تحقیق مقاله شیمی و محیط زیست

مقدمه

تحقیق حاضر با موضوع لایه‌ی اوزون در بردارنده‌ی : توضیحاتی چند در مورد این لایه و آلاینده‌هایی که باعث آن می‌شوند و هم‌چنین مضراتی که برای جانداران ساکن زمین دارند می‌دهد.

خلاصه‌ی تحقیق بدین شرح است : در ارتفاعی بین 15 تا 50 کیلومتری ( یعنی استراتوسفر ) لایه‌ای از گاز ازون قرار دارد که نه در دسترس و نه قابل مشاهده است. با این حال، زندگی کاملاً به وجود آن بستگی دارد. لایه‌ی ازون مانند سپری بین ما و اشعه‌ی خطرناک فرابفش خورشید قرار گرفته است. این اشعه، پوست را به شدت می‌سوزاند و در صورت تابش مداوم و شدید، سرطان پوست ایجاد می‌کند. اشعه‌ ی فرابفش، برای گیاهان و جانوران هم مضر است و بر سلامت آنها تأثیر می‌گذارد.

در سال 1986 ، دانشمندان به قسمت‌هایی از استراتوسفر برخورد می‌کند که در آن‌جا اصلاً وجود نداشت. یکی از این مناطق، بالای قطب جنوب بود. منطقه کوچکتری هم در بالای قطب شمال یافت شد. از آن سال به بعد، این سوراخ‌ها در فصل‌های معینی ظاهر می شوند و در طول فصل‌های بعد از میان می‌روند. البته، نگرانی اصلی از این است که علاوه بر سوراخ‌های گفته شده، مجموعه لایه اوزون اطراف زمین در حال کم شدن است. ما به درستی از علت ناپدید شدن ازون اتمسفری آگاه نیستیم، اما دانشمندان فرض می‌کنند که آلوده‌ سازی ها اتمسفر ی از جمله دلایل این پدیده‌اند.

کلروفلوئوروکربن‌ها ( cfc ) گاز است که از آن در یخچال‌ها و بعضی از اسپری‌ها و غیره استفاده می شود. این گازها، در ضمن شاخته شدن این وسایل و استفاده از آن‌ها وارد اتمسفر می شود. مولکول‌های cfc، در هنگام برخورد با مولکول‌های ازون، آنها را می‌شکند. محصول این گاز هم پدید آمدن اکسیژن است. یک اتم کلر می‌تواند با 10 هزار مولکول ازون را نابود کند طی چهار مرحله : 1- اشعه ی فرابفش مولکول را می شکند. 2- اتم کلر مولکول ازون را می‌شکند. 3- اتم اکسیژن آزاد، پیوند اکسیژن – کلر را می‌شکند.  4- مولکول اکسیژن تشکیل و کلر آزاد می‌شود.

شیمی استراتوسفر : لایه ازون

لایه ازون ناحیه ای از فضاست که به عنوان « محافظ طبیعی زمین در برابر نور خورشید » قلمداد می شود زیرا این لایه پرتو فرابنفش مضر را از نور خورشید پیش از اینکه این پرتو ملاحظه‌ای در مقدار لایه ازون، O3 ، تهدیدی برای حیات خواهد بود. از این رو ظاهر شدن «حفره ای » بزرگ دو لایه ازون در قطب جنوب یک بحران زیست محیطی عمده، به شمار می‌رود.

مقدار کل ازون فضا در بالای سرما در هر مکانی بر حسب واحدهای دوبسون  بیان می‌شود. یک واحد دوبسون معادل با ضخامت mm 01/0 ازون خالص، با توجه به چگالی آن در فشار سطح از زمین ( atm 1 ) اختیار شود. مقدار عادی اوزون در بالای سر ما در عرضهای جغرافیایی معتدله در حدود Du 350 است. به علت بادهای استراتوسفری، اوزون از مناطق گرمسیری به سمت مناطق قطبی منتقل می شود. بنابراین هر اندازه که به خط استوا نزدیکتر باشید، مقدار کل اوزونی که شما را دو برابر پوتو فرابنفش محافظت می‌کند، کمتر است. غلظتهای اوزون در مناطق گرمسیری معمولاً میانگین Du 250 را نشان می‌دهد، در حالی که این غلظتها در مناطق زیر قطبی در حدود Du 450 است، البته جز هنگامی که حفره‌ها در لایه ازون در بالای چنین مناطقی ظاهر می شوند.

هم‌چنین مقداری تغییر طبیعی در غلظت ازون با تغییر فصل وجود دارد.

