Stratosphère: caractéristiques, fonctions, température
La stratosphère est l'une des couches de l'atmosphère terrestre située entre la troposphère et la mésosphère. L'altitude de la limite inférieure de la stratosphère varie, mais on peut la prendre à 10 km pour les latitudes moyennes de la planète. Sa limite supérieure est l'altitude de 50 km à la surface de la Terre.
L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse qui entoure la planète. Selon la composition chimique et la variation de température, il est divisé en 5 couches: troposphère, stratosphère, mésosphère, thermosphère et exosphère.
La troposphère s'étend de la surface de la Terre à 10 km d’altitude. La couche suivante, la stratosphère, passe de 10 km à 50 km au-dessus de la surface de la Terre.
La mésosphère varie de 50 km à 80 km d’altitude. La thermosphère de 80 km à 500 km et enfin l'exosphère s'étend de 500 km à 10 000 km d'altitude, limite extrême de l'espace interplanétaire.
Caractéristiques de la stratosphère
Emplacement
La stratosphère est située entre la troposphère et la mésosphère. La limite inférieure de cette couche varie avec la latitude ou la distance à la ligne terrestre équatoriale.
Aux pôles de la planète, la stratosphère commence entre 6 et 10 km au-dessus de la surface de la Terre. À l'équateur, il commence entre 16 et 20 km d'altitude. La limite supérieure se situe à 50 km au-dessus de la surface de la Terre.
La structure
La stratosphère a sa propre structure en couches, qui sont définies par la température: les couches froides se situent en bas et les couches chaudes en haut.
En outre, la stratosphère a une couche où se trouve une concentration élevée d’ozone, appelée couche d’ozone ou ozonosphère, située entre 30 et 60 km au-dessus de la surface de la Terre.
Composition chimique
Le composé chimique le plus important dans la stratosphère est l'ozone. 85 à 90% de l'ozone total présent dans l'atmosphère terrestre se trouve dans la stratosphère.
L'ozone se forme dans la stratosphère au moyen d'une réaction photochimique (réaction chimique où la lumière intervient) qui souffre d'oxygène. Une grande partie des gaz de la stratosphère proviennent de la troposphère.
La stratosphère contient de l'ozone (O 3 ), de l'azote (N 2 ), de l'oxygène (O 2 ), des oxydes d'azote, de l'acide nitrique (HNO 3 ), de l'acide sulfurique (H 2 SO 4 ), des silicates et des composés halogénés, tels que les chlorofluorocarbones. Certaines de ces substances proviennent d'éruptions volcaniques. La concentration de vapeur d'eau (H 2 O à l'état gazeux) dans la stratosphère est très faible.
Dans la stratosphère, le mélange de gaz à la verticale est très lent et pratiquement nul en raison de l'absence de turbulence. Pour cette raison, les composés chimiques et autres matériaux qui pénètrent dans cette couche y restent longtemps.
La température
La température dans la stratosphère présente un comportement inverse de celui de la troposphère. Dans cette couche, la température augmente avec l'altitude.
Cette augmentation de la température est due à la survenue de réactions chimiques dégageant de la chaleur, où l'ozone intervient (O 3 ). La stratosphère contient une quantité considérable d’ozone, qui absorbe les rayons ultraviolets à haute énergie émis par le Soleil.
La stratosphère est une couche stable, sans turbulence qui mélange les gaz. L'air est froid et dense dans la partie la plus basse et dans la partie la plus haute, il fait chaud et léger.
Formation d'ozone
Dans la stratosphère, l'oxygène moléculaire (O 2 ) est dissocié par l'effet du rayonnement ultraviolet (UV) du Soleil:
O 2 + LUMIÈRE UV → O + O
Les atomes d'oxygène (O) sont hautement réactifs et réagissent avec les molécules d'oxygène (O 2 ) pour former de l'ozone (O 3 ):
O + O 2 → O 3 + chaleur
Dans ce processus, de la chaleur est libérée (réaction exothermique). Cette réaction chimique est la source de chaleur dans la stratosphère et provoque ses températures élevées dans les couches supérieures.
Fonctions
La stratosphère remplit une fonction protectrice de toutes les formes de vie existant sur la planète Terre. La couche d'ozone empêche les rayons ultraviolets (UV) de haute énergie d'atteindre la surface de la terre.
L'ozone absorbe les rayons ultraviolets et se décompose en oxygène atomique (O) et en oxygène moléculaire (O 2 ), comme le montre la réaction chimique suivante:
O 3 + LUMIÈRE UV → O + O 2
Dans la stratosphère, les processus de formation et de destruction de l'ozone sont dans un équilibre qui maintient sa concentration constante.
De cette manière, la couche d'ozone agit comme un bouclier protecteur contre les rayons UV, à l'origine de mutations génétiques, du cancer de la peau, de la destruction des cultures et des plantes en général.
Destruction de la couche d'ozone
Composés de CFC
Depuis les années 1970, les chercheurs se sont montrés très préoccupés par les effets nocifs des composés chlorofluorocarbonés (CFC) sur la couche d'ozone.
En 1930, l’utilisation de composés de chlorofluorocarbones appelés commercialement fréons a été introduite. Parmi ceux-ci figurent CFCl 3 (Fréon 11), CF 2 Cl 2 (Fréon 12), C 2 F 3 Cl 3 (Fréon 113) et C 2 F 4 Cl 2 (Fréon 114). Ces composés sont facilement compressibles, relativement peu réactifs et ininflammables.
Ils ont commencé à être utilisés comme réfrigérants dans les climatiseurs et les réfrigérateurs, remplaçant l'ammoniac (NH 3 ) et le dioxyde de soufre liquide (SO 2 ) (hautement toxique).
