ازن

ازن

شرحی مختصر بر لایه ازن

مقدمه :

وجود جوی که به تابش خورشیدی شفاف و به سیاره زمین رنگ آبی بخشیده است، به پخش نور توسط مولکول‌های گازهایی که هوا را تشکیل می‌دهند، وابسته‌ است. به‌ این ترتیب زمین از سیاره منظومه شمسی مجزا می‌شود.

داستان جو زمین در جریان 5/ 4 میلیارد سال که از خلقت منظومه شمسی می‌گذرد با نظریات متفاوتی همراه است. جو زمین بسیار باریک بوده و جرم آن از یک میلیونوم جرم زمین بیشتر نیست. ارتفاع جو نیز چندان گسترده نبوده و اکثریت جرم جو در 30 کیلومتری از سطح زمین قرار دارد. جو زمین هنوز بخوبی شناخته نشده و فقط اطلاعاتی که در دست است پاره‌ای اطلاعات فیزیکی و شیمیایی است که از مشاهدات بدست می‌آید. این اطلاعات توسط بالنها، هواپیما‌ها و ماهواره‌ها تکمیل شده ولی جریانهای جوی و اختلالات آن موضوعاتی هستند که با عدم تعیین همراهند.

اکنون بشر توانسته است که سیاره زمین را از فضا بنگرد. زمین بصورت کره‌ای شکننده ظاهر می‌شود که جوی آن را احاطه کرده است. بنا به قرارداد زمین از سه قسمت تشکیل می‌شود: قسمت صلب آن بنام لیتوسفر (Lithosphere) بخش آب سیاره بنام هیدروسفر (Hydrosphere) و پوشش گازی آن که حیات در آن نقش می‌بندد؛ اتمسفر (Atomsphere) یا جو زمین نامیده می‌شود.

احتمالاً توجه انسان به جو و فضا، به زمان بسیار قدیم برمی‌گردد ولی شناختهای فیزیکی دقیق از فضا در قرن بیستم با اندازه‌گیری‌های مستقیم و تسخیر فضا توسط انسان میسر گردید. اطلاعات حاصل از انتشار امواج الکترومغناطیسی در جو زمین و علائم ارسالی از ماهواره‌ها در ارتفاعات مختلف و نیز سفینه‌های فضایی اطلاعاتی را برای فیزیکدانان آشکار کرده‌اند که به شناخت پدیده‌های فیزیکی منجر شده‌اند.

مسئله آلودگی هوا و کنترل آن، اثرات شیمیایی مختلف لایه ازن جوی، اثرات مثبت و یا زیان‌آور تغییرات هوا از اهمیت زیادی برخوردار هستند. شناخت و فهم پدیده‌های فیزیکی در ارتفاعات پایین و بالای جو زمین از ضروریات بوده و پیشرفت تکنولوژی فضایی که امروزه بصورت یکی از مسائل استراتژیک نظامی سیاسی درآمده است.

ازن دارای بوی مخصوصی است که وقتی جرقه الکتریکی در هوای خشک بوقوع می‌پیوندد می‌توان آن را حس کرد. مشاهدات اولیه ازن جوی بین 1877 و 1910 توسط آلبرت لوی (Albert-Levy) در پاریس انجام گرفته است. در اولین کنفرانس بین‌المللی که در مورد ازن در سال 1929 در پاریس انجام گرفت، کارهای فیزیکدانان فرانسوی فابری (Fabry) و بویسون (Bvisson) و فیزیکدانان انگلیسی دابسن (Dobson) چشمگیر بود و چاپمن (Chapman) اولین نظریه تعادل ازن را دخالت داد. در سالهای 1930 ارتفاع لایه ازن توسط گوتز (Gotz) و رجنر (Regener) در آلمان مشخص گردید. پس از 50 سال مطالعه و تحقیق در سال 1970 شکنندگی این تعادل و اولین نگرانیهای ناشی از کاهش ازن در اثر فعالیتهای انسانی آشکار شد. امروزه افزایش ثابت انتشارات تشکیل‌دهنده‌هایی نظیر متان، اکسیدهای ازت و بویژه ترکیبات هالوژنهای آلی بصورت یک خطر جدی ظاهر شده است.

