لایه اوزون و اثرات حفاظتی آن

لایه اوزون یک لایه گاز طبیعی است که در قسمت فوقانی جو تشکیل شده و از انسان و سایر موجودات زنده در برابر اشعه های مضر خورشید از جمله اشعه مضر ماورا بنفش (UV) محافظت می کند.

ازون یک گاز آبی کم رنگ با بوی تند (کلر مانند) و یک مولکول غیر آلی با فرمول شیمیایی O3 است.ازون یا تریواکسیژن یک گاز بسیار واکنش پذیر است که از سه اتم اکسیژن تشکیل شده است. می توانید مقداری از آن را در نزدیکی سطح زمین پیدا کنید اما بیشتر آن در استراتوسفر زمین متمرکز شده است.

در سطح زمین O3 یک مولکول سمی برای انسان و موجودات محیط زیست می باشد و اگر این گاز استنشاق شود به ریه ها آسیب شدیدی وارد می کند. با این حال، این ماده در 31 مایل بالاتر از سطح زمین یک ماده ضروری و محافظ برای زندگی بر روی زمین است.

در سطح استراتوسفر، مولکولهای O3 با سایر مولکول ها یک لایه پوششی ایجاد می کنند که به عنوان لایه اوزون شناخته می شود. این لایه با جذب اشعه ماورا بنفش، به عنوان ضد آفتاب برای زندگی در کره زمین یک عامل اساسی است.

در دهه 1960 و 70، محققان کشف کردند که برخی مواد - به ویژه مواد شیمیایی صنعتی ساخته شده توسط انسان - مولکولهای ازون را نابود می کند. این مواد با از بین بردن یکی از اتمهای اکسیژن، مولکولهای ازون را تجزیه می کند. با گذشت زمان، این واکنش ها باعث می شود لایه اوزون پایداری خود را از دست بدهد.

اهمیت لایه اوزون چیست؟
ازون استراتوسفر ("ازون خوب") برای زندگی در کره زمین مفید است زیرا اشعه ماورا بنفش مضر خورشید را جذب می کند. در صورت عدم وجود لایه ازون، اشعه ماورا بنفش ساطع شده از سطح خورشید به بسیاری از موجودات زنده روی زمین برخورد می کرد و باعث سوختگی شدید، سرطان پوست، بیماری های چشمی مانند آب مروارید می شد و همچنین باعث آسیب به پلانکتون ها موجود در اقیانوس ها شده و در نتیجه باعث از بین رفتن تنوع زیستی و غیره می شود.

فرآیندهای ایجاد / تخریب ازون در استراتوسفر به طور معمول (به طور طبیعی) متعادل هستند بنابراین مقدار کل ازون موجود در جو باید کم و بیش ثابت بماند. در دهه 1970 کشف شد که گازهای حاوی اتم کلر، نیتروژن و برم که در اثر فعالیت های انسانی آزاد می شوند، می توانند باعث تخریب ازون استراتوسفر شود.

در این واکنش ها، اتم های فوق به عنوان کاتالیزور عمل می کنند، یعنی واکنش های تخریب ازون را بدون مصرف خودشان تسهیل می کنند. به عنوان مثال، یک اتم کلر آزاد در استراتوسفر می تواند در طول عمر خود حدود 100000 مولکول ازون را از بین ببرد.

علاوه بر گازهای ساطع شده توسط فعالیت های انسانی، عواملی مانند تغییر در تابش خورشید و تشکیل ذرات آئروسل استراتوسفر پس از فوران های انفجاری آتشفشان ها نیز بر لایه ازون تأثیر می گذارد.

اوزون تروپوسفری چیست؟
اوزون تروپوسفریک هنگامی تشکیل می شود که اکسیدهای نیتروژن (NO x)، مونوکسیدکربن (CO) و ترکیبات آلی فرار VOC))، در حضور تابش اشعه ماورا بنفش در جو از خود واکنش نشان دهند. ازون تروپوسفریک بیش از مقدار طبیعی ازون، به عنوان "اوزون بد" در نظر گرفته می شود.

سطح اوزون در بالای لایه مرزی (از 100-3000 متر) می تواند تأثیرات مضری بر سلامت انسان و حیوانات (به عنوان مثال مشکلات تنفسی) و پوشش گیاهی داشته باشد.