Par la suite, les CFC ont été utilisés en grande quantité dans la fabrication d’articles en plastique à usage unique, comme agents propulseurs pour les produits commerciaux sous forme de bombes aérosol et comme solvants pour le nettoyage des cartes de dispositifs électroniques.
L'utilisation généralisée et à grande échelle de CFC a créé un grave problème environnemental, car ceux utilisés dans les industries et les utilisations de réfrigérants sont rejetés dans l'atmosphère.
Dans l'atmosphère, ces composés se diffusent lentement dans la stratosphère; dans cette couche, ils se décomposent sous l'effet des rayons UV:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
Les atomes de chlore réagissent très facilement avec l'ozone et le détruisent:
Cl + O 3 → ClO + O 2
Un seul atome de chlore peut détruire plus de 100 000 molécules d'ozone.
Oxydes d'azote
Les oxydes d’azote NO et NO 2 réagissent en détruisant l’ozone. La présence de ces oxydes d'azote dans la stratosphère est due aux gaz émis par les moteurs d'avion supersoniques, aux émissions provenant des activités humaines sur Terre et à l'activité volcanique.
Amincissement et trous dans la couche d'ozone
Dans les années 1980, il a été découvert qu'un orifice dans la couche d'ozone s'était formé au-dessus de la zone du pôle Sud. Dans cette zone, la quantité d'ozone avait été réduite de moitié.
On a également découvert qu’au-dessus du pôle Nord et dans toute la stratosphère, la couche d’ozone s’était éclaircie, c’est-à-dire qu’elle avait diminué en largeur car la quantité d’ozone avait considérablement diminué.
La perte d'ozone dans la stratosphère a de graves conséquences pour la vie sur la planète et plusieurs pays ont admis qu'une réduction drastique ou l'élimination complète de l'utilisation des CFC était nécessaire et urgente.
Accords internationaux sur la limitation de l'utilisation des CFC
En 1978, de nombreux pays ont interdit l’utilisation des CFC comme agents propulseurs dans les produits commerciaux sous forme d’aérosols. En 1987, la grande majorité des pays industrialisés ont signé le "Protocole de Montréal", un accord international fixant des objectifs pour la réduction progressive de la fabrication de CFC et son élimination totale en 2000.
Plusieurs pays ont violé le Protocole de Montréal parce que cette réduction et cette élimination des CFC affecteraient leur économie, faisant passer les intérêts économiques avant la préservation de la vie sur la planète Terre.
Pourquoi les avions ne volent-ils pas dans la stratosphère?
Lors du vol d'un avion, il existe 4 forces fondamentales: la portance, le poids de l'avion, la résistance et la poussée.
L'ascenseur est une force qui maintient l'avion et le pousse vers le haut. plus la densité de l'air est élevée, plus la portance est grande. Le poids, par contre, est la force avec laquelle la gravité terrestre tire l’avion vers le centre de la Terre.
La résistance est une force qui ralentit ou empêche l'avancée de l'avion. Cette force de résistance agit dans la direction opposée à la trajectoire de l'avion.
La poussée est la force qui fait avancer l'avion. Comme on le voit, la poussée et la levée favorisent le vol; le poids et la résistance nuisent au vol de l'avion.
Avions volant dans la troposphère
Les avions commerciaux et civils à courtes distances, volent environ à 10 000 mètres d’altitude, c’est-à-dire dans la limite supérieure de la troposphère.
Dans tous les avions, il est nécessaire que la cabine soit mise sous pression, ce qui consiste en un pompage d'air comprimé dans le cockpit de l'aéronef.
Pourquoi la pressurisation de la cabine est-elle nécessaire?
Lorsque l'aéronef monte à des altitudes plus élevées, la pression atmosphérique externe diminue et la teneur en oxygène diminue également.
Si la cabine ne recevait pas d’air comprimé, les passagers souffraient d’hypoxie (ou mal des montagnes), accompagnée de symptômes tels que fatigue, vertiges, maux de tête et perte de conscience due au manque d’oxygène.
En cas de défaillance de l'alimentation en air comprimé de la cabine ou d'une décompression, l'avion doit se trouver en situation d'urgence et tous ses occupants doivent porter un masque à oxygène.
Vols dans la stratosphère, avion supersonique
Aux hauteurs supérieures à 10 000 mètres, dans la stratosphère, la densité de la couche gazeuse est plus faible et, par conséquent, la portance qui favorise le vol est également moindre.
D'autre part, à ces hautes altitudes, la teneur en oxygène (O 2 ) dans l'air est plus faible, ce qui est nécessaire à la fois pour la combustion du carburant diesel qui fait fonctionner le moteur de l'avion et pour une pressurisation efficace dans la cabine.
À des altitudes supérieures à 10 000 mètres au-dessus de la surface de la Terre, l'avion doit se déplacer à des vitesses très élevées, appelées supersoniques, atteignant plus de 1 225 km / heure au niveau de la mer.
Inconvénients des avions supersoniques développés à ce jour
Les vols supersoniques produisent des soi-disant explosions soniques, qui sont des bruits très forts similaires au tonnerre. Ces bruits ont un impact négatif sur les animaux et les humains.
De plus, ces avions supersoniques doivent utiliser plus de carburant et donc produire plus de polluants atmosphériques que les avions volant à plus basse altitude.
Les avions supersoniques nécessitent des moteurs beaucoup plus puissants et des matériaux spéciaux coûteux. Les vols commerciaux étaient si coûteux que leur mise en œuvre n'a pas été rentable.
