Стратосфера — будова і властивості

Стратосфера Землі – це досить цікавий атмосферне шар. Крім того, що він містить 20% запасів повітря, ще всередині нього знаходиться озоносфера, що захищає нашу планету від небезпечного випромінювання Сонця. Живі організми мешкають нижче озонового шару, а ось вище його живності немає. Ось і виходить, що частина стратосфери населена, а інша частина – ні.

Будова стратосфери

Товщина цього атмосферного шару становить трохи менше чотирьох десятків кілометрів. Починається він на висоті 11-18 км (залежить від того, на якій висоті закінчується нижележащих тропопауза), а верхня межа стратосфери розташована на висоті 50 км. Але пояснювати постійно це занадто довго, тому говорять, що стратосфера знаходиться на висоті 11-50 км.

Властивості стратосфери

Через зміни складу повітря і його характеристик у міру збільшення висоти, атмосферний шар розділений на дві частини – нижню і верхню. Їх так і називають: нижній шар стратосфери (11-25 км) і верхній шар (25-50 км, його ще називають областю інверсії). Відбувається так, тому що найбільша концентрація озону знаходиться якраз на висоті 25 км, але взагалі кажучи, озоновий шар простягається від 15 до 60 кілометрів.
Температура повітря в нижньому шарі залишається практично незмінною (близько -56 ° C), а ось верхній шар характерний різким потеплінням. Уже до позначки 40 км над рівнем моря температура повітря піднімається до 0 ° C, але вище не росте. Залишається вона такою до самого кордону атмосферного шару. І навіть стратопауза, яка розташована над стратосферой, також має нульову температуру.

Цікаво

Більшість сучасних літаків літають на висоті близько 20 кілометрів, оскільки там найбільш підходящі і стабільні умови для польотів. Хоча передбачається, що з розвитком авіації літаки зможуть підніматися на висоту до 30 км і знаходитися там тривалий час. Тільки навіщо? А ось бажання підняти якомога вище в повітря метеозонди цілком зрозуміло, адже це необхідно для збору метеоданих. Зараз вони літають на висоті 40 км, але іноді безпілотники піднімаються і до півсотні кілометрів.

Через впливу ультрафіолетового випромінювання на озоносферу, відбувається безліч хімічних і фізичних процесів. Їх ми можемо спостерігати у вигляді різних світінь атмосфери.

Стратосфера – що це? Відповідаємо на питання. Висота стратосфери

Стратосфера – це один з верхніх шарів повітряної оболонки нашої планети. Вона починається на висоті приблизно 11 км над землею. Тут вже не літають літаки пасажирської авіації і вкрай рідко утворюються хмари. У стратосфері розташовується озоновий шар Землі – тонка оболонка, що захищає планету від проникнення згубного ультрафіолету.

• Повітряна оболонка планети
• Шари газової оболонки
• Зміни температури в стратосфері
• Особливості стратосфери
• Озоновий шар Землі
• Небезпечний захисник
• Руйнування озонового шару
• Польоти у стратосфері

Повітряна оболонка планети

Атмосфера являє собою газову оболонку Землі, прилеглу внутрішньою поверхнею до гідросфери і земної кори. Зовнішній кордон її поступово переходить у космічний простір. Склад атмосфери включає гази: азот, кисень, аргон, вуглекислий газ і так далі, – а також домішки у вигляді пилу, крапель води, кристалів льоду, продуктів горіння. Співвідношення основних елементів повітряної оболонки зберігається постійним. Виняток становлять вуглекислий газ і вода – їх кількість в атмосфері нерідко змінюється.

Шари газової оболонки

Атмосферу підрозділяють на кілька шарів, що розташовуються один над одним і мають особливості у складі:

• прикордонний шар – безпосередньо прилягає до поверхні планети, простягається до висоти в 1-2 км;
• тропосфера – другий шар, зовнішня межа в середньому розташовується на висоті 11 км, тут сконцентрований практично весь водяний пар атмосфери, утворюються хмари, виникають циклони і антициклони, у міру збільшення висоти подає температура;
• тропопауза – перехідний шар, що характеризується припиненням зниження температури;
• стратосфера – це шар, що простягається до висоти 50 км і ділиться на три зони: з 11 до 25 км температура змінюється незначно, з 25 до 40 – температура підвищується, з 40 до 50 – температура залишається постійною (стратопауза);

• мезосфера простягається на висоту до 80-90 км;
• термосфера досягає позначки 700-800 км над рівнем моря, тут на висоті 100 км розташовується лінія Кармана, яку приймають за кордон між атмосферою Землі і космосом;
• екзосфера також називається зоною розсіювання, тут сильно розріджений газ втрачає частинки речовини, і вони відлітають у космос.

