استراتوسفر چیست؟ – به زبان ساده + ویژگی‌ها

استراتوسفر یکی از لایه‌های جو زمین است و دومین لایه جو از سطح زمین به سمت بالا محسوب می‌شود. این لایه شامل ۱۹ درصد از گازهای موجود در جو و همچنین لایه اوزون است که از زمین در برابر پرتوهای زیان‌بار فرابنفش خورشید محافظت می‌کند. در استراتوسفر، با افزایش ارتفاع، دما نیز افزایش می‌یابد و هواپیماهای مسافربری در بخش‌های پایینی این لایه از جو پرواز می‌کنند. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم استراتوسفر چیست و چرا اهمیت دارد.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم استراتوسفر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد. سپس محل قرارگیری آن را در اتمسفر بررسی می‌کنیم. در ادامه، شرایط دمایی، شرایط جوی و همچنین لایه اوزون در این لایه را بررسی می‌کنیم. در نهایت، به بررسی سایر لایه‌های اتمسفر و حیات در این لایه می‌پردازیم. با مطالعه این مطلب تا انتها، می‌توانید به شکلی کامل با استراتوسفر و ویژگی‌های آن آشنا شوید.

استراتوسفر چیست؟

استراتوسفر (Stratosphere)  یا «پوشن‌سپهر» یکی از لایه‌های جو زمین است که بین تروپوسفر و مزوسفر قرار دارد. بخش پایینی استراتوسفر تقریبا هم‌دما است، یعنی دما در آن با تغییر ارتفاع تغییر چندانی نمی‌کند، در حالی که در بخش‌های بالاتر، دما با افزایش ارتفاع بیشتر می‌شود. این لایه از ارتفاع حدود ۱۵ کیلومتری سطح زمین آغاز می‌شود و تا حدود ۵۰ کیلومتری ادامه دارد.

این لایه بخش زیادی از اوزون موجود در جو را در خود جای داده است. اوزون با جذب بخش زیادی از پرتوهای فرابنفش خورشید، از زمین و موجودات زنده در برابر اثرات زیان‌بار این پرتوها محافظت می‌کند. استراتوسفر لایه‌ای خشک و پایدار از جو است و به دلیل نبود همرفت قابل‌توجه، حرکت عمودی هوا در آن بسیار محدود است. همین پایداری باعث می‌شود برخی مواد مانند ترکیبات مخرب لایه اوزون و آئروسل‌های آتشفشانی بتوانند برای مدت طولانی در این لایه باقی بمانند.

استراتوسفر کجاست؟

استراتوسفر از تروپوپاز در ارتفاع حدود ۱۰ تا ۱۷ کیلومتری سطح زمین آغاز می‌شود و تا مرز بالایی آن، یعنی استراتوپاز، در ارتفاع حدود ۵۰ کیلومتری ادامه دارد. لایه اوزون نیز در استراتوسفر قرار گرفته است. تروپوسفر، که پایین‌ترین لایه جو است، درست زیر این لایه قرار دارد و مزوسفر نیز لایه بالاتر از استراتوسفر است.

ارتفاع مرز پایینی استراتوسفر با توجه به عرض جغرافیایی و فصل تغییر می‌کند. این مرز در نزدیکی استوا می‌تواند تا ارتفاع ۲۰ کیلومتری و در قطب‌ها در فصل زمستان تا حدود ۷ کیلومتری پایین بیاید. مرز پایینی این لایه تروپوپاز و مرز بالایی آن استراتوپاز نام دارد. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این لایه‌ها، فیلم آموزش اتمسفر و لایه‌های آن در فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

فیلم آموزش اتمسفر و لایه‌های آن در فرادرس

کلیک کنید

ویژگی استراتوسفر چیست؟

این لایه حدود ۱۹ درصد از گازهای موجود در جو را در خود جای داده است، اما مقدار بخار آب در آن بسیار کم است. در این ناحیه، دما با افزایش ارتفاع بیشتر می‌شود.

برخی از ویژگی‌های استراتوسفر را در ادامه معرفی کرده‌ایم.

• هوای سبک‌تر در بخش بالایی استراتوسفر و هوای سنگین‌تر در بخش پایینی آن قرار دارد.
• هوای گرم‌تر در قسمت بالایی و هوای سردتر در قسمت پایینی این لایه قرار دارد.
• ضخامت لایه استراتوسفر حدود ۳۵ کیلومتر است.
• هواپیماهای مسافربری در این لایه پرواز می‌کنند تا از تلاطم‌های موجود در تروپوسفر دور بمانند.
• در این لایه ابرهای بسیار کمی وجود دارد.
• پرواز پرندگان در بخش‌های پایینی استراتوسفر مشاهده شده است.
• هوای این لایه برای تنفس معمولی بیش از حد رقیق است و می‌تواند سمی باشد.

ارتفاع استراتوسفر

ارتفاع استراتوسفر جدود ۳۵ کلومتر است. این لایه از ارتفاع حدود ۱۰ تا ۱۷ کیلومتری زمین آغاز شده و تا حدود ۵۰ کیلومتری زمین ادامه‌می یابد. ارتفاع استراتوسفر بسته به تغییرات فصلی و اقلیمی تغییر می‌کندو هوای سردتر و سنگین‌تر در بخش پایینی این لایه و هوای گرم و سبک‌تر در ارتفاعات بالایی استراتوسفر قرار دارد.

به دلیل نبودن طوفان‌ و تلاطم‌های جوی، این دو ناحیه هوای گرم و سرد باهم مخلوط نمی‌شوند.

ابرهای استراتوسفر

استراتوسفر هوای بسیار خشکی دارد و مقدار بخار آب در آن کم است، به همین دلیل ابرهای کمی در این لایه تشکیل می‌شوند. ابرهای استراتوسفری قطبی استثنا هستند که در زمستان و در نزدیکی قطب‌ها، در بخش پایینی این لایه تشکیل می‌شوند. این ابرها از یخ تشکیل شده‌اند و در ارتفاع ۱۵ تا ۲۵ کیلومتری، زمانی که دما به کمتر از ۷۸- درجه سانتی‌گراد می‌رسد، شکل می‌گیرند. این ابرها با فراهم‌کردن شرایط مناسب برای برخی واکنش‌های شیمیایی که اوزون را تخریب می‌کنند، در شکل‌گیری سوراخ لایه اوزون نقش دارند.

یادگیری شیمی دهم با فرادرس

برای درک بهتر اینکه استراتوسفر چیست و چه نقشی در جو زمین دارد، ابتدا بهتر است با مفاهیمی مانند هواکره، لایه‌های جو، تروپوسفر، مزوسفر، گازهای موجود در هوا، گاز اکسیژن و لایه اوزون آشنا شوید. برای درک بهتر این مفاهیم پیشنهاد می‌کنیم به مجموعه آموزش دروس پایه دهم، بخش شیمی فرادس مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این موارد می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است می‌توانید به آموزش‌های بیشتری درباره لایه استراتوسفر و نقش آن دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم بخش شیمی فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس

بررسی دما در استراتوسفر

اوزون، که نوعی مولکول اکسیژن و در استراتوسفر نسبتا فراوان است، با جذب انرژی پرتوهای فرابنفش ورودی از خورشید باعث گرم‌شدن این لایه می‌شود. به همین دلیل، برخلاف تروپوسفر که دما با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابد، دما در این لایه با افزایش ارتفاع بیشتر می‌شود. این ساختار دمایی باعث می‌شود همرفت و اختلاط هوا در این لایه بسیار کم باشد و لایه‌های هوا در آن پایداری بیشتری داشته باشند.

افزایش دما با ارتفاع به این معناست که هوای گرم‌تر در بالای هوای سردتر قرار می‌گیرد. این وضعیت از شکل‌گیری همرفت جلوگیری می‌کند، زیرا حرکت عمودی رو به بالای گازها در این لایه وجود ندارد. به همین دلیل، محل مرز پایینی استراتوسفر را می‌توان به‌خوبی از روی قسمت‌های بالایی سندانی‌شکل ابرهای کومولونیمبوس تشخیص داد.

مقایسه دما در استراتوسفر و تروپوسفر

در تروپوسفر، دما با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابد، اما در استراتوسفر روند معکوس است و دما با افزایش ارتفاع بیشتر می‌شود. در فرایند تشکیل اوزون، گرما تولید می‌شود و همین گرما باعث افزایش دما از میانگین حدود ۵۱- درجه سانتیگراد در تروپوپاز تا حداکثر حدود ۱۵-  درجه سانتیگراد در بالای این لایه می‌شود.

