چرا لایه ازن در قطب شمال و جنوب نازک تر می شود ؟

ازن گازی است که از 3 اتم اکسیژن تشکیل شده است.

این گاز در فاصله 15 تا 40 کیلومتری سطح زمین لایه ای فیلتر مانند تشکیل می دهد که از ورود اشعه خطرناک ماورای بنفش به درون جو زمین جلوگیری می کند. ضخامت این لایه در صورت فشرده شدن فقط 2 تا 3 میلی متر است که بر فراز استوا ضخیم تر از قطبین زمین است. گازهای مخرب لایه ازن عمدتا از صنایع برودتی و سرد کننده ها، صنایع ابر و اسفنج سازی، بخش دفع آفات کشاورزی، سیستم های تهویه مطبوع، کپسول های اطفای حریق و حلال اسپری های پاک کننده قطعات الکترونیکی متصاعد می شوند و تا ارتفاع 40 کیلومتری صعود می کنند. طول عمر ماندگاری گازهای مخرب لایه ازن از 50 تا 150 سال است و تا حذف کامل این گازها که قبلا وارد جو شده اند حداقل نیم قرن لازم است. ایجاد حفره در لایه ازن باعث خطرات زیست محیطی و انسانی بسیاری می شود و حیات بدون این لایه روی کره زمین از بین خواهد رفت. برای آشنایی بیشتر با نقش حیاتی لایه ازن و مشکلاتی که تحت تاثیر فعالیت های بشر برای آن به وجود آمده است. خبرنگار ما با »فریدون رستمی« مدیر دفتر حفاظت از لایه ازن سازمان محیط زیست، گفتگویی انجام داده است که در پی می آید.

 

لایه ازن چیست، چگونه تشکیل شده است و چه کاری انجام می دهد

   ازن یا O3، گاز آبی کمرنگی است که هر ملکول آن از 3 اتم اکسیژن تشکیل شده است. بیشترین مقدار ازن و اتمسفر زمین در منطقه ای به نام استراتوسفر وجود دارد. لایه ازن که در ارتفاع 15 تا 20 کیلومتری بالای سطح زمین تشکیل شده است، اشعه خطرناک ماورای بنفش (UV) را جذب و از رسیدن آن به سطح زمین جلوگیری می کند به همین دلیل وجود این لایه برای ادامه حیات بر روی کره زمین ضروری است. ازن جو پایین چیست و چگونه به وجود می آید ازن سطحی یا جو پایین در اثر ترکیبات حاصل از سوخت های فسیلی، همچون اکسیدهای نیتروژن و هیدروکربورهای نسوخته ای به وجود می آید که در مجاورت تشعشعات UV خورشید قرار گرفته اند. ازن سطحی در لایه توپوسفر در سطح زمین به وجود می آید که یکی از عوامل آلوده کننده هواست و سبب ایجاد مه، دود فتوشیمیایی و نهایتا بیماری های تنفسی می شود. گازهای آلوده کننده هوا چه تاثیری بر لایه ازن دارند برخی از این گازها که شامل CFCها، هالون ها، متیل بروماید و... می باشند، پس از رسیدن به لایه ازن به علت داشتن ملکول های هالوژن باعث تخریب ملکول های ازن و تحلیل رفتن این لایه می شوند. اما سایر مواد آلاینده هوا نظیر اکثر هیدروکربورهای حاصل از سوخت های فسیلی که از دود اتومبیل و کارخانجات به وجود می آیند پس از رسیدن به لایه ازن در مجاورت اشعه UV به عنوان سرعت دهنده واکنش تخریب ازن عمل می کنند.