حفره ازون در قطب جنوب توسط دکتر جوسی فارمن و همکارانش در گروه بریتانیایی بررسی قطب جنوب کشف شد. این افراد سطح ازون را در بالای این منطقه از سال 1957 ثبت کرده بودند. داده‌های آنها نشان می‌داد که مقدار کل ازون در هر اکتبر به تدریج در حال سقوط بود، و کاهش تند در اواسط سال‌های 1975 شروع شد تا اواسط دهه‌ی 1980 اتلاف بهاره ازون در بعضی ارتفاعات در بالای قطب جنوب کامل بود و اتلاف کلی به بیش از 50 % کل مقدار بالای سر می‌رسید. بنابراین صحبت از به وجود آمدن یک « حفره » در لایه که اکنون با فرا رسیدن هر بهار در بالای قطب جنوب ظاهر می شود و به مدت چند ماه ادامه دارد، بی مناسبت نیست. در سال 1993 ، از غلظت ازون که به کمترین مقدار ثبت شده آن « A.Du » در اوایل اکتبر رسید.

برای چندین سال پس از کشف آن این موضوع روشن نبود که آیا این حفره به علت پدیده های «‌طبیعی » شامل نیرو های جوی است یا اینکه علت آن یک مکانیسم شیمیایی مربوطه به آلاینده‌ های هوا است. در مورد اخیر ماده شیمیایی مشکوک کلر بود. این ماده به طور عمده از گازهایی که به مقدار زیاد در نتیجه کاربرد آنها برای مثال در قوطی‌های افشانه‌ای و در دستگاه‌های تهویه، در فضا رها می‌شوند، سرچشمه می‌گیرد.

دانشمندان پیش‌بینی کرده بودند که کلر، باعث تخریب ازون می‌شود، اما تنها در حدود چند درصد آن هم پس از گذشت چندین دهه کشف حفره ازون در قطب جنوب همه را به تعجب واداشت.

برای پی بردن به علت تشکیل حفره در هر بهار یک هیئت اضطراری از  پژوهشگران آمریکایی به سرپرستی دکتر سوزان سولومون از اداره ملی مطالعات اقیانوس شناسی و هواشناسی در اواخر زمستان در اوت 1986 به قطب اعزام شد. سولومون و همکارانش با استفاده از نور ماه به عنوان منبع نور توانستند از روی طول موجهای معینی که به وسیله‌ی گازهای موجود در فضا جذب شده بودند شناسایی کنند که مولکول های معینی در فضا در فاصله‌ی خیلی دور در بالای سر آنها وجود دارند. در نتیجه آن پژوهش و بررسی‌های بعدی، معلوم شد که حفره مذکور در واقع به علت آلودگی کل به وجود می‌اید. افزون بر این، پیش‌بینی شده است که این حفره  هر بهار برای چند دهه بعد نیز ظاهر خواهد شد، و دیگر اینکه حفره مشابهی ممکن است روزی در بالای منطقه شمال ظاهر شود.

درنتیجه این کشفیات، دولتها در سراسر دنیا برای قانون گذاری جهت قطع تدریجی تولید آن دسته از مواد شیمیایی که علت این آلودگی هستند سریعاً اقدام کردند تا اینکه وضع با پیشرفت حتی جدّی‌تر تهی شدن در بالای نواحی پرجمعیت از آنچه که هم اکنون است، بدتر نشود، زیرا متناظر با افزایش میزان تهی شدن ازون، تهدیدی است که برای سلامت انسانها و سایر موجودات زنده وجود دارد.

در چند سال گذشته به طوری که معلوم شده ازون نه تنها در قطب جنوب بلکه در سراسر دنیا در حال تهی شدن است. نقصان ازون در این عرضهای جغرافیای میانی که در اوایل دهه 1970 شروع شد اکنون به حدود 5 % به ازای هر دهه رسیده است. بیشترین نقصان در فصل زمستان، بهار رخ می‌دهد و از 1970 تا 1993 به 14 % می‌رسد. مقداری نقصان نیز در تابستان زمانی که تماس اکثر مردم با نور خورشید به حداکثر می‌رسد وجود دارد. برای مثال، سطح ازون در بالای تورنتو در ماه ژوئیه 1993 ، 12 % پایین تر از مقادیر بیش از 1980 بوده است. نقصان جهانی ازون به صورت یک نگرانی زیست محیطی عمده درآمده است. زیرا در نتیجه آن محافظت حیات در سطح زمین در برابر جزء فرابنفش نور خورشید که مضر است کمتر می‌شود. در این جا آن دسته از فرآیندهای شیمیایی را که در تولید لایه ازون دخالت دارند و هم‌چنین فرایندهایی را که به پدیده تهی شدن ازون می‌انجامد بررسی می‌کنیم.

مناطق مختلف فضا

اجزای اصلی ( صرف نظر از مقدار متغیر بخار اب که معمولاً وجود دارد ) یک هوای پاکیزه در جوّ زمین عبارت‌اند از مولکول های دو اتمی نیتروژن ( N2 جدود 78 % مولکول‌ها ) مولکول‌های دو اتمی اکسیژن ( O2 حدود 21 % ) ، آرگون ( Ar ، حدود 1 % ) و کربن دی اکسید ( Co2 ، حدود 03/0 % ) که در نتیجه احتراق مواد سوختی که به طور طبیعی در سطح زمین به آن مواجه هستیم، واکنش ناپذیر است. فقدان واکنش‌پذیری آشکار در جو گول‌زننده است. درواقع، بسیاری از فرایندهای شیمیایی که از نظر زیست محیطی جائز اهمیت‌اند در هوا اتفاق می‌افتد، اعم از اینکه پاکیزه یا آلوده باشند.

این منطقه از آسمان از سطح زمین تا ارتفاع حدود 15 کیلومتری ادامه دارد. در این قسمت فرایندهای استراتوسفر را در نظر می‌گیریم. این منطقه درست بالای تروپوسفر قرار دارد و از ارتفاع 15 تا 50 کیلومتری را در بر می‌گیرد. واکنش‌هایی را که در اینجا در نظر می‌گیریم برای ادامه‌ی سلامت لایه ازون، که در نیمه پایینی استراتوسفر یافت می شود، اهمیت اساسی دارد. استراتوسفر به عنوان منطقه‌ای بین دو ارتفاع تعریف می‌شود و این دو ارتفاع روند تغییرات دما معکوس می‌شود، و قسمت بالایی استراتوسفر ارتفاعی است که در آنجا افزایش دما با ارتفاع متوقف شده و کاهش دما شروع می‌شود.

واحدهای غلظت برای گازها در محیط زیست

واحدهای غلظت که برای گازهای موجود در هوا در علوم محیط زیست به کار برده می شود با واحد مول بر لیتر (مولاریته) که برای شیمیدان‌ها آشناست، متفاوت است. آشناتر از همه بیان غلظت در واحد قسمت است. مثلاً غلظتی برای 100 مولکول گاز کربن دی و اکسید که در یک میلیون از مولکول‌های هوا پخش شده است به صورت « 100 قسمت در میلیون قسمت » یعنی « pmm 100 » بیان می‌شود. به همین نحو « ppb » و « ppt » به ترتیب برای قسمت در بیلیون قسمت 9( 10 ) و قسمت در تریلیون و قسمت 12(10) به کار برده می شود. در مواردی هم از واحد ppbm قسمت در یکصد میلیون قسمت 8(10 ) استفاده می شود.

شایان ذکر است که برای گازها این واحدها بیان کننده تعداد مولکول‌های یک آلاینده ( به زبان شیمیدان، جسم حل شدنی ) موجود در یک میلیون یا یک بیلیون، یا یک تریلیون از مولکول‌های هواست. از آن‌جا که طبق قانون گاز کامل، حجم یک گاز متناسب با تعداد مولکول‌های آن است، مقیاس « قسمت » در هم چنین نماینده‌ی حجم یک گاز آلاینده در مقایسه با حجم ذکر شده‌ی هوا ست. چنانچه حجم های آلاینده و هوا را در فشار یکسان در نظر بگیریم. از این رو برای تأکید این نکته که مقیاس غلظت به جای جرم بر اساس مولکول ها یا حجم‌هاست اغلب از حرف v (برای حجم ) به عنوان بخشی از واحد، برای مثال ppmv 100 یا ppmv 100 استفده می شوند. تغییر غلظت ازون در مقیاس ppm و در ارتفاعات مختلف در تروپوسفر و استراتوسفر در شکل‌ها نشان داده شده است.

