شیمی و محیط زیست

مقدمه
تحقيق حاضر با موضوع لايه‌ي اوزون در بردارنده‌ي : توضيحاتي چند در مورد اين لايه و آلاينده‌هايي كه باعث آن مي‌شوند و هم‌چنين مضراتي كه براي جانداران ساكن زمين دارند مي‌دهد.

خلاصه‌ي تحقيق بدين شرح است : در ارتفاعي بين ۱۵ تا ۵۰ كيلومتري ( يعني استراتوسفر ) لايه‌اي از گاز ازون قرار دارد كه نه در دسترس و نه قابل مشاهده است. با اين حال، زندگي كاملاً به وجود آن بستگي دارد. لايه‌ي ازون مانند سپري بين ما و اشعه‌ي خطرناك فرابفش خورشيد قرار گرفته است. اين اشعه، پوست را به شدت مي‌سوزاند و در صورت تابش مداوم و شديد، سرطان پوست ايجاد مي‌كند. اشعه‌ي فرابفش، براي گياهان و جانوران هم مضر است و بر سلامت آنها تأثير مي‌گذارد.

در سال ۱۹۸۶ ، دانشمندان به قسمت‌هايي از استراتوسفر برخورد مي‌كند كه در آن‌جا اصلاً وجود نداشت. يكي از اين مناطق، بالاي قطب جنوب بود. منطقه كوچكتري هم در بالاي قطب شمال يافت شد. از آن سال به بعد، اين سوراخ‌ها در فصل‌هاي معيني ظاهر مي شوند و در طول فصل‌هاي بعد از ميان مي‌روند. البته، نگراني اصلي از اين است كه علاوه بر سوراخ‌هاي گفته شده، مجموعه لايه اوزون اطراف زمين در حال كم شدن است. ما به درستي از علت ناپديد شدن ازون اتمسفري آگاه نيستيم، اما دانشمندان فرض مي‌كنند كه آلوده‌سازي ها اتمسفري از جمله دلايل اين پديده‌اند.

كلروفلوئوروكربن‌ها ( cfc ) گاز است كه از آن در يخچال‌ها و بعضي از اسپري‌ها و غيره استفاده مي شود. اين گازها، در ضمن شاخته شدن اين وسايل و استفاده از آن‌ها وارد اتمسفر مي شود. مولكول‌هاي cfc، در هنگام برخورد با مولكول‌هاي ازون، آنها را مي‌شكند. محصول اين گاز هم پديد آمدن اكسيژن است. يك اتم كلر مي‌تواند با ۱۰ هزار مولكول ازون را نابود كند طي چهار مرحله : ۱- اشعه ي فرابفش مولكول را مي شكند. ۲- اتم كلر مولكول ازون را مي‌شكند. ۳- اتم اكسيژن آزاد، پيوند اكسيژن – كلر را مي‌شكند. ۴- مولكول اكسيژن تشكيل و كلر آزاد مي‌شود.

 

شيمي استراتوسفر : لايه ازون
لايه ازون ناحيه اي از فضاست كه به عنوان « محافظ طبيعي زمين در برابر نور خورشيد » قلمداد مي شود زيرا اين لايه پرتو فرابنفش مضر را از نور خورشيد پيش از اينكه اين پرتو ملاحظه‌اي در مقدار لايه ازون، O3 ، تهديدي براي حيات خواهد بود. از اين رو ظاهر شدن «حفره اي » بزرگ دو لايه ازون در قطب جنوب يك بحران زيست محيطي عمده، به شمار مي‌رود.

مقدار كل ازون فضا در بالاي سرما در هر مكاني بر حسب واحدهاي دوبسون بيان مي‌شود. يك واحد دوبسون معادل با ضخامت mm 01/0 ازون خالص، با توجه به چگالي آن در فشار سطح از زمين ( atm 1 ) اختيار شود. مقدار عادي اوزون در بالاي سر ما در عرضهاي جغرافيايي معتدله در حدود Du 350 است. به علت بادهاي استراتوسفري، اوزون از مناطق گرمسيري به سمت مناطق قطبي منتقل مي شود. بنابراين هر اندازه كه به خط استوا نزديكتر باشيد، مقدار كل اوزوني كه شما را دو برابر پوتو فرابنفش محافظت مي‌كند، كمتر است. غلظتهاي اوزون در مناطق گرمسيري معمولاً ميانگين Du 250 را نشان مي‌دهد، در حالي كه اين غلظتها در مناطق زير قطبي در حدود Du 450 است، البته جز هنگامي كه حفره‌ها در لايه ازون در بالاي چنين مناطقي ظاهر مي شوند.

هم‌چنين مقداري تغيير طبيعي در غلظت ازون با تغيير فصل وجود دارد.
حفره ازون در قطب جنوب توسط دكتر جوسي فارمن و همكارانش در گروه بريتانيايي بررسي قطب جنوب كشف شد. اين افراد سطح ازون را در بالاي اين منطقه از سال ۱۹۵۷ ثبت كرده بودند. داده‌هاي آنها نشان مي‌داد كه مقدار كل ازون در هر اكتبر به تدريج در حال سقوط بود، و كاهش تند در اواسط سال‌هاي ۱۹۷۵ شروع شد تا اواسط دهه‌ي ۱۹۸۰ اتلاف بهاره ازون در بعضي ارتفاعات در بالاي قطب جنوب كامل بود و اتلاف كلي به بيش از ۵۰ % كل مقدار بالاي سر مي‌رسيد. بنابراين صحبت از به وجود آمدن يك « حفره » در لايه كه اكنون با فرا رسيدن هر بهار در بالاي قطب جنوب ظاهر مي شود و به مدت چند ماه ادامه دارد، بي مناسبت نيست. در سال ۱۹۹۳ ، از غلظت ازون كه به كمترين مقدار ثبت شده آن « A.Du » در اوايل اكتبر رسيد.

براي چندين سال پس از كشف آن اين موضوع روشن نبود كه آيا اين حفره به علت پديده هاي «‌طبيعي » شامل نيروهاي جوّي است يا اينكه علت آن يك مكانيسم شيميايي مربوطه به آلاينده‌هاي هوا است. در مورد اخير ماده شيميايي مشكوك كلر بود. اين ماده به طور عمده از گازهايي كه به مقدار زياد در نتيجه كاربرد آنها براي مثال در قوطي‌هاي افشانه‌اي و در دستگاه‌هاي تهويه، در فضا رها مي‌شوند، سرچشمه مي‌گيرد.

دانشمندان پيش‌بيني كرده بودند كه كلر، باعث تخريب ازون مي‌شود، اما تنها در حدود چند درصد آن هم پس از گذشت چندين دهه كشف حفره ازون در قطب جنوب همه را به تعجب واداشت.

براي پي بردن به علت تشكيل حفره در هر بهار يك هيئت اضطراري از پژوهشگران آمريكايي به سرپرستي دكتر سوزان سولومون از اداره ملي مطالعات اقيانوس شناسي و هواشناسي در اواخر زمستان در اوت ۱۹۸۶ به قطب اعزام شد. سولومون و همكارانش با استفاده از نور ماه به عنوان منبع نور توانستند از روي طول موجهاي معيني كه به وسيله‌ي گازهاي موجود در فضا جذب شده بودند شناسايي كنند كه مولكول هاي معيني در فضا در فاصله‌ي خيلي دور در بالاي سر آنها وجود دارند. در نتيجه آن پژوهش و بررسي‌هاي بعدي، معلوم شد كه حفره مذكور در واقع به علت آلودگي كل به وجود مي‌ايد. افزون بر اين، پيش‌بيني شده است كه اين حفره هر بهار براي چند دهه بعد نيز ظاهر خواهد شد، و ديگر اينكه حفره مشابهي ممكن است روزي در بالاي منطقه شمال ظاهر شود.

درنتيجه اين كشفيات، دولتها در سراسر دنيا براي قانون گذاري جهت قطع تدريجي توليد آن دسته از مواد شيميايي كه علت اين آلودگي هستند سريعاً اقدام كردند تا اينكه وضع با پيشرفت حتي جدّي‌تر تهي شدن در بالاي نواحي پرجمعيت از آنچه كه هم اكنون است، بدتر نشود، زيرا متناظر با افزايش ميزان تهي شدن ازون، تهديدي است كه براي سلامت انسانها و ساير موجودات زنده وجود دارد.

در چند سال گذشته به طوري كه معلوم شده ازون نه تنها در قطب جنوب بلكه در سراسر دنيا در حال تهي شدن است. نقصان ازون در اين عرضهاي جغرافياي مياني كه در اوايل دهه ۱۹۷۰ شروع شد اكنون به حدود ۵ % به ازاي هر دهه رسيده است. بيشترين نقصان در فصل زمستان، بهار رخ مي‌دهد و از ۱۹۷۰ تا ۱۹۹۳ به ۱۴ % مي‌رسد. مقداري نقصان نيز در تابستان زماني كه تماس اكثر مردم با نور خورشيد به حداكثر مي‌رسد وجود دارد. براي مثال، سطح ازون در بالاي تورنتو در ماه ژوئيه ۱۹۹۳ ، ۱۲ % پايين تر از مقادير بيش از ۱۹۸۰ بوده است. نقصان جهاني ازون به صورت يك نگراني زيست محيطي عمده درآمده است. زيرا در نتيجه آن محافظت حيات در سطح زمين در برابر جزء فرابنفش نور خورشيد كه مضر است كمتر مي‌شود. در اين جا آن دسته از فرآيندهاي شيميايي را كه در توليد لايه ازون دخالت دارند و هم‌چنين فرايندهايي را كه به پديده تهي شدن ازون مي‌انجامد بررسي مي‌كنيم.

 

مناطق مختلف فضا
اجزاي اصلي ( صرف نظر از مقدار متغير بخار اب كه معمولاً وجود دارد ) يك هواي پاكيزه در جوّ زمين عبارت‌اند از مولكول هاي دو اتمي نيتروژن ( N2 جدود ۷۸ % مولكول‌ها ) مولكول‌هاي دو اتمي اكسيژن ( O2 حدود ۲۱ % ) ، آرگون ( Ar ، حدود ۱ % ) و كربن دي اكسيد ( Co2 ، حدود ۰۳/۰ % ) كه در نتيجه احتراق مواد سوختي كه به طور طبيعي در سطح زمين به آن مواجه هستيم، واكنش ناپذير است. فقدان واكنش‌پذيري آشكار در جو گول‌زننده است. درواقع، بسياري از فرايندهاي شيميايي كه از نظر زيست محيطي جائز اهميت‌اند در هوا اتفاق مي‌افتد، اعم از اينكه پاكيزه يا آلوده باشند.

اين منطقه از آسمان از سطح زمين تا ارتفاع حدود ۱۵ كيلومتري ادامه دارد. در اين قسمت فرايندهاي استراتوسفر را در نظر مي‌گيريم. اين منطقه درست بالاي تروپوسفر قرار دارد و از ارتفاع ۱۵ تا ۵۰ كيلومتري را در بر مي‌گيرد. واكنش‌هايي را كه در اينجا در نظر مي‌گيريم براي ادامه‌ي سلامت لايه ازون، كه در نيمه پاييني استراتوسفر يافت مي شود، اهميت اساسي دارد. استراتوسفر به عنوان منطقه‌اي بين دو ارتفاع تعريف مي‌شود و اين دو ارتفاع روند تغييرات دما معكوس مي‌شود، و قسمت بالايي استراتوسفر ارتفاعي است كه در آنجا افزايش دما با ارتفاع متوقف شده و كاهش دما شروع مي‌شود.

 

واحدهاي غلظت براي گازها در محيط زيست
واحدهاي غلظت كه براي گازهاي موجود در هوا در علوم محيط زيست به كار برده مي شود با واحد مول بر ليتر (مولاريته) كه براي شيميدان‌ها آشناست، متفاوت است. آشناتر از همه بيان غلظت در واحد قسمت است. مثلاً غلظتي براي ۱۰۰ مولكول گاز كربن دي و اكسيد كه در يك ميليون از مولكول‌هاي هوا پخش شده است به صورت « ۱۰۰ قسمت در ميليون قسمت » يعني « pmm 100 » بيان مي‌شود. به همين نحو « ppb » و « ppt » به ترتيب براي قسمت در بيليون قسمت ۹( ۱۰ ) و قسمت در تريليون و قسمت ۱۲(۱۰) به كار برده مي شود. در مواردي هم از واحد ppbm قسمت در يكصد ميليون قسمت ۸(۱۰ ) استفاده مي شود.

شايان ذكر است كه براي گازها اين واحدها بيان كننده تعداد مولكول‌هاي يك آلاينده ( به زبان شيميدان، جسم حل شدني ) موجود در يك ميليون يا يك بيليون، يا يك تريليون از مولكول‌هاي هواست. از آن‌جا كه طبق قانون گاز كامل، حجم يك گاز متناسب با تعداد مولكول‌هاي آن است، مقياس « قسمت » در هم چنين نماينده‌ي حجم يك گاز آلاينده در مقايسه با حجم ذكر شده‌ي هوا ست. چنانچه حجم هاي آلاينده و هوا را در فشار يكسان در نظر بگيريم. از اين رو براي تأكيد اين نكته كه مقياس غلظت به جاي جرم بر اساس مولكول ها يا حجم‌هاست اغلب از حرف v (براي حجم ) به عنوان بخشي از واحد، براي مثال ppmv 100 يا ppmv 100 استفده مي شوند. تغيير غلظت ازون در مقياس ppm و در ارتفاعات مختلف در تروپوسفر و استراتوسفر در شكل‌ها نشان داده شده است.

شيمي لايه ازون
جذب نور بوسيله‌ي مولكول‌ها
شيمي تهي شدن ازون و در واقع شيمي‌اي ديگري فرآيندها در اسستراتوسفر بوسيله‌ي انرژي نور خورشيد پيش برده مي‌شود به اين دليل، تجزيه و تحليل خود را با برسي رابطه بين جذب نور بوسيله‌ي مولكول‌ها و برانگيختگي آنها كه موجب واكنش پذيري مولكول‌ها مي‌شود، شروع مي‌كنيم. يك شيء سياه رنگ نور را در تمام طول موجهاي طيف مرئي، يعني از nm 400 (نورفرابفش)تا حدود mn 750 (نور قرمز) جذب مي‌كند. (طول موج نور غالباً در واحد نانومتر(nm) بيان مي

شود و يك نانومتر ۱۰۹ است). تمايل طبيعي اجسام براي جذب نوري با طول موج معين به علت تفاوت ترازهاي انرژي الكترونهاي آنها، فوق‌العاده با هم فرق داردو مولكول دو اتمي اكسيژن، O2 ، نور مرئي را به ميزان قابل توجهي جذب نمي كند، اما انواع معيني از نور فرابنفش (UV) كه شامل تابش الكترومغناطيسي با طول موجهاي بين حدود ۵۰ و nm 400 را جذب مي‌كند. توجه كنيد كه ناحيه فرابفش از لبه بنفش ناحيه ي مرئي شروع مي‌شود و از اين رو نام فرابفش به آن داده شده است. بعد از ناحيه فرابنفش، يعني ناحيه اي با طول موجهاي باز هم كوتاهتر پرتو ايكس قرار دارد.

 

اثرهاي زيست شناختي تهي شدن ازون
كاهش غلظت ازون استراتوسفر سبب مي شود كه نور uv – B بيشتري به سطح زمين نفود كند. پيش‌بيني مي شود كه ۱ % كاهش در ازون بالاسري به ۲ % افزايش در شدت uv – B در سطح زمين بي انجامد. اين افزايش در ميزان uv – B اثرهاي زيان آوري به موجودات زنده از جمله انسان وارد مي سازد. تماس با uv – B موجب آفتاب سوختگي و قهوه اي شدن پوست مي‌شود و تماس زياد مي تواند به سرطان پوست منجر شود. افزايش مقادير uv – B هم چنين ممكن است

اثر زيانباري روي سيستم ايمني بدن انسان بدن انسان و رشد پاره اي از گياهان و حيوانات داشته باشد اكثر اثرهاي زيستي از آنجا ناشي مي شود كه uv – B مي‌تواند به وسيله‌ي مولكول‌هاي DNA جذب شود كه بعد به واكنشهاي زيان آوري منتهي مي‌شود. از روي مقايسه تغيير در طول موج نور uv – B با شدت متفاوت كه به سطح زمين مي رسد با خصوصيات جذبي DNA مي‌توان نتيجه‌گيري كرد كه اثرهاي زيان بار اصلي جذب نور خورشيد در حدود mm 300 رخ مي‌دهد.

در واقع، در بين مردمي كه پوست روشني دارند، پوست آنها حداكثر جذب uv از نور خورشيد را در حدود nm 300 نشان مي‌دهد.
تقريباً تمام سرطانهاي پوست به علت تماس زياد با uv – B در نور خورشيد است. جذبي DNA و شدت نور خورشيد در سطح زمين در مقابل طول موج ميزان جذب انرژي نور به وسيله‌ي DNA بازتابي از حساسيت زيست شناختي آن به يك طول موج معين است.

بنابراين هر كاهش در ازون انتظار مي‌رود كه نهايتاً به افزايش شيوع سرطان پوست منتهي شود. خوشبختانه بيشتر سرطان پوست از نوع غده ملانين‌دار بدخيم كه غالباً كشنده است نبوده بلكه از نوعي است كه به كندي پخش مي‌شود و كابل درمان است.
مولكول‌هاي O2 جذب مي‌شود به طور چشم‌گيري با طول موج متغير مي‌كند و حداكثر جذب در حدود nm 140 صورت مي‌گيرد. اين نوع جذب گزينشي براي تمام اتم ها و مولكول‌ها ديده مي شود، هرچند كه نواحي خاص جذب قوي و جذب صفر سربسته به ساختار گونه مورد نظر و ترازهاي انرژي لكترونهاي آن تغييرات گسترده اي را نشان مي‌دهند.

گاز O2 كه بالاي استراتوسفر قرار دارد قسمت عمده نور uv را، از ۱۲۰ تا nm 220 از نور خورشيد حذف مي‌كند بقيه آن بوسيله‌ي O2 در استراتوسفر جذب مي شود. نور فرابنفش كه طول موجي كوتاهتر از nm 120 دارد بوسيله‌ي O2 و ساير سازنده هاي هوا مانند N2 در استراتوسفر و بالاي آن جذب مي‌شود. از اين رو هيچ نور uv كه طول موجي كوتاهتر از nm220 داشته باشد به سطح زمين نمي رسد، و بدين ترتيب پوست و چشم‌هاي ما از آسيب بوسيله‌ي اين بخش از نور خورشيد در امان است. O2 هم‌چنين مقداري از نور uv را در گستره ۲۲۰ تا nm 240 جذب مي‌كند. نور فرابنفش در گستره ۲۲۰ تا ۳۲۰ از نور خروشيد عمدتاً بوسيله ي مولكول‌هاي ازون O3 كه در مناطق مياني و تحتاني استراتوسفر پخش شده اند، جذب مي‌شود. از آنجا كه ساختار مولكولي در نتيجه مجموعه ترازهاي انرژي مولكول ازون متفاوت از مولكول دو اتمي اكسيژن است.

