تحقیق مقاله آلودگی هوا

مقدمه:

ترکیبات جو

هوا مخلوطی از گازهای مختلف است. گرچه جو زمین ظاهراً به دلیل ماهیت گازی شکل خود بی وزن به نظر می رسد، اما دارای جرمی به مقدار 1014×6/5 تن می باشد. به استثنای بخار آب، نسبت اختلاط گازهای تشکیل دهنده هوا تا ارتفاع 60 کیلومتری نسبتاً ثابت است. حدود 99 درصد حجم هوای زمین را دو گاز ازت و اکسیژن تشکیل می دهد که ازت با 78 درصد، پیکره اصلی جو زمین است، بعد از آن اکسیژن قرار دارد، و سایر گازها فقط یک درصد را شامل می شوندو جدول  گازهای تشکیل دهنده جو را در یک هوای خشک (بدون بخار آب و آلاینده ها) به صورتهای حجمی و جرمی نشان می دهد که معمولاً تقسیم بندی حجمی آن متداولتر است. اگر سهم بخار آب موجود در جو را نیز در این تقسیم بندی دخالت دهیم، این نسبتها ثابت نخواهد بود زیرا دمای طبقات پایین جو همیشه در حال تغییر است و با رسیدن دما به نقطه میعان و تبدیل بخار به مایع، درصد حجمی بخارآب در جو تغییر خواهد کرد. گرچه وزن مولکولی بخار آب از وزن سایر عناصر تشکیل دهنده جو کمتر است، با این وجود بخار آب عمده در لایه های پایین جو متمرکز می باشد. بیشترین مقدار بخار آب در لایه مجاور سطح زمین است و با افزایش ارتفاع، به سرعت از میزان آن کاسته می شود. وجود بخار آب در نزدیکی سطح زمین: اولاً به دلیل وجود اقیانوسهاست که منبع اصلی تأمین آن است؛ و ثانیاً سرد بودن لایه های فوقانی جو که مانع از نفوذ بخار آب می شوند.

جالب است بدانیم که مقدار دی اکسید کربن موجود در جو زمین در طول قرن گذشته افزایش پیدا کرده است. بخشی از این افزایش به دلیل مصرف زیاد سوختهای فسیلی است که نتیجه آن آزاد شدن گاز CO2 است.

علاوه بر ترکیبات دائمی جو که اشاره شد، جو زمین حاوی مواد معلق گوناگون مانند ذرات نمک، گرد و غبار و قطرات بسیار کوچک آب نیز می باشد که نباید آنها را جزء ترکیبات گازی جو به حساب آورد. اما نقش این مواد، بخصوص قطرات کوچک آب را نیز نمی توان نایده گرفت.

جدول1 – ترکیبات حجمی و جرمی هوای خشک

(جدول در فایل اصلی موجود است)

ارتفاع و ساختار جو

جو زمین، پوشش عظیم گازی شکل است که اطراف کره زمین قرار گرفته و حتی در سطح آن نیز نفوذ نموده است. هر مقدار از سطح زمین دور شویم از غلظت هوا کاسته می شود. بطوری که غلظت هوا در لایه های انتهایی آنقدر کم می شود که بالاخره بطور غیر محسوسی با جو خورشید در هم می آمیزد. در ابتدا کاهش غلظت هوا بسیار سریع است بطوری که 50 درصد جرم هوا در ارتفاع کمتر از 5/5کیلومتری سطح زمین قرار دارد و نیمی از آنچه باقی می ماند نیز در 5/5 کیلومتر دوم متمرکز است. به عبارت دیگر سه چهارم جرم هوا در ارتفاع کمتر از 11 کیلومتری سطح زمین پراکنده است. افزایش غلظت هوا در نزدیک سطح زمین یکی به دلیل جاذبه و دیگری فشاروارده از سطوح بالاتر جو است.

ساختارجو را میتوان از دیدگاههای مختلف مورد بررسی قرار داد. یکی از معیارهایی که بر اساس آن لایه های جو طبقه بندی می شوند دمای هوا است. طبقه بندی حرارتی از نظر تغییرات هوا و اثرات مستقیم گرما بسیار با اهمیت می باشد.

با توجه به محدود بودن اطلاعات ما از خصوصیات جو در لایه های فوقانی و به این دلیل که سطوح بالایی هنوز تحت بررسی و تحقیق می باشد هیچ گونه تعریف و مشخصه جامعی از ساختار جو در این قسمت وجود ندارد. در شکل 1 ساختار لایه بندی جو از برخی جنبه های فیزیکی نشان داده شده است. پایینترین لایه جو که در برگیرنده بیشترین جرم هواست و همچنین بزرگترین ویژگی آن کاهش تدریجی دمای هوا نسبت به ارتفاع می باشد. لایه تروپوسفر نام دارد. بیشترین تغییرات جوی که کاهش دما نسبت به ارتفاع مهمترین آنهاست، در این لایه اتفاق می افتد. ضخامت متوسط لایه تروپوسفر حدود 11 کیلومتر است.

روی لایه تروپوسفر طبقه استراتوسفر قرار دارد که ضخامت متوسط آن حدود 23 کیلومتر است. در 3 کیلومتر اول استراتوسفر، دمای هوا ثابت است اما در قسمتهایی بالاتر دمای هوا با ارتفاع افزایش می یابد لایه مزوسفر در بالای طبقه استراتوسفر واقع شده و به صورتی است که در آن دمای هوا نسبت به افزایش ارتفاع بطور سریع کاهش پیدا می کند. ترموسفر انتهاییترین لایه جو می باشد که در آن بار دیگر دمای هوا با ارتفاع به سرعت زیاد می شود. این لایه از ارتفاع تقریبی 80 کیلومتری شروع و تا 190 کیلومتری سطح زمین ادامه دارد. بدین ترتیب جو زمین از نظر حرارتی به چهار لایه متمایز: تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر، و ترموسفر تقسیم می شود. مرز بین لایه های اول و دوم، تروپوپاز،مرز لایه های دوم و سوم استراتوپاز و مرز لایه های سوم و چهارم مزوپاز نام گرفته است. مزوپاز محلی است که پایینترین دما را دارا می باشد.