 

تاریخچه سوراخ شدن لایه اوزون :

ابتدا: جریان تاسف بار سوراخ شدن لایه اوزون در لایه زیر استرا توسفر در بالای منطقه انتارکتیکا اولین بار در دهه هفتاد (1970 تا 1979)توسط یک گروه تحقیقاتی به نام BAS کشف شد .این گروه در مورد اتمسفر بالای منطقه انتارکتیکا از یک ایستگاه تحقیقاتی که بسیار شبیه این عکس میباشد مشاهده می گردند. *اطلاعات ایستگاه تحقیقاتی هالی * ایستگاه تحقیقاتی BAS فالکر اولین بار در حالی تحقیقات را انجام داد که اندازه گیری اولیه در سال1985برای اولین بار سوراخ شدن لایه اوزون آنچنان نگران کننده بود که دانشمندان تصور میکردند که دستگاهای اندازه گیری خراب است .آنها دستگاه های دیگری جانشین آن دستگاه ها کردند تا آنکه نتایج بدست آمده اندازه گیری های اولیه را تایید کرد .چندماه بعد که سوراخ شدن لایه اوزون قابل مشاهده بود،(پس از مشاهده سوراخ شدن لایه اوزون تحقیقات قبلی تایید شد)از طرف دیگر اطلاعات ماهواره TOMS سوراخ شدن لایه اوزون را نشان نمی داد ،بدین دلیل که نرم افزارهایی که اطلاعاتی در مورد لایه اوزون میداد به صورتی برنامه ریزی شده بود که لا یه اوزون در منطقه کوچکی موردبررسی قرار می گرفت .بررسی های بعدی ، اطلاعات بدست آمد هنگامی که نتایج گروه BASمنتشر نشد،مورد تایید قرار گرفت و بیانگر این مطلب بود که سوراخ شدن لایه اوزون به طور سریع ودر مقیاس بزرگی بر بالای منطقه انتارکتیکا انجام می شود.

 

اوزون لایه ای را در استراتوسفر تشکیل میدهد که منطقه استوا باریکتر و در دو قطب پهن تر است .میزان اوزون در بالای سطح کره زمین به وسیله مقیاسی به نام DU Dobson units اندازه گیری میشود که این میزان در منطقه استوایی در حدود 260DUاست و به میزان بیشتری در جاهای دیگر است . این در حالی است تغییرات فصلی بسیار وسیعی اتفاق میافتد واین در حالی شکل می گیرد و اشعه ماورای بنفش در لایه استراتوسفر نفوذ میکند یا آن را می شکافد.

 

 

 

علت ایجاد حفره در این لایه چیست؟

   در اوایل دهه 1970 برای اولین بار محققان دریافتند که لایه ازن در حال تخریب است. در ابتدا تصور می شد که عامل اصلی تخریب، اکسیدهای نیتروژن حاصل از پرواز هواپیماهای مافوق صوت در استراتوسفر است تا این که در سال 1974 اعلام شد بعضی مواد شیمیایی ساخت بشر با نام کلروفلوئوروکربن ها (CFCها) به لایه ازن صدمه وارد می کنند. فرآیند تخریب بدین شکل رخ می دهد که پرتو خورشید باعث شکسته شدن بسیاری از گازهای حاوی کلروبرم و تولید رادیکال های آن ها در استراتوسفر می شود. رادیکال ها یک رشته واکنش های زنجیره ای تخریب کننده را تشدید می کنند و باعث شکسته شدن گازهای موجود در اتمسفر از جمله ازن می شوند.

 

مواد شیمیایی تخریب کننده لایه ازن کدامند؟

   مهم ترین این مواد (کلروفلوئوروکربن ها) CFCها هستند. ترکیبات مشابهی که به طور کامل هالوژنه نیستند و در ترکیب آن ها هیدروژن هم وجود دارد مانند هیدرو کلروفلوئوروکربن ها (HCFCها)، اثر تخریبی کمتری نسبت به CFCها و هالون ها بر لایه ازن دارند زیرا هیدروژن باعث کاهش زمان حضور آن ها در اتمسفر می شود. هالون ها که در کپسول های آتش نشانی برای اطفای حریق به کار می روند هیدروکربن های هالوژنه هستند که به جای یک یاچند اتم هیدروژن، اتم های برم، کلروفلوئور دارند و قدرت تخریب لایه ازن آنها بسیار بالاست. کلروفلوئوروکربن ها (CFCها) بسیار پایدار، غیر قابل اشتعال و غیر سمی هستند و کار کردن با آنها آسیبی به انسان وارد نمی سازد. بنابراین از دیدگاه صنعتی، موادی ایده آل محسوب می شوند در حالی که پایداری آنها باعث دوام در اتمسفر و انتقال به استراتوسفر و در نهایت تخریب لایه ازن می شود.

