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. اشعه‌ی 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 آلوده‌سازی ها اتمسفری 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 نیروهای جوّی است یا اینکه علت آن یک مکانیسم شیمیایی مربوطه به آلاینده‌های 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.
مولکول‌های 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.
ویژگی‌های جذب نور برای آن نیز کاملاً متفاوت است. ازون که تا حدودی در گستره طول موج کوتاهتر بوسیلهی O2 کمک می‌شود تمام نور فرابنفش خورشید را در گستره‌ی 220 تا nm 290 که ناحیه 200 تا nm 280 که به عنوان uv – c شناخته شده. هم‌پوشانی می‌کند، جذب می‌نماید. در هر حال ازون تنها می‌تواند کسری از نور فرابنفش خورشید را در گستره ی 290 تا nm 320 جذب کند، زیرا توانایی ازون برای جذب نوری با این چنین طول موجهایی کاملاً محدود است. مقدار باقیمانده، 10 تا 30 درصد (بسته به عرض جغرافیایی ) به سطح زمین نفوذ می‌کند. به این ترتیب ازون برای محافظت تروپوسفر از تابش فرابنفش نور خورشید مجسم شده است.
مقادیر مختلفی از uv در سطح زمین دریافت می‌کند، نشان می‌دهد که از افزایش شیوع سرطان پوست غیر ملانین‌دار نتیجه تماس با uv به صورت نمایی است. زیرا لگاریتم شیوع به طور خطی با شدت uv ارتباط دارد. شیوع شکل بدخیم سرطان پوست و موی روشن دارند و کک و مکی هستند و به آسانی آفتاب سوخته می‌شوند ارتباط دارد. پژوهش اخیر نشان می‌دهد ممکن است به افزایش موارد سرطان پوست منتهی شود زیرا استفاده از این حفاظها اجازه می‌دهد که مردم پوست خود را بدون آفتاب سوختگی برای مدتهای طولانی تری در معرض نور خورشید قرار دهند. پیش بینی می‌شود که به ازای هر 1 % کاهش در مقدار ازون شیوع سرطان پوست بدخیم 1 تا 12 % افزایش یابد پیش بینی می شود برای مردمی که در عرض جغرافیایی حدود N 450 (یعنی شمال ایالات متحده و جنوب کانادا ) زندگی می‌کنند، به علت 6/6 % کاهش در ازون در یک نوع سرطان پوست خوش‌خیم ( basacalt carcinoma ) و 22 % افزایش در نوع دیگر ( squamous cell )را به همراه سرطان پوست نسبت به آنچه که ارقام بالا نشان می‌دهند منتهی خواهد شد.
از آنجا که بین تاس بالا و متعاقب آن آشکار شدن سرطانهای پوست خوش‌خیم یک فاصله زمانی وجود دارد، بعید است که آثار ناشی از تخریب ازون تا این زمان قابل مشاهده باشند افزایش موارد سرطان پوست که در بسیاری از مکان‌های دنیا رخ داده است احتمالاً به علت مقدار زمان بیشتری است که مردم در خارج از منزل در زیر نور آفتاب در چند دهه گذشته به سر برده اند. برای مثال، شیوع سرطان پوست در بین ساکنان کوئینزلند استرایا که اکثرآ پوست روشنی دارند در نتیجه افزایش مقدار تماس مردم با نور آفتاب به علت تغییر در شیوه زندگی آنها سال‌ها پیش از اینکه تهی شدن ازون آغاز شود بالا رفت و به حدود 75 % جمعیت آن رسید. استرالیا از نظر آگاه کردن عموم مردم و گوشزد کردن ضرورت محافظت در برابر تماس با نور.
فرابفش در دنیا پیشگام بوده
هم چنین شواهدی در دست است که افزاش سطح uv – B به افزایش آب مروارید، به ویژه در بین افرادی که چندان مسن نیستند منتهی می شود. پیش‌بینی می‌شود که با 10 % افزایش در مقدار uv – B موارد مبتلا به آب مروارید را در بین افراد 50 ساله 6 % بالا می‌برد. افزایش تماس uv – B هم چنین به تضعیف سیستم ایمنی بدن انسان و در نتیجه آن افزایش شیوع بیماری‌های عفونی منتهی می‌شود.