همچنین باید توجه داشت که ازون موجود در بالای تروپوسفر یک جاذب مهم اشعه مادون قرمز ساطع شده از سطح زمین می باشد که به عنوان گاز گلخانه ای عمل می کند. اوزون تروپوسفری همچنین منبع اصلی رادیکال آزاد OH، اکسیدان اصلی در جو است که مسئول از بین بردن بسیاری از ترکیبات (از جمله آلاینده های جوی) از هوای تروپوسفر است. بنابراین OH "ماده شوینده جو" نیز نامیده می شود.

علت سوراخ شدن لایه اوزون چیست؟
دانشمندان انتشار برخی از گازهای حاوی مواد تخریب کننده ازون را به عنوان منبع اصلی ایجاد سوراخ در لایه اوزن معرفی کرده اند. CFC ها، مخفف کلروفلوئورکربن ها، یکی از مخرب ترین گازها برای لایه اوزون هستند. CFC ها حاوی کلر هستند که به شکل گازی برای لایه ازون مضر است.

CFC ها در دهه های گذشته به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته اند و در اواخر دهه 1980 به اوج مصرف خود رسیدند. بسیاری از یخچال و فریزرها، تهویه مطبوع و اسپری های تولید کف با انتشار این گاز دلیل افزایش مقدار کلر موجود در جو هستند.

پس از رسیدن کلر به لایه اوزون، اشعه ماورا بنفش خورشید، کلر را به ماده واکنشی تبدیل می کند که مولکول های ازون را از بین می برد. ترکیبات دیگری مانند برم نیز در تخریب لایه ازون نقش زیادی دارند. اگر سطح این مواد در جو طی سالها به شدت کاهش یابد، سوراخ ازون در دهه های آینده کاملا بهبود می یابد.

چگونه اوزون ایجاد می شود؟
هنگامی که اشعه خورشید به مولکول های اکسیژن برخورد می کند آنها را به اتم های منفرد تقسیم می کند، سپس این اتمهای منفرد با مولکول های اکسیژن مجاور ترکیب شده و یک مولکول سه اکسیژن (ازون) را تشکیل می دهند.

چه کسی لایه اوزون را کشف کرده است؟
لایه اوزون توسط فیزیکدانان فرانسوی چارلز فابری و هنری بویسون در سال 1913 کشف شد. روز جهانی ازون 16 سپتامبر می باشد که هر سال برای گسترش آگاهی مردم در مورد تخریب لایه ازون برگزار می شود. امسال سی و پنجمین سال کنوانسیون وین می باشد. در این روز، مردم از سراسر جهان درباره لایه ازون سخنرانی ها و سمینارهایی برگزار می کنند. در سال 2020 شعار روز جهانی ازون Ozone For Life ( ازون برای زندگی) بود.

فواید لایه وازون این است که پرانرژی ترین طول موج های اشعه ماورا بنفش خورشید، معروف به UV-C و UV-B را جذب می کند، این طول موج ها آسیب های شدیدی به موجودات زنده وارد می کنند. مولکول های اکسیژن موجود در جو نیز مابقی اشعه های ماورا بنفش را جذب می کنند.

ازون و اکسیژن با کمک هم قادر هستند که 95 تا 99.9٪ از اشعه ماوراء بنفش که به سیاره ما وارد می شود را جذب کنند. وقتی پرتو ماورا بنفش توسط اکسیژن و ازون جذب می شود، گرما تولید می شود به همین دلیل استراتوسفر گرم می شود.

دانشمندان انگلیسی در خلیج هالی، قطب جنوب، هنگامی که در سال 1976 شروع به ضبط مقادیر کم ازون در لایه ازون کردند، فکر کمی ردند که ابزار آنها از کار افتاده است زیرا آنها از سال 1957 در جو قطب جنوب ازون را اندازه گیری می کردند و قبلاً هرگز ندیده بودند که سطح آن به این مقدار کاهش یابد.

آنها اولین کسانی بودند که یک سوراخ در لایه اوزون پیدا کردند که بعداً به عنوان بزرگ ترین سوراخ ازون شناخته شد. سوراخ ازون در واقع یک سوراخ نیست بلکه یک لایه نازک از ازون در استراتوسفر است که به صورت فصلی تغییر می کند. در بعضی مواقع از سال، "سوراخ" بزرگ تر و در بعضی مواقع کوچک ترمی شود.

لازم به ذکر است که فصول سال روی سوراخ لایه ازون در قطب جنوب تأثیر می گذارد. در طول زمستان، هوا در یک گرداب با دمای بسیار پایین می چرخد که باعث تشکیل ابرهای یخی می شود. واکنش های انجام شده روی سطح ابر یخی ذرات کلر را از ترکیبات شیمیایی مانند CFC آزاد می کند، به شکلی که با ازون واکنش نشان می دهد.

هنگامی که نور خورشید در بهار باز می گردد، کلر شروع به از بین بردن ازون می کند. تخریب ازون در قطب شمال زیاد نیست زیرا ابرهای یخی کمتری در آنجا تشکیل می شود. در سال 1985 بود که دانشمندان مطمئن شدند که این یک مشکل اساسی برای لایه ازون به وجود آمده است و علت آن هم انسان است.

سوراخ شدن لایه اوزون چه خطراتی برای زمین دارد؟
کاهش قطر لایه اوزون میزان UVB که به سطح زمین می رسد را افزایش می دهد. مطالعات آزمایشگاهی و اپیدمیولوژیک نشان می دهد که UVB باعث سرطان پوست غیر ملانوما می شود و نقش عمده ای در ایجاد ملانومای بدخیم دارد. علاوه بر این UVB با ایجاد آب مروارید (کدر شدن لنزهای چشم) ارتباط مستقیم دارد.

اثرات روی گیاهان:
تابش UVB بر روند فیزیولوژیکی و نمو گیاهان تأثیر مستقیم می گذارد. تغییر در فرم گیاه، نحوه توزیع مواد مغذی در گیاه، تغییر زمان مراحل رشد و متابولیسم ثانویه مهم ترین اثرات مخرب UVB هستند. این تغییرات می تواند پیامدهای مهمی برای تعادل رقابتی گیاه، گیاه خواری، بیماری های گیاهی و چرخه های بیوشیمیایی داشته باشد.

اثرات بر اکوسیستم های دریایی:
فیتوپلانکتون ها پایه و اساس شبکه های غذایی آبزیان را تشکیل می دهند. زندگی فیتوپلانکتون محدود به منطقه euphotic در اقیانوس است، لایه فوقانی ستون آب که نور خورشید به مقدار کافی به آن می رسد.

نشان داده شده است که قرار گرفتن در معرض تابش UVB خورشید بر جهت گیری و تحرک در فیتوپلانکتون تأثیر می گذارد و در نتیجه میزان بقای این موجودات کاهش می یابد. دانشمندان دلیل کاهش تولید فیتوپلانکتون را نازک شدن لایه ازون می دانند.

مشخص شده است که اشعه UVB به مراحل اولیه رشد ماهی، میگو، خرچنگ، دوزیستان و سایر حیوانات دریایی آسیب می رساند. شدیدترین اثرات، کاهش ظرفیت تولید مثل و اختلال در رشد لارو است.

تأثیر بر چرخه های بیوشیمیایی:
افزایش اشعه UVB می تواند چرخه های بیوشیمیایی زمینی و آبزی را تحت تأثیر قرار دهد، بنابراین منابع و غرقاب های گلخانه ای و گازهای مهم شیمیایی (مانند دی اکسید کربن، مونوکسید کربن، سولفید کربنیل، ازون و احتمالاً گازهای دیگر) را تغییر می دهد.

تأثیر بر مواد:
پلیمرهای مصنوعی، بیوپلیمرهای طبیعی و همچنین برخی دیگر از مواد مورد علاقه تجاری بکار رفته در سازه ها تحت تأثیر تابش UVB قرار می گیرند. مواد امروزی تا حدودی توسط مواد افزودنی مخصوص در برابر UVB محافظت می شوند. با این حال، افزایش سطح UVB تجزیه آنها را تسریع می کند و مدت زمان عمر مفید آنها را در فضای باز محدود می کند.

حل مسئله تخریب لایه اوزون:
پروتکل مونترال، یک توافق نامه بین المللی است که برای رسیدگی به مشکل جهانی تخریب ازون در سال 1986 توسط بیش از 70 کشور امضا شد. اهداف این توافق نامه کاهش تولید 20% CFC تا 1993 و 50٪ تا 1998 بود. از زمان امضای توافق نامه، این اهداف تقویت شده است.

البته دهه ها طول می کشد تا مواد شیمیایی تخریب کننده ازون کاهش یابند اما در ترمیم لایه اوزون پیشرفت زیادی داشته ایم و این اولین بار در تاریخ است که با همکاری جهانی به نتیجه مطلوب رسیده ایم.