بزرگترین منبع آلودگی جوی همچنان سوخت است: چه در شوفاژ صنعتی، چه در شوفاژ خانگی یا آلودگی اتومبیل، سوخت دقیقاً علت اصلی آلودگی جوی است، خواه بدلیل ناخالصی‌های موجود در مواد سوختی یا سوخت موتورهای احتراقی (که هنگام خروج ظاهر می‌شود)، خواه بدلیل سوخت ناقص (بعلت کامل نبودن احتراق)، خواه بواسطه اکسیدهای ازت (بدلیل اینکه 80% هوای احتراق از ازت تشکیل شده است!) تا شروع دهه هفتاد، آلودگی هوا منحصراً پدیده‌ای محلی بنظر می‌آمد که بویژه در نزدیکی منابع آلودگی مثلاً در شهر بدلیل وجود شوفاژها و اتومبیل‌ها، و نزدیکی برخی صنایع پدید می‌آید وانگهی چنین توضیح می‌دارند که عواقب محلی آلودگی بنابر تغییرات عوامل نقشه‌برداری (بخصوص فرورفتگیهای زمین) و هواشناسی محلی بسیار متفاوتند. به این دلیل، عملی که موجب دور کردن یا پراکنده ساختن آلاینده‌ها شود علی‌الظاهر مؤثر بود (افزایش ارتفاع بخاریها، سرعت خروج گاز از بخاریها بسیار اهمیت داشت). اما در دهه‌های 70 و 80 آشکار شد که آلودگی جوی می‌تواند در فواصل دور یعنی تا چند هزار کیلومتر هم عمل کند: اسیدی کردن و مرگ در دریاچه‌های اسکاندیناوی یا کانادا، نابودی جنگلها در اثر «بارانهای اسیدی» گواه این مدعاست. قرارداد ژنو (1979) در مورد آلودگیهای فرامرزی هوا به همین نکته مربوط می‌شد. در مقیاسی وسیعتر کشف کردند که برخی گازهای آلاینده دارای عملکرد سیاره‌ای هستند، مثلاً سبب رقیق شدن ازن موجود در جو می‌شوند یا تمامی زمین را گرم می‌کنند. بنابر گزارش یک هیئت تحقیقاتی، در ماه مارس 1988، میزان کلی ازن موجود در جو از سال 1969 تا 1986 چندین درصد کاهش یافته است. دست کم بخشی از این کاهش را به افزایش فراوانی گازهایی همچون کلرو – فلوئورو –  کربن  در جو نسبت می‌دهند. اطلاعات این هیئت، از یک شبکه اندازه‌گیری‌های زمینی که در 30 سال گذشته در نیم‌کره شمالی انجام شده و همچنین از اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ای 17 سال اخیر حاصل شده است.

بر اساس اطلاعات موجود، در فاصله سالهای 1978 تا 1985 تراکم ازن در تمام عرضهای جغرافیایی کاهش یافته است. این کاهش تراکم، در نیم‌کره جنوبی بین 1/1 تا 9 درصد و در نیم‌کره شمالی بین 1/1 تا 7/3 درصد بوده است. تراکم ازن در تروپوسفر در طی 20 سال گذشته با آهنگی در حدود 1% در سال افزایش یافته است، یعنی کاهش ازن در استراتوسفر بیشتر از میزان کاهش کلی آن است.

ازن جوی

ازن O3 یکی از گازهای مهم جوی است. ازن همان گاز اکسیژن O2 که ما تنفس می‌کنیم، نیست. مقدار کمی از این گاز در جو وجود دارد]جدول شماره 1[ به‌ طوری که اگر فرض کنیم تمام ازن موجود در به سطح زمین پایین آورده شود، لایه‌ای به ضخامت 4/0 سانتی‌متر را تشکیل خواهد داد، با وجود این توزیع آن یکنواخت نیست. در قسمت پایین جو، مقدار آن کمتر از یک قسمت در 100میلیون است. تراکم آن بین 10 تا 50 کیلومتری زمین و ارتفاع تراکم بیشینه در 25 کیلومتری بوده و با اینهمه تراکم آن یک قسمت در هزار است. در این ارتفاع مولکول‌های O2 پس از جذب انرژی خورشیدی امواج کوتاه به اتم‌های انفرادی شکافته می‌شوند و وقتی یک اتم اکسیژن با مولکول اکسیژن در حضور یک مولکول خنثی برخورد می‌کند میتواند ازن را تشکیل دهد. دو عامل سبب تراکم ازن است 1– فراهم بودن اشعه فرابنفش خورشیدی که برای تولید اکسیژن اتمی ضروری است. 2– وجود چگالی کافی جوی برای حصول برخوردها بین اکسیژن مولکولی و اکسیژن اتمی.