 

چرا با این که در نیمکره شمالی خشکی ها بیشتر هستند و در نتیجه آلودگی های صنعتی نیز بیشتر وجود دارد ولی در بخش قطب جنوب لایه ازن، حفره ایجاد شده است؟

   دانشمندان دلایلی را برای آسیب پذیری بیشتر لایه ازن در قطب جنوب برشمرده اند. یکی از دلایل، حلقه قطبی، است که فریون های رها شده در اثر فعالیت های صنعتی را جذب می کند، دیگر این که به دلیل هوای فوق العاده سرد و یخبندان شب در قطب جنوب، ابرهایی با کریستال های کوچک یخ در بالاترین لایه استراتوسفر ایجاد می شود. این کریستال ها نقش کاتالیست یا تسریع کننده واکنش را بازی می کند و سبب می شود ترکیبات حاوی مواد مخرب لایه ازن در داخل ابرها شکسته و تبدیل به کلرین فعال شود و زمانی که خورشید پس از یک شب طولانی می تابد، تابش پرتو و وجود منواکسید کلر باعث تخریب ازن می شود. عامل دیگری که باعث شدت تخریب لایه ازن در قطب جنوب می شود حرکت و چرخش بادهای قطبی بدون وجود هیچ مانعی در سراسر این زمین پهناور و یخ زده می باشد در حالی که این عامل در قطب شمال به دلیل بالاتر بودن دما و تشکیل کمتر ابرهای یخی، بسیار ضعیف است. کاهش و تخریب ازن در عرض های جغرافیایی متوسط یعنی بالای اروپا، آسیا و آمریکا بسیار سریع تر از حد پیش بینی شده است.

 

 

علت تخریب لایه ازن در قطب شمال و جنوب

آنچه نقش سپر حفاظت حیات در مقابل اشعه زیانبار خورشید را ایفا می کند و لایه ازن نامیده می شود، ازن ناحیه استراتوسفر است.

اول بار ، پژوهشگران انگلیسی از ایستگاه هالی بی در ساحل قاره قطب جنوب ، کاهش منظمی را در تراکم ازن ، هنگام بهار در ناحیه استرالیا اعلام کردند. تحقیقات نشان می دهد که غلظت منوکسید کلر در استراتوسفر در حال افزایش است.

در سال 1987، اندازه گیری هایی که با هواپیمای مخصوص پرواز در ارتفاع زیاد متعلق به ناسا و مجهز به وسایل آزمایشگاهی صورت گرفت، غلظت منوکسید کلر را در مدار جغرافیایی 7-0 درجه جنوبی و در ارتفاع 18 کیلومتر از سطح زمین حدود یک PPB نشان داد، در حالیکه غلظت معمولی آن 1,3 آن است.

99 درصد کلر استراتوسفر به صورت کلر نیترات و بخار اسید کلریدریک است. این ترکیبهای غیر فعال با دریافت انرژی خورشید و تحت شرایطی فیزیکی خاص به اتم کلر و مولکول منوکسیدکلر فعال تبدیل می شود که در تجزیه ازن دخالت دارد. طبق آمار تهیه شده به وسیله ماهواره ها ، کاهش ازن در فاصله سالهای 1978 و 1988 حدود 2 تا 3 درصد بوده است.

تحقیقات نشان داد که روندهایی مشابه آنچه در لایه ازن قطب جنوب اتفاق می افتد، در قطب شمال هم ممکن است روی دهد.