عوامل موثر بر دمای استراتوسفر

دمای استراتوسفر در چند دهه گذشته تغییرات مختلفی داشته است. این تغییرات می‌توانند هم در اثر عوامل طبیعی و هم در نتیجه فعالیت‌های انسانی ایجاد شوند. از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر دمای این لایه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• فوران‌های آتشفشانی
• چرخه ۱۱ ساله خورشیدی
• کاهش مقدار اوزون
• افزایش گازهای گلخانه‌ای یکنواخت مانند کربن دی اکسید

فوران‌های آتشفشانی بزرگ می‌توانند مقدار زیادی ذرات آئروسل را وارد استراتوسفر کنند. این ذرات با تغییر میزان تابش و تعادل انرژی در این لایه، می‌توانند باعث افزایش دمای این لایه شوند. این اثر ممکن است چند ماه یا حتی چند سال ادامه داشته باشد. از طرف دیگر، چرخه ۱۱ ساله خورشیدی نیز می‌تواند بر دما و مقدار اوزون این لایه اثر بگذارد. در کنار این عوامل طبیعی، فعالیت‌های انسانی نیز تغییرات مهمی در دمای استراتوسفر ایجاد کرده‌اند.

کاهش دمای استراتوسفر

فعالیت‌های انسانی، به‌ویژه کاهش اوزون و افزایش گازهای گلخانه‌ای، باعث ایجاد روند خنک‌شدن این لایه شده‌اند. مطالعات انجام‌شده درباره دوره ۱۹۸۶ تا ۲۰۲۲ نشان داده‌اند که افزایش گازهای گلخانه‌ای، در حالی که باعث افزایش دمای زمین و تروپوسفر شده است، دمای استراتوسفر میانی و بالایی را حدود ۱٫۸ تا ۲٫۲ درجه سانتی‌گراد کاهش داده است.

فلش کارت استراتوسفر

در ادامه، مهم‌ترین نکات کنکوری و امتحانی مربوط به لایه استراتوسفر در قالب فلش‌کارت آورده شده است. با کلیک بر روی هر تصویر می توانید مفاهیم مربوط به آن را در پشت تصویر را مشاهده کنید.

قبلی

۱/۵

بعدی

لایه اوزون در استراتوسفر

حدود ۹۰ درصد از اوزون موجود در جو در استراتوسفر قرار دارد. وجود لایه اوزون در این ناحیه باعث می‌شود بخش زیادی از پرتو فرابنفش رسیده از خورشید جذب شود. به همین دلیل، دما در این لایه با افزایش ارتفاع بیشتر می‌شود. به اوزون موجود در لایه استراتوسفر لایه اوزون گفته می‌شود.

اوزون در استراتوسفر در یک چرخه طبیعی به‌طور پیوسته تشکیل و تجزیه می‌شود. ابتدا پرتوهای فرابنفش پرانرژی خورشید مولکول‌های اکسیژن را تجزیه می‌کنند و اتم‌های اکسیژن آزاد می‌شوند:

$$O_2 + h\nu \rightarrow 2O$$

سپس اتم‌های اکسیژن با مولکول‌های اکسیژن واکنش می‌دهند و مولکول اوزون تشکیل می‌شود.

$$O + O_2 \rightarrow O_3$$

اوزون تشکیل‌شده نیز می‌تواند پرتوهای فرابنفش را جذب کند و دوباره به اکسیژن مولکولی و اتم اکسیژن تجزیه شود.

$$O_3 + h\nu \rightarrow O_2 + O$$

این چرخه باعث می‌شود اوزون استراتوسفری به‌طور مداوم تشکیل و تجزیه شود. جذب پرتوهای فرابنفش در این فرایند، انرژی خورشید را به گرما تبدیل می‌کند و یکی از دلایل افزایش دما در این لایه با افزایش ارتفاع است.

اهمیت اصلی لایه اوزون، جذب بخش زیادی از پرتوهای فرابنفش خورشید، به‌ویژه پرتوهای UVB و UVC است. این لایه مانند یک سپر طبیعی از زمین محافظت می‌کند و میزان پرتوهای فرابنفشی را که به سطح زمین می‌رسند کاهش می‌دهد. در نتیجه، لایه اوزون نقش مهمی در حفاظت از سلامت انسان، جانوران، گیاهان و سایر جانداران دارد. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بهتر این مفاهیم، مطلب جمع بندی شیمی دهم فصل دوم مجله فرادرس را مطالعه کنید که به بررسی دقیق‌تر این موضوع می‌پردازد.

شرایط جوی در استراتوسفر چیست؟

استراتوسفر یکی از لایه‌های مهم جو زمین است که ویژگی‌های خاصی مانند پایداری نسبی هوا، جابه‌جایی انرژی و وجود لایه اوزون دارد. مواد و ذراتی که وارد این لایه می‌شوند می‌توانند برای مدت طولانی در آن باقی بمانند و بر فرایندهای جوی و اقلیمی اثر بگذارند. همچنین، امواج جوی و برخی پدیده‌های الکتریکی در این لایه رخ می‌دهند که شناخت آن‌ها به درک بهتر رفتار این لایه کمک می‌کند. در ادامه، برخی از مهم‌ترین ویژگی‌های استراتوسفر را بررسی می‌کنیم.

ماندگاری مواد در استراتوسفر

به دلیل نبود همرفت عمودی قابل‌توجه در این لایه، موادی که وارد این لایه می‌شوند می‌توانند برای مدت طولانی در آن باقی بمانند. برای مثال، ترکیبات شیمیایی مخرب لایه اوزون مانند کلروفلوئوروکربن‌ها یا CFCها می‌توانند پس از رسیدن به استراتوسفر، برای مدت طولانی در آن حضور داشته باشند و در تخریب اوزون نقش داشته باشند.

فوران‌های بزرگ آتشفشانی و برخی رویدادهای شدید مانند برخورد شهاب‌سنگ‌ها نیز می‌توانند ذرات و آئروسل‌ها را وارد استراتوسفر کنند. این ذرات ممکن است ماه‌ها یا حتی سال‌ها در این لایه باقی بمانند و با تغییر فرایندهای شیمیایی و تابشی جو، بر دمای استراتوسفر و حتی اقلیم زمین اثر بگذارند. همچنین، افزایش پرتاب موشک‌ها می‌تواند مواد و گازهای خروجی را مستقیما وارد لایه‌های بالایی جو کند. اثرات بلندمدت این انتشارها بر این لایه و لایه اوزون هنوز به‌طور کامل مشخص نشده است.

امواج و جابه‌جایی انرژی در استراتوسفر

حرکت هوا در استراتوسفر تنها به جریان‌های معمول جوی محدود نمی‌شود. امواج جوی و جزرومدهای مختلف نیز می‌توانند انرژی را در میان لایه‌های جو جابه‌جا کنند. برخی از این امواج انرژی را از تروپوسفر به استراتوسفر منتقل می‌کنند و برخی دیگر انرژی را از این لایه به سمت مزوسفر می‌برند.

این جابه‌جایی انرژی می‌تواند بر جریان‌های هوا و دمای استراتوسفر اثر بگذارد و در برخی مناطق باعث گرم‌شدن موقتی این لایه شود. به همین دلیل، امواج جوی نقش مهمی در تغییرات دما و گردش هوا در این لایه دارند.

تخلیه الکتریکی در استراتوسفر چیست؟

در استراتوسفر پدیده‌های الکتریکی نادری نیز رخ می‌دهند که به نوعی شبیه رعدوبرق هستند. یکی از این پدیده‌ها جت‌های آبی است که در بالای برخی طوفان‌های تندری شکل می‌گیرد و از نزدیکی مرز تروپوسفر و استراتوسفر به سمت ارتفاعات بالاتر گسترش می‌یابد. این تخلیه‌های الکتریکی می‌توانند تا ارتفاع حدود ۴۰ تا ۵۰ کیلومتری برسند و برای مدت کوتاهی نور آبی‌رنگ ایجاد کنند.

مطالعه این پدیده‌ها به دانشمندان کمک می‌کند تا تعامل میان طوفان‌های تروپوسفری، این لایه و فرایندهای الکتریکی جو را بهتر درک کنند.

اهمیت استراتوسفر در تغییرات اقلیمی چیست؟

استراتوسفر یکی از بخش‌های مهم سامانه اقلیمی زمین است و تغییرات دما، ترکیب شیمیایی و گردش هوا در آن می‌تواند بر تروپوسفر و اقلیم زمین اثر بگذارد. مهم‌ترین عوامل مؤثر بر این لایه شامل برهم‌کنش میان تابش، واکنش‌های شیمیایی و فرایندهای دینامیکی هستند.

تاثیر تغییرات استراتوسفر بر تروپوسفر

تغییر در ترکیب استراتوسفر می‌تواند گردش هوا، بادها و دمای این لایه را تغییر دهد. این تغییرات می‌توانند به سمت پایین منتقل شوند و بر آب‌وهوا و اقلیم تروپوسفر نیز اثر بگذارند.

