- Đặc điểm tầng bình lưu
- Vị trí
- Kết cấu
- Thành phần hóa học
- Nhiệt độ
- Hình thành ôzôn
- Đặc trưng
- Sự phá hủy tầng ôzôn
- Hợp chất CFC
- Ôxít nitơ
- Mỏng và lỗ thủng trong tầng ôzôn
- Các hiệp định quốc tế về hạn chế sử dụng CFC
- Tại sao máy bay không bay ở tầng bình lưu?
- Máy bay đó
- Tại sao cần điều áp cabin?
- Các chuyến bay ở tầng bình lưu, máy bay siêu thanh
- Nhược điểm của máy bay siêu thanh được phát triển cho đến nay
- Người giới thiệu
Tầng bình lưu là một trong những lớp 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 có thể được lấy là 10 km đối với các vĩ độ trung bình của hành tinh. Giới hạn trên của nó là 50 km độ cao so với bề mặt Trái đất.
Bầu khí quyển của Trái đất là lớp khí bao quanh hành tinh. Theo thành phần hóa học và sự biến đổi nhiệt độ, nó được chia thành 5 tầng: tầng đối lưu, tầng bình lưu, trung quyển, nhiệt quyển và ngoại quyển.
Hình 1. Tầng bình lưu nhìn từ không gian. Nguồn: Cơ quan vũ trụ NOSA Galician
Tầng đối lưu kéo dài từ bề mặt Trái đất lên đến độ cao 10 km. Lớp tiếp theo, tầng bình lưu, nằm trong khoảng từ 10 km đến 50 km trên bề mặt trái đất.
Tầng trung lưu có độ cao từ 50 km đến 80 km. Nhiệt quyển từ 80 km đến 500 km, và cuối cùng là ngoại quyển kéo dài từ 500 km đến 10.000 km ở độ cao, là giới hạn của không gian liên hành tinh.
Đặc điểm tầng bình lưu
Vị trí
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 từ đường xích đạo của Trái đất.
Ở các cực của hành tinh, tầng bình lưu bắt đầu từ 6 đến 10 km trên bề mặt trái đất. Tại đường xích đạo, nó bắt đầu từ 16 đến 20 km độ cao. Giới hạn trên là 50 km so với bề mặt Trái đất.
Kết cấu
Tầng bình lưu có cấu trúc phân lớp riêng, được xác định theo 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 ôzôn cao, được gọi là tầng ôzôn hay tầng sinh quyển, nằm cách bề mặt trái đất từ 30 đến 60 km.
Thành phần hóa học
Hợp chất hóa học quan trọng nhất trong tầng bình lưu là ozon. 85 đến 90% tổng lượng ôzôn có trong bầu khí quyển Trái đất được tìm thấy ở tầng bình lưu.
Ôzôn được hình thành trong tầng bình lưu thông qua một phản ứng quang hóa (phản ứng hóa học khi ánh sáng can thiệp) mà ôxy trải qua. Phần lớn khí trong tầng bình lưu đi vào từ tầng đối lưu.
Tầng bình lưu chứa ozon (O 3 ), nitơ (N 2 ), oxy (O 2 ), nitơ oxit, axit nitric (HNO 3 ), axit sunfuric (H 2 SO 4 ), silicat và các hợp chất halogen hóa, chẳng hạn như clofluorocarbon. Một số chất này đến từ các vụ phun trào núi lửa. Nồng độ hơi nước (H 2 O ở trạng thái khí) trong tầng bình lưu rất thấp.
Trong tầng bình lưu, sự trộn khí thẳng đứng rất chậm và thực tế là không, do không có sự hỗn loạn. Vì lý do này, hóa chất và các vật liệu khác đi vào lớp này sẽ tồn tại trong đó một thời gian dài.
Nhiệt độ
Nhiệt độ trong tầng bình lưu thể hiện một hành vi ngược với nhiệt độ của 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, ở đó ozone (O 3 ) can thiệp . Có một lượng đáng kể ôzôn trong tầng bình lưu, tầng này hấp thụ bức xạ cực tím năng lượng cao từ Mặt trời.
Tầng bình lưu là một tầng ổn định, không có sự hỗn loạn để các khí trộn lẫn. Không khí lạnh và dày đặc ở phần dưới và ở phần trên ấm và nhẹ.
Hình thành ôzôn
Trong tầng bình lưu, oxy phân tử (O 2 ) bị phân ly do tác dụng của bức xạ tia cực tím (UV) từ Mặt trời:
O 2 + ÁNH SÁNG UV → O + O
Các nguyên tử oxy (O) phản ứng mạnh và phản ứng với các phân tử oxy (O 2 ) để tạo thành ozon (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 của tầng bình lưu và gây ra nhiệt độ cao ở các tầng trên.
Đặc trưng
Tầng bình lưu thực hiện chức năng bảo vệ tất cả các dạng sống tồn tại trên hành tinh Trái đất. Tầng ôzôn ngăn cản bức xạ tia cực tím (UV) năng lượng cao đến bề mặt trái đất.
Ôzôn hấp thụ tia cực tím và phân hủy thành ôxy nguyên tử (O) và ôxy phân tử (O 2 ), như thể hiện qua phản ứng hóa học sau:
O 3 + ÁNH SÁNG UV → O + O 2
Trong tầng bình lưu, các quá trình hình thành và phá hủy ôzôn ở trạng thái cân bằng duy trì nồng độ không đổi của nó.
Bằng cách này, tầng ôzôn hoạt động như một lá chắn bảo vệ khỏi bức xạ UV, là nguyên nhân gây ra đột biến gen, ung thư da, tàn phá mùa màng và thực vật nói chung.
Sự phá hủy tầng ôzôn
Hợp chất CFC
Kể từ những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã bày tỏ mối quan tâm lớn về tác hại của chlorofluorocarbons (CFCs) đối với tầng ôzôn.
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 hoạt động và không cháy.
Chúng bắt đầu được sử dụng làm chất làm lạnh trong máy điều hòa không khí và tủ lạnh, thay thế amoniac (NH 3 ) và sulfur dioxide lỏng (SO 2 ) (rất độc).
Sau đó, CFCs đã được sử dụng với số lượng lớn trong sản xuất đồ nhựa dùng một lần, làm chất đẩy cho các sản phẩm thương mại ở dạng bình xịt trong lon, và làm dung môi tẩy rửa cho thẻ thiết bị điện tử.
Việc sử dụng rộng rãi với số lượng lớn CFC đã tạo ra một vấn đề môi trường nghiêm trọng, vì những chất này 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 từ từ khuếch tán vào tầng bình lưu; ở lớp này chúng bị phân hủy do tác động của bức xạ UV:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
Nguyên tử clo phản ứng rất dễ dàng với ozon và phá hủy nó:
Cl + O 3 → ClO + O 2
Một nguyên tử clo có thể phá hủy hơn 100.000 phân tử ozone.
Ôxít nitơ
Các oxit của nitơ NO và NO 2 có phản ứng phá hủy ozon. Sự hiện diện của các oxit nitơ này trong tầng bình lưu là do khí thải ra từ động cơ của máy bay siêu thanh, khí thải từ các hoạt động của con người trên Trái đất và hoạt động của núi lửa.
Mỏng và lỗ thủng trong tầng ôzôn
Vào những năm 1980, người ta phát hiện ra rằng một lỗ hổng đã hình thành trong tầng ôzôn phía trên khu vực Nam Cực. Trong khu vực này, lượng ôzôn đã bị cắt giảm một nửa.
Người ta cũng phát hiện ra rằng ở phía trên Bắc Cực và trong suốt tầng bình lưu, tầng ôzôn bảo vệ đã mỏng đi, tức là nó đã giảm chiều rộng vì lượng ôzôn đã giảm đi đáng kể.
Việc mất ôzôn trong tầng bình lưu gây ra 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 hiệp định quốc tế về hạn chế sử dụng CFC
Năm 1978, nhiều quốc gia đã cấm sử dụng CFCs làm chất đẩy trong các sản phẩm bình xịt thương mại. Năm 1987, đại đa số các nước công nghiệp phát triển đã ký cái gọi là Nghị định thư Montreal, một hiệp định quốc tế đặt ra các mục tiêu về giảm dần sản xuất CFC và loại bỏ hoàn toàn vào năm 2000.
Một số quốc gia đã không tuân thủ Nghị định thư Montreal, vì việc giảm và loại bỏ CFCs này sẽ ảnh hưởng đến nền kinh tế của họ, đặt lợi ích kinh tế lên trước việc bảo tồn sự sống trên hành tinh Trái đất.
Tại sao máy bay không bay ở tầng bình lưu?
Trong quá trình bay của máy bay, 4 lực cơ bản tác động: lực nâng, trọng lượng máy bay, lực cản và lực đẩy.
Lực nâng là một lực hỗ trợ máy bay và đẩy nó lên trên; mật độ không khí càng cao thì lực nâng càng lớn. Mặt khác, trọng lượng là lực mà trọng lực của Trái đất kéo máy bay về phía trung tâm của Trái đất.
Lực cản là lực làm chậm hoặc ngăn máy bay di chuyển về phía trước. Lực cản này có tác dụng ngược hướng với đường đi của máy bay.
Lực đẩy là lực làm máy bay chuyển động tịnh tiến. Như chúng ta có thể thấy, lực đẩy và lực nâng có lợi cho chuyến bay; trọng lượng và lực cản tác động làm bất lợi cho chuyến bay của máy bay.
Máy bay đó
Máy bay thương mại và dân dụng ở khoảng cách ngắn bay ở độ cao xấp xỉ 10.000 mét so với mực nước biển, tức là ở giới hạn trên của tầng đối lưu.
Tất cả các máy bay đều yêu cầu điều áp cabin, bao gồm việc bơm khí nén vào cabin máy bay.
Tại sao cần điều áp cabin?
Khi máy bay càng lên cao, áp suất khí quyển bên ngoài giảm và hàm lượng oxy cũng giảm theo.
Nếu không khí điều áp không được cung cấp cho cabin, hành khách sẽ bị thiếu oxy (hoặc say núi), với các triệu chứng như mệt mỏi, chóng mặt, đau đầu và mất ý thức do thiếu oxy.
Nếu xảy ra sự cố trong việc cung cấp khí nén cho cabin hoặc giảm áp, trường hợp khẩn cấp sẽ phát sinh khi máy bay phải hạ xuống ngay lập tức và tất cả những người ngồi trên máy bay phải đeo mặt nạ dưỡng khí.
Các chuyến bay ở 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 hỗ trợ cho chuyến bay cũng thấp hơn.
Mặt khác, ở những độ cao này, hàm lượng oxy (O 2 ) trong không khí thấp hơn, và điều này cần thiết cho quá trình đốt cháy nhiên liệu diesel làm cho động cơ máy bay hoạt động và để điều áp hiệu quả trong cabin.
Ở độ cao hơn 10.000m so với bề mặt trái đất, máy bay phải đi với tốc độ rất cao, gọi là siêu thanh, đạt trên 1.225 km / giờ so với mực nước biển.
Hình 2. Máy bay thương mại siêu thanh Concorde. Nguồn: Eduard Marmet
Nhược điểm của máy bay siêu thanh được phát triển cho đến nay
Các chuyến bay siêu âm tạo ra cái gọi là bùng nổ âm thanh, là những tiếng động rất lớn tương tự như tiếng sấm. Những tiếng ồn 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 ô nhiễm không khí hơn các 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 để chế tạo. Các chuyến bay thương mại rất tốn kém về kinh tế nên việc thực hiện chúng không mang lại lợi nhuận.
Người giới thiệu
- SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y và tất cả. (2017). Đánh giá hơi nước ở tầng đối lưu và tầng bình lưu và ôzôn trong các phân tích lại như một phần của S-RIP. Hóa học và Vật lý khí quyển. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
- Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. và tất cả. (2019). Sự kiện lốc xoáy địa cực ở tầng bình lưu yếu được điều chỉnh bởi biển Bắc Cực - Mất băng. Tạp chí Nghiên cứu Địa vật lý: Khí quyển. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
- Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. và tất cả. (2019). Khớp nối động lực học đối lưu-tầng bình lưu liên quan đến sự biến đổi phản lực hướng xoáy ở Bắc Đại Tây Dương. Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
- Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. và tất cả. (2015). Ảnh hưởng của tầng bình lưu đối với các dòng phản lực tầng đối lưu, các vệt bão và thời tiết bề mặt. Tính chất 8: 433-440.
- Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. và tất cả. (2003). Stratosphere - trao đổi tầng đối lưu: Đánh giá và những gì chúng tôi đã học được từ STACCATO. Tạp chí Nghiên cứu Địa vật lý: Khí quyển. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
- Rowland FS (2009) Suy giảm tầng bình lưu ôzôn. Trong: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) Hai mươi năm suy giảm tầng ôzôn. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5