stratosfera -Stratosphere

Afterglow della troposfera (arancione), della stratosfera (biancastra), della mesosfera (blu) con i resti di una scia di rientro di un veicolo spaziale e sopra la termosfera , senza bagliore visibile
Questa immagine mostra l'andamento della temperatura nella bassa stratosfera misurata da una serie di strumenti satellitari tra gennaio 1979 e dicembre 2005. La bassa stratosfera è centrata a circa 18 chilometri sopra la superficie terrestre. L'immagine della stratosfera è dominata da blu e verdi, che indicano un raffreddamento nel tempo.
Diagramma che mostra i cinque strati primari dell'atmosfera terrestre: esosfera , termosfera , mesosfera , stratosfera e troposfera . Gli strati non sono in scala. Dalla superficie terrestre alla sommità della stratosfera (50 km) c'è poco meno dell'1% del raggio terrestre.

La stratosfera ( / ˈ s t r æ t ə ˌ s f ɪ ər , - t - / ) è il secondo strato dell'atmosfera terrestre , situato sopra la troposfera e sotto la mesosfera . La stratosfera è uno strato atmosferico composto da strati di temperatura stratificati , con gli strati d'aria caldi in alto nel cielo e gli strati d'aria freddi nel cielo basso, vicino alla superficie planetaria della Terra. L'aumento della temperatura con l'altitudine è il risultato dell'assorbimento della radiazione ultravioletta (UV) solare da parte dello strato di ozono . L'inversione della temperatura è in contrasto con la troposfera, vicino alla superficie terrestre, dove la temperatura diminuisce con l'altitudine.

Tra la troposfera e la stratosfera c'è il confine della tropopausa che delimita l'inizio dell'inversione di temperatura . Vicino all'equatore, il bordo inferiore della stratosfera è alto fino a 20 km (66.000 piedi; 12 mi), a medie latitudini circa 10 km (33.000 piedi; 6,2 mi) e ai poli circa 7 km (23.000 piedi; 4,3 mi ). Le temperature variano da una media di -51 ° C (-60 ° F; 220 K) vicino alla tropopausa a una media di -15 ° C (5,0 ° F; 260 K) vicino alla mesosfera. Le temperature stratosferiche variano anche all'interno della stratosfera al variare delle stagioni, raggiungendo temperature particolarmente basse nella notte polare (inverno). I venti nella stratosfera possono superare di gran lunga quelli nella troposfera, raggiungendo quasi 60 m/s (220 km/h; 130 mph) nel vortice polare meridionale .

Strato di ozono

Il meccanismo che descrive la formazione dello strato di ozono è stato descritto dal matematico britannico Sydney Chapman nel 1930. L'ossigeno molecolare assorbe la luce solare ad alta energia nella regione UV-C , a lunghezze d'onda inferiori a circa 240 nm. I radicali prodotti dalle molecole di ossigeno divise omoliticamente si combinano con l'ossigeno molecolare per formare ozono. L'ozono a sua volta viene fotolizzato molto più rapidamente dell'ossigeno molecolare poiché ha un assorbimento più forte che si verifica a lunghezze d'onda più lunghe, dove l'emissione solare è più intensa. La fotolisi dell'ozono (O 3 ) produce O e O 2 . Il prodotto dell'atomo di ossigeno si combina con l'ossigeno molecolare atmosferico per riformare l'O 3 , liberando calore. La rapida fotolisi e la riformazione dell'ozono riscaldano la stratosfera, provocando un'inversione di temperatura. Questo aumento di temperatura con l'altitudine è caratteristico della stratosfera; la sua resistenza alla miscelazione verticale fa si che sia stratificato. All'interno della stratosfera le temperature aumentano con l'altitudine (vedi inversione di temperatura ) ; la parte superiore della stratosfera ha una temperatura di circa 270 K (-3 ° C o 26,6 ° F ).