حدس زده می‌شود که افزایش مقادیر uv – B در بازدهی نور سنتز مداخله می‌کند و درنتیجه عکس‌العمل گیاهان تولید مقدار کمتر برگ دانه و میوه است. تمام موجوداتی که تا عمق 5 متری آبهای زلال زندگی می‌کنند نیز در معرض این افزایش تماس با uv – B هستند و ممکن است در خطر باشند به ویژه نگرانی از این است که تولید گیاهان خیلی ریز ه نام فیتوپلانگتون در نزدیکی سطح آب دریا ممکن است. به میزان قابل توجهی از افزایش uv – B در خطر باشند به این ترتیب زنجیره‌ی غذایی دریایی که فیتوپلانگتون اساس آن است تحت تأثیر واقع می شود کاهش جمعیت قورباغه‌ها و سایر دو زیستان در سطح جهانی در سال های اخیر به افزایش سطح UV ربط داده شده است.
اصول نور شیمی
همان طور که آلبرت انیشتین نخستین بار به این موضوع پی برد، نور را نه تنها می‌توان به صورت یک پدیده موجی، در نظر گرفت بلکه هم چنین دارای خواص ذره ای است به لحاظ اینکه بوسیلهی ماده تنها در بسته های متناهی که اکنون فوتون نامیده می شود جذب (یا نشر)می شود.
تغییر آنتالپی در شرایط استاندارد است. با یک تقریب مناسب برای یک واکنش تفکیک برابر با انرژی لازم برای پیش بردن واکنش در شرایط فشار و دمای استراتوسفری است. از آنجا که تمام انرژی لازم باید بوسیله ی یک فوتون به ازای مولکول تأمین شود، طول موج نور مربوط به قرار زیر است :
پس هر مولکول O2 که فوتونی با طول موج nm 241 یا کوتاهتر را از نور جذب کند این انرژی برای تفکیک آن کافی است.
2O فوتون O2 + UV
چنانچه انرژی به صورت نور آغازگر یک واکنش باشد. آن را یک واکنش نور شیمیایی نامند. در واکنش بالا گفته می شود که مولکول اکسیژن به طور نور شیمیایی تفکیک یا تجزیه شده یا اینکه روی آن نور کافت انجام گرفته است.
مولکولهایی که نور را جذب می‌کنند، عموماً انرژی اضافی تأمین شده به وسیله‌ی فوتون را برای مدت طولانی در خود نگه نمی دارند. این مولکول‌ها باید انرژی مزبور را در فاصله کسر کوچکی از ثانیه برای انجام واکنش شیمیایی به کار برند در غیر این صورت به شکل انرژی گرمایی تلف شده در نتیجه برخورد مابین چندین مولکول همسایه تقسیم می‌شود ( به عبارت دیگر مولکول‌ها باید « این انرژی را به کار گیرند یا از دست بدهند ». با این ترتیب مولکول‌ها به طور عادی نمی توانند انرژی را از چندین فوتون در خود جمع کنند تا اینکه انرژی لازم برای انجام واکنش تأمین شود. انرژی لازم برای پیش بردن یک واکنش شیمیایی معمولاً باید به وسیله‌ی یک فوتون واحد تأمین شود بنابراین نور با طول موج nm 241 یا کمتر می‌تواند موجب تفکیک مولکول‌های O2 شود، اما نور با طول موج بلندتر به هیچ وجه انرژی کافی برای انجام این واکنش را ندارد. انرژی جذب شده بوسیله ی O2 از فوتونی با طول موج بلندتر از nm 241 به سرعت به افزایش انرژی جنبشی این مولکول و مولکول‌های اطراف آن تبدیل می‌شود.
تولید و تخریب غیر کاتالیزی ازون
در این جا تشکیل ازون در استراتوسفر و تخریب غیر کاتالیزی آن مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد.
به طوری که خواهیم دید، واکنش تشکیل، گرمای کافی برای تعیین دما در این مناطق از جو را تولید می‌کند. بالای استراتوسفر، هوا بسیار دقیق است و غلظت ملکول‌ها به اندازه‌ای کم است که بیشتر اکسیژن به صورت اتمی وجود دارد که از تفکیک مولکول‌های O2 بوسیلهی فوتونهای uv – C نور خورشید بوجود آمده‌اند برخورد نهایی اتم های اکسیژن به تشکیل مجدد مولکول‌های O2 منتهی می شود و این مولکول‌ها مجدداً بر اثر جذب نور خروشید تفکیک می‌شوند. در استراتوسفر شدت نور uv – C خیلی کمتر است زیرا قسمت عمده آن بوسیلهی اکسیژن موجود در بالای استرتوسفر جذب می‌شد و چون چگالتر است، غلظت اکسیژن مولکولی خیلی بیشتر است به این دلایل قسمت عمده اکسیژن استراتوسفر به جای اکسیژن اتمی به صورت O2 وجود دارد از انجا که غلظت ملکول‌های O2 نسبتاً زیاد است و غلظت اکسیژن اتمی خیلی کم است مهمترین سرنوشتی که برای اتمهای اکسیژن استراتوسفری ایجاد شده بوسیلهی تجزیه‌ی نور شیمیایی O2 وجود دارد این است که با مولکول‌های اکسیژن دو اتمی برخورد کنند و به این ترتیب ازون حاصل شود :
گرما + O3 O2 + O اتم اکسیژن
در واقع این واکنش منبع تمام ازون موجود در ازون است. به هنگام روزافزون بطور پیوسته بوسیله ی این فرآیند در حال تشکیل شدن است و سرعت تشکیل آن به مقدار نور uv و غلظت مولکول‌های اکسیژن رد یک ارتفاع معین بستگی دارد. در پایین استراتوسفر به سطح زمین به طور فزاینده‌ای افزیش می‌یابد اما در این سطح مقدار نسبتاً کمی از اکسیژن تفکیک می شود و از این رو مقدار کمی اوزون تشکیل می شود زیرا تقریباً تمام uv پرانرژی از نور خورشید پیش از رسیدن به این ارتفاع حذف شده است. به این دلیل لایه اوزون خیلی زیاد به پایینتر از استراتوسفر گسترش نمی یابد برعکس، در بالای استراتوسفر، شدت uv – C بیشتر است اما هوا رقیقتر است و بنابراین ازون نسبتاً کمی تولید می شود زیرا اتمهای اکسیژن به جای برخورد به تعداد کم مولکول‌های O2 دست نخورده با یکدیگر برخورد می‌کنند در نتیجه، چگالی ازون در جایی که حاصلضرب شدت uv – C و غلظت O2 حداکثر است. این حداکثر چگالی ازون در بالای مناطق حاره در حدود 25 کیلومتری در بالای عرضهای جغرافیایی میانی در 21 کیلومتری، در بالای مناطق زیر قطبی در 18 کیلومتری مشاهده می شود. بیشتر ازون در منطقه ای بین 15 و 35 کیلومتری، یعنی قسمت تحتانی و میانی استراتوسفر که همچنین به عنوان لایه ازون شناخته می شود، واقع شده است.
باید به این نکته توجه داشته باشیم که منطقه حداکثر چگالی ازون خیلی پایین تر از ارتفاع 35 کیلومتر است که در آنجا حداکثر غلظت ازون مشاهده می‌شود.در ارتفاعات بالاتر، هوا به اندازه‌ای رقیق است که حتی با وجود بیشتر بودن نسبت مولکول‌های ازون به مولکول‌های هوا تعداد مطلق مولکول‌های هوا خیلی بیشتر از مولکول‌های ازون است. بنابراین غلظت کمتری از ازون وجود دارد.
برای جذب انرژی گرمایی تولید شده در برخورد بین اکسیژن اتمی (O) و O2 که با تشکیل ازون منتهی می‌شود، مولکول سومی، که آن را با m نشان می‌دهیم مانند N2 مورد نیاز است. بنابراین واکنش بالا به طور واقع بصورت زیر نوشته می‌شود :
گرما + M + O3 M + O2 + O
آزاد شدن گرما به وسیله ی این واکنش سبب می‌شود که دمای استراتوسفر از دمای هوای بالا و پایین آن بیشتر باشد. در واقع استراتوسفر به عنوان منطقه ای در فضا تعریف شده که بین این دو مرز قرار گرفته است. در استراتوسفر، هوا در یک ارتفاع معین خنک‌تر از هوایی است که در بالای آن قرار دارد. نام عمومی این پدیده وارونگی دما است. از آنجا که هوای خنک چگالتر از هوای گرم است به علت نیروی گرانش، هوای خنک خود به خود صعود نمی‌کند در نتیجه اخطلاط هوا در جهت عمودی در استراتوسفر در مقایسه با اختلاط هوا در تروپوسفر فرآیندی بسیار کند است. بنابراین هوا در این منطقه طبقه طبقه شده است و نام استراتوسفر از این جا گرفته شده است.
نتایج نشان می‌دهد که فوتونهای نور در گستره‌ی مرئی و حتماً در قسمت هایی از گستره زیر نور خورشید انرژی کافی برای جدا کردن یک اتم اکسیژن از مولکول O3 را دارند. اما ازون با جذب نور خورشید اگرچه در این نواحی طول موج مقداری جذب بوسیلهی O3 وجود دارد، تفکیک نمی شود اما نور uv با طول موج های کوتاهتر از nm 320 که بوسیلهی ازون جذب می شود در انجام واکنش تفکیک موثر است. از این رو تنها جذب فوتونuv C یا uv B به وسیله‌ی مولکول ازون در استراتوسفر به تخریب آن مولکول منجر می‌شود :
آرایش الکترونی اتمهای اکسیژن تولید شده در واکنش ازون با نور uv با آرایش الکترونی اتم اکسیژن در پایین‌ترین انرژی آن تفاوت دارد. اتم ها یا مولکولهایی که به طور گذرا در چنین وضعی هستند که گفته می شود که در یک حالت برانگیخته بر سر می‌برند و نهاد آنها با یک ستاره به صورت بالاوند مشخص می‌شود. این قبیل اتم ها یا مولکول‌ها در مقایسه با آرایش الکترونها در پایین ترین انرژی که از آن بعنوان حالت پایه یاد می شود، یک مقدار انرژی اضافی دارند، در صورتی که اتم یا مولکول برانگیخته به سرعت به اتم یا ملکول دیگری وارد واکنش نشود، این انرژی اضافی معمولاً تلف می شود.
اکثر اتم های اکسیژن تولید شده در استراتوسفر به وسیله ی تجزیه‌ی نور شیمیایی ازون یا O2 متعاقباً با مولکول های دست نخورده O2 وارد واکنش شده ازون از نو تشکیل می‌شود تعدادی از اتم های اکسیژن نیز با مولکول‌های دست نخورده ازون ترکیب شده و این مولکول‌ها با تبدیل شدن به O2 تخریب می شوند :
O3 + O 2O2
این واکنش به طور ذاتی کند است، زیرا انرژی فعالسازی KJ / mol 18 برای این واکنش تا حدودی قابل توجه است و در نتیجه تعداد برخوردهای محدودی با انرژی کافی برای انجام این واکنش صورت می‌گیرد. خلاصه مطالب بالا به این صورت است که ازون در استراتوسفر در طول روز طی یک رشته واکنش‌هایی که بطور همزمان صورت می‌گیرند به طور پیوسته تشکیل و تجزیه می شوند و از نو بوجود می‌آید. ازون در استراتوسفر به این علت تولید می‌شود که در انجا به مقدار کافی uv – C از نور خورشید وجود دارد تا تعدادی از مولکول‌های O2 را به اتمهای اکسیژن تفکیک کند و اکثر این اتم ها بار دیگر مولکول‌های O2 برخورد می‌کنند و مولکول ازون به وجود می‌اید. گاز ازون uv – B و uv – C را از نور خورشید حذف می‌کند، اما در جریان این عمل یا در واکنش با اتم های اکسیژن به طور گذرا تخریب می شود. ازون در پایینتر از استراتوسفر تشکیل نمی شود زیرا در انجا uv – C را از نور خورشید حذف می‌کند، اما در جریان این عمل یا در واکنش با اتم های اکسیژن به طور گذرا تخریب می شود.
ازون در پایین تر از استراتوسفر تشکیل نمی شود زیرا در آن جا uv – C لازم برای تولید اتمهای O که برای تشکیل O3 مورد نیاز است وجود ندارد. Uv – Cقبلاً در استراتوسفر به وسیله ی O2 و O3 جذب شده است.
در بالای استراتوسفر برتری با اتم های اکسیژن است که با دیگر اتم های اکسیژن برخورد مولکول‌های O2 از نو تشکیل می شوند. حتی در لایه ازون استراتوسفر O3 گازی نسیت که بیشترین فراوانی را داشته باشد یا حتی یکگونه اکسیژن دار عمده به حساب نمی آید غلظت آن هرگز از ppm 10 تجاوز نمی‌کند. درواقع اگر قرار باشد تمام ازون استراتوسفر را در سطح زمین تحت فشار اتمسفر جمع آوری کنیم ضخامت این لایه فقط mm 3/0 خواهد بود از این رو واژه (لایه ازون)نامناسب است. در هر حال این غلظت کم ازون کافی است تا تمام uv – C باقیمانده و قسمت عمده uv – B باقسمانده را از نور خورشید پیش از رسیدن آن به جو تحتانی حذف کند احتمالاً واژه (حفاظ ازون) مناسبتر از لایه ازون باشد.
فرایندهای کاتالیزی تخریب ازون
در اوایل دهه ی 1960 دانشمندان به این موضوع پی بردند که افزون بر فرآیندهای پیش گفته، مکانیسم‌های دیگری برای تخریب ازون در استراتوسفر موجود است. بویژه، تعدادی گونه‌های اتمی و مولکولی که آنها به طور کلی به حذف X مشخص می‌کنیم وجود دارند که به وسیله حذف یک اتم اکسیژن از مولکول ازون با آن وارد واکنش می شوند :
X + O3 XO + O2
نتیجه نهایی این واکنش بصورت زیر است :
واکنش کلی : 2O3 O3 + O
از این رو گونه های X برای تخریب ازون در استراتوسفر نقش کاتالیزگر را دارند. زیرا این گونه‌ها سرعت واکنش را افزایش می‌دهند و دست آخر از نو به وجود می‌آیند می‌توانند چرخه‌ای واکنش را مجدداً شروع کنند که در این مورد به تخریب بیشتر مولکول‌های ازون می‌انجامد. همان طور که پیشتر اشاره شده واکنش کلی می‌تواند به صورت یک برخورد ساده بین مولکول ازون اتم اکسیژن حتی در غیاب کاتالیزگر انجام شود، اما تقریباً تمام این قبیل برخوردهای مستقیم بی‌تأثیرند و به واکنش شیمیایی منتهی نمی شود کاتالیزگرهای X به میزان قابل توجهی بازده این واکنش را بالا می‌برند.
تمام نگرانی های زیست محیطی درباره ی که کلر دارند، در سطح زمین غلطت ازون در استراتوسفر سفر می‌انجامد.
عاملی که تخریب کاتالیز شده‌ی ازون را در فاز گازی به حداقل می رساند این است که اکسیژن اتمی برای تکمیل چرخه با XO ترکیب شود تا اینکه کاتالیزگر X به شکل مفید آن از نو تولید گردد.
XO + O X + O2
در استراتوسفر تحتانی که بیشتر ازون در آنجا یافت می‌شود. غلظت اتم های اکسیژن بسیار کم است. زیرا مقدار کمی از uv - C به این منطقه نفوذ می‌کند و دیگر اینکه غلظت O2 به اندازه‌ای زیاد است که تعداد کمی از اتم های اکسیژن به اندازه کافی دوام می‌آورند. و به اوزون تبدیل نمی شود بنابراین تخریب ازون در فاز گازی به وسیله‌ی واکنش هایی که مستلزم شرکت اکسیژن اتمی است در استراتوسفر تحتانی کند است. بیشتر تخریب ازون به وسیله‌ی این واکنش‌ها در استراتوسفر میانی و فوقانی در جایی که غلظت ازون در ابتدا کمتر است صورت می‌گیرند. درواقع هر مقدار کاهش در غلظت ازون در ارتفاعات بالاتر اجازه می‌دهد که uv بیشتری به ارتفاعات پایینتر نفوذ کند و در نتیجه در انجا ازون بیشتری تولید می شود و بدین ترتیب اتلاف کلی ازون تا حدودی جبران می‌شود.
تمام کاتالیزگرهای x از نظر شیمیایی رادیکال آزاد هستند. این رادیکالها اتم ها یا مولکولهایی هستند که تعداد الکترونهای آنها فرد است. به علت فرد بودن تعداد الکترونها، الکترون فرد با الکترون دیگری که اسپین مخالف داشته باشد جفت نمی‌شود. رادیکالهای آزاد معمولاً بسیار واکنش پذیرند زیرا نیروی محرکی برای الکترون جفت شدن با یک اسپین مخالف حتی اگر این اسپین مخالف در مولکول متفاوتی قرار گرفته باشد، وجود دارد.
برای مشخص کردن اینکه یک گونه مولکولی به صورت رادیکال ازاد است، از این پس یک نقطه بصورت بالاوند در انتهای فرمول مولکولی آن قرار می‌دهیم که وجود الکترون جفت نشده را نشان بدهد. برای مثال، برای نشان دادن رادیکال آزاد هیدروکسیل از علامت گذاری OH استفاده می‌کنیم.
تخریب کاتالیزی ازون حتی در یک جو پاکیزه نیز صورت می‌گیرد. زیرا مقادیر کم کاتالیزگرهای X همیشه در استراتوسفر موجود بوده اند. شکل طبیعی X یعنی گونه ای که علت تخریب بخش بیشتری از ازون در یک استراتوسفر پاکیزه و غیر آلوده است، مولکول نیتریک اسید NO است. این مولکول وقتی تولید می شود که نیتریک اکسید N2O از تروپوسفر به استراتوسفر می‌رود و در آنجا ممکن است با یک اتم اکسیژن برانگیخته که بوسیلهی تجزیه ی نور شیمیایی ازون تولید شده برخورد کند. بیشتر این برخوردها O2 + N2 می‌دهند، اما تعداد کمی از برخوردها به واکنش زیر منتهی می‌شوند :
نیتریک اسید NO 2 O + N2O نیترو اسید
ساختار لوویس برای رادیکالهای آزاد ساده
در اکثر رادیکالهای آزاد که در شیمی جو حائز اهمیت اند، الکترون جفت نشده آنها روی یک اتم کربن، اکسیژن، هیدروژن یا هالوژن واقع شده است. در فرمولی که موقعیت پیوندها را نشان می‌دهد مکان الکترون جفت نشده را می‌توان با قرار دادن یک نقطه در بالای نهاد اتم مربوط مشخص کرد مثلا در F .چنین اتمی مشخصاً یک پیو ند کمتر از تعداد پیوند های معمول خود تشکیل می دهد در واقع اتم کربنی که یک الکترو ن جفت نشده روی آن قرار گرفته است به جای چهار پیوند سه پیوند و اتم اکسیژن بصورت رادیکال باشد هیچ پیوندی تشکیل می د هد به صورکلی الکترون جفت نشده برعکس الکترون پیوندی که بین دو اتم مشترک است بصورت یک الکترون نا پیوندی مستقر روی یک اتم وجود دارد .
برای بسیاری از رادیکالها ی آزاد چند اتمی ا نتخاب اتمی که برای نتیجه گیری ساختار لوویس باید الکترون جفت نشده را به آن اختصاص می دهیم از روی اتصالهای اتم به اتم روشن است .
مثلاً در رادیکال هیدروپروکسی HOO اتم هیدوژن نمی‌توانند مکان رادیکال باشد زیرا این اتم باید یک پیوند با اتم مجاور خود اکسیژن تشکیل دهد، و اتم مرکزی اکسیژن هم مکان رادیکال نیست زیرا این اتم دو پیوند یکی با هیدروژن و دیگری با اتم اکسیژن مجاور خود تشکیل می‌دهد. بنابراین تنها اتم اکسیژن انتهایی به عنوان مکان رادیکال باقی می‌ماند و می‌توان پیوندها را به صورت H – O – O نشان داد. چنانچه مایل باشیم می‌توانیم جفت الکترونهای تنها را نیز نشان دهیم :
O ـــــــــــ O ــــــــــــ H
روش کار در مورد مولکولهایی که پیوندهای چندگانه دارند پیچیده‌تر است. مثلاً در HOCO در آغاز این نکته روشن نیست که آیا الکترون جفت نشده روی کربن یا روی اتم اکسیژن انتهایی است.
پس از در نظر گرفتن طرحهای مختلف تشکیل پیوند این نکته بر ما روشن می‌شود که الکترون جفت نشده نمی تواند روی یک اتم اکسیژن قرار بگیرد زیرا در آن صورت اتم کربن برای دستیابی به والانس چهار باید با اتم اکسیژن دیگر سه پیوند تشکیل دهد از این رو تنها ساختار معقول به صورت H – O – C2O است.
سرعت واکنشهای رادیکالی
یک ویژگی واکنشهای فاز گازی شامل رادیکالهای آزاد ساده به عنوان واکنش‌دهنده این است که انرژی فعالسازی آنها نسبت به انرژی گرماگیری آنها تنها به مقدار کوچکی بیشتر است. بنابراین می‌توان فرض کرد که مقدار انرژی فعالسازی تمام واکنشهای گرماده رادیکالی کوچک باشد و در نتیجه چنین واکنشهای ثابت های سرعت، نسبتاً بزرگی دارند. بنابراین واکنشهای گرماده رادیکالی معمولاً سریع هستند. مثالی از یک واکنش گرماده رادیکالی باشد انرژی کوچک نمونه زیر است :
CL + O3 CLO + O2
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 42 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله شیمی و محیط زیست
