекорд высоты для беспилотного аэростата – 51,8 км.
В небе после пролета реактивного самолета остается белая «лыжня», которая долго держится, а потом медленно расходится. Эта «дорожка» – инверсионные следы – кристаллы льда, возникающие после того, как холодная атмосфера встречается с влажным и горячим выхлопом самолета. Следы становятся тонкими на больших высотах и при низкой влажности. Чем влажнее атмосфера, тем толще следы.
Интересные факты
Мы припасли 9 интересных фактов о стратосфере и событиях, связанных с этим атмосферным слоем.
- Одна часть стратосферы обитаема, а другая – нет, так как живые организмы обитают ниже границы озонового слоя.
- Высота нижней границы стратосферы повышается от зимы к лету, и по направлению от полярных областей к экватору.
- Стратосферу называют «near space» – «почти космос». Это смертельно опасная для человека среда. Что угрожает хрупкому человеческому организму в стратосфере? Крайне разреженная атмосфера, низкое атмосферное давление (стратонавты надевают герметичные костюмы, в которые под давлением подается воздух), космическая и солнечная радиация. Эти факторы делают условия в стратосфере похожими на условия на низкой околоземной орбите. Поэтому, слетать к «границе космоса» – почти совершить космический полет.
- Первыми стратонавтами, поднявшимися до высоты 15 875 м, стали Пауль Кипфер и Огюст Пикар. Это произошло 27 мая 1931 года.
- В 2012 году австрийский парашютист Баумгартнер прыгнул с гелиевого шара на высоте 37 км (верхняя стратосфера). В полете он достиг максимальной скорости 1 358 км/час, став первым человеком, преодолевшим звуковой барьер без транспорта.
- В стратосфере, на высоте от 8 до 15 км над поверхностью планеты, обитает множество различных микроорганизмов. Многие из микробов, обнаруженных высоко в небе, похожи на те, что обитают в океанах и пресноводных средах.
- Цвет неба в слое стратосферы кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.
- Стратосфера издает таинственные шумы – низкий, повторяющийся несколько раз в час, гул. Непонятные звуки записали микробарометры (инфразвуковые датчики), закрепленные на воздушных шарах на солнечной энергии, примерно в 50 км над поверхностью Земли. Звуки были записаны в инфразвуковом диапазоне – на частотах 20 Гц и ниже, что ниже диапазона человеческого слуха. Источник звуков до сих пор не установлен.
- Один атом хлора уничтожает более 100 тысяч молекул озона, истончая озоновый слой и позволяя жесткому ультрафиолету достигать Земли, принося опасность всему живому.