Questa stratificazione verticale , con strati più caldi sopra e strati più freddi sotto, rende la stratosfera dinamicamente stabile: non c'è convezione regolare e turbolenza associata in questa parte dell'atmosfera. Tuttavia, processi di convezione eccezionalmente energetici, come le colonne eruttive vulcaniche e il superamento delle cime in gravi temporali di supercelle , possono portare la convezione nella stratosfera su base molto locale e temporanea. Nel complesso, l'attenuazione degli UV solari a lunghezze d'onda che danneggiano il DNA da parte dello strato di ozono consente alla vita di esistere sulla superficie del pianeta al di fuori dell'oceano. Tutta l'aria che entra nella stratosfera deve passare attraverso la tropopausa , la temperatura minima che divide la troposfera e la stratosfera. L'aria che sale viene letteralmente liofilizzata; la stratosfera è un luogo molto arido. La parte superiore della stratosfera è chiamata stratopausa , al di sopra della quale la temperatura diminuisce con l'altezza.

Formazione

Sydney Chapman ha fornito una descrizione corretta della fonte dell'ozono stratosferico e della sua capacità di generare calore all'interno della stratosfera; scrisse anche che l'ozono può essere distrutto reagendo con l'ossigeno atomico, creando due molecole di ossigeno molecolare. Ora sappiamo che esistono ulteriori meccanismi di perdita di ozono e che questi meccanismi sono catalitici, il che significa che una piccola quantità di catalizzatore può distruggere un gran numero di molecole di ozono. Il primo è dovuto alla reazione dei radicali ossidrile (•OH) con l'ozono. •OH è formato dalla reazione di atomi di ossigeno elettricamente eccitati prodotti dalla fotolisi dell'ozono, con il vapore acqueo. Mentre la stratosfera è secca, in situ viene prodotto ulteriore vapore acqueo dall'ossidazione fotochimica del metano (CH 4 ). Il radicale HO 2 prodotto dalla reazione di OH con O 3 viene riciclato in OH per reazione con atomi di ossigeno o ozono. Inoltre, gli eventi protonici solari possono influenzare in modo significativo i livelli di ozono tramite radiolisi con la successiva formazione di OH. Il protossido di azoto (N 2 O) è prodotto dall'attività biologica in superficie e si ossida a NO nella stratosfera; anche i cosiddetti cicli radicali di NO x riducono l'ozono stratosferico. Infine, le molecole di clorofluorocarburo vengono fotolizzate nella stratosfera rilasciando atomi di cloro che reagiscono con l'ozono dando ClO e O 2 . Gli atomi di cloro vengono riciclati quando ClO reagisce con O nella stratosfera superiore, o quando ClO reagisce con se stesso nella chimica del buco dell'ozono antartico.

Paul J. Crutzen, Mario J. Molina e F. Sherwood Rowland hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 1995 per il loro lavoro che descrive la formazione e la decomposizione dell'ozono stratosferico.

Volo in aereo

Un generico Boeing 737-800 in crociera a 32.000 piedi.  Sotto c'è un pacco di nuvole.  Sopra c'è un vivido cielo blu ambientale.
Gli aerei tipicamente navigano nella stratosfera per evitare la turbolenza dilagante nella troposfera . Il raggio blu in questa immagine è lo strato di ozono , che si irradia ulteriormente verso la mesosfera . L' ozono riscalda la stratosfera, rendendo le condizioni stabili. La stratosfera è anche il limite di altitudine di jet e palloni meteorologici , poiché l'aria è circa mille volte più sottile lì che nella troposfera.

Gli aerei di linea commerciali navigano tipicamente ad altitudini di 9–12 km (30.000–39.000 piedi), che si trovano nella parte inferiore della stratosfera a latitudini temperate. Ciò ottimizza l'efficienza del carburante , principalmente a causa delle basse temperature incontrate vicino alla tropopausa e della bassa densità dell'aria, riducendo la resistenza parassita sulla cellula . Detto in altro modo, consente all'aereo di linea di volare più velocemente mantenendo la portanza uguale al peso dell'aereo. (Il consumo di carburante dipende dalla resistenza, che è correlata alla portanza dal rapporto portanza-resistenza .) Consente inoltre all'aereo di rimanere al di sopra del clima turbolento della troposfera.

L' aereo Concorde ha navigato a Mach 2 a circa 60.000 piedi (18 km) e l' SR-71 ha navigato a Mach 3 a 85.000 piedi (26 km), il tutto all'interno della stratosfera.

Poiché la temperatura nella tropopausa e nella bassa stratosfera è in gran parte costante con l'aumentare dell'altitudine, lì si verifica pochissima convezione e la conseguente turbolenza. La maggior parte delle turbolenze a questa altitudine è causata dalle variazioni della corrente a getto e da altri wind shear locali, sebbene le aree di significativa attività convettiva ( temporali ) nella troposfera sottostante possano produrre turbolenza come risultato del superamento convettivo .