تأثیر فعالیتهای انسان بر وضعیت جو

وقتی می شنویم که مثلاً مردم شهر لوس آنجلس در وضعیت مه دود (Smong) هوا با ماسک ضد گاز در خیابانها ظاهر می شوند، باید به خود آئیم که واقعاً چه بلایی بر سر جو زمین آورده ایم.

مواد زایدی که در یک جامعه غیر صنعتی دور ریخته می شود نه تنها آلوده کننده به حساب نمی آیند بلکه این مواد در اصل بخشی از چرخه عناصر در طبیعت است. اما در جوامع صنعتی، توسعه فرایندهای انرژی، بیش از نیاز شخصی افراد آن جامعه بوده و به دو صورت بر جو زمین تأثیر می گذارد: یکی تغییر در ترکیب گازهای جو؛ و دیگری تغییردمای جو. از زمان انقلاب صنعتی تاکنون بشر همیشه بیش از توان طبیعت درپاک سازی جو، مواد آلاینده وارد آن کرده است. اثرات آلودگی هوا از چند نظر حائزاهمیت است: تأثیر اول آن، تغییراتی است که در ترکیب گازهای جوی ایجاد می شود و برای سلامتی انسان مضر است؛ دومین تأثیر، افزوده شدن ذرات معلق در هوا (Aerosols)؛ و سومین اثر، تغییر دمای جو زمین است.

آلاینده های گازی شکل

بطوری که در جدول نشان داده شد، دی اکسید کربن فقط بخش بسیار کوچکی از گازهای جو را تشکیل می دهد؛ اما این مقدار ناچیز، همان طور که مشروحاً خواهیم دید، اهمیت زیادی دارد. CO2 و بخار آب، جذب کننده اصلی انواع طول موجهای تابشهای حرارتی هستند که باعث گرم شدن هوا می شوند. هر چه میزان CO2 در جو اضافه شود بر دمای هوای کره زمین افزوده می گردد. کارشناسان هواشناسی بر این عقیده اند که اگر افزایش CO2 موجب افزایش دمای هوا     می گردد؛ برعکس، افزایش ذرات معلق در هوا با انعکاس و پراکنده کردن تابش خورشیدی باعث سرد شدن جو می شوند، و لذا تأثیر گاز CO2 از این طریق خنثی می گردد.

گاز دی اکسید کربن در اثر سوخت کامل کربن و مواد فسیلی، حاصل می گردد. گرچه CO2 به مقدار بسیار زیادی توسط وسایل نقلیه، صنایع و سوختهای خانگی تولید می شود، اما تنفس آن مستقیماً بر سلامتی انسان اثر ندارد، و تنها تأثیر آن، گرم شدن جو زمین می باشد. در شکل 2 تغییرات گاز کربنیک هوا از سال 1860 تا 1970 و پیش بینی روند افزایشی آن تا سال 2000 نشان داده شده است.

مونوکسیدکربن یا گاز CO2 که در اثر سوخت ناقص مواد کربن دار حاصل می شود بسیار خطرناک و سمی است. با تراکم این گاز به مقدار 100 قسمت در میلیون به فاصله چند ساعت سلامتی انسان به خطر می افتد. گازهای CO2 و اسید سولفوریک نیز به مقدار کمتری تولید می شوند، اما اثرات آنها بیشتر و کشنده تر است. هنگام تنفس، وقتی گاز اسیدسولفوریک وارد ریه ها می شود سلولها به طور دایم از بین می روند. گاز SH2 که بوی تخم مرغ گندیده می دهد از ضایعات کارخانجات حاصل شده و سمی بودن آن به مراتب خطرناکتر از دیگر گازها می باشد. این گاز موجب اغلب مرگ و میرها و بیماریهای ناشی از آلودگی هواست. در فرایندهای شیمیایی جو چندین نوع اکسید ازت تولید می شود که خطرناکترین آن اکسید نیتریک (NO2) است. تابش خورشید، اکسید ازت را به ازن که نوعی اکسیژن فعال و سمی است تجزیه می کند. بعضی از فرایندهای صنعتی موادی از جمله فلورید هیدروژن (HF) تولید می کند. این ماده شیمیایی بسیار خورنده است و با  تراکمی کمتر از یک قسمت در بیلیون می تواند خسارات زیادی به گیاهان وارد آورد. دی سولفید کربن نوع دیگری از گاز های سمی است که در صنایع کاغذسازی به مقدار زیاد تولید می شود.

علاوه بر گازهای معدنی مذکور، ترکیباتی از نوع گازهای آلی و فرار که بسیار سمی هستند نیز وارد جو می گردد. این گازها عبارتنداز: اتیلین، فورمالدئید و تعدادی گازهای حلال. اتیلین، هیدروکربن مهمی است که در دود اتومبیلها، اتوبوسها و کامیونها وجود دارد. تراکم این گازها به مقدار یک قسمت در بیلیون به اغلب گیاهان زراعتی صدمه می زند. فورمالدئید، ماده شیمیایی از انواع گازهای آلوده کننده است. این ماده ترکیبی تحریک کننده دودی شکل بوده که در محل سوزانیدن زباله ها تولید می شود. حلالهای آلی در هوای نواحی صنعتی به وفور یافته می شود که اثرات آنها، از تحریکات ساده تا مسمومیتهای شدید می باشد.

هنوز به خوبی اثرات واقعی گازهای رادیواکتیو روشن نشده و خطرات حاصله چه به لحاظ توارثی و چه به لحاظ پزشکی قابل توجه و تحت بررسی است.

آئروسل ها

هر چند بیشتر آئروسلها و ذرات معلق در هوا منشا طبیعی داشته و حاصل انفجارهای آتشفشانها ، گردو خاک حاصل از باد و یا ذرات نمک می باشند، با وجود این مقدار زیادی از مواد معلق همان طور که گفته شد، توسط انسان و فعالیتهای صنعتی وارد جو می شود. صرف نظر از این که ذرات مزبور چگونه تولید و در فضا پراکنده شده باشند. نقش مهمی در تغییر اب و هوای کره زمین دارند از حالت کلی دواثر متضاد مواد ملق در هوا ، این است که با انعکاس پرتوهای خورشیدی به خارج از جو باعث سرد شدن زمین می شوند، و یا ممکن است با جذب انرژی خورشید، موجب گرم شدن هوای کره زمین گردند.