وجود لایه ازن در جو کره زمین از اهمیت زیادی برخوردار است و دلیل آن جذب تابش فرابنفش زیان‌آور خورشیدی توسط ازن شبیه صافی عمل کرده و مانع از رسیدن تابش فرابنفش به سطح زمین می‌گردد. در غیر این صورت کره زمین غیر قابل سکونت می‌شد.

چون ازن نقش صافی برای پرتوهای فرابنفش خورشیدی را دارد، کاهش در تراکم آن سبب رسیدن مقدار بیشتری از پرتوهای فرابنفش به زمین می‌شود. شاید بدترین اثر ازن در تندرستی انسان به علت پرتوهای فرابنفش که سبب سرطان پوستی می‌شود، باشد. بررسی‌های بعمل آمده نشان می‌دهد که سرطانهای پوستی اخیراً افزایش زیادی پیدا کرده است. آزمایشها نشان داده است که با تابش اشعه فرابنفش بر روی ذرت، چغندرقند و گوجه‌فرنگی مقدار محصول کمتر می‌شود. همچنین امکان دارد که کاهش ازن در اثر یک رشته رویداد‌های پیچیده، دمای کلی زمین را افزایش دهد.

فراوانی ازن در بالای سطح زمین در هر محلی با کل ستون اوزن اندازه‌گیری می‌شود. کل ستون ازن اغلب به صورت عمقی که تنها ازن در دما و فشار استاندارد اشغال می‌کند بیان می‌شود. این عمق بواحد دابسن (Dobson) ازن از حدود 300 دابسن در اوایل دهه 1970، به حدود 180 واحد در سال 1984 رسیده بود. (یک واحد دابسن مقدار ازن یک ستون عمودی است در جو، که معادل با لایه ازنی به ضخامت 1% میلیمتر در دما و فشار متعارفی است.)

در سال 1986 ناسا بر اساس اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ای، وجود حفره ازن را تأیید کرد. در اکتبر 1987 فراوانی کل ستونی ازن به نصف رسید. در ارتفاعات 15 تا 20 کیلومتر عملاً ازنی وجود نداشت یعنی چیزی حدود 5 درصد میزان ازن موجود در اواخر دهه 1970 بود.

برای برقراری مدلی که استراتوسفر فعلی را توصیف کند و برای پیش‌بینی اثرات آینده هالوکربن آزاد شده، لازم است تخمین‌هایی از جریان و مصرف پرتابه‌ها و اسپری‌ها و فرآیندهای از بین‌برنده برای همه ترکیبات هالوکربن داشته باشیم. تنها منبع طبیعی کلرین استراتوسفری که به صورت CH3Cl ظاهر می‌شود گمان می‌رود که مبدأ بیولوژیکی دریایی داشته باشد. HCl یک چشمه استراتوسفری نیست، زیرا که به علت قابلیت حل زیاد آن توسط باران تروپوسفری از بین می‌رفت. با وجود این کمیت بزرگی از هالوکربنها در جو ساخته شده و آزاد می‌شوند از عمده‌ترین هالوکربنها CCl2F2، CCl3F و CCl4 هستند. برخی پیشنهادات حاکی از آن است که CCl4 منشأ طبیعی دارد. همچنین CH3Cl نیز هالوکربنی است که منشأ طبیعی دارد. عمده‌ترین هالوکربنی که توسط انسان به جو وارد می‌شود CCl3F:(F-11) و CCl2F2:(F-12) است. اندازه‌گیریها نشان داده است که در 20 سال گذشته، تولید این هالوکربنها به اندازه 10% در سال افزایش داشته است. دو هالوکربن دیگر CH3CClS و CH3Cl2F2 از ملاحظات ویژه‌ای برخوردارند. هر دو شامل اتمهای H بوده و بنابراین می‌توانند توسط ریشه‌های HO در تروپوسفر مورد اصابت قرار گیرند. میزان این واکنشها به حد کافی آهسته بوده و کسری از این ترکیبات به استراتوسفر می‌رسد. فرآیندهایی که سبب از بین رفتن (F-11) و (F-12) در تروپوسفر باشند، شناخته شده نیستند و بنابراین آنها وارد استراتوسفر شده و در نابودی O3 شرکت می‌کنند.

مواد سوختی جامد در سفینه‌های فضایی، HCl را در استراتوسفر آزاد می‌سازد و محاسبات مدل یک‌بعدی پیش‌بینی می‌کند که پرتاب 60 سفینه فضایی در سال می‌تواند به اندازه 2/0 تا 3/0 در صد ازن جهانی را کاهش دهد.

در اوت 1987، در تاریکی زمستان جنوبگان، بیش از یکصد دانشمند به قطب جنوب رفتند تا بعضی از آنها به کمک هواپیماهای بلند پرواز و بعضی دیگر هم با استفاده از بالونها و وسایل دوریابی ایستگاههای زمینی موجود در اروپا، استراتوسفر قطب جنوب را زیر نظر بگیرند و از آن نمونه‌برداری کنند. دلیل این یورش علمی، نیاز مبرم به تعیین علت پیدایش حفره ازن یا کاهش ازن در استراتوسفر تحتانی بود که از اواسط دهه 1970 به بعد در هر بهار با شدتی بیشتر تکرار شده است. این دانشمندان پس از تحلیل اطلاعاتشان، در ماه مه 1988 دوباره در اسنوماس (کلرادو) گردهم آمدند تا برای نخستین بار همه یافته‌هایشان را به تفصیل ارائه کنند. اطلاعات جدید هیچ شکی باقی نمی‌گذارد که ترکیبات مصنوعی کلرو فلوئورو کربن CFC علت اصلی پیدایش حفره ازن است. این اطلاعات بیش از پیش شرایط یگانه هواشناختی زمستان را، که زمینه انهدام ازن استراتوسفر تحتانی جنوبگان است، مشخص کرده است. در این شرایط ابرهای یخ در استراتوسفر خشک و منجمد تشکیل می‌شوند، و این ابرها ظاهراً باعث تسهیل واکنشهایی شیمیایی می‌شوند که اتمهای کلر را از ترکیباتشان آزاد می‌کنند. بدین ترتیب، اتمهای آزادشده کلر می‌توانند ازن موجود در استراتوسفر را نابود کنند. اگر چه پیش از سفر تحقیقاتی اخیر هم این فرضیه طرفداران زیادی داشت ولی اطلاعات جدید پایه‌های آن را استوارتر کرده است نتایج اندازه‌گیریهایی که در ماه‌های فوریه و مارس 1988 در شمالگان انجام شده است نیز برای نخستین بار در اسنوماس مطرح شد. شرایط کاهش ازن در شمالگان به اندازه جنوبگان خطرناک نیست. اما اختلالات شیمیایی در هر دو ناحیه به کلی از هم جدا نیستند. در اسنوماس شواهدی هم حاکی از کاهش سطح جهانی ازن به میزان چند درصد در بیست سال گذشته، ارائه شد. ظاهراً در همه عرضهای جغرافیایی جنوب 60 درجه جنوبی، از سال 1979 به بعد، میزان ازن دست کم 5% کاهش یافته است. اکنون این سؤال برای بسیاری از پژوهندگان مطرح است که آیا حفره ازن در جنوبگان می‌تواند نقشی در این کاهش جهانی داشته باشد یا نه؟!

در پاییز 1987 در همان زمان که دانشمندان حفره ازن جنوبگان را بررسی می‌کردند، نمایندگان 31 کشور جهان در مونترال گردهم آمده‌ بودند تا خطرات افزایش تولید جهانی CFC را به بحث بگذارند. در ماه سپتامبر، این 31 کشور پروتکل مونترال را امضا کردند که به موجب آن سقف تولید CFC از سال 1989 به بعد در حد تولید 1986 اندازه‌گیری می‌شود. در عرضهای جغرافیایی متوسط و بالا، ستون ازن بین10 و 20 کیلومتر متراکم است که چگالی ازن قبل از کاهش نمایی با چگالی هوا به طور سریع افزایش می‌یابد. در مناطق گرمسیری ازن اندکی در ارتفاع بالاتر بین 20 الی 30 کیلومتری متراکم است.