Il 24 ottobre 2014, Alan Eustace è diventato il detentore del record per aver raggiunto il record di altitudine per un pallone con equipaggio a 135.890 piedi (41.419 m). Eustace ha anche battuto i record mondiali di paracadutismo verticale, raggiunto con una velocità massima di 1.321 km / h (822 mph) e una distanza totale di caduta libera di 123.414 piedi (37.617 m), della durata di quattro minuti e 27 secondi.

Circolazione e miscelazione

La stratosfera è una regione di intense interazioni tra processi radiativi, dinamici e chimici, in cui la miscelazione orizzontale dei componenti gassosi procede molto più rapidamente della miscelazione verticale. La circolazione complessiva della stratosfera è definita circolazione Brewer-Dobson , che è una circolazione unicellulare, che si estende dai tropici fino ai poli, costituita dalla risalita tropicale dell'aria dalla troposfera tropicale e dalla discesa extratropicale dell'aria . La circolazione stratosferica è una circolazione prevalentemente guidata dalle onde in quanto la risalita tropicale è indotta dalla forza dell'onda dalle onde di Rossby che si propagano verso ovest , in un fenomeno chiamato pompaggio delle onde di Rossby.

Una caratteristica interessante della circolazione stratosferica è l' oscillazione quasi biennale (QBO) alle latitudini tropicali, che è guidata dalle onde gravitazionali generate convettivamente nella troposfera . Il QBO induce una circolazione secondaria importante per il trasporto stratosferico globale di traccianti, come l' ozono o il vapore acqueo .

Un'altra caratteristica su larga scala che influenza in modo significativo la circolazione stratosferica sono le onde planetarie che si infrangono con conseguente intenso mescolamento quasi orizzontale alle medie latitudini. Questa rottura è molto più pronunciata nell'emisfero invernale dove questa regione è chiamata surf zone. Questa rottura è causata da un'interazione altamente non lineare tra le onde planetarie che si propagano verticalmente e la regione isolata di vorticità ad alto potenziale nota come vortice polare . La rottura risultante provoca la miscelazione su larga scala di aria e altri gas in tracce in tutta la zona di surf di media latitudine. La scala temporale di questa rapida miscelazione è molto più piccola delle scale temporali molto più lente di risalita nei tropici e di discesa negli extratropici.

Durante gli inverni dell'emisfero settentrionale, gli improvvisi surriscaldamenti stratosferici , causati dall'assorbimento delle onde di Rossby nella stratosfera, possono essere osservati in circa la metà degli inverni quando nella stratosfera si sviluppano i venti orientali. Questi eventi spesso precedono un clima invernale insolito e possono persino essere responsabili dei freddi inverni europei degli anni '60.

Il riscaldamento stratosferico del vortice polare provoca il suo indebolimento. Quando il vortice è forte, mantiene le masse d'aria fredde e ad alta pressione contenute nell'Artico ; quando il vortice si indebolisce, le masse d'aria si spostano verso l'equatore e provoca rapidi cambiamenti del tempo alle medie latitudini.

Vita

batteri

La vita batterica sopravvive nella stratosfera, rendendola parte della biosfera . Nel 2001, la polvere è stata raccolta a un'altezza di 41 chilometri in un esperimento in mongolfiera ad alta quota e si è scoperto che conteneva materiale batterico quando è stata esaminata successivamente in laboratorio.

Uccelli

È stato segnalato che alcune specie di uccelli volano ai livelli superiori della troposfera. Il 29 novembre 1973, un avvoltoio di Rüppell ( Gyps rueppelli ) è stato ingerito in un motore a reazione a 11.278 m (37.000 piedi) sopra la Costa d'Avorio e le oche dalla testa di barra ( Anser indicus ) avrebbero sorvolato la vetta del Monte Everest , che è 8.848 m (29.029 piedi).

Scoperta

Nel 1902, Léon Teisserenc de Bort dalla Francia e Richard Assmann dalla Germania, in pubblicazioni separate ma coordinate e dopo anni di osservazioni, pubblicarono la scoperta di uno strato isotermico a circa 11-14 km, che è la base della stratosfera inferiore. Questo si basava sui profili di temperatura di palloni per lo più senza pilota e alcuni strumentati con equipaggio.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno