Стратосфера – это часть атмосферы, которая на определенной высоте напоминает по плотности воздух у поверхности Марса. А еще именно в этой области находится знаменитый озоновый слой, насчет которого постоянно переживают экологи.
Стратосфера: что это такое?
С точки зрения науки, стратосфера – это атмосферный слой, расположенный между тропосферой и мезосферой. Обнаружили его по историческим меркам не так давно – в 1893 году благодаря развитию технологии воздухоплавания и созданию шаров-зондов для исследования атмосферных показателей на больших высотах.
Француз Леон Филипп Тейсерен де Бор после 540 запусков шаров-зондов обнаружил, что на определенной высоте температура воздуха перестает понижаться и постепенно увеличивается. Ученый доложил об открытии изотермической границы в атмосфере 28 апреля 1902 года в Парижской академии. Именно Тейсерен де Бор ввел понятие «стратосфера» в науку и первым объяснил, что это такое.
На какой высоте находится стратосфера
На данный момент известно, что высота стратосферы различается: ее нижняя граница находится выше тропопаузы в 7-16 км от поверхности Земли, а верхняя заканчивается стратопаузой в 50-55 км над уровнем моря. Но это не жесткие рамки.
Характеристики стратосферы
По сравнению с ниже расположенной тропосферой, состав воздуха внутри стратосферы более однородный, но зато плотность газов гораздо меньше. И это не единственная особенность данного атмосферного слоя.
| Газовый состав | Озон, кислород, азот и инертные газы. В нижних слоях находится сернокислотный аэрозоль из вулканических выбросов |
| Облачность | Практически нулевая. Водяного пара крайне мало. До высоты 20-25 км возможно возникновение тонких перламутровых облаков в северной части Европы и над Аляской |
| Температура | Повышается с высотой от -70°С до 0°С |
| Плотность | Воздух очень разреженный. На высоте около 35 км составляет 1% от плотности на поверхности планеты и сравним с показателями на Марсе. |
| Движение воздушных масс | Вертикальное почти отсутствует. Горизонтальный ветер достигает 200 км/ч |
Строение, структура, слои стратосферы
В науке выделяется несколько слоев стратосферы в зависимости от изменений температуры воздуха.
Их названия и общие отличия предложил в 1902 году все тот же француз Тейсерен де Бор:
- Тропопауза. В норме каждые 100 м в тропосфере температура воздуха понижается примерно на 0,5 градусов по Цельсию. Но на высоте около 7-16 км этот процесс постепенно останавливается на отметке от -56.5 до -70 °С. Область, в которой замедляется понижение температуры, и назвали «тропопаузой».
- Изотермическая граница или нижний слой стратосферы. Она находится на расстоянии 11-25 км от уровня моря. В этом слое температура стратосферы остается стабильной на уровне -56.5 °С. Но может немного повышаться.
- Область инверсии или верхний слой стратосферы. В промежутке от 25 до 40 км, как понятно из названия, начинается обратный процесс. Воздух начинает постепенно согреваться с набором высоты. На верхней границе слоя его температура уже вполне комфортная для человека и составляет +0,8 °С.
- Стратопауза. Это верхняя часть стратосферы на высоте 40-55 км. Температура в этом слое остается более-менее стабильной и колеблется около 0 °С.
Выше границы стратосферы начинается мезосфера, в которой воздух снова теряет тепло, становясь холоднее с каждым километром набранной высоты.
Полеты в стратосфере
Фактически, вся гражданская авиация летает исключительно в тропосфере. Выше поднимается лишь небольшая часть летательных аппаратов. В первую очередь, это метеозонды, подобные тем, что использовались еще в 19 веке. По сути, это обычные, но очень крепкие воздушные шары. Они оснащены комплексами электронного оборудования для наблюдения за атмосферой и передают данные ученым для исследований и наблюдения за погодными условиями.
Но это не значит, что люди не появлялись в этом слое атмосферы:
- 27 мая 1931 Пауль Кипфер и Огюст Пикар стали первыми стратонавтами, поднявшимися до высоты 15875 м. Уже через год у Огюста Пикара получилось преодолеть отметку в 16 км.
- В 1933-1935 годах началось соревнование СССР и США. Советские стратонавты Прокофьев, Бирнбаум и Годунов в 1933 году смогли подняться на высоту 19 км. Следующая команда в 1934 году покорила высоту 22 км, но разбилась при спуске. В рамках американского проекта Explorer 1933-1935 годоа Альберт Стивенс и Орвил Андерсен смогли повторить подъем на высоту 22 км.