توزیع قائم ازن در جو در نمودار 2 نشان می‌دهد که بیشینه تراکم آن بین 20 تا 30 کیلومتری سطح زمین قرار دارد. تراکمهای مشاهده شده در سطح زمین از چندین 1011 مولکول بر سانتی‌متر مکعب تا 1012 اگر مجموعه مولکولهای ازن را در فشار یک جو و در دمای 17 درجه سانتی‌گراد متراکم می‌کردیم ضخامت کل ستون مجموعه ازن بیش از 3 میلیمتر نمی‌شد. در مشابهت با آن ضخامت کلی جو در همان شرایط 8 کیلومتر است. این ازن چند میلیمتری ما را از تابش فرابنفش خورشیدی محافظت می‌کند.

اندازه‌گیریهای بیناب‌سنجی در چند سال اخیر، کاهش ازن جوی بالای قطب جنوب را آشکار کردند. این اندازه‌گیریهای زمینی توسط مشاهدات ماهواره‌ای تأیید شد. این کاهش ازن بالای قطب جنوب با افزایش گسیل کلرو فلوئورو کربن CFC توسط انسان پذیرفته می‌شد.

قضیه نابودی ازن

جو بطور قائم به چهار لایه بر اساس دما تقسیم می‌شود (نمودار 3) اسامی این چهار لایه به ترتیب از پایین به بالا عبارتند از: تروپوسفر، استراتوسفر، فروسفر و ترموسفر. در استراتوسفر دما تا ارتفاع حدود 20 کیلومتری ثابت می‌ماند و سپس تا ارتفاع 50 کیلومتر دما افزایش پیدا می‌کند و علت افزایش دما در استراتوسفر آن است که ازن جوی در این لایه متراکم شده است، ازن اشعه فرابنفش خورشید را جذب و استراتوسفر را گرم می‌کند. بیشینه تراکم ازن بین 15 و 30 کیلومتری و مقادیر کمی از ازن بالاتر از این ارتفاع به قدر کافی انرژی فرابنفش را جذب می‌کند تا سبب افزایش دما شود.

ازن به طور طبیعی در استراتوسفر، لایه‌ای که از حدود 10 الی 50 کیلومتر گسترده است ظاهر می‌شود (نمودار 4) در طول بهار در نیمکره جنوبی بیش از نصف جنوب ناپدید شده و اتلاف نزدیک به صد در صد بین 10 الی 20 کیلومتری است که تراکم ازن نیز در این ارتفاعات قرار دارد. توضیحات اولیه چندی برای این کاهش، پیشنهاد شده است.

در داخل ابرهای استراتوسفری حضور توأم فاز جامد و گاز به برخی واکنشهای شیمیایی امکان می‌دهد تا فاز گازی هر چه سریعتر پیشرفت کند، به همین دلیل توجه جدید به مسئله ازن در واکنشهای شیمیایی است. وجود ازن در جو زمین در اواخر قرن نوزدهم شناخته شده بود اما ساز و کار آن و تشکیل آن در 1930 توسط چاپمن پیشنهاد گردید. او نشان داد که جذب تابش خورشیدی توسط مولکول اکسیژن در طول موج کمتر از 242 نانومتر (m 9- 10×242) سبب تجزیه به اتمهای اکسیژن می‌شود.

O2 + E ------ 2O – 118 kcal

اتمهای اکسیژن با مولکول اکسیژن ترکیب شده و ازن را می‌سازند.

O +O3 + M ------ O3+ M + 24 kcal

که M، هر مولکول دیگری است که تشکیل مولکول O3 را برقرار می‌سازد. مولکول O3 می‌تواند در اثر برخورد با اتم اکسیژن دیگر، نابود شود.

O + O3 ----- 2O2 + 94 kcal

یا در اثر تجزیه فوتونی در ناحیه طول موج عریض، داریم:

O3 + E --- O + O2 – 24 kcal

نتیجه این چهار واکنش عبارت از تولید یک پایستار O3 و تبدیل انرژی خورشید به گرما است که در اثر این فرآیندها نواحی جوی گرم می‌شود.

