|
|
|
De stratosfeer is de laag in de dampkring die zich bevindt tussen de troposfeer en de mesosfeer.
De lagen worden gescheiden door respectievelijk de tropopauze en de stratopauze. |
| |
Bij de evenaar begint de stratosfeer op ongeveer 17 kilometer boven het aardoppervlak (zeeniveau) en
bij de polen op ongeveer 10 kilometer. Op een hoogte van 50 kilometer gaat de stratosfeer over in de mesosfeer |
| |
| Het begin van deze laag wordt – in tegenstelling tot de onderliggende troposfeer – gekenmerkt door een vrijwel constante temperatuur bij toenemende hoogte, de isotherme laag. Daarboven stijgt de temperatuur en bij ongeveer 47 km bereikt hij weer het vriespunt. |
| |
Waar de temperatuur verder de hoogte in weer afneemt, gaat de stratosfeer over in de mesosfeer. Het is ongeveer -50 °C op het laagste punt van de stratosfeer en tussen de 0 en 30 °C op het hoogste punt.
De toename van de temperatuur in de stratosfeer is een gevolg van de absorptie van ultraviolet licht van de zon. De hoeveelheid straling die doordringt, wordt kleiner naarmate de afstand tot de aarde afneemt. Gecombineerd met een grotere dichtheid van de atmosfeer resulteert dat in een temperatuurdaling. Door plotselinge stratosferische opwarming kan de temperatuur in de winter plotseling stijgen met tientallen graden Celsius. |
| |
| Door het verticale temperatuurverloop is de stratosfeer stabiel en is er vrijwel geen convectie en turbulentie. Wolken vormen zich daardoor vrijwel niet, maar in zeer koude poolwinters kunnen zich parelmoerwolken vormen. Deze zijn van belang bij de vorming van ozon. Boven in de stratosfeer bevindt zich een hogere concentratie ozon. Dit gebied wordt dan ook de ozonlaag genoemd. |
|
|
|
| |
| Ontdekking |
| |
| In 1902 publiceerden Léon Teisserenc de Bort uit Frankrijk en Richard Assmann uit Duitsland, in afzonderlijke maar gecoördineerde publicaties en na jaren van observaties, de ontdekking van een isotherme laag op ongeveer 11-14 km, wat de basis is. van de lagere stratosfeer. Dit was gebaseerd op temperatuurprofielen van grotendeels onbemande en enkele bemande instrumentele ballonnen. |
| |
| |
| Het mechanisme dat de vorming van de ozonlaag beschrijft, werd in 1930 beschreven door de Britse wiskundige en geofysicus Sydney Chapman en staat bekend als de Chapman-cyclus of de ozon-zuurstofcyclus. Moleculaire zuurstof absorbeert zonlicht met hoge energie in het UV-C-gebied, bij golflengten korter dan ongeveer 240 nm. Radicalen geproduceerd uit de homolytisch gesplitste zuurstofmoleculen combineren met moleculaire zuurstof om ozon te vormen. |
| |
| Ozon wordt op zijn beurt veel sneller gefotolyseerd dan moleculaire zuurstof, omdat het een sterkere absorptie heeft die optreedt bij langere golflengten, waar de zonne-emissie intenser is. Ozon (O3) fotolyse produceert O en O2. Het zuurstofatoomproduct combineert met moleculaire zuurstof uit de atmosfeer om O3 te hervormen, waarbij warmte vrijkomt. De snelle fotolyse en hervorming van ozon verwarmen de stratosfeer, wat resulteert in een temperatuurinversie. |
| |
| Deze temperatuurstijging met de hoogte is kenmerkend voor de stratosfeer; zijn weerstand tegen verticale menging betekent dat het gestratificeerd is. Binnen de stratosfeer nemen de temperaturen toe met de hoogte, de bovenkant van de stratosfeer heeft een temperatuur van ongeveer 270 K (-3°C of 26,6°F). |
|
|
|
| De ozonlaag blokkeert de schadelijke UV-straling die het aardoppervlak bereikt. Een uitbarsting van gammastraling zou de ozonlaag afbreken, waardoor UV-straling doorlaat. |
|
|
| |