در حال حاضر ما شاهد افزایش مقدار آئروسلها در مناطق شهری هستیم ، ولی هنوز دلایلی که نشان دهد ذرات فوق در مقیاس جهانی تاثیر دارند به دست نیامده است. با این وجود بااطمینان می توان انظار داشت که با گسترش شهرها باز هم به مقدار ذرات معلق در هوا اضافه شود و اثرات جدی آن در زندگی بشر و تغییر آب و هوای زمین مشهود گردد.

هر چند نقش انسان در آلوده کرده جو موثر است، اما طبیعت نیز گاهی اوقات با وارونگی دما نسبت به ارتفاع در تشدید موضوع دخالت دارد. زیرا هنگامی که این حالت اتفاق می افتد، هوای سرد و آلوده به دلیل سنگینی بیشتر در سطوح پایین، و هوای گرم در ارتفاع بالا قرار می گیرد ولذا جو حالت پایدار به خود گرفته و امکان مخلوط شدن و تهویه هوا وجود ندارد.

آیا هوا با کمبود اکسیژن مواجه خواهد شد؟

مصرف سوختهای فسیلی بطور جدی و قابل ملاحظه ای اکسیژن موجود در هوا را از بین می برد. از طرف دیگر به دلیل آلودی دریاها و دریاچه ها و وارد شدن مواد سمی به داخل آنها رشد جلبکهای سبز-آبی را که یکی از منابع اصلی تامین اکسیژن هستند به مخاطره افکنده است. نظر به این که اکسیژن محصول جانبی فرایند فتوسنتز می باشد، کاهش گیاهان دریایی می باید تعادل تولید و مصرف اکسیژن را در هوا و اقیانوسها مختل سازد.

مساله کم شدن اکسیژن در طبیعت مورد بررسی دقیق بسیاری از محققین قرار گرفته و تا به حال نتیجه این بوده است که خوشبختانه هیچ گونه کاهش جدی در مقدار اکسیژن دیده نمی شود و اکنون مقدار سالانه مصرف اکسیژن به صورت سوخت معادل مقدار تولید آن در فر؟آیندهای فتوسنتز می باشد. اگر انسان می توانست با فعالیت های صنعتی تمام سوخت های آلی را مصرف کند فقط کمتراز 3 درصد اکسیژن موجود در هوا مورد استفاده قرار می گرفت، در حالی که اکسیژن ذخیره در اقیانوسها به مراتب، بیشتر از این مقدار بوده و می تواند کمبود آن را جبران نماید.

آیا دمای کره زمین افزایش خواهد یافت؟

در حال حاضر متوسط دمای کره زمین 15 درجه سانتی گراد تخمین زده شده است.

در محاسبه این دما بیلان کل انرژی دریافتی از خورشید، مقدار انرژی ذخیره شده در جو و مقدار واتابی که به خارج از جو برگشت داده می شود، در نظر گرفته شده است. هر گونه تغییری که در اجزای بیلان انرژی کره زمین داده شود می تواند دمای فعلی زمین را تغییر دهد.

همان طور که قبلا توضیح داده شد بخار آب و گاز دی اکسید کربن مهمترین جذب کننده های انرژی تابشی در جو می باشند که از این دو بخار آب از اهمیت بیشتری برخوردار است. هر نوع فرایندی که موجب افزایش مقدار co2  و بخار آب بشود در افزایش دمای هوا موثر خواهد بود. در یکصد سال گذشته مقدار دی اکسید کربن هوا به میزان 15% افزایش یافته است.

یکی از مسائل غیر قابل پیش بینی در مورد آلودگی هوا پرواز هواپیماهای با سرعت مافوق صوت در سطوح فوقانی جو می باشد که با پراکنده کردن بخار آب و گاز co2 در لایه استراتوسفر مشکلاتی را ایجاد کرده است.

هنوز معلوم نیست که آیا رها شدن این ذرات در قسمت تحتانی استراتوسفر باعث گرم تر شدن لایه های پایینی جو می شود و یا این که با تشکیل ابر وانعکاس تابش خورشید توسط این ابرها، جو زمین سردتر خواهد شد. نهایتا مشکل حرارتی جو زمین با تداخل اثرات گوناگون آلودگی هوا مساله ای پیچیده به نظر می رسد که محققین هنوز به نظریه ثابتی نرسیده اند. ذخیره حرارتی جو که با تابش مستقیم خورشید و بازتاب حرارتی زمین تنظیم می شود، تحت تاثیر حرارت مستقیم ایجاد شده توسط انسان قرار میگیرد. منابع حرارتی و سوخت مواد در کارخانجات و فعالیتهای صنعتی انسان، مستقیما حرارت را به جو منتقل می سازد.

گرچه ما با دید مختصر و کوتاه به مساله دخالت انسان در آلوده کردن جو نگاه کردیم، اما همین نگاه مختصر نشان می دهد که تاثیر فعالیتهای انسانی به آلوده کردن جو تا چه اندازه حائز اهمیت است.

آلودگی هوا

معنای اصطلاح آلودگی هوا چیست؟ یک مقایسه کلی ما بین آلودگی و عدم آلودگی هوا به این سوال پاسخ خواهد داد. این نقطه شروعی منطقی برای هر مطالعه ای در مورد آلودگی هوا می باشد.

 هوای غیر آلوده:

هوا، بعنوان یک تعریف مصطلح برای توصیف مخلوطی از گازها که هر یک قشر نسبتا نازکی را در اطراف زمین به وجود می آورند به کار برده می شود. ترکیب این مخلوط از زمین به طرف بالا تا حدود 50 مایل به طور قابل ملاحظاه ای ثابت است.

جدول 2 چگونگی ترکیب آلودگی هوای خشک را طبقه ای از طبقات پیرامون کره زمین به صورت درصد حجمی ارائه می دهد، در ضمن مجموع جرم نسبی هر جز در تمام اتمسفر نیز داده شده است.

در جدول 2 مشخص شده نیتروژن واکسیژن از گازهای بسیار فراگیر اتمسفر و رویهم رفته 99% حجم را تشکیل می دهند.

تقریبا مابقی اتمسفر از آرگون و کربن دی اکسید، درصد حجمی کل مجموع این چهار جز در هوای خشک تمیز 99/99 درصد است. جدول 2 شامل اجزا هوای خشک است بنابر این آب از قلم افتاده شده که یک جز اصلی پنجم از هوای تمیز می باشد. در جدول 2 آب وارد نشده زیرا بر خلاف سایر اجزا بخار اب به مقادیر متفاوتی در هوای تمیز یافت می شود. آب موجود در اتمسفر وابسته به دما و سرعت تبخیر آب از منابع موجود از 01/0 تا 5 درصد تغییر می کند و عموما مقدار آن ما بین 1 تا 3 درصد است. مشخص است که وجود بخار آب غلظت سایر اجزا اتمسفری را به زیر مقادیر داده شده در جدول 2 تغییر خواهد بود. هر چند تناسب نسبی سایر اجزاء اساسا ثابت باقی می ماند و وقتی که میزان رطوبت مشخص شود درصد سایر گازها می توانند از این ثابت تناسب محاسبه شوند. اجاز جزئی هوا بسیار متعددند و تعدادی از آنها از روندهای طبیعی متنوعی حاصل می شوند. هیدروژن سولفیدH2S سولفوردی اکسید so2 و کربن منوکسید co همگی توسط عمل آتشفشانها حاصل شده و در اتمسفر موجود هستند.

پوسیدگی گیاهان و جانداران تحت شرایط فاقد اکسیژن (پوسیدگی غیر هوازی)

جدول 2

(جدول در فایل اصلی موجود است)

منشا و ماهیت آلاینده های هوا

به طور کلی، آلاینده چیست؟ هر گاه ماده ای با تراکمی بیشتر از تراکم متداولش در فضا- که غالبا مقدار بسیار ناچیزی است- یافت شود، به آن آلاینده گویند. موارد گاز کربونیک، اکسیدهای نیتروژن، اوزون، و امونیاک که از سازاهای عادی فضای غیر آلوده اند استثنا هستند. اما به متان، آمونیاک و هیدروژن سولفید را تولید می کند. اکسیدهای نیتروژن(N20,NO,NO2) توسط تخلیه بارالکتریکی در طی رعد و برق تولید می شوند. و نیز چندین تن کربن منوکسید توسط آتش سوزی جنگلها به وجود می آید.

هوای آلوده:

اضافه شدن هر ماده ای تا حدی خواص فیزیکی و شیمیایی هوای تمیز را تغییر می دهد. بنابر این چنین موادی به عنوان آلوده کننده هوا در نظر گرفته می شوند.

آلوده کننده ها معمولا به عنوان موادی که باعث تاثیرات قابل توجهی برای بشر، حیوانات، نباتات یامواد بشوند طبقه بندی میگردند. بر این اساس تقریبا هر ماده طبیعی یامصنوعی که بتواند از هوا بدست آید به عنوان آلوده کننده طبقه بندی می شود. چنین موادی به صورت ذرات جامد قطرات مایع، گازها و یا مخلوطی از این اشکال هستند. اکثر مشکلات آلودگی هوا به تنوع انواع مختلف آلوده کنند ه ها در شکلهای گوناگون مربوط می گردد.

آلودگی هوا

محض آنکه مثلا تراکم گاز کربونیک بیش از تراکم متداول آن که از لحاظ حجمی در حدود 300 قسمت در میلیون است، برسد می توان ان را به عنوان یک ماده آلوده تلقی کرد. آلاینده ها دارای سه منبع اصلی هستند که عبارتند از اجاقهای خانگی، کوره های صنعتی و مواد نشر یافته از آنها، و بالاخره گازهای خارج شده از لوله اگزوز وسایل نقلیه موتوری.

تمام این منابع مواد متعددی پخش می کنند که از بین آنها تاکنون بالغ برصد ماده شناسایی شده و شامل مواد زیر است:

-گازها و بخارات ترکیبات بسیار متنوع معدنی و آلی، مانند اکسید های گوگرد، نیتروژن، و غیره یا ئیدروکربورهای چرب (آلیفاتیک) و معطر(آروماتیک) اسیدها، بازها، فنول ها و غیره.

ذرات جامد یا حبابهای مایع تشکیل شده از ائروسول هایی که ریزترین ذره آن دارای ابعاد حداقل 3% میکرو میلی متر است و می تواند به صورت ائروسول باقی بماند و به 20 میکرومیلی متر یا بیشتر هم (برای ذراتی که فورا روی زمین قرار می گیرند) برسد.

پنج نوع از مواد که به عنوان آلوده کننده های عمده هوا شناخته شده اند و باعث بوجود آمدن بیش از 90% از عوامل آلودگی هوا می شوند عبارتند از:

(جدول در فایل اصلی موجود است)

کربن منوکسید یکی از فراوانترین و گسترده ترین آلوده کننده ها است که در اتمسفر پایین یافت می شود کربن منوکسید گازی است که در تمام دماهای بالاتر از نقطه جوشش (192- درجه سانتیگراد) بی رنگ بی بو و بی مزه است. چگالی آن 5/96 درصد هوا است و به طور قابل ملاحظه ای غیر قابل حل در آب می باشد. این گاز قابل اشتعال است و با شعله آبی می سوزد.

1-2 منابع co

منابع طبیعی و مصنوعی (انسانی) هر دو در تشکیل co اتمسفر سهیم هستند. وجود co در اگزوز اتومبیلها و سایر مواد زائد که نتیجه سوخت ضعیف و ناقص می باشد، کاملا شناخته شده است، اثرات محیطی co از این منابع و سایر منابع مصنوعی مورد مطالعه قرار گرفته است. تشخیص اهمیت نقشی که به وسیله منابع طبیعی co ایفا می گردد اخیرا صورت گرفته است. اولن بار در سال 1949 مشخص گردید که co سازنده بخش بسیار کوچکی از اتمسفر است. این تشخیص زمانی بود که خطوط جذبی در سیستم طیف خورشیدی کشف شد. در نهایت این مشاهدات به تحقیقات مختصری در مورد منابع طبیعی co قبل از 1972 انجامید، ابتدا تصور می شد که سهم این منابع در مقایسه با نتایجی که از فعالیتهای انسان (مصنوعی) به دست آمده بسیارجزئی است. ولی مطالعات بعد از 1972 خلاف این مسئله رانشان داد. منابع طبیعی درتولید co نسبت به منابع مصنوعی سهم بیشتری دارند، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.

تقریبا 10 برابر co وارد اتمسفر می شود از منابع طبیعی است. متان منبع بیش از 77 درصد co اتمسفری طبیعی است و معلوم شده است که در نتیجه تجزیه مواد آلی فرورفته در باتلاق ها کشترازهای برنج و مناطق گرمسیری جهان تجزیه مواد آلی فرورفته در باتلاق ها، کشترازهای برنج و مناطق گرمسیری جهان حاصل می شود. انتشار جهانی متان به مقدار حداقل 1.6 بیلیون تن در سال تخمین زده شده است. مسلم است که متان اتمسفری با رادیکالهای هیدروکسیل(OH) یا اکسیژن اتمی(O) برای تشکیل رادیکال های متیل(CH3) عمل می کند. واکنش های عبارتند از:

CH4+OHèH2O+CH3

CH4+OèOH+CH3

رابطه بالا بیشتر انجام می شود، اما هر دو وظیفه یکسانی بعهده دارند که عبارتند از ویرانی دائمی CH4  اتمسفری.

CH3 رادیکالی تولید شده بیشتر برای تولید CO نهائی عمل می کند.

رادیکال های هیدروکسیل و اکسیژن محتاج اکسایش اولیه CH4 هستند و طبق واکنش های زیرحاصل می شوند:

نورخورشید

O3èO2+O

O+H20èOH+OH

بنابر این منبع اصلی co اتمسفری مرحله ای است که CO در اتمسفر تولید می گردد نسبت به مرحله ایکه در اتمسفر پخش می شود.

اقیانوسها دومین منبع تولید co اتمسفری می باشند از انجا که سطح آبها در تماس با اتمسفر می باشند انتظار می رود که شامل co حل شده و جذب شده از اتمسفر باشند. هر چند که عملا مقدار co حل شده دراقیانوس ها از 10 تا 40 برابر بیش از مقداری است که ازچنین جذبی انتظار می رود. گیاهان پست دریائی و سایر منابع بیولوژیکی سهم قابل ملاحظه ای در تولید co موجود در آبها را دارند این co متعاقبا در اتمسفر آزاد می شود. این یک باور غلط عمومی است که تقریبا هر چیز موجود در اتمسفر زمین به جز نیتروژن، اکسیژن و مقدار کمی از گازهای نادر در نتیجه فعالیت های بشری به وجود می آید.

علیرغم سهم کوچک این منابع در مقام مقایسه با انتشار جهانی CO  (9.4 درصد از کل) تاثیر منابع مصنوعی نیز نباید نادیده گرفته شود. اطلاعات قبلی نمی توانند توجیه کننده این واقعیت مهم باشند که منابع طبیعی CO در سراسر جهان پخش شده اند در حالی که منابع مصنوعی در مناطق بسیار کوچک متمرکز شده اند. برای مثال 95 تا 98 درصد از CO اتمسفری در یک منطقه شهری ناشی از فعالیتهای انسانی حاصل می شود. این مقادیر CO بطور معمول 50 تا 100 برابر از مقادیر مشخص جهانی( 0.1 تا 0.5 PPM)  بالاتر است. اثر نابع مصنوعی در مشکلات آلودگی هوا به طور مقدماتی محصول دو خاصیت موقعیت و سرعت بالای انتشار هستند بنابر این باقیمانده بحث آلودگی CO روی منابع مصنوعی متمرکز خواهد بود.

 شیمی تشکیل CO

تشکیل CO از منابع مصنوعی در فضا از یکی از فرایندهای شیمیائی زیر ناشی می گردد.

سوخت ناقص کربن یا محصولات حاوی کربن- زمانی که اکسیژن کافی جهت سوخت وجود نداشته باشد به وقوع می پیوندد و به جای کربن دی اکسید(co2) تولید می گردد.

یک واکنش در حرارت بالا، بین CO2 و مواد حاوی کربن صورت می پذیرد.

در حرارت بالا CO2 به co و o تجزیه می گردد.

مطالعات جزئیات این فرایندها نقش آلودگی کربن منواکسید را مشخص می نماید.

فرایند1- تشکیل اکسیدهای کربن، وقتی که کربن و اکسیژن خالص با هم ترکیب می گردند‏ ، فرایند ساده ایست. نظیر سوختن مواد حاوی کربن در هوا که شامل یک سری فعل و انفعالات می گردد. علیرغم پیچیدگی پاره ای اصول کلی در خصوص این واکنش ها شناخته شده، به عبارت ساده سوختن کربن در مواد سوختی به شکل مراحل زیر انجام می گیرد.

2c+o2è2co

2co+o2è2co2

واکنش اول تقریبا ده بار سریعتی از دومی انجام می شود. بنابر این co  در فعل وانفعال سوختن یک واسطه است  و اگر O2 به اندازه کافی موجود نباشد به صورت محصول نهائی ظاهر خواهد شد. Co همچنین می تواند در به عنوان محصول نهائی ظاهر گردد. اگر مواد سوختی و هوا به خوبی مخلوط نشده باشند مخلوط ناقص موجب می گردد که در مناطقی از اختلاط هوا و مواد سوختی اکسیژن کافی وجود نداشته باشد. رابطه تولید co و وجود اکسیژن در شکل 4 نشان داده شده که در آن تولید co در سه موتور احتراق داخلی در مقابل نسبت هوا به مواد سوختی ترسیم گردیده است. تاثیر کمبود اکسیژن در تولید co کاملا مشهود است.

فرآیند2: واکنش مورد نظر در این فرآیند به صورت زیر می باشد.

Co2+cè2co

این واکنش به آسانی در حرارتهای بالا، که معمولا در بسیاری از تجهیزات صنعتی ماند کوره ها وجود دارند انجام می گیرد.

Co تولید شده از این طریق در پاره ای موارد لازم و سودمند می باشد مثل کوره ها که به عنوان احیا کننده در تولید آهن از سنگ اکسید آهن عمل می کند. ولی بخشی از co ممکن است وارد اتمسفر شود و موجب آلودگی گردد.

فرآیند 3: تحت شرائط خاصی واکنشی که در آن اکسیژن کافی برای سوختن کامل نیز وجود داشته باشد هنوز ممکن است به عنوان منبعی برای تولید co عمل کند. این به علت حرارت بالای ناشی از تجزیه co2 به  o و co می باشد.

در این وضعیت در حرارت بالا کربن دی اکسید و co درحال تعادل وجود خواهند داشت. طبق فرمول:

حرارت بالاتر به تولید co و o کمک می کند. برای مثال در حرارت 1745 درجه سانتیگراد یک درصد co2  به o  و co تجزیه خواهد شد و در حرارت 1940 درجه سانتیگراد 5% آن تجزیه می گردد. اگر یک مخلوط در حال تعادل در حرارت بالا به طور ناگهانی سرد شود، co موجود در مخلوط سرد شده باقی می ماند.

 غلظت و توزیع co:

از آنجا که اتومبیل به تنهایی تولید کننده بزرگترین منبع آلودگی co می باشد(6/65%) مناطق پرجمعیت شهری غلظت بالایی از co را نشان می دهند. در چنین مناطقی غلظت co بستگی به وضعیت فعالیتهای روزانه جمعیت دارد.

غلظت روزانه co بستگی کامل به میزان ترافیک دارد.

بالاترین میزان تراکم در محلهایی دیده می شود که بار سنگین ترافیک دارند و وضعیت روزانه جز در آخر هفته ها تفاوت چندانی با هم ندارند. تراکم در زوهای هفته بالاتر از روز جمعه می باشد.

غلظت هوا از co در هر منطقه با سرعت ورود آن به اتمسفر سرعت پراکندگی و از بین رفتن آن مشخص می گردد. در مناطق شهری سرعت از بین رفتن خیلی پائین تر است لذا سرعت پراکندگی مستقیما به جهت سرعت باد تلاطم هوا و پایداری اتمسفر مربوط می گردد. شهرهای بزرگ اگر چه تلاطم به وسیله حرکت اتومبیلها و جریان هوا در بالا و اطراف ساختمانها ایجاد می گردد. ولی به طور موضعی دوره های طولانی از سکون هوا پیش می آید. که منجر به پراکندگی ناکافی و نتیجتا افزایش تراکم coدر هوای خواهد شد.

مسلم است که اگر شخص در معرض co با غلظت زیاد قرار بگیرد خواهد مرد ولی تاثیر co بامیزان کم (100ppm و یا کمتر) اخیرا کشف شده است. این حد غلظت از آن نظر اهیمت دارد که معمولا میزان co در هوای آلوده از 100ppm کمتر می باشد. کربن منوکسید از آن نظر خطرناک است که قادر است با هموگلوبین خون ترکیب گردد. هموگلوبین معمولا به عنوان انتقال دهنده در خون عمل می کند و اکسیژن را به  شکل o2Hb اکسی هموگلوبین از ششها به سلولهای بدن و co2 را از سلولها به ششها می رساند (به شکل co2Hb) علاوه بر این هموگلوبین می تواند ترکیبی با co به شکل (coHb) به وجود آورد. هنگامی که چنین ترکیبی ایجاد می شود قدرت خون جهت انتقال اکسیژن کم می شود. میل ترکیبی co با هموگلوبین 200 بار بیشتراز o2  است. در نتیجه اگر هر دو امکان وجود داشته باشد coHb بیشتر از Hb o2 تشکیل خواهد شد. اثرات co بر روی سلامتی موجودات عموما از نسبت در صد coHb در خون تعیین می شود. هنگامیکه غلظت coHb پایین تر از دو درصد باشد اثر چندانی بر روی سلامتی ندارد.

پاره ای از شواهد گواه بر آنست که غلظت coHb به میزان دو تا پنج درصد تاثیر مخربی بر سلامتی دارد. شواهد مسلمی وجود دارد دال بر آنکه اشخاصی که مبتلا به امراض قلبی کرونرو آسم هستند مخصوصا در مقابل coHb بامیزان بیشتر از 5% آسیب پذیر می باشند.

(جدول در فایل اصلی موجود است)

اکسیدهای نیتروژن

هشت نوع متفاوت اکسید ازت شناخته شده اند. ولی معمولا فقط سه نوع آنهادر اتمسفر یافت   می شوند. این سه نوع عبارت از: نیتروس اکسید N2o نیتریک اکسید NO نیتروژن دی اکسید NO2 است.

نیتروس اکسید، گازی بیرنگ، غیر قابل اشتعال وغیر سمی بامزه و بوی نسبتا خوب است.

نتریک اکسید نیز، بی رنگ و غیر قابل اشتعال ولی بی بو و سمی است.

نیتروژن دی اکسید، گازی است با رنگ قرمز- قهوه ای غیر قابل اشتعال وبی بوی شدیدا     خفقان زا مشخص می شود.

منابع اکسیدهای نیتروژن

منابع طبیعی و مصنوعی هر دو مسئول تولید آنها هستند. انتشار این منابع طبق اصول و برآوردهای جهانی همان الگوئی را که قبلا برای کربن منواکسیدذکر شد دنبال می کند. عمدتا منابع طبیعی از منابع مصنوعی در این مورد سهم بیشتری دارند. درصد انتشار از منابع طبیعی و منابع مصنوعی مشخصا در این سه نوع اکسید متفاوت است. NO اتمسفری به وسیله هر دو منبع طبیعی (80%) و مصنوعی (20%) تولید می شود در حالی که تقریبا تمام N2O منتشر شده در اتمسفر از یک منبع مصنوعی به وجود می آید. عمل تخمیر به وسیله باکتریها در خاک به منظور تجزیه ترکیبات تشکیل دهنده ازت منبع عمده N2O را تشکیل می دهد. مکانیسم دقیق شیمیائی این فرآیند هنوز قطعا مشخص نشده است. ولی تاثیر زیادی در انتشار سالانه که 592 میلیون تن N2O برآورد شده است دارد. عمل تخمیر باکتریها همچنین مسئول یک تولید تخمینی سالانه 430 میلیون تن NO می باشد. اشعه های نوری باعث می شوند که ازت و اکسیژن اتمسفر به روشهای گوناگونی ترکیب شوند. NO.N2o,No2  مقدار کلی اکسیدهای ازت تولید شده ناچیز است. احتراق منبع اصلی تولید مصنوعی اکسید نیتروژن است در طی احتراق با دمای بالا ازت و اکسیژن هوا واکنش نشان می دهند که هم NO و NO2 را تشکیل می دهند. مقدار نسبی NO و NO2 تولید شده به دمای احتراق و به نسبت ازت به اکسیژن موجود بستگی دارد. به هر حال NO2 اغلب به کمترین مقدار تشکیل می شود. بر طبق اصول جهانی فرآیندهای احتراق 106 میلیون تن در سال اکسید نیتروژن برآورد شده را که مانند NO محاسبه گردیده است منتشر می سازد. این مقدار در حدود 35 درصد پایین تر از 163 میلیون تن به دست آمده بر اساس NO2 است. غالبا به صورت NO2 مورد استفاده قرار می گیرند زیرا که NO هنگامی که در اتمسفر است به NO2­ تبدیل می شود. شکل 5 مقدار نسبی انتشار اکسید نیتروژن را از منابع مختلف نشان می دهد. درصدهای استفاده شده بر اساس حجم کل اکسیدهای نیتروژن انتشار یافته هستند. بنابر این 43% NO2­ یعنی که هر 100 حجم از اکسیدهای نیتروژن تولید شده بر اساس مقیاس های جهانی 43 حجم از NO2­ را در بر دارند.

فرض بر این بود که تمام اکسیدهای نیتروژن از منابع سوختی، احتراق به شکل NO دارند. از قراین موجود چنین بر می آید که تقریبا 9 برابر اکسید ازت از منابع طبیعی و نه از منابع مصنوعی وارد اتمسفر می شود. یک چنین موقعیت مشابهی در موردی که قبلا برای CO ذکر کردیم وجود دارد. منابع طبیعی در کل دنیا گسترده هستند. در حالی که منابع مصنوعی در فضاهای کوچکی متمرکز می شوند.

اکسیدهای نیتروژن به عنوان آلوده کننده ها:

آلودگی اکسید نیتروژن هوا علیرغم حضور مقادیر N2o  در اتمسفر معمولا برحسب No2 , NO  در نظر گرفته می شود. دلایل چنین عملی عبارتند از:

NO و NO2  سمی هستند، در حالیکه N2O چنین نیست.

NO و NO2  در واکنش های فتوشیمیائی اتمسفر سهیم هستند ولی N2O نیست.

NO و NO2 ­ منابع عمده مصنوعی دارند در حالی که N2O ندارد. علامت Nox اغلب مجموعه ای برای NO و NO2  دخیل در آلودگی هوا به  کار می رود.

شیمی تشکیل Nox

تقریبا تمام NO و NO2 ناشی از منابع مصنوعی توسط اکسایش اتمسفری ازت در طی احتراق در دمای بالا تولید می شوند. ازت و اکسیژن هوا NO را به وجود می آورند. واکنتش های بعدی NO با اکسیژن بیشتر NO2 می دهد. رابطه هایی که این واکنش ها را نشان می دهند عبارتند از:

2NO+O2èNO2

N2+O2è2NO

هوا تقریبا از 78% ازت و 21 % حجمی اکسیژن تشکیل شده است. در دمای معمولی این دو گاز تمایل خیلی کمی به واکنش با یکدیگر دارند زیرا واکنش دومی بی نهایت گرماگیر است. انرژی مطلوب فقط دردماهای بالا مثل حرارتهایی که توسط فرآیندهای احتراق تولید می شوند قابل دسترس است. حتی در این دماها فقط مقدار کمی No تولید می شود ولی این مقدار از لحاظ تغلیظ آلودگی هوا دارای اهمیت است. جدول پایین حاوی داده هائی است که دمای وابسته به واکنش اولی و سرعتی را که برحسب آن واکنش دنبال می شود نشان می دهد. این داده ها برای مخلطو گازهائی است که حاوی 75% N2 و 3% O2 می باشد که می توانند در دمای مشخص شده به تعادل برسند. این مخلوط ازت –اکسیژن شرایط واکنش را در فرآیند احتراق آماده می سازد زیرا عمده اکسیژن موجود در هوا با مواد تحت واکنش احتراق در یکجا قرار می گیرد.

در طی احتراق گازهای در حال واکنش برای یک مدت خیلی کوتاهی در دمای شعله هستند. از این رو اگر قرار است مقادیر زیادی No تولید شود سرعت واکنش باید زیاد باشد. بر طبق جدول پایین سرعت واکنش انطورکه توسط زمان لازم برای تشکیل 500PPM NO اندازه گیری شده است در دماهای پایین 1700 درجه سانتیگراد بطور نسبی پائین است ولی در دماهای بالاتر به سرعت افزایش می یابد. بنابر این زمان اقامت گازها در منطقه احتراق و همچنین دمای شعله مقدار NO  را که عملا تشکیل می گردند مشخص می سازد.

اگر مایعات دفعی احتراق همین که خارج می شوند به آرامی سرد شوند NO به O2 ,N2 بر میگردد. در هر حال در اغلب وسایل احتراقی بخش عمده ای از انرژی حرارتی تولیدات گاز سریعا بکار مفید بر گردانده می شوند و گازها سریعا سرد میگردند. تحت چین شرایطی NO در دمای پایین تر خروجی باقی می ماند چرا که فرصت تجزیه شدن را ندارد. واکنش NO با اکسیژن برای تشکیل تحت شرایط احتراق صورت نمی گیرد.