این ساز و کار ساده کافی برای تشکیل O3 نیست. در 1950 بتز و نیکوله و در 1964 هاپسون واکنش زنجیره‌ای را پیشنهاد کردند که در طول موجهای کمتر از 310 نانومتری اتمهای O در اولین حالت تحریک شده (Oَ) تولید می‌شوند. این اتمهای ناپایدار سریعاً با H2O و CH4 واکنش انجام می‌دهند و طبق این سری واکنش در آخر کار معادله زیر را خواهیم داشت:

O + O3 --------- 2O2

یک واکنش زنجیری مشابه، با NO پیشنهاد شده است که صبق آن داریم:

NO + O3 --------- NO2 + O2

NO2 + O ---------  NO + O2

O + O3 ----------- 2O2

بیش از 125 واکنش با 36 نوع واکنش شیمیایی در شیمی استراتوسفر سهیمند. تنها راه عملی استفاده از محاسبات کامپیوتری است.

ماریو مولینا (آزمایشگاه جت پرو پالشن) و شروود رولاند (دانشگاه کالیفرنیا در ایروین) نخستین کسانی بودند که در سال 1974 ترکیبات CFC را به عنوان علت کاهش ازن معرفی کردند. تولیداتی از قبیل افشانه‌های هواویز و موارد سردکننده و عایق‌گذاری، سالانه بیش از یک میلیون تن ترکیب از نوع CFC وارد جو می‌کنند. بی‌اثر بودن این ترکیبات، از یک سو آنها را برای کاربردهای گوناگون مناسب می‌سازد و از سوی دیگر دشواریهایی به وجود می‌آورد. این ترکیبات پس از مدتی توقف در تروپوسفر به استراتوسفر منتقل می‌شوند، و در آنجا پرتوهای فرابنفش آنها را به اتمهای کلر و مولکولهای دیگر تجزیه می‌کنند. واکنش اتمهای آزاد کلر با ازن طبق چرخه زیر صورت می‌گیرد:

Cl + O3 -------- ClO + O2

ClO + O ------------ Cl + O2

نتیجه این واکنش، تجزیه مولکولهای ازن استراتوسفر و آزاد شدن اتمهای کلر است که می‌توانند واکنش را تکرار کنند. بدین ترتیب، یک اتم کلر در استراتوسفر می‌تواند صدها هزار مولکول ازن را نابود کند. این چرخه واکنش هنگامی متوقف می‌شود که اتمهای آزاد کلر در ترکیباتی مانند اسید کلریدریک (HCl) یا نیترات کلر (ClONO2) که در اصطلاح ترکیبات ذخیره‌ای نامیده می‌شوند، گیر بیفتد.

بعد از آنکه اخطارهای مربوط به کاهش ازن موجب شد که در سال 1978 مصرف ترکیبات CFC در افشانه‌های هواویز در ایالات متحد امریکا ممنوع شود، جامعه علمی و افکار عمومی تهدید ازن را به دست فراموشی سپردند. اما وقتی که در سال 1984 گزارش یک هیئت تحقیقاتی انگلیسی مبنی بر کاهش کلی میانگین میزان ازن در جنوبگان اقشار یافت این نگرانی مجدداً اوج گرفت. بنابر تحقیقات این گروه، مقدار میانگین مشخص شد و مقرر شد که میزان تولید آن تا سال 1999 به نصف این مقدار کاهش یابد.

اگر چه ظاهراً قسمت اعظم کاهش ازن ناشی از فرآیندهای شیمیایی است، ولی فرآیندهای دینامیکی در آن سهم دارند. فرایندهای دینامیکی، شرایط هواشناختی خاصی را برای پیدایش حفره ازن فراهم می‌آوردند. در سالهای اخیر دمای استراتوسفر پایین آمده است، ولی احتمالاً این پدیده را باید معلول حفره ازن به شمار آورد نه علت آن. اگر ازنی وجود نداشته باشد که نور خورشید را جذب کند، آهنگ گرم شدن در بهار کندتر می‌شود و شرایط زمستانی طولانیتر می‌شود. پژوهندگان همچنان می‌کوشند که میزان نشت «محفظه محصورکننده» قطبی را مشخص کنند و ببینند که هوای کم ازن خود تا چه حد در کاهش میزان جهانی ازن در عرضهای جغرافیایی جنوبی دور از قطب سهیم است.