ويژگي‌هاي جذب نور براي آن نيز كاملاً متفاوت است. ازون كه تا حدودي در گستره طول موج كوتاهتر بوسيله‌‌ي O2 كمك مي‌شود تمام نور فرابنفش خورشيد را در گستره‌ي ۲۲۰ تا nm 290 كه ناحيه ۲۰۰ تا nm 280 كه به عنوان uv – c شناخته شده. هم‌پوشاني مي‌كند، جذب مي‌نمايد. در هر حال ازون تنها مي‌تواند كسري از نور فرابنفش خورشيد را در گستره ي ۲۹۰ تا nm 320 جذب كند، زيرا توانايي ازون براي جذب نوري با اين چنين طول موجهايي كاملاً محدود است. مقدار باقيمانده، ۱۰ تا ۳۰ درصد (بسته به عرض جغرافيايي ) به سطح زمين نفوذ مي‌كند. به اين ترتيب ازون براي محافظت تروپوسفر از تابش فرابنفش نور خورشيد مجسم شده است.

مقادير مختلفي از uv در سطح زمين دريافت مي‌كند، نشان مي‌دهد كه از افزايش شيوع سرطان پوست غير ملانين‌دار نتيجه تماس با uv به صورت نمايي است. زيرا لگاريتم شيوع به طور خطي با شدت uv ارتباط دارد. شيوع شكل بدخيم سرطان پوست و موي روشن دارند و كك و مكي هستند و به آساني آفتاب سوخته مي‌شوند ارتباط دارد. پژوهش اخير نشان مي‌دهد ممكن است به افزايش موارد سرطان پوست منتهي شود زيرا استفاده از اين حفاظها اجازه مي‌دهد كه مردم پوست خود را بدون آفتاب سوختگي براي مدتهاي طولاني تري در معرض نور خورشيد قرار دهند. پيش بيني مي‌شود كه به ازاي هر ۱ % كاهش در مقدار ازون شيوع سرطان پوست بدخيم ۱ تا ۱۲ % افزايش يابد پيش بيني مي شود براي مردمي كه در عرض جغرافيايي حدود N 450 (يعني شمال ايالات متحده و جنوب كانادا ) زندگي مي‌كنند، به علت ۶/۶ % كاهش در ازون در يك نوع سرطان پوست خوش‌خيم ( basacalt carcinoma ) و ۲۲ % افزايش در نوع ديگر ( squamous cell )را به همراه سرطان پوست نسبت به آنچه كه ارقام بالا نشان مي‌دهند منتهي خواهد شد.

از آنجا كه بين تاس بالا و متعاقب آن آشكار شدن سرطان‌هاي پوست خوش‌خيم يك فاصله زماني وجود دارد، بعيد است كه آثار ناشي از تخريب ازون تا اين زمان قابل مشاهده باشند افزايش موارد سرطان پوست كه در بسياري از مكان‌هاي دنيا رخ داده است احتمالاً به علت مقدار زمان بيشتري است كه مردم در خارج از منزل در زير نور آفتاب در چند دهه گذشته به سر برده اند. براي مثال، شيوع سرطان پوست در بين ساكنان كوئينزلند استرايا كه اكثرآ پوست روشني دارند در نتيجه افزايش مقدار تماس مردم با نور آفتاب به علت تغيير در شيوه زندگي آنها سال‌ها پيش از اينكه تهي شدن ازون آغاز شود بالا رفت و به حدود ۷۵ % جمعيت آن رسيد. استراليا از نظر آگاه كردن عموم مردم و گوشزد كردن ضرورت محافظت در برابر تماس با نور.

 

فرابفش در دنيا پيشگام بوده
هم چنين شواهدي در دست است كه افزاش سطح uv – B به افزايش آب مرواريد، به ويژه در بين افرادي كه چندان مسن نيستند منتهي مي شود. پيش‌بيني مي‌شود كه با ۱۰ % افزايش در مقