Stratosfera: caratteristiche, funzioni, temperatura
La stratosfera è uno degli strati dell'atmosfera terrestre, situata tra la troposfera e la mesosfera. L'altitudine del limite inferiore della stratosfera varia, ma può essere presa a 10 km per le medie latitudini del pianeta. Il suo limite superiore è l'altitudine di 50 km sulla superficie della Terra.
L'atmosfera della Terra è l'involucro gassoso che circonda il pianeta. Secondo la composizione chimica e la variazione di temperatura, è diviso in 5 strati: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera ed esosfera.
La troposfera si estende dalla superficie della Terra a 10 km di altezza. Lo strato successivo, la stratosfera, va da 10 km a 50 km sopra la superficie terrestre.
La mesosfera varia da 50 a 80 km di altezza. La termosfera da 80 km a 500 km, e infine l'esosfera si estende da 500 a 10.000 km di altezza, essendo il limite con lo spazio interplanetario.
Caratteristiche della stratosfera
posizione
La stratosfera si trova tra la troposfera e la mesosfera. Il limite inferiore di questo livello varia con la latitudine o la distanza dalla linea terrestre equatoriale.
Ai poli del pianeta, la stratosfera inizia tra 6 e 10 km sopra la superficie terrestre. Nell'equatore inizia tra 16 e 20 km di altitudine. Il limite superiore è 50 km sopra la superficie della Terra.
struttura
La stratosfera ha una sua struttura a strati, che sono definiti dalla temperatura: gli strati freddi sono in basso e gli strati caldi sono in alto.
Inoltre, la stratosfera ha uno strato in cui vi è un'alta concentrazione di ozono, chiamato strato di ozono o ozonosfera, che si trova tra 30 e 60 km sopra la superficie terrestre.
Composizione chimica
Il composto chimico più importante nella stratosfera è l'ozono. L'85-90% dell'ozono totale presente nell'atmosfera terrestre si trova nella stratosfera.
L'ozono si forma nella stratosfera per mezzo di una reazione fotochimica (reazione chimica in cui interviene la luce) che soffre di ossigeno. Gran parte dei gas nella stratosfera entra dalla troposfera.
La stratosfera contiene ozono (O 3 ), azoto (N 2 ), ossigeno (O 2 ), ossidi di azoto, acido nitrico (HNO 3 ), acido solforico (H 2 SO 4 ), silicati e composti alogenati, come i clorofluorocarburi. Alcune di queste sostanze provengono da eruzioni vulcaniche. La concentrazione di vapore acqueo (H 2 O allo stato gassoso) nella stratosfera è molto bassa.
Nella stratosfera, la miscela di gas in senso verticale è molto lenta e praticamente nulla, a causa dell'assenza di turbolenza. Per questo motivo, i composti chimici e altri materiali che entrano in questo strato rimangono in esso per molto tempo.
temperatura
La temperatura nella stratosfera presenta un comportamento inverso a quello nella troposfera. In questo strato la temperatura aumenta con l'altitudine.
Questo aumento di temperatura è dovuto al verificarsi di reazioni chimiche che rilasciano calore, dove interviene l'ozono (O 3 ). Nella stratosfera ci sono notevoli quantità di ozono, che assorbe le radiazioni ultraviolette ad alta energia dal Sole.
La stratosfera è uno strato stabile, senza turbolenze che mescolano i gas. L'aria è fredda e densa nella parte più bassa e nella parte più alta è calda e leggera.
Formazione di ozono
Nella stratosfera l'ossigeno molecolare (O 2 ) è dissociato dall'effetto delle radiazioni ultraviolette (UV) del Sole:
O 2 + LUCE UV → O + O
Gli atomi di ossigeno (O) sono altamente reattivi e reagiscono con le molecole di ossigeno (O 2 ) per formare ozono (O 3 ):
O + O 2 → O 3 + calore
In questo processo viene rilasciato calore (reazione esotermica). Questa reazione chimica è la fonte di calore nella stratosfera e causa le sue alte temperature negli strati superiori.
funzioni
La stratosfera svolge una funzione protettiva di tutte le forme di vita che esistono sul pianeta Terra. Lo strato di ozono impedisce alle radiazioni ultraviolette (UV) ad alta energia di raggiungere la superficie terrestre.
L'ozono assorbe la luce ultravioletta e si decompone in ossigeno atomico (O) e ossigeno molecolare (O 2 ), come mostrato dalla seguente reazione chimica:
O 3 + LUCE UV → O + O 2
Nella stratosfera, i processi di formazione e distruzione dell'ozono sono in un equilibrio che mantiene la sua costante concentrazione.
In questo modo, lo strato di ozono funziona come uno schermo protettivo contro le radiazioni UV, che è la causa di mutazioni genetiche, cancro della pelle, distruzione di colture e piante in generale.
Distruzione dello strato di ozono
Composti CFC
Dagli anni '70, i ricercatori hanno espresso grande preoccupazione per gli effetti nocivi dei composti clorofluorocarburi (CFC) sullo strato di ozono.
Nel 1930 fu introdotto l'uso di composti clorofluorocarburi chiamati commercialmente liberi. Tra questi ci sono CFCl 3 (Freon 11), CF 2 Cl 2 (Freon 12), C 2 F 3 Cl 3 (Freon 113) e C 2 F 4 Cl 2 (Freon 114). Questi composti sono facilmente comprimibili, relativamente non reattivi e non infiammabili.
Iniziarono ad essere usati come refrigeranti nei condizionatori e nei frigoriferi, sostituendo l'ammoniaca (NH 3 ) e il diossido di zolfo liquido (SO 2 ) (altamente tossico).
