الستراتوسفير هي طبقة من الطبقات الثلاث للغلاف الجوي الأرضي ، وهي الطبقة الثانية من الغلاف الجوي في الإتجاه إلى الأعلى ، بينما طبقة التروبوسفير ، هي أدنى طبقات الغلاف الجوي ، وعن الطبقة الأعلى فهي الطبقة التي تتواجد فوق طبقة الستراتوسفير وهي طبقة الميزوسفير . يبلغ أرتفاع الجزء السفلي من طبقة الستراتوسفير في حوالي 10 كم فوق سطح الأرض في خطوط العرض المتوسطة ، والجزء العلوي من الغلاف الجوي يوجد على ارتفاع 50 كيلومترا ، وارتفاع الجزء السفلي من طبقة الستراتوسفير يختلف مع خطوط الطول ومع المواسم . والحدود الدنيا من الغلاف الجوي يمكن أن تصل إلى 20 كم بالقرب من خط الاستواء وتصبح منخفضة عند القطبين لتصل إلى 7 كم في فصل الشتاء ، ويطلق على الحد الأسفل من طبقة الستراتوسفير بالتروبوبوز ، وتسمى الحدود العليا للسترتوبوز .

تكون ثقب الأوزون

وهو نوع غير عادي من جزيء الأكسجين الذي أصبح متوفر نسبيا في طبقة الستراتوسفير ، مع ارتفاع درجات الحرارة في هذه الطبقة لأنها تمتص الطاقة من الأشعة فوق البنفسجية الواردة من الشمس ، حيث ترتفع درجات الحرارة كما تتحرك لأعلى من خلال طبقة الستراتوسفير ، هذا هو بالضبط عكس السلوك في طبقة التروبوسفير التي نعيش فيه ، حيث تنخفض درجات الحرارة مع زيادة الارتفاع . وبسبب هذا التقسيم الطبقي في درجة الحرارة ، فهناك القليل الحراري والاختلاط في طبقة الستراتوسفير ، وبالتالي فإن طبقات الهواء هناك مستقر تماما ، ولذا فالطائرات النفاثة التجارية تطير في طبقة الستراتوسفير السفلى لتجنب الاضطرابات وهو أمر شائع في أدنا طبقة التروبوسفير . ولذا نجد أن طبقة الستراتوسفير جاف للغاية ، والهواء يحتوي هناك علي القليل من بخار الماء. وبسبب هذا ، تم العثور على عدد قليل من الغيوم في هذه الطبقة ، وتقريبا يحدث كل الغيوم في المناطق المنخفضه ، بينما يعد التروبوسفير أكثر رطوبة ، ويظهر الغيوم في الستراتوسفير القطبية ” شركات الأمن الخاصة” هي الاستثناء ، حيث تظهر الأمنية الخاصة في طبقة الستراتوسفير السفلى بالقرب من القطبين في فصل الشتاء ، وهي توجد على ارتفاعات تتراوح بين 15 و 25 كم ، وتتشكل فقط عندما تكون درجات الحرارة في تلك المرتفعات يبلغ تراجعها لما دون -78 درجة مئوية . ويبدو أن المساعدة بسبب تشكيل الثقوب السيئة السمعة في طبقة الأوزون “المشجعة” لحدوث بعض التفاعلات الكيميائية التي تدمر طبقة الأوزون ، مما دعا للأمنية الخاصة . والهواء هو ما يقرب من ألف مرة أرق في الجزء العلوي من الغلاف الجوي مما هو عليه عند مستوى سطح البحر ، و لهذا السبب ، فإن الطائرات النفاثة وبالونات الطقس تصل ارتفاعاتها التشغيلية القصوى في غضون الستراتوسفير . ونظرا لعدم وجود الحمل الرأسي في طبقة الستراتوسفير ، يمكن للمواد التي تحصل عليها طبقة الستراتوسفير أن تظل هناك لزمن طويل ، وهذا هو الحال في المواد الكيميائية التي تدمر طبقة الأوزون التي تسمى مركبات الكربون الكلورية فلورية ” الكلوروفلوروكربون” . ولذا فالانفجارات البركانية الكبيرة وآثار النيازك الرئيسية يمكن تقذف جسيمات في الهواء الجوي تصل إلى طبقة الستراتوسفير حيث يمكن إغلاقه لعدة أشهر أو سنوات ، وتغيير في بعض الأحيان المناخ العالمي للأرض ، ولإطلاق صاروخ لحقن غازات العادم في الستراتوسفير ، ينتج عواقب غير مؤكدة . وهناك أنواع مختلفة من الموجات والجزر في الغلاف الجوي تؤثر على طبقة الستراتوسفير ، وبعض من هذه الأمواج تسبب حركة المد والجزر التي تحمل الطاقة من التروبوسفير التصاعدي إلي طبقة الستراتوسفير ، والبعض الآخر ينقل الطاقة من الستراتوسفير ليصل الى الميزوسفير . والأمواج والمد والجزر تؤثر على تدفق الهواء في الغلاف الجوي ، ويمكن أيضا أن يسبب التدفئة الإقليمية في هذه الطبقة من الغلاف الجوي . ويحدث نوع نادر من التفريغ الكهربائي ، يشبه إلى حد ما البرق ، في طبقة الستراتوسفير . وهذه “الطائرات الزرقاء” التي تظهر فوق العواصف الرعدية ، وتمتد من الجزء السفلي من طبقة الستراتوسفير لتصل إلى ارتفاعات من 40 أو 50 كم .

ما هي خصائص طبقة التروبوسفير

الستراتوسفير هي الطبقة الرئيسية الثانية من الغلاف الجوي للأرض ، وذلك فوق طبقة التروبوسفير ، وتحتها الميزوسفير ، ويرد حوالي 20٪ من كتلة الغلاف الجوي تتركز في طبقة الستراتوسفير ، ومكونا أساسياً من طبقات الغلاف الجوي في درجة الحرارة ، فالطبقات الأكثر دفئا هي العليا والطبقات الأكثر برودة أقرب إلى الأرض ، وترجع الزيادة في درجة الحرارة مع الارتفاع نتيجة لامتصاص الأشعة فوق البنفسجية من الشمس من خلال ثقب الأوزون ، وهي على النقيض من طبقة التروبوسفير ، التي تقع بالقرب من سطح الأرض ، حيث تنخفض درجات الحرارة مع الارتفاع . وتقع التروبوبوز علي الحدود بين طبقة التروبوسفير والستراتوسفير ، ويصادف هذا حيث يبدأ الانقلاب الحراري ، فبالقرب من خط الاستواء ، يبدأ الستراتوسفير علي بعد 18 كم ، في خطوط العرض الوسطى ، حيث يبدأ من 10-13 كم ، وينتهي عند 50 كم ، في القطبين . وتتراوح درجات الحرارة في طبقة الستراتوسفير مع المواسم ، ولا سيما مع الليل القطبي ” في فصل الشتاء ” ، وتكون أعظم بتغير درجة الحرارة فوق القطبين في طبقة الستراتوسفير السفلى. وهذه الاختلافات هي ثابتة إلى حد كبير في خطوط العرض الأدنى والأرتفاعات الأعلى .

الأوزون ودرجة الحرارة

آلية واصفي تشكيل طبقة الأوزون ، حيث وصفت من قبل عالم الرياضيات البريطاني سيدني تشابمان في عام 1930 ، بأن الأكسجين الجزيئي يمتص أشعة الشمس من خلال الطاقة العالية في منطقة الأشعة فوق البنفسجية-C ، عند أطوال موجية أقصر من حوالي 240 نانومتر . وينتج من أتحاد ذرات الأكسجين مع الأكسجين الجزيئي تشكيل الأوزون ، ويتحلل الأوزون بدوره بسرعة وأكثر بكثير من الأكسجين الجزيئي كما أنه يحتوي على امتصاص أقوى الذي يحدث في الأطوال الموجية ، حيث الانبعاثات الشمسية هي أكثر كثافة . الأوزون ” O3 ” والتحلل الضوئي ينتج O2 ، وهو المنتج من أتحاد ذرة الأكسجين مع الأكسجين الجزيئي في الغلاف الجوي لإصلاح O3 ، والإفراج عن الحرارة . والتحلل الضوئي السريع الذي يعمل علي إصلاح الأوزون مع ارتفاع درجات الحرارة في طبقة الستراتوسفير يؤدى إلى انقلاب درجة الحرارة ، وهذه الزيادة في درجة الحرارة مع الارتفاع هو سمة رئيسية في الستراتوسفير ، ومقاومته للخلط العمودي يعني أنه الطبقية ، وهي ضمن درجات حرارة الغلاف الجوي التي تزيد مع الأرتفاع ؛ حيث أن الجزء العلوي من الغلاف الجوي تصل درجة حرارة فيه حوالي 270K (-3 درجة مئوية أو 26.6 درجة فهرنهايت ” . وهذا التقسيم العمودي ، لطبقات أكثر دفئا أعلاه وطبقات أكثر برودة أدناه ، مما يجعل طبقة الستراتوسفير مستقرة حيوياً : ولا توجد الحرارة العادية والاضطراب المرتبطة بها في هذا الجزء من الغلاف الجوي ، ومع ذلك ، عمليات الحمل تكون حيوية واستثنائية ، مثل أعمدة الثورة البركانية التي تتجاوز القمم في العواصف الرعدية السوبرسل الشديدة ، وقد يكون الحمل الحراري في الغلاف الجوي على أساس محلي جدا ومؤقت .

وعموما يسمح بوجود الحياة على سطح الكوكب الخارجي لهذا المحيط ، للتخفيف من الأشعة الشمسية فوق البنفسجية في الأطوال الموجية التي تضر الحمض النووي عن طريق طبقة الأوزون . وكل هواء يدخل الستراتوسفير يجب أن يمر عبر التروبوبوز ، وهو الحد الأدنى لدرجة الحرارة التي تقسم التروبوسفير والستراتوسفير ، ومع ارتفاع الهواء حرفيا يحدث التجميد المجفف . ولذا فإن الستراتوسفير هو مكان جاف جدا ، ويسمى الجزء العلوي من الغلاف الجوي بالسترتوبوز ، حيث يقع أعلاه وتنخفض درجة الحرارة مع الارتفاع . وأعطى سيدني تشابمان الوصف الصحيح عن مصدر الأوزون في الستراتوسفير وقدرتها على توليد الحرارة داخل الغلاف الجوي ، وكتب أيضا أن الأوزون قد يتم تدميره من قبل التفاعل مع الأكسجين الذري ، مما يجعل اثنين من جزيئات الأكسجين الجزيئي .

ونحن نعرف الآن أن هناك آليات إضافية لفقدان الأوزون ، وأن هذه الآليات تعنى الحفاز وأن كمية صغيرة من عامل الحفاز يمكن أن تدمر عددا كبيرا من جزيئات الأوزون ، ويرجع ذلك إلى رد الفعل من جذور الهيدروكسيل OH • مع الأوزون ، و OH يتكون من تفاعل ذرات الأكسجين المتحمس إلكترونيا والتي تنتجها التحلل الضوئي للأوزون مع بخار الماء . في حين أن طبقة الستراتوسفير الجاف ، يتم إنتاج بخار الماء الإضافي في الموقع من قبل الأكسدة الضوئية لغاز الميثان ” CH4″ ، ويتم إعادة تدوير HO2 راديكالية التي تنتجها رد علي فعل OH مع O3 للOH من خلال التفاعل مع ذرات الأكسجين أو الأوزون . وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للبروتون الشمسي أن يؤثر بشكل كبير علي مستويات الأوزون عن طريق الإنحلال الإشعاعي مع تشكيل لاحق من OH ، ويتم إنتاج غاز الضحك أو أكسيد النيتروز ” N2O” حسب النشاط البيولوجي على سطح الأرض ويتأكسد إلى NO في طبقة الستراتوسفير . وما يسمى بالدورات الجذرية لأكاسيد النيتروجين تستنفد أيضا الأوزون في الستراتوسفير . وأخيرا ، تتحلل جزيئات مركبات الكربون الكلورية فلورية في طبقة الستراتوسفير للإفراج عن ذرات الكلور التي تتفاعل مع الأوزون وتعطي CLO وO2 ويتم تدوير ذرات الكلور عندما يتفاعل CLO مع O في طبقة الستراتوسفير العليا ، أو عندما يتفاعل CLO مع نفسه في الكيمياء من ثقب الأوزون فوق القطب الجنوبي . ولذا حصل بول كروتزن ، وماريو مولينا وشيروود رولاند على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1995 لعملهم في وصف وتشكيل وتحلل الأوزون في الستراتوسفير .