یک منشأ مهم دیگر تغییرات طبیعی ازن یک رده آشفتگی بنام امواج سیاره‌ای است که این امواج گردش هوا در استراتوسفر را آشفته می‌کند. این امواج که امکان دارد در یک دوران سیالی در زمستان استراتوسفر نیمکره شمالی ظاهر شوند، جریان گردنده قطبی را در هم گسیخته و تأثیر عمیقی بر روی ازن و دیگر انواع (گونه‌های) شیمیایی دارد. حال این مقیاس جهانی آشفتگیها نیز یک نقش کلیدی در شکل دادن کاهش ازن در قطبها را بازی می‌کند.

نظریه‌های مربوط به حفره

چون ساز و کارهایی که قبلاً برای کاهش ازن به میانجیگری کلر مطرح شده بود نمی‌توانست همه خصوصیات مشاهده شده یعنی درجه وخیم بودن، منطقه‌ای بودن و فصلی بودن حادثه قطبی را توضیح بدهد، حفره ازن پدیده‌ای کاملاً اسرارآمیز بود. تحلیلگران برای توضیح مسئله سه راه متفاوت در پیش گرفته‌اند. در روش اول، فرض می‌شود بین این مسئله و چرخه 11 ساله فعالیت خورشیدی ارتباطی وجود دارد. در دوره‌های فعالیت شدید لکه‌های خورشید ممکن است مقادیر عظیمی اکسید‌های نیتروژن تولید شود که به عنوان کاتالیزور در نابودی ازن شرکت کنند. اما اندازه‌گیریها انجام شده نشان داده است که در لایه‌ای که در آن کاهش ازن اتفاق می‌افتد، تراکم دی‌اکسید نیتروژن به جای آنکه زیاد باشد به نحوی غیرعادی کم است. بعلاوه، کاهش ازن در استراتوسفر فقط در ارتفاعات نسبتاً کم صورت می‌گیرد، در حالی که بنابر نظریه فعالیت لکه‌ها کاهش سطح ازن بایستی در ارتفاعات بالاتر هم صورت بگیرد.

در روش دوم سعی بر آن است که تشکیل حفره ازن بر حسب حرکات دینامیکی هوای نزدیک به قطب توضیح داده شود. فکر اصلی این است که گرم شده هوا بر اثر تابش در اوایل فصل بهار، احتمالاً باعث می‌شود که هوای کم‌ ازن ارتفاعات پایین‌تر به داخل استراتوسفر جنوبگان صعود کنند. به این ترتیب، روند کاهش بهاری ازن، که سال به سال هم شدیدتر می‌شود، ممکن است معلول تغییراتی باشد که با گذشت زمان در شدتمتوسط جریان صعودی هوا صورت می‌گیرد، شاید هم علت آن فعالیت موجی بزرگ در سیاره‌ای در فصل زمستان باشد. مطابق پیش‌بینی این نظریه، تمام گازهای پردوام نظیر اکسید- نیتروژن، متان و ترکیبات CFC باید از طریق صعود به استراتوسفر تحتانی منتقل شوند، اما مشاهدات موجود حاکی از افزایش تراکم این گازها در حدی که انتظار می‌رود نیست.

طبق نظریه سوم، که حالا دیگر نظریه قطعی بشمار می‌رود، حفره ازن معلول ساز و کاری شیمیایی است. واکنشهای متداول، که قبلاً توسط مولینا و رولاند پیشنهاد شدند، نمی‌توانند به کاهش شدید ازن منجر شوند مگر آنکه کلر فعال در محل موجود باشد. در ارتفاع 14 تا 25 کیلومتر، که محل تشکیل حفره ازن است، مقدار اکسیژن به قدری کم و تراکم ترکیبات ذخیره‌ای (ClONO2 , HCl) نسبت به Cl یا ClO به قدری زیاد است که نابودی ازن در آن شدیداً با مانع روبرو می‌شود. اما، منطقه‌ای بودن و فصلی بودن اثر، حاکی از آن است که شرایط خاصی باعث تغییر اوضاع عادی می‌شود.