Зміни температури в стратосфері

Отже, стратосфера – це частина газової оболонки планети, що йде за тропосферою. Тут температура повітря, постійна протягом тропопаузи, починає змінюватися. Висота стратосфери становить приблизно 40 км. Нижня межа – 11 км над рівнем моря. Починаючи з цієї позначки, температура зазнає невеликих змін. На висоті 25 км показник нагріву починає повільно зростати. До позначки 40 км над рівнем моря температура підвищується від -56,5ºдо + 0,8ºС. Далі вона залишається близькою до нуля градусів аж до висоти 50-55 км. Зона між 40 і 55 кілометрами називається стратопаузою, оскільки температура тут не змінюється. Вона є перехідною зоною від стратосфери до мезосфери.

Особливості стратосфери

Стратосфера Землі містить близько 20% маси всієї атмосфери. Повітря тут настільки розріжне, що перебування людини без спеціального скафандра неможливе. Цей факт – одна з причин, через яку польоти в стратосферу стали здійснюватися лише порівняно недавно.

Інша особливість газової оболонки планети на висоті 11-50 км полягає в дуже невеликій кількості водяного пари. У стратосфері з цієї причини практично ніколи не утворюються хмари. Для них просто немає будівельного матеріалу. Однак рідко все ж можна спостерігати так звані перламутрові хмари, якими «прикрашається» стратосфера (фото представлено нижче) на висоті 20-30 км над рівнем моря. Тонкі, як би світяться зсередини утворення можна спостерігати після заходу сонця або перед сходом. Формою перламутрові хмари схожі на перисті або перисто-кучеві.

Озоновий шар Землі

Головна відмінна риса стратосфери – це максимальна у всій атмосфері концентрація озону. Він формується під дією сонячних променів і захищає все живе на планеті від їх згубного випромінювання. Озоновий шар Землі розташовується на висоті 20-25 км над рівнем моря. Молекули O₃ розподілені у всій стратосфері і навіть є біля поверхні планети, проте на цьому рівні спостерігається їх найбільша концентрація.

Потрібно зауважити, що озоновий шар Землі становить всього 3-4 мм. Такою буде його товщина, якщо розмістити частинки цього газу в умовах нормального тиску, наприклад, біля поверхні планети. Озон утворюється в результаті розпаду молекули кисню під дією ультрафіолету на два атоми. Один з них з’єднується з «повноцінною» молекулою і утворюється озон – O₃.

Небезпечний захисник

Молекули озону поглинають ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі коротше 0,1-0,2 мкм. У цьому полягає його захисна роль. Тонкий шар блакитного газу запобігає потраплянню на Землю сонячної радіації, згубної для живих організмів.

З потоком вітру озон потрапляє близько до поверхні планети. Утворюється він і на Землі під час грози, роботи копіювальної техніки або рентгена. Цікаво, що велика концентрація озону згубна для людини. Він утворюється під дію сонячних променів у сильно загазованих областях. Прибування в умовах так званого озонового смогу небезпечне для життя. Блакитний газ здатний зруйнувати легені. Позначається його присутність і на рослинах – вони перестають нормально розвиватися.

Руйнування озонового шару

Проблема озонових дірок почала активно обговорюватися в науковому співтоваристві приблизно з 70-х років минулого століття. Зараз відомо, що до руйнування захисного екрану призводить забруднення атмосфери, промислове використання фреонів і деяких інших сполук, знищення лісів, запуск космічних ракет і висотна авіація. Міжнародне співтовариство прийняло ряд угод, що передбачають скорочення виробництва шкідливих речовин. У першу чергу мова йде про фреони, що використовуються при створенні аерозолів, холодильних установок, вогнегасників, одноразового посуду і так далі.

При цьому є дані, що дозволяють припускати, що утворення озонових дірок відбувається в силу природних причин. Шкідливі речовини потрапляють в атмосферу в результаті вивержень вулканів і землетрусів, з розломів в океанічній корі. Сьогодні питання про головну роль людини в справі руйнування озонового шару для ряду вчених залишається спірним.