- В 1959-1962 годах США был запущен проект Excelsior по исследованию новых летательных аппаратов и парашютных систем. Из 6 стратонавтов погибло 3 человека, но в 1960 году рекорд высоты обновили 26 км. Для справки, в это же время Юрий Гагарин в 1961 году полетел в космос.
- В 1961 году была запущена научная программа StratoLab. Один из стратосферных летательных аппаратов достиг высоты почти 35 км. Ученые Малколм Росс и Виктор Претер для защиты использовали космические скафандры.
В настоящее время люди летают в стратосфере, в основном, только в кабинах сверхзвуковых реактивных самолетов. Но есть и те, кто продолжают испытывать пределы человеческой выносливости. В определении, на какой высоте в стратосфере можно выпрыгнуть из самолета с парашютом, победителем оказался вице-президент Google. В 2014 году 57-летний офисный сотрудник Алан Юстас совершил успешный прыжок с высоты 41 419 м.
Разрушение озонового слоя стратосферы: как происходит и чем опасно
Важнейшая особенность стратосферы, о которой нужно всегда помнить, заключается в озоне. Это специфический газ, который заполняет весь этот слой атмосферы. Под влиянием солнечной радиации кислород О2 распадается и собирается в новую молекулу О3, которая и называется озоном.
На самом деле его совсем немного – всего 0,00003% от массы атмосферы. При нормальном давлении толщина озонового слоя стратосферы оказалась бы всего 4 мм. Это вещество ядовито и не подходит для дыхания, но является барьером, который защищает всю жизнь на планете. Озон отражает ультрафиолетовые лучи, которые способны вызывать генетические мутации, разрушая органические клетки. Поэтому выше озонового слоя жизни нет.
Соединения ХФУ
В 1930-х годах ученые разработали соединения хлора, фтора и углерода, которые были названы фреонами или ХВУ (CFC в англоязычных источниках).
Они нашли широкое применение в промышленности:
- хладагент в холодильниках и кондиционерах, заменивший высокотоксичные аммиак и окись серы;
- выталкивающая основа газовых баллончиков;
- основа парфюмерных и медицинских аэрозолей;
- вспенивающий агент в производстве полиуретана.
Однако оказалось, что фреон, попадая в стратосферу, разрушается под действием ультрафиолета и выделяет свободные атомы хлора. В свою очередь, они активно взаимодействуют с защитным барьером планеты, разбивая соединение молекул кислорода. 1 атом хлора уничтожает 100000 молекул озона. Это стало причиной постепенного отказа от использования фреона в промышленности и его замены хлорфторуглеводородными соединениями, которые разрушаются уже в тропосфере.
Оксиды азота
Соединения N2O, попадая в озоновый слой, «отбирают» лишние молекулы кислорода и превращаются в 2 молекулы NO. Это приводит к постепенному истончению газовой оболочки.
В норме оксиды азота могли преодолеть расстояние до стратосферы только благодаря вулканическим выбросам. Поэтому их влияние было минимально. Но теперь вредные для озона химические соединения перемещаются по атмосфере в больших количествах благодаря полетам сверхзвуковых истребителей и использованию азотных удобрений.
Истончение и дыры в озоновом слое
В 1980-х годах ученые отметили, что толщина защитного барьера стратосферы на Южном полюсе уменьшилась вдвое, что и прозвали «дырой». Тот же процесс, пусть и в меньших масштабах, пронаблюдали и на Северном полюсе. Это опасный процесс, отражающий негативное воздействие человека на планету. Но в целом, в данных регионах люди практически не появляются, поэтому мало кто обратил внимание на проблему.
Однако в 2018 году ученый Уильям Болл опубликовал статью с новыми данными в журнале Atmospheric Chemistry and Physics. В своей работе он доказал, что «дыра» над Южным полюсом затягивается. Но в то же время начал истончаться слой озона над умеренными широтами, как компенсирующий механизм. В результате под прямой угрозой оказались практически все развитые страны.
Это не значит, что уже завтра произойдет нечто непоправимое. Но без изменения отношения к выбросам в атмосферу и новых мер по защите стратосферы человечество в будущем встретится с проблемой защиты людей, растений и животных от ультрафиолетового излучения.