شیمی لایه ازون

جذب نور بوسیله‌ی مولکول‌ها

شیمی تهی شدن ازون و در واقع شیمی‌ای دیگری فرآیندها در اسستراتوسفر بوسیله‌ی انرژی نور خورشید پیش برده می‌شود به این دلیل، تجزیه و تحلیل خود را با برسی رابطه بین جذب نور بوسیله‌ی مولکول‌ها و برانگیختگی آنها که موجب واکنش پذیری مولکول‌ها می‌شود، شروع می‌کنیم. یک شیء سیاه رنگ نور را در تمام طول موجهای طیف مرئی، یعنی از nm 400 (نورفرابفش)تا حدود mn 750 (نور قرمز) جذب می‌کند. (طول موج نور غالباً در واحد نانومتر(nm) بیان می شود و یک نانومتر 109 است). تمایل طبیعی اجسام برای جذب نوری با طول موج معین به علت تفاوت ترازهای انرژی الکترونهای آنها، فوق‌العاده با هم فرق داردو مولکول دو اتمی اکسیژن، O2 ، نور مرئی را به میزان قابل توجهی جذب نمی کند، اما انواع معینی از نور فرابنفش (UV) که شامل تابش الکترومغناطیسی با طول موجهای بین حدود 50 و nm 400 را جذب می‌کند. توجه کنید که ناحیه فرابفش از لبه بنفش ناحیه ی مرئی شروع می‌شود و از این رو نام فرابفش به آن داده شده است. بعد از ناحیه فرابنفش، یعنی ناحیه ای با طول موجهای باز هم کوتاهتر پرتو ایکس قرار دارد.

اثرهای زیست شناختی تهی شدن ازون

کاهش غلظت ازون استراتوسفر سبب می شود که نور uv – B بیشتری به سطح زمین نفود کند. پیش‌بینی می شود که 1 % کاهش در ازون بالاسری به 2 % افزایش در شدت uv – B در سطح زمین بی انجامد. این افزایش در میزان uv – B  اثرهای زیان آوری به موجودات زنده از جمله انسان وارد می سازد. تماس با uv – B   موجب آفتاب سوختگی و قهوه ای شدن پوست می‌شود و تماس زیاد می تواند به سرطان پوست منجر شود. افزایش مقادیر uv – B هم چنین ممکن است اثر زیانباری روی سیستم ایمنی بدن انسان بدن انسان و رشد پاره ای از گیاهان و حیوانات داشته باشد اکثر اثرهای زیستی از آنجا ناشی می شود که uv – B می‌تواند به وسیله‌ی مولکول‌های DNA جذب شود که بعد به واکنشهای زیان آوری منتهی می‌شود. از روی مقایسه تغییر در طول موج نور uv – B با شدت متفاوت که به سطح زمین می رسد با خصوصیات جذبی DNA می‌توان نتیجه‌گیری کرد که اثرهای زیان بار اصلی جذب نور خورشید در حدود mm 300 رخ می‌دهد.

در واقع، در بین مردمی که پوست روشنی دارند، پوست آنها حداکثر جذب uv از نور خورشید را در حدود nm 300 نشان می‌دهد.

تقریباً تمام سرطانهای پوست به علت تماس زیاد با uv – B در نور خورشید است. جذبی DNA و شدت نور خورشید در سطح زمین در مقابل طول موج میزان جذب انرژی نور به وسیله‌ی DNA بازتابی از حساسیت زیست شناختی آن به یک طول موج معین است.

بنابراین هر کاهش در ازون انتظار می‌رود که نهایتاً به افزایش شیوع سرطان پوست منتهی شود. خوشبختانه بیشتر سرطان پوست از نوع غده ملانین‌دار بدخیم که غالباً کشنده است نبوده بلکه از نوعی است که به کندی پخش می‌شود و کابل درمان است.

مولکول‌ های O2 جذب می‌شود به طور چشم‌گیری با طول موج متغیر می‌کند و حداکثر جذب در حدود nm 140 صورت می‌گیرد. این نوع جذب گزینشی برای تمام اتم ها و مولکول‌ها دیده می شود، هرچند که نواحی خاص جذب قوی و جذب صفر سربسته به ساختار گونه مورد نظر و ترازهای انرژی لکترونهای آن تغییرات گسترده ای را نشان می‌دهند.

گاز O2 که بالای استراتوسفر قرار دارد قسمت عمده نور uv را، از 120 تا nm 220 از نور خورشید حذف می‌کند بقیه آن بوسیله‌ی O2 در استراتوسفر جذب می شود. نور فرابنفش که طول موجی کوتاهتر از nm 120 دارد بوسیله‌ی O2 و سایر سازنده های هوا مانند N2 در استراتوسفر و بالای آن جذب می‌شود. از این رو هیچ نور uv که طول موجی کوتاهتر از nm220 داشته باشد به سطح زمین نمی رسد، و بدین ترتیب پوست و چشم‌های ما از آسیب بوسیله‌ی این بخش از نور خورشید در امان است. O2 هم‌چنین مقداری از نور uv را در گستره 220 تا nm 240 جذب می‌کند. نور فرابنفش در گستره 220 تا 320 از نور خروشید عمدتاً بوسیله ی مولکول‌های ازون O3 که در مناطق میانی و تحتانی استراتوسفر پخش شده اند، جذب می‌شود. از آنجا که ساختار مولکولی در نتیجه مجموعه ترازهای انرژی مولکول ازون متفاوت از مولکول دو اتمی اکسیژن است.