Польоти у стратосфері

Освоєння стратосфери почалося в 30-х роках минулого століття. Сьогодні до висоти 20 км піднімаються бойові та надзвукові комерційні літаки. Позначки в 40 км над рівнем моря досягають метеозонди. Рекордна висота, якої досяг безпілотний аеростат – 51,8 км.

Поступово освоюють цю частину повітряної оболонки і любителі екстремального спорту. У 2012 році австрійський парашутист Фелікс Баумгартнер здійснив стрибок зі стратосфери з висоти майже 39 км. Подолавши під час польоту звуковий бар’єр, він благополучно приземлився. Рекорд Баумгартнера побив віце-президент компанії Google Алан Юстас. За 15 хвилин він пролетів, також досягнувши швидкості звуку, 40 км.

Таким чином, сьогодні стратосфера – це більш вивіданий шар атмосфери, ніж на початку минулого століття. Однак як і раніше не дуже зрозумілим залишається майбутнє озонового шару, без якого не виникло б життя на Землі. Поки країни скорочують виробництво фреона, одні вчені кажуть, що це не принесе особливої користі, принаймні, такими темпами, а інші, що це і зовсім не потрібно, оскільки основна частина шкідливих речовин утворюється природним шляхом. Хто правий – розсудить час.

Перший політ на стратостаті: як винахід вчених допоміг дослідити атмосферу

Проте висота підйому відповідних апаратів була відносно невеликою. Лише у 1862 році на аеростаті вдалося піднятися на 9 тисяч метрів над землею, тоді випробувачі зіткнулися з проблемою кисневого голоду. До теми Перша ракета на рідкому паливі: унікальна ідея Роберта Ґоддарда, з якої глузували вчені

Вимоги щодо польоту у стратосферу

Вдосконалення аеростатів тривало, вперше вивести літальний апарат у стратосферу вдалося майже через 70 років. Устаткування стратостата мало низку відмінностей від звичних аеростатів. Основні вимоги були поставлені до гондоли літального апарату, в якій перебував екіпаж. Вона мала бути пристосованою до жорстких умов стратосфери для людини – витримувати низький тиск та температуру до -70 градусів за Цельсієм. Політ на таку висоту тривав, зазвичай, декілька годин, тож екіпаж мав бути забезпечений системою регенерації повітря. Тоді для поглинання вуглекислого газу почали використовувати гідроксид літію, а для поповнення запасів кисню – балони зі стисненим газом. Вже в післявоєнний період їх замінили балонами з рідким киснем.

Незвична система Огюста Пікара

Також у гондолі встановлювали систему терморегуляції. Незвичну систему вигадав швейцарський винахідник Огюст Пікар. Він пофарбував гондолу з однієї сторони в чорний, а з іншої – у білий колір. Так при повороті до Сонця відповідна сторона швидко нагрівалася, а протилежна – охолоджувалася.
Огюст Пікар створив систему щодо терморегуляції / Фото Allikas, Wikimedia Попри те, що такий принцип мав суттєві недоліки, згодом саме цей вчений став першим, хто досяг на своєму літальному апараті стратосфери. Огюст Пікар був професором фізики базельського університету. Наприкінці 1820-х років він захопився повітроплаванням і вирішив побудувати літальний апарат, який буде здатний піднятися на висоту до 30 кілометрів.

Який вигляд мав перший стратостат

Швейцарський вчений планував використати його з метою дослідження космічних променів. У 1930 році за підтримки Національного фонду для наукових досліджень йому вдалося створити перший стратостат. Назва організації, яка підтримала ідею, в оригінальній абревіатурі – FNRS, на її честь і було названо винахід Пікара – стратостат FNRS-1. Він мав вигляд оболонки об’ємом 14,1 тисячі кубічних метрів, до якої кріпилася алюмінієва гондола діаметром 2,1 метра і масою 723 кілограми.
У 1930 році створили перший стратостат / Скриншот з відео 24 каналу Окрім того, стратостат був оснащений тією самою системою терморегуляції, яка полягала у фарбуванні гондоли чорним і білим кольорами.

