لایه اوزون چیست و از اثرات حفاظتی آن چه می دانید؟

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 ۳۱ 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 ۱۹۶۰ و ۷۰ ، 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. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا ما را همراهی کنید.

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 ۱۹۷۰ 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 ۱۰۰۰۰۰ 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 ۱۰۰-۳۰۰۰ 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 ۱۹۸۰ 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.

عکس سوراخ شدن لایه اوزون

چه کسی لایه اوزون را کشف کرده است؟

لایه اوزون توسط فیزیکدانان فرانسوی چارلز فابری و هنری بویسون در سال ۱۹۱۳ کشف شد. روز جهانی ازون ۱۶ 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 ۲۰۲۰ 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  ۹۵ تا ۹۹.۹٪ 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 ۱۹۷۶ شروع به ضبط مقادیر کم ازون در لایه ازون  کردند ، فکر کمی ردند که ابزار آنها از کار افتاده است زیرا آنها از سال ۱۹۵۷ 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 بزرگترین 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” بزرگتر و در بعضی مواقع کوچکترمی 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 ۱۹۸۵ بود كه دانشمندان مطمئن شدند كه این یك مشكل 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 مهمترین 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.

تاثیر 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.

تاثیر 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 ۱۹۸۶ توسط بیش از ۷۰ کشور امضا شد. اهداف این توافق نامه کاهش تولید ۲۰%  CFC  تا ۱۹۹۳ و ۵۰٪ تا ۱۹۹۸ 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.

ترمیم لایه اوزون

لایه اوزون به عنوان سپری در برابر اشعه مضر UV خورشید عمل می کند. اشعه ماوراء بنفش توانایی نفوذ به پوست انسان و ایجاد اثرات نامطلوب برای سلامتی را دارد. دو نوع اصلی نور UV وجود دارد: UVB و UVA. نور UVB با ایجاد آفتاب سوختگی و گاهی اوقات سرطان های پوست مانند کارسینوم سلول بازال و کارسینوم سلول سنگفرشی به پوست شما آسیب می رساند.

بیشتر فکر می کنند که نور UVA بی ضرر است، زیرا در تخت های برنزه استفاده می شود و باعث سوختگی نمی شود. با این حال، تحقیقات اخیر نشان می دهد که نور UVA مضرتر از نور UVB است، زیرا به عمق زیر پوست نفوذ می کند و می تواند باعث ملانوم شود.

لایه اوزون حدود ۹۸ درصد نور UV را جذب می کند. بدون آن، انسان از سوختگی شدید و سرطان رنج می برد تا جایی که زمین دیگر قابل سکونت نخواهد بود. جالب اینجاست که یکی از دلایلی که ما برای کشف بیشتر حیات در مریخ مردد هستیم این است که این سیاره لایه اوزون ندارد و بنابراین محافظت مداوم از پوست برای انسان های مریخ ضروری است.

از دهه ۱۹۷۰، زمانی که دانشمندان برای اولین بار متوجه نرخ هشدار دهنده تخریب لایه اوزون شدند، گام های بزرگی در جهت بازیابی آن برداشته شده است. در سال ۱۹۸۷، پروتکل مونترال، یک توافقنامه جهانی با هدف حفاظت از لایه اوزون استراتوسفر، نهایی شد. این توافق، تولید و استفاده از مواد شیمیایی مخرب لایه لایه ازن را با تمرکز ویژه بر کلروفلوئوروکربن ها (CFC) متوقف کرد. در نتیجه این تلاش‌ های بین‌المللی، ۹۹ درصد از مواد مخرب لایه ازن با موفقیت از بین رفته است.

پروتکل مونترال با کاهش انتشار موادی که به لایه ازن آسیب می رساند، نقش مهمی در رفع آسیب به لایه اوزون ایفا کرد. یکی از قابل توجه ترین نتایج این تلاش ها کاهش تدریجی اندازه سوراخ ازن، به ویژه بالای قطب جنوب بوده است.