Stratosfærens sammensetning

Stratosfærens sammensetning

De fleste av forbindelsene som slippes ut ved jordas overflate når aldri opp til stratosfæren. De brytes ned av de viktigste oksidantene i troposfæren (OH, NO3, ozon), spaltes av sollyset (fotolyse), fjernes ved tørt eller vått nedfall eller fanges i den kalde tropopausen. Fordi temperaturendringen reverseres ved tropopausen, er utvekslingen av luft mellom troposfæren og stratosfæren treg. Vertikal utskiftning av troposfæren foregår i løpet av noen timer til noen dager, mens blanding av gassene i stratosfæren tar fra måneder til år.

Den første konsekvensen er at konsentrasjonen av vanndamp i stratosfæren er svært lav. Vanligvis er blandingsforholdet (se definisjon nedenfor) på 2-6 ppm (parts per million). Til sammenlikning er blandingsforholdet på 1000-40000 ppm i den nedre troposfæren og 100 ppm i den øvre troposfæren. Derfor er dannelsen av stratosfæriske skyer sjelden og det kreves svært lave temperaturer for at det skal dannes iskrystaller. Slike forhold er først og fremst til stede i polarregionene, hvor stratosfæriske isskyer kan dannes. I dag øker vanndampinnholdet i stratosfæren som følge av f eks flytrafikk, mens temperaturen synker på grunn av troposfærisk oppvarming. Det kan derfor ikke utelukkes at dannelsen av polare stratosfæriske skyer blir vanligere.

polar stratospheric clouds

1. Polare stratosfæriske skyer over Kiruna / Sverige.
Kilde: MPI Heidelberg.

Uorganiske forbindelser i stratosfæren

Den stratosfæriske kjemien styres av ozon. 85-90 prosent av det totale ozonet i atmosfæren befinner seg i stratosfæren. Denne sporgassen dannes ved fotolyse av oksygen i stratosfæren selv. Det vil si at sollyset spalter oksygenbindingene i O2-molekylene. De fleste andre gassene i stratosfæren kommer enten fra troposfæren fordi de har lang levetid (f.eks. dinitrogenoksid N2O, metan CH4 eller klorfluorkarboner KFK) eller fra kraftige vulkanske utbrudd (svovelforbindelser, aerosoler). Uorganiske forbindelser er derfor dominerende i stratosfæren: nitrogenoksider, salpetersyre, svovelsyre, ozon, halogener og halogenoksider fra nedbrytingen av KFK-gasser.

Vulkanutbrudd

Kraftige vulkanutbrudd kan sprøyte store mengder gasser og partikler direkte inn i stratosfæren. Eksempler på slike gasser er sure gasser som hydrogenklorid (HCl) og hydrogenfluorid (HF), eller svoveldioksid (SO2), som oksideres til svovelsyre (H2SO4 - en av de grunnleggende forbindelsene i skydannelse). Partiklene (for det meste uorganiske materialer som silikater, haloidsalter og sulfater) kan absorbere sollys allerede i stratosfæren. De forårsaker derfor en midlertidig oppvarming i stratosfæren og en avkjøling i troposfæren. Slike virkninger kan vare i rundt 1-2 år og kan måles over hele halvkula etter utbrudd. Et eksempel er Mt. Pinatubo, som hadde utbrudd i juni 1991.

Mt Pinatubo eruption

2. Utbrudd fra Mt. Pinatubo. Filippinene i juni 1991.
Kilde: Cascades Volcano Observatory USGS. Foto: Rick Hoblitt

Konsentrasjoner og blandingsforhold

Mengden av en forbindelse i atmosfæren kan uttrykkes på to måter; relativt og absolutt:
a) blandingsforhold = andelen av denne forbindelsen av alle luftmolekyler. Hvis det er 40 ozonmolekyler i én million luftmolekyler, er blandingsforholdet 40 ppm (deler per million). Dette er relativt.
b) konsentrasjon = massen til molekylene av denne forbindelsen i et bestemt volum luft. Hvis det er 100 µg ozon i en kubikkmeter luft, er konsentrasjonen 100 µg /m3. Dette er absolutt.
Ved hjelp av lufttrykket kan den ene verdien konverteres til den andre.

Trykket synker med høyden – jo høyere vi kommer i stratosfæren, desto færre molekyler finner vi per kubikkmeter luft. Det betyr at hvis den absolutte mengden av ozonmolekyler forblir den samme når vi kommer høyere opp i atmosfæren, vil den relative andelen ozon i lufta øke.

Vi skal vise dette prinsippet med et enkelt eksempel. I et bestemt volum luft (lys blå boks) er det et visst antall luftmolekyler (blå) og et visst antall ozonmolekyler (røde). Antallet luftmolekyler synker alltid jo høyere opp i atmosfæren vi kommer.

illustration of concentration and mixing ratio

3. (V1) Her går vi ut fra at mengden ozonmolekyler (konsentrasjon = molekyler/volum = masse/volum, enhet f.eks. molekyler/m3, hPa, µg/m3) forblir konstant uansett høyde over havet (røde triangler i profilen). Relativt til luftmolekylene (blå sirkler) øker blandingsforholdet til ozon  (de grønne punktene i kurven nedenfor. Enhet f eks  %, ppm = µmol/mol, ppb = nmol/mol, ppt = pmol/mol.).

illustration of concentration and mixing ratio

3. (H1) Her antar vi at mengden ozon synker parallelt med mengden luftmolekyler. Blandingsforholdet (ozonmolekyler per luftmolekyler) forblir konstant når høyden over havet øker (grønne punkter): 8/40, 4/20, 2/10, 1/5. Men det absolutte antallet ozonmolekyler (røde trekanter) per volum luft synker.

illustration of concentration and mixing ratio

3. (V2) Enkel ozonprofil av eksemplet ovenfor – konsentrasjon (rød) og blandingsforhold (grønn).

illustration of concentration and mixing ratio

3. (H2) Enkel ozonprofil av eksemplet ovenfor – konsentrasjon (rød) og blandingsforhold (grønn).

Hvilke av modellene er nærmest virkeligheten? Eksemplet til høyre er bare realistisk øverst i det maksimale ozonlaget. Fra bakken og opp til den nederste delen av stratosfæren er det venstre eksemplet en god beskrivelse. Ozonkonsentrasjonen forblir nesten lik, men fordi lufta blir tynnere øker blandingsforholdet. I den nedre stratosfæren øker faktisk konsentrasjonen av ozon (eksemplet nedenfor viser en økning med en faktor på åtte).

I vitenskapelige artikler vises den røde eller den grønne profilen av ozon i stratosfæren, noen ganger begge. Men husk at ozonet ikke er 1 av 5 molekyler i lufta, men heller 1 av 1 million (1 ppm).

4. Figuren til venstre: ozonprofil, både konsentrasjon og blandingsforhold vises.
Kilde: IUP Bremen.

Om denne siden:

Forfatter: Dr. Elmar Uherek, Max Planck Insitute for Chemistry, Mainz
Vitenskapelig kvalitetssikring: Dr. John Crowley, Max Planck Institute for Chemistry, Mainz - 2004-05-04
Pedagogisk utprøvning: Michael Seesing - Univ. of Duisburg, Dr. Ellen K. Henriksen - Univ. of Oslo, Yvonne Schleicher - Univ. of Erlangen-Nürnberg
Oversatt og bearbeidet av Nicolai Steineger og Erik Steineger
Sist oppdatert: 2004-05-05

Last modified: Friday, 22 May 2020, 9:44 PM