علت اصلی پیدایش این شرایط خاص، جریانهای زمستانی هوا بر فراز قطب جنوب است که گردشاری را پیرامون قطب به وجود می‌آورند. وقتی این بادها حول قطب بگردش درمی‌آیند، استراتوسفر داخل گردشار را تا حد زیادی از ناحیه بیرونی آن جدا می‌کنند. مساحت محصور در گردشار از قاره جنوبگان هم فراتر می‌رود، و در اوایل بهار، عمیقترین قسمت حفره ازن بخش بزرگی از این ناحیه را فرا می‌گیرد. ظاهراً این گردشار مانند «محفظه محصورکننده‌ای» عمل می‌کند که در آن واکنشهای شیمیایی تقریباً در انزوا صورت می‌گیرند. اندازه گیریهایی که در مک‌موردو در سال 1986 انجام شد نشان داده است که شیمی داخل گردشار در اوایل بهار به شدت دگرگون می‌شود. ناحیه حفره ازن در مقایسه با جو عادی، میزان نیتروژن دی‌اکسیدش بسیار کم و مقدار کلر منواکسید و کلر دی‌اکسیدش بسیار زیاد است. ترکیب کلر دی‌اکسید، OClO، جانشینی است برای فعالیت زنجیره‌ای کلر بسیار فعال، همچنین ابرهای استراتوسفری یخ، که در دمای خیلی پایین قطب جنوب (85- درجه سانتیگراد) تشکیل می‌شود، به تغییر شکل CFC ثابت به کلر فعال و مخرب در ازن کمک می‌کند.

ممنوعیت CFC

CFCها در چهار بخش مورد استفاده قرار گرفته‌اند: در بمبهای هوا به زمین 25%، به عنوان سیال تولید برودات 30%، در اسفنجهای پلاستیکی 25%، به عنوان حلال 20% . این ارقام جهانی و مربوط به سال 1989 هستند (در آن زمان چند سالی بود که استفاده برای بمبها کاهش یافته بود، و علت آن ممنوعیت استفاده از آن در ایالات متحده در سال 1978، سپس در کانادا و نروژ بود). تا امروز CFCها از تمام خصوصیات مطلوب برخوردار بوده‌اند: عدم سرعت اشتعال و غیر سمی بودن و برای انسان بسیار ثابت و کم‌هزینه‌اند، ولی متأسفانه، بعدها معلوم شد که CFCها از عوامل مسئول در پدید آمدن سوراخ ازن هستند.

جامعه علمی، خیلی سریع و تقریباً به طور یکپارچه، جامعه سیاسی جهانی را وادار به امضای قراردادی در 1987 کرد که همان پروتکل مونترآل بود که در سال 1990 در لندن و سپس در سال 1992 در کپنهاک مورد تجدید نظر قرار گرفت. بر طبق این قرارداد، تولید هالونها در سال 1994، CFCها، تتراکلرورکربن و کلرو فرم متیل در سال 1996 ممنوع اعلام شد.

مثل همیشه، اشکال اساسی یافتن کالاهای جانشین و بی‌خطر بود. مشکل دیگر، که دارای ماهیتی سیاسی است، عبارت بود از جلب موافقت کشورهای در حال توسعه با پروتکل مونترآل و امضای آن. این کشورها مایل نبودند که به یکباره از جانشینهای پرهزینه‌تری استفاده کنند. بالأخره، در سال 1990 در لندن، پس از ایجاد صندوق کمکی با صدها میلیون دلار که تأمین مالی آن بر عهده کشورهای ثروتمند بود و به نفع کشورهای توسعه‌نیافته، بویژه هندوستان و چین، بود، آنها نیز با این پروتکل موافقت کردند.

کاوه رضازاده

منابع:

مقاله حفره ازن ، نوشته بارباراگاس لویی ،ترجمه محمد ابراهیم ابوکاظمی

کتاب الودگی هوا اثر لوئی . جی .باتان، ترجمه دکتر سیاوش آگاه

تکنولوژی و بحران محیط زیست،عبدالحسین آذرنگ 

کتاب فیزیک جو –تالیف دکتر محمود مصلحی فرد

کتاب محیط زیست