Successivamente, i CFC sono stati utilizzati in grandi quantità nella produzione di articoli in plastica monouso, come propellenti per prodotti commerciali sotto forma di bombolette aerosol e come solventi per la pulizia di schede di dispositivi elettronici.
L'uso diffuso e su larga scala dei CFC ha creato un grave problema ambientale, poiché quelli utilizzati nelle industrie e negli usi del refrigerante sono scaricati nell'atmosfera.
Nell'atmosfera, questi composti si diffondono lentamente nella stratosfera; in questo strato subiscono la decomposizione a causa della radiazione UV:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
Gli atomi di cloro reagiscono molto facilmente con l'ozono e distruggono:
Cl + O 3 → ClO + O 2
Un singolo atomo di cloro può distruggere più di 100.000 molecole di ozono.
Ossidi di azoto
Gli ossidi di azoto NO e NO 2 reagiscono distruggendo l'ozono. La presenza di questi ossidi di azoto nella stratosfera è dovuta ai gas emessi dai motori aeronautici supersonici, alle emissioni delle attività umane sulla Terra e all'attività vulcanica.
Diluizione e fori nello strato di ozono
Negli anni '80 si è scoperto che un orifizio nello strato di ozono si era formato sopra l'area del Polo Sud. In questa zona la quantità di ozono era stata ridotta della metà.
Si è anche scoperto che sopra il Polo Nord e in tutta la stratosfera, lo strato di ozono si è assottigliato, cioè ha ridotto la sua larghezza perché la quantità di ozono è diminuita considerevolmente.
La perdita di ozono nella stratosfera ha gravi conseguenze per la vita sul pianeta e diversi paesi hanno accettato che una riduzione drastica o la completa eliminazione dell'uso dei CFC è necessaria e urgente.
Accordi internazionali sulla limitazione dell'uso dei CFC
Nel 1978, molti paesi hanno vietato l'uso di CFC come propellenti per prodotti commerciali sotto forma di aerosol. Nel 1987 la maggior parte dei paesi industrializzati firmò il cosiddetto Protocollo di Montreal, un accordo internazionale in cui si stabilirono degli obiettivi per la graduale riduzione della produzione di CFC e la sua eliminazione totale nel 2000.
Diversi paesi hanno violato il Protocollo di Montreal, perché questa riduzione ed eliminazione dei CFC influenzerebbe la loro economia, mettendo gli interessi economici prima della conservazione della vita sul pianeta Terra.
Perché gli aeroplani non volano nella stratosfera?
Durante il volo di un aereo ci sono 4 forze di base: l'ascensore, il peso dell'aereo, la resistenza e la spinta.
L'ascensore è una forza che trattiene l'aereo e lo spinge verso l'alto; maggiore è la densità dell'aria, maggiore è il sollevamento. Il peso, d'altra parte, è la forza con cui la gravità terrestre spinge il piano verso il centro della Terra.
La resistenza è una forza che rallenta o impedisce l'avanzata del piano. Questa forza di resistenza agisce nella direzione opposta alla traiettoria dell'aeroplano.
La spinta è la forza che muove l'aereo in avanti. Come vediamo, la spinta e il sollevamento favoriscono il volo; il peso e la resistenza agiscono negando il volo dell'aereo.
Aeroplani che volano nella troposfera
Gli aerei commerciali e civili a breve distanza, volano a circa 10.000 metri di altezza, vale a dire, nel limite superiore della troposfera.
In tutti gli aeroplani è necessario che ci sia la pressurizzazione della cabina, che consiste nel pompare aria compressa nell'abitacolo dell'aeromobile.
Perché è necessaria la pressurizzazione della cabina?
Quando l'aereo sale ad altitudini più elevate, la pressione atmosferica esterna diminuisce e anche il contenuto di ossigeno diminuisce.
Se l'aria pressurizzata non fosse fornita alla cabina, i passeggeri soffrirebbero di ipossia (o mal di montagna), con sintomi come affaticamento, vertigini, mal di testa e perdita di coscienza dovuti alla mancanza di ossigeno.
Se si verifica un guasto nella fornitura di aria compressa alla cabina o in una decompressione, si verificherà un'emergenza in cui l'aereo deve scendere immediatamente e tutti i suoi occupanti devono indossare maschere di ossigeno.
Voli nella stratosfera, aerei supersonici
Ad altezze superiori a 10.000 metri, nella stratosfera, la densità dello strato gassoso è inferiore, e quindi anche l'ascensore che favorisce il volo è inferiore.
D'altra parte, a queste altitudini elevate il contenuto di ossigeno (O 2 ) nell'aria è inferiore, e ciò è richiesto sia per la combustione del gasolio che fa funzionare il motore dell'aeroplano, sia per un'efficace pressurizzazione in cabina.
Ad altitudini superiori a 10.000 metri sopra la superficie terrestre, l'aereo deve andare a velocità molto elevate, chiamate supersoniche, raggiungendo oltre 1.225 km / ora al livello del mare.
Svantaggi degli aerei supersonici sviluppati fino ad oggi
I voli supersonici producono le cosiddette esplosioni soniche, che sono rumori molto forti simili al tuono. Questi rumori hanno un impatto negativo sugli animali e sugli esseri umani.
Inoltre, questi velivoli supersonici devono usare più carburante e quindi produrre più inquinanti atmosferici rispetto agli aerei che volano a quote più basse.
Gli aerei supersonici richiedono motori molto più potenti e materiali speciali costosi per la loro fabbricazione. I voli commerciali erano così economicamente costosi che la loro implementazione non era stata redditizia.