(جدول در فایل اصلی موجو است)

جائی که CO فورا واکنش می دهد تا co2 را تشکیل دهد. دلیل این موضوع پایداری NO2  در دماهای بالاست. در دمای 150 درجه سانتیگراد NO2 شروع به تجزیه شدن به NO و O2 و در دمای 600 درجه سانتیگراد به طور کامل تجزیه می شود. نتیجتا مقدار بسیار کمی NO2 در مخلوط گازی در دمای احتراق یافت می شود. هنگام ترک منطقه احتراق NO شامل مایعات دفعی در مخلوط شدن با هوا به سرعت سرد می گردد. هنگامی که دما به زیر 600 درجه سانتیگراد می رسد NO2 تشکیل می شود که مقدارآن بسیار اندک است زیرا که سرعت واکنش در دماهای پایین تر خیلی آهسته است. بنابر این عمده NOX منتشر شده بیشتر به شکل NO است تا 2NO درست مخالف موقعیت اکسید کربن جائی که CO2 در بیشترین مقدار تولید می شود. در حدود 10%  از NOX از کارخانجات تولید نیرو و فقط 2 تا 3 درصد NOX از اتومبیل ها به شکل NO تولید می شوند. جدول زمان مطلوب برای اکسایش NO به NO2 از طریق واکنش 2 در دمای 200 درجه سانتیگراد را نشان می دهد. زمان برای دست یافتن به تبدیلات 25% و 90% داده شده است. به وابستگی سرعت واکنش به غلظت NO توجه کنید. گرچه غلظت NO ممکن است از 3000PPM بالاتر در منطقه احتراق باشد این غلظت دراثر رقیق شدن گازهای احتراقی توسط هوا به سرعت کاهش می یابد.

(جدول در فایل اصلی موجو است)

بنابر این آخرین خط جدول سرعت حقیقی واکنشها را به طور تقریبی نشان می دهد.

چرخه نوری NO2

در اتمسفر NO2 , NO هر دو درگیر یکسری واکنشهای فتوشیمیائی که به طور طبیعی اتفاق می افتد و منجر به افزایش در غلظت NO2 و کاهش در غلظت NO می شود. این واکنشها که مجتما به عنوان چرخه نوری NO2 شناخته شده اند یک نتیجه مستقیم از یک عمل متقابل بین نور خورشید و NO2 می باشند. مراحل این چرخه که در شکل نشان داده شده اند عبارتند از:

NO2  انرژی را به شکل نور ماورای بنفش از خورشید جذب می کند.

انرژی جذب شده مولکولهای NO2 را به مولکول های NO و اتم های اکسیژن می شکند. اکسیژن اتمی تولید شده بسیار فعال است.

اتم های اکسیژن اتمی با اکسیژن اتمسفری واکنش نشان می دهند تا ازون یک آلوده کننده فرعی را تولید کنند.

ازون با NO واکنش می دهد تا NO2  و O2 بدهد و چرخه کامل می شود.

اثر ویژه این چرخه گردش سریع NO2  است واگر برای واکنش دهندگان رقابت کننده در اتمسفر این چنین نبود، این چرخه هیچ اثر ویژه ای نداشت.

غلظتهای محدود NO2  و No تا زمانی که O3 , NO در کمیت های مساوی تشکیل و نابود شوند تغییر نخواند یافت.

واکنش های رقابتی ئیدروکربن ها را غالبا از همان منابع NOX منتشر می شوند درگیر می سازد. ئیدروکربن ها طوری با یکدیگر واکنش می دهند که چرخه نامتعادل می شوند و تبدیل  NO  به NO2  سریعتر از تفکیک NO2 به O,NO است. این اثر همچنین منجر به ساخته شدن مواد دیگری که مجموعا به عنوان اکسیدانها شناخته شده اند می گردد.

8-3- اثرات NOx بر روی اجسام:

زمینه مطالعه و تحقیقات آزمایشگاهی اکسیدهای نیتروژن (NOx) و محصولات واکنش آنها (نیترات) را به طور موفقیت آمیزی به مشکلات مربوط به رنگهای نساجی، تارهای نساجی و آلیاژهای نیکل – برنج مربوط ساخته است. بعضی از رنگهای نساجی وقتی که در معرض NOx قرار بگیرند رنگ می بازند. این رنگ های شامل آنهایی که در استات ریون، پنبه و ویسکوزریون استفاده می شوند، می گردد. مشکل رنگ زدایی پنبه، در نیمه سال 1950 روشن گردید. هنگامی که خانم های خانه دار از رنگ زدایی پارچه های ابریشمی زمانی که آن پارچه ها با خشک کن های گازسوز خانگی خشک می شدند، شکایت کردند. این رنگ زدایی به اکسیدهای نیتروژنی که در طی احتراق گاز طبیعی که برای گرم کردن خشک کن ها استفاده می شد، مربوط دانسته شد. سطح NOx در چنین خشک کن هایی بین ppm 6/0 تا 2/0 تشخیص داده شد. سطوح بالای نیترات های ذره ای باعث ایجاد عارضه فشردگی در فنرهای سیمی نیکل – برنجی در دستگاههای تقویت کننده ای که توسط شرکتهای تلفن استفاده می شوند گردیده است. معلوم شد که غلظت های بالای نیتراتی در گرد و غبار هوائی که در مجاورت محل های ترک برداشته جمع شده، این عوارض را تولید کردند.

9-3- کنترل آلودگی NOx:

پیشرفت روش های کنترل اکسیدهای نیتروژن نسبت به سایر آلوده کننده های عمده اتمسفری کمتر بوده است. بسیاری از مشکلات به متغیرهای مربوط به فرایندهای احتراق بستگی دارند. فرایندهایی که مسئول بیشتر انتشارات NOx هستند. این متغیرها شامل این موارد می شوند:

تنوع انواع گوناگون سوخت مصرف شده.

تنوع در تدابیر مختلف احتراق استفاده شده.

دماهای شعله ای متفاوتی که بدست می آید.

آلوده کننده های متفاوت دیگری که در تولیدات احتراقی به وجود می آیند.