سایر لایه های اتمسفر چیست؟

پوشش گازی اطراف زمین از سطح زمین به سمت ارتفاعات، ویژگی‌های متفاوتی دارد. بر اساس عواملی مانند ویژگی‌های حرارتی، یعنی تغییرات دما، ترکیب شیمیایی، حرکت و چگالی، پنج لایه اصلی برای جو زمین شناسایی شده است.

فیلم آموزش شیمی ۱ – پایه دهم – حل امتحانات نهایی در فرادرس

کلیک کنید

مرز میان این لایه‌ها را نواحی به نام «مکث» مشخص می‌کنند. بیشترین تغییرات در ویژگی‌های حرارتی، ترکیب شیمیایی، حرکت و چگالی در این نواحی رخ می‌دهد.

• اگزوسفر
• ترموسفر
• مزوسفر
• استراتوسفر
• تروپوسفر

در ادامه، سایر لایه‌های جو را به صورت خلاصه بررسی می‌کنیم.

اگزوسفر

اگزوسفر بیرونی‌ترین لایه جو زمین است و از ارتفاع حدود ۶۰۰ کیلومتری تا ۱۰٬۰۰۰ کیلومتری امتداد دارد. در این لایه، اتم‌ها و مولکول‌ها می‌توانند از جو خارج شده و وارد فضا شوند. ماهواره‌ها نیز در این ناحیه به دور زمین حرکت می‌کنند. در بخش پایینی اگزوسفر، لایه‌ای به نام ترموپاز قرار دارد.

ترموسفر

ترموسفر از ارتفاع حدود ۸۵ تا ۶۰۰ کیلومتری قرار دارد و به‌عنوان بخش بالایی جو شناخته می‌شود. پرتوهای پرانرژی فرابنفش و ایکس خورشید در این لایه جذب می‌شوند و باعث افزایش دما می‌شوند. دما با افزایش ارتفاع بیشتر می‌شود و می‌تواند در بخش بالایی به حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد برسد. بااین‌حال، به دلیل رقیق‌بودن شدید هوا، این دمای بالا برای گرم‌کردن پوست انسان کافی نیست.

مزوسفر

مزوسفر از ارتفاع حدود ۵۰ تا ۸۵ کیلومتری بالای سطح زمین قرار دارد. گازهای این لایه هرچه به سمت پایین می‌رویم متراکم‌تر می‌شوند و دما نیز افزایش پیدا می‌کند. ردهای نورانی حاصل از سوختن شهاب‌سنگ‌ها در آسمان شب دیده می‌شوند.

تروپوسفر

تروپوسفر پایین‌ترین لایه جو زمین است و تقریبا تمام پدیده‌های آب‌وهوایی در این لایه رخ می‌دهند. ارتفاع تروپوسفر در نقاط مختلف زمین متفاوت است و در استوا به حدود ۱۸ تا ۲۰ کیلومتر می‌رسد. با افزایش ارتفاع، چگالی هوا کاهش پیدا می‌کند و هوا رقیق‌تر می‌شود. دما نیز با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابد و در تروپاپاز به حدود منفی ۵۱ درجه سانتی‌گراد می‌رسد.

حیات باکتریایی در استراتوسفر چیست؟

برخی باکتری‌ها می‌توانند در استراتوسفر زنده بمانند و به همین دلیل، این لایه بخشی از زیست‌کره به شمار می‌رود. برای مثال، در سال ۲۰۰۱، در یک آزمایش با بالن در ارتفاع بالا، نمونه‌ای از گردوغبار در ارتفاع ۴۱ کیلومتری جمع‌آوری شد. بررسی این نمونه در آزمایشگاه نشان داد که حاوی مواد باکتریایی است.

تاریخچه کشف استراتوسفر چیست؟

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم استراتوسفر چیست. در سال ۱۹۰۲ میلادی، یک لایه همدما در حدود ۱۱ تا ۱۴ کیلومتری زمین توسط دو دانشمند فرانسوی و آلمانی به نام‌های «لئون دبور» (Léon Teisserenc de Bort) و «ریچارد آسمن» (Richard Assmann) به صورت جداگانه گزارش شد. این گزارش‌ها از پروفایل‌های دمایی به دست آمده از بالن‌های بدون سرنشین، یا بالن‌های با سرنشین به وسیله تجهیزات بود.