Перший політ у стратосферу

27 травня 1931 року Огюст Пікар зі своїм компаньйоном Паулем Кіпфером здійснили свій перший політ у стратосферу. Він розпочався о 4 годині ранку з передмістя німецького міста Аусбург. Проте випробування пройшло не без труднощів. Через деякий час після старту виявилося, що гондола негерметична. Однак Пікар швидко усунув неполадку і політ продовжився. Згодом з’ясувалося, що несправною є і система терморегуляції. Зверніть увагу Хто насправді винайшов багатоступеневу ракету: знайдені рукописи можуть змінити відому версію Температура повітря на борту піднялася до 40 градусів за Цельсієм, водночас зовні вона сягала – 50 градусів. Далі вийшов з ладу клапан для регульованого випуску газу. Попри ці всі перешкоди Огюсту Пікару та Паулю Кіпферу вдалося піднятися на рекордну висоту – 15 785 метрів. Через 17 годин 28 хвилин після старту вони практично некеровано, проте вдало здійснили посадку в тірольських Альпах, у селищі Обергургль. Місце посадки було на відстані 233 кілометри від місця злету.

Другий політ на стратостаті

У 1932 році Огюст Пікар здійснив другий політ на стратостаті. Цього разу його партнером став бельгійський вчений Макс Козінс. Удвох їм вдалося побити попередній рекорд і сягнути висоти 16,2 кілометрів.
Другий політ Піккар здійснив з Максом Козінсом / Фото Walter Mittelholzer, Wikimedia Під час цього польоту вчені зібрали важливі дані про верхні шари атмосфери та космічні промені. З агалом Огюст Пікар взяв участь у 27 польотах, і зумів підняти стратостат на максимальну висоту – 23 кілометри.

Створення нового дослідницького апарату

Через деякий час науковець використав принцип створення стратостату для нового проєкту. Ним став батискаф під назвою FNRS-2 – автономний глибоководний дослідницький апарат було побудовано за схемою стратостата. Актуально Астрономічний відпочинок: як виглядатиме перший готель у космосі Це була герметична гондола й балон, от тільки в цьому випадку балон виконував призначення сталевого поплавця і був наповнений бензином. У 1948 році, створений ним батискаф, опустився на рекордну на той час глибину – 1 380 метрів. Наступні 5 років вчений працював над вдосконаленням винаходу, так у 1953 році світ побачив батискаф “Трієст”. Через 7 років син Пікара Жак разом з американцем Дональдом Волшем спустились на ньому на дно Маріанської впадини, досягнувши глибини занурення 10 918 метрів.

Успіхи брата винахідника Пікара

Захоплення повітроплаванням було сімейним у Пікарів. Брат-близнюк Огюста Жан Фелікс Пікар, який у 1931 році емігрував у США, також займався схожою діяльністю. Йому вдалося повторити досягнення Огюста, проте не випередити його.
У Огюста Піккара був брат-близнюк Жан Фелікс / Фото Musee du Leman Водночас це не завадило досягти братові успіху в авіації. Талановитий пілот став доволі популярним у Сполучених Штатах Америки. Згодом він, нібито, став прототипом капітана Жан-Люка Пікара, одного з вигаданих персонажів американського телесеріалу “Зоряний шлях”. Згодом військово-повітряні сили США активно проводили стратосферні польоти, їхні дослідження під час таких випробувань надалі стали корисними для створення серії космічних кораблів “Меркурій”. Водночас вони випробовували парашутну систему гондоли, пілоти здійснили зі стратостатів низку стрибків з парашутом, а також відпрацьовували посадки на суші та на водній поверхні.

Рекорди польоту на стратостаті

Наступний рекорд польоту на стратостаті, після Огюста Пікара, належать Малкольму Россу та Віктору Пратеру. У 1961 році вони стартували в Мексиканській затоці з палуби корабля і піднялися на висоту 34 668 метрів. Читайте також Сприяв створенню гелікоптера: як іспанець Сієрва винайшов новий літальний апарат У 2014 році стало відомо про новий рекорд – його встановив Алан Ютас, піднявшись у скафандрі над штатом Нью-Мексико на висоту 41 421 метр. Проте найбільшої висоти на літальному апараті такого типу вдалося досягти у 2002 році. Тоді куля запущена в Японії піднялася на рекордні 53 кілометри – вище можуть злітати лише ракетні літаки, артилерійські снаряди або ж, власне, ракети.