| Deze verticale gelaagdheid, met warmere lagen erboven en koelere lagen eronder, maakt de stratosfeer dynamisch stabiel: er is geen regelmatige convectie en daarmee gepaard gaande turbulentie in dit deel van de atmosfeer. Uitzonderlijk energetische convectieprocessen, zoals vulkaanuitbarstingskolommen en overschietende toppen bij zware supercelonweersbuien, kunnen echter op zeer lokale en tijdelijke basis convectie naar de stratosfeer transporteren. Over het geheel genomen zorgt de verzwakking van zonne-UV bij golflengten die DNA beschadigen door de ozonlaag ervoor dat er leven kan bestaan op het oppervlak van de planeet buiten de oceaan. Alle lucht die de stratosfeer binnenkomt, moet door de tropopauze gaan, het temperatuurminimum dat de troposfeer en de stratosfeer scheidt. De opstijgende lucht wordt letterlijk bevroren en gedroogd, de stratosfeer is een zeer droge plaats. De bovenkant van de stratosfeer wordt de stratopauze genoemd, waarboven de temperatuur afneemt met de hoogte. |
| |
| Vorming en verlies van ozon |
| Sydney Chapman gaf een correcte beschrijving van de bron van ozon in de stratosfeer en het vermogen ervan om warmte te genereren in de stratosfeer, hij schreef ook dat ozon kan worden vernietigd door te reageren met atomaire zuurstof, waardoor twee moleculen moleculaire zuurstof ontstaan. We weten nu dat er nog meer mechanismen voor ozonverlies bestaan en dat deze mechanismen katalytisch zijn, wat betekent dat een kleine hoeveelheid van de katalysator een groot aantal ozonmoleculen kan vernietigen. De eerste is het gevolg van de reactie van hydroxylradicalen (OH) met ozon. |
| |
| OH wordt gevormd door de reactie van elektrisch aangeslagen zuurstofatomen, geproduceerd door ozonfotolyse, met waterdamp. Terwijl de stratosfeer droog is, wordt ter plaatse extra waterdamp geproduceerd door de fotochemische oxidatie van methaan (CH4). Het HO2-radicaal dat wordt geproduceerd door de reactie van OH met O3, wordt gerecycled tot OH door reactie met zuurstofatomen of ozon. Bovendien kunnen gebeurtenissen met zonneprotonen de ozonniveaus aanzienlijk beïnvloeden via radiolyse met de daaropvolgende vorming van OH. |
| |
| Lachgas (N2O) wordt geproduceerd door biologische activiteit aan het oppervlak en wordt in de stratosfeer geoxideerd tot NO; de zogenaamde NOx-radicaalcycli breken ook de ozonlaag in de stratosfeer af. Ten slotte worden chloorfluorkoolstofmoleculen in de stratosfeer gefotolyseerd, waarbij chlooratomen vrijkomen die reageren met ozon, waardoor ClO en O2 ontstaan. De chlooratomen worden gerecycled wanneer ClO reageert met O in de bovenste stratosfeer, of wanneer ClO met zichzelf reageert in de chemie van het ozongat in Antarctica. |
| Commerciële vliegtuigen kruisen doorgaans op een hoogte van 9-12 km (30.000-39.000 ft), wat zich in de benedenloop van de stratosfeer op gematigde breedtegraden bevindt. Dit optimaliseert de brandstofefficiëntie, vooral als gevolg van de lage temperaturen in de buurt van de tropopauze en de lage luchtdichtheid, waardoor de parasitaire weerstand op het casco wordt verminderd. Met andere woorden: het zorgt ervoor dat het vliegtuig sneller kan vliegen terwijl de lift gelijk blijft aan het gewicht van het vliegtuig. Het brandstofverbruik is afhankelijk van de weerstand, die gerelateerd is aan de lift door de lift-to-drag-verhouding. Het zorgt er ook voor dat het vliegtuig boven het turbulente weer van de troposfeer kan blijven. |
| |
| Het Concorde-vliegtuig kruiste op Mach 2 op ongeveer 18 km (60.000 voet), en de SR-71 kruiste op Mach 3 op 26 km (85.000 voet), allemaal in de stratosfeer. |
| |
Omdat de temperatuur in de tropopauze en de lagere stratosfeer grotendeels constant is
naarmate de hoogte toeneemt, vindt daar zeer weinig convectie en de daaruit voortvloeiende turbulentie plaats. De meeste turbulentie op deze hoogte wordt veroorzaakt door variaties in de straalstroom en andere lokale windscheringen, hoewel gebieden met aanzienlijke convectieve activiteit (onweersbuien) in de troposfeer eronder turbulentie kunnen veroorzaken als gevolg van convectieve overshoot. |
|
|
 |
| Vliegtuigen vliegen doorgaans in de stratosfeer om te voorkomen dat turbulentie in de troposfeer sluipt. De blauwe straal in deze afbeelding is de ozonlaag |
|
| |
Op 24 oktober 2014 werd Alan Eustace de recordhouder voor het bereiken van het hoogterecord voor een bemande ballon op 41.419 m.
Eustace brak ook de wereldrecords voor parachutespringen met verticale snelheid, bereikt met een pieksnelheid van 1.321 km/u en een totale vrije valafstand van 37.617 m - die vier minuten en 27 seconden duurde. |
| |
| |
| De stratosfeer is een gebied van intense interacties tussen stralings-, dynamische en chemische processen, waarin de horizontale menging van gasvormige componenten veel sneller verloopt dan verticale menging. De totale circulatie van de stratosfeer wordt Brewer-Dobson-circulatie genoemd, wat een eencellige circulatie is, die zich uitstrekt van de tropen tot aan de polen, bestaande uit de tropische opwelling van lucht uit de tropische troposfeer en de extra-tropische neerwaartse beweging van lucht. . Stratosferische circulatie is een overwegend door golven aangedreven circulatie, in die zin dat de tropische opwelling wordt geïnduceerd door de golfkracht van de westwaarts voortplantende Rossby-golven, in een fenomeen dat Rossby-golfpompen wordt genoemd. |
| |
Een interessant kenmerk van de stratosferische circulatie is de quasi-tweejaarlijkse oscillatie (QBO) op de tropische breedtegraden, die wordt aangedreven door zwaartekrachtgolven die convectief worden gegenereerd in de troposfeer. De QBO induceert een secundaire circulatie die
belangrijk is voor het mondiale stratosferische transport van tracers, zoals ozon of waterdamp. |
| |
| Een ander grootschalig kenmerk dat de circulatie in de stratosfeer aanzienlijk beïnvloedt, zijn de brekende planetaire golven die resulteren in een intense quasi-horizontale vermenging op de middelste breedtegraden. Deze breuk is veel duidelijker op het winterhalfrond, waar deze regio de brandingszone wordt genoemd. Deze breuk wordt veroorzaakt door een zeer niet-lineaire interactie tussen de zich verticaal voortplantende planetaire golven en het geïsoleerde gebied met hoge potentiële vorticiteit dat bekend staat als de polaire vortex. De resulterende breuk veroorzaakt grootschalige vermenging van lucht en andere sporengassen in de brandingszone op de middelste breedtegraad. De tijdschaal van deze snelle menging is veel kleiner dan de veel langzamere tijdschalen van opwelling in de tropen en downwell in de extratropen. |
| |
Tijdens de winters op het noordelijk halfrond kan een plotselinge opwarming van de stratosfeer, veroorzaakt door de absorptie van Rossby-golven
in de stratosfeer, worden waargenomen in ongeveer de helft van de winters wanneer oostelijke winden zich in de stratosfeer ontwikkelen.
Deze gebeurtenissen gaan vaak vooraf aan ongewoon winterweer en kunnen zelfs verantwoordelijk zijn voor de koude Europese winters van de jaren zestig. |
| |
| Stratosferische opwarming van de polaire vortex resulteert in een verzwakking ervan. Wanneer de vortex sterk is, houdt deze de koude luchtmassa's onder hoge druk in het Noordpoolgebied vast; wanneer de draaikolk zwakker wordt, verplaatsen de luchtmassa's zich naar de evenaar, wat resulteert in snelle weersveranderingen op de middelste breedtegraden. |
| stratopauze |
| Stratopauze |
| |
| De stratopauze is het niveau van de atmosfeer dat de grens vormt tussen twee lagen: de stratosfeer en de mesosfeer. In de stratosfeer neemt de temperatuur toe met de hoogte, en de stratopauze is het gebied waar een maximum in de temperatuur optreedt. Dit atmosferische kenmerk is niet exclusief voor de aarde, maar komt ook voor op elke andere planeet of maan met een atmosfeer. Volgens James Kasting hebben planeten waarvan de atmosfeer geen kortegolfzonlicht absorbeert, zoals Venus en Mars, geen Stratosfeer en dus ook geen Stratopauze. |
| |
Op aarde ligt de stratopauze 47-51 km boven zeeniveau. De atmosferische druk bedraagt ongeveer 1⁄1000 van de druk op zeeniveau.
De temperatuur in de stratopauze is −2,5 °C. |
| |
|
|
|
|
|
|
|
