A sztratoszféra összetétele

A legtöbb földfelszínrõl kibocsátott anyag nem éri el a sztratoszférát. Vagy a troposzférikus oxidánsok (OH, NO₃, ózon) bontják szét, esetleg napfény hatására bekövetkezõ fotolitikus reakcióba lépnek, száraz vagy nedves ülepedéssel is kikerülhetnek a légkörbõl, vagy a hideg tropopauzában maradhatnak. A hõmérsékleti menet megváltozása miatt, a levegõ lassan cserélõdik a troposzféra és a sztratoszféra között. A troposzféra levegõjének függõleges kicserélõdése óra- és nap idõtartamba esik, míg a sztratoszférikus levegõ összekeveredése hónapos- és éves idõtartam.

Az egyik következmény az, hogy a vízgõz tartalom a sztratoszférában nagyon alacsony. A jellemzõ keverési arány (definícióját lásd alább) 2-6 ppm (2-6 molekula egy millió között) között változik, összehasonlítva az alsó troposzféra 1.000-40.000 ppm és a felsõ troposzféra 100 ppm-es keverési arányával. Ennek következtében a sztratoszférikus felhõk nagyon ritkán alakulnak ki, és nagyon alacsony hõmérsékletet szükséges a jégkristályok képzõdéséhez. Ilyen feltétetlek elsõdlegesen a poláris területek felett adottak, ahol a sztratoszférikus jégfelhõk kialakulhatnak. A vízgõztartalom a sztratoszférában növekszik, például a légi közlekedés következtében, a hõmérséklet viszont csökken a troposzféra felmelegedése miatt. Ezért nem lehet kizárni, hogy a poláris sztratoszférikus felhõk (PSC) kialakulása valószínûbbé válik.

1. Poláris sztratoszférikus felhõk Kiruna fölött / Svédország
forrás: MPI Heidelberg

Szervetlen vegyületek a sztratoszférában

A sztratoszféra kémiáját az ózon irányítja. A teljes ózonmennyiség 85-90 %-a a sztratoszférában található. Ez a nyomgáz az oxigén fotolízise révén alakul ki a sztratoszférában. A fotolízis azt jelenti, hogy a napfény felbontja az O₂ molekula kettõs kötését. A legtöbb sztratoszférába kerülõ gáz vagy a troposzférából származik, köszönhetõen a hosszú légköri tartózkodási idejének (pl. dinitrogén oxid N₂O, metán CH₄, halogénezett szénhidrogének CFC stb.), vagy erõs vulkánkitörések alkalmával kerül oda (kénvegyületek, aeroszolok). Ezért szervetlen vegyületek dominálnak a sztratoszféra összetételében: nitrogén oxidok, salétromsav, kénsav, ózon, halogének és halogének oxidok a CFC-k lebomlásából.

Vulkánkitörések

Az erõs vulkánkitörések nagymennyiségû gázt és részecskéket közvetlenül képesek a sztratoszférába juttatni. Ilyen gázok a halogének savjai mint a sósav HCl, hidrogénfluorid HF; vagy a kéndioxid SO₂, ami kénsavvá oxidálódik H₂SO₄ (a felhõk képzõdésének egyik alapvegyülete). A részecskék (fõleg szervetlen anyagból, mint szilikátok, halogének sói és szulfátok) már elnyelhetik a sugárzást a sztratoszférában, és ezért a sztratoszféra átmeneti melegedését, és a troposzféra hûlését okozhatják. Ilyen hatások 1-2 évig is fennmaradhatnak, és a kitörés után az egész féltekén mérhetõek. Egy példa a Pinatubo vulkán kitörése 1991 júniusában.

2. Pinatubo kitörése, Fülöp-szigetek, 2001 júniusában.
Forrás: Cascades Volcano Observatory USGS fotó: Rick Hoblitt

A koncentráció és a keverési arány fogalma

A légkörben lévõ anyagok mennyiségét kétféleképpen fejezhetjük ki, relatív és abszolút módon:
a) keverési arány  = az összes levegõmolekulának hányad része az anyag. Ha 40 ózon molekula van 1 millió levegõ molekulában, akkor a keverési arány 40 ppm (milliomod). Ez relatív.
b) koncentráció = adott térfogatban az anyag molekuláinak az össztömege. Ha 100 µg ózon van egy köbméter levegõbenben, akkor a koncentráció 100 µg / m³ Ez abszolút.
A légnyomás segítségével a két értéket egymásba tudjuk alakítani.

A nyomás a magassággal csökken, azaz minél magasabbra megyünk a sztratoszférában, annál kevesebb molekula található egy köbméternyi légrészben. Ez azt jelenti, hogyha az ózon abszolút tömege nem változik a magassággal, a relatív mennyisége növekszik.

Nagyon egyszerûen megmagyarázzuk ezt az alapelvet. Bizonyos légtérfogatban (világoskék doboz) adott számú levegõmolekula (kék) és adott számú ózon molekula (piros) van. A levegõmolekulák száma mindig csökken a magassággal.

3. (L1) bal oldalon feltesszük, hogy az ózon molekulák mennyisége [koncentráció = molekulák száma/térfogat = tömeg/térfogat, mértékegység pl.: molekula/m³, hPa, µg/m³] állandó marad a magassággal (piros háromszögek a függõleges metszeten). A levegõmolekulákhoz (kék körök) képest az ózon molekulák keverési aránya [zöld gyémántok, mértékegység pl. %, ppm, ppb, ppt] megnõ (lásd lejjebb).

3. (R1) Jobb oldalon feltesszük, hogy az ózon molekulák mennyisége párhuzamosan csökken a levegõmolekulákkal. A keverési arány (ózonmolekula/levegõmolekula) állandó marad végig a magassággal (zöld gyémántok): 8/40, 4/20, 2/10, 1/5 = 20%. De az ózon molekulák abszolút száma (piros háromszögek) csökken.

3. (L2) A fenti példa egyszerû ózon profilja - koncentráció (piros) és a keverési arány (zöld)

3. (R2) A fenti példa egyszerû ózon profilja - koncentráció (piros) és a keverési arány (zöld).

Melyik a valós? A jobboldali példa csak az ózon réteg tetején reális. A talajtól az alsó sztratoszféráig a bal oldali példa egy jó közelítést ad. A koncentráció közel azonos, de mivel a levegõréteg vékonyabbá válik, a keverési arány növekszik. Az alsó sztratoszférában még a koncentráció is növekszik (a lenti példában láthatod a növekedést 8-as faktorral).

Publikációkban láthatod a piros, vagy a zöld profilt vagy akár mindkettõt a sztratoszférikus ózonra vonatkozóan. De ne felejtsd el, hogy az ózon nem 1 az 5 levegõmolekula közül, hanem 1 az 1 millióból [1 ppm].

4. ábra. Bal oldalon: ózon profil, koncentráció és a keverési arány
forrás: IUP Bremen-tõl átvéve

Az oldalról:

Szerzõ: Dr. Elmar Uherek, MPI for Chemistry, Mainz
tudományos lektor: Dr. John Crowley, MPI for Chemistry, Mainz - 2004-05-04
pedagógiai lektor: Michael Seesing - Duisburgi Egyetem, Dr. Ellen K. Henriksen - Osloi Egyetem, Yvonne Schleicher - Erlangeni Egyetem-Nürnberg
utolsó frissítés: 2004-05-05