 

چرا لایه ازن در نواحی قطبی که آلایندها کمتر است سوراخ شده است ولی در مناطق دیگری که عملیاتهای صنعتی و آلایندهها وجود دارد سوراخ نشده است؟

مهمترین عامل وجود ابرهای استراتوسفری در نواحی قطبی است به دلیل سردتر بودن قطب جنوب این ابرها در آنجا پایدارترند تابش پرتوهای فرا بنفش خورشید در آغاز بهار باعث آزاد شدن رادیکالهای کلر در مجاورت بلورهای یخ موجود در این ابرها میگردد.

مولکولهای کلروفلوئورکربنها (CFCها) در از بین بردن لایه ازن موثرند. از این ترکیبات بطور گسترده در دستگاههای سرد کننده و در افشانه ها (اسپری ها) استفاده می شود.

این مولکولها به علت پایداری آنها به استراتوسفر راه می یابند و در آنجا بر اثر تابش خورشید پیوند C-Cl شکسته می شود. اتم کلر حاصل به مولکول ازن حمله می کند و مولکول CLO را می دهد. این مولکول بنوبه خود با اکسیژن ترکیب شده ، مولکول O2 و اتم Cl آزاد می شود که مجددا در چرخه تخریب اوزون شرکت می کند. از این روست، در عهدنامه سال 1978 مونترال قرار این شده که از مصرف کلروفلوئوروکربنها به تدریج کاسته شود و مواد دیگری به عنوان جانشین برای آنها یافت شود و یافتن چنین ترکیباتی بطور مسلم کار شیمیدانان است.

تا سال 1980میلادى از سوراخى لایه اوزون خبرى نبود ؛ اما در سال 1985م ، دانشمندان از نازک شدن لایه اوزون در قطب جنوب خبر دادند. در آن زمان با تحقیقات انجام شده علت نابودى مولکول هاى اوزون را ،گاز هاى cfc (کلر و فلوئور و کربن) مى دانستند. گاز هاى cfc بعنوان گاز هاى خنک کننده در یخچال ها ،کولرها و همچنین در مواد پلاستیکى مورد استفاده قرار مى گیرند . در cfc ها اتم هاى کلر ناپایدار و واکنش پذیر مى باشند و هنگامى که گاز هاى cfc به لایه هاى بالا مى روند ، در لایه هاى بالا بر اثر برخورد با نور خورشید ،گاز هاى کلر آزاد مى شوند. اتم هاى کلر در لایه استراتوسفر با مولکول هاى اوزون واکنش مى دهند. هر اتم کلر به تنهایى مى تواند 100.000 مولکول اوزون را از بین ببرد . به همین دلیل در گستره جهانى ،در سازمان ملل متحد ،در معاهده اى بنام معاهده مونترال کشورها متعهد شدند که از تولید و فروش گاز هاى cfc خوددارى کنند ،و همچنین به کشور هاى فقیر این امکان را بدهند که بجاى استفاده از گاز هاى cfc ، از گاز هاى خنک کننده دیگرى استفاده کنند. ما مى دانیم که بیشترین کشور هاى صنعتى در نیم کره شمالى قرار دارند ، پس چرا در قطب جنوب لایه اوزون سوراخ شده است ؟! برای پاسخ به این سوال ، پژوهش های زیادی انجام شده است که بعضی از این پژوهش ها تاکنون در دست تحقیق است . اخیراً دانشمندان علت ایجاد حفره در لایه اوزون را گرداب های سنگین ، که در قطب جنوب جریان دارند ، می دانند در زمستان در طول شبهای قطبی، نور خورشید درتمام سطح قطب جنوب در دسترس نیست ، به همین دلیل در این قطب در لایه استراتوسفر طوفان هاى سنگینی گسترش مى یابند که به آن ها "گرداب قطبی"(polar vortex) مى گویند . گرداب قطبی می تواند ذرات سازنده هوا را تجزیه کند .این گرداب ها باعث ایجاد ابرهاى سردی می شوند که بر فراز قطب جنوب جریان می یابند. که به این ابرها "ابر استراتوسفر قطبی" (polar stratosphere cloud) می گویند.اختصار آن psc است. Pscها بسیار سرد هستند و دمای آن ها حدود 80- سیلسیوس است.* Psc از نیتریک اسید تری هیدرات (nitric acid trihydrate) تشکیل شده است و با ابرهایی که ما آن ها را در آسمان می بینیم کاملاً متفاوتند. پس این ابرهای اسیدی می توانند لایه اوزون را تخریب کنند. "بنایراین با استناد به تحقیقات انجام یافته ،موارد زیر را می توان از عوامل موثر در تخریب لایه اوزون دانست:

1)محور زمین به گونه اى مى باشد که نور خورشید به قطب شمال بیشتر از قطب جنوب مى تابد به همین دلیل ضخامت لایه اوزون در قطب شمال بیشتراز ضخامت آن در قطب جنوب مى باشد (زیرا ما گفتیم که پیوند میان مولکول اکسیژن و اتم اکسیژن در مولکول اوزون بسیار ضعیف مى باشد و ممکن است با کوچکترین برخورد از هم جدا ویا با دریافت کوچکترین انرژى مانند انرژى تابشى خورشید به حالت اولیه خود برگردند.)

2)از مورد دوم نتیجه مى گیریم که هواى قطب جنوب سردتر از هواى قطب شمال مى باشد ، بنابراین هواى گرم هنگامى که بر اثر جریان هایى به قطب جنوب مى روند ، چون سبک مى باشند ،به سمت بالا مى روند و موجب نابودى لایه هاى اوزون برفراز قطب جنوب می شوند.

3)در زمستان نور خورشید کاملاً در تمام سطح قطب جنوب در دسترس نمی باشد، واین امر باعث کاهش دما و تشکیل ابرهای psc می شود

4) ابرهای psc اسیدی هستند و به همین دلیل آن ها به لایه اوزون آسیب می رسانند.

 

   سوراخی به بزرگی قطب جنوب

دانشمندان به تازگی متوجه شده اند که سوراخ لایه ازن در قطب جنوب بار دیگر در حال گسترش است؛ آن هم درست زمانی که طرفداران محیط زیست در دنیا داشتند نسبت به آینده لایه ازن امیدوار می شدند. تلاش های بسیاری که در سال های اخیر برای کاهش مصرف گازهای cfc به عنوان عامل اصلی تخریب لایه ازن صورت گرفته بود، به علاوه افزایش غیر عادی دما در لایه های بالای جو در قطب جنوب باعث شد که در سال 2002 سوراخ لایه ازن به طور قابل توجهی بهبود یابد، به طوری که وسعت آن به کمترین مقدار از سال 1988 رسید، اما امسال زمستان زودرس در قطب جنوب بار دیگر وسعت سوراخ لایه ازن را افزایش داد. این سوراخ امسال به قدری وسیع شده است که تقریبا تمام قطب جنوب یعنی منطقه ای به وسعت 3 برابر کشور استرالیا را در بر می گیرد. همان طور که می دانید لایه ازن انسان و دیگر موجودات زنده را در برابر اشعه فرابنفش خورشید حفظ می کند. از میان رفتن لایه ازن سبب می شود این پرتوهای خطرناک به سطح زمین برسند  و بیماری های خطرناکی را مثل سرطان پوست و آب مروارید در انسان ایجاد کنند؛ اما آن چه باعث می شود تغییرات دما در لایه های بالایی جو یا همان استراتسفر تا این حد در گسترش لایه ازن تاثیر گذار باشد تشکیل ابرهایی است که گازهای cfc را به مواد مخرب برای لایه ازن تبدیل می کنند. در استراتسفر چون رطوبت بسیار کم است به طور معمول ابر وجود ندارد، اما در شرایط خاص با کاهش شدید دما در فصل زمستان ابرهایی تشکیل می شود که در از میان بردن لایه ازن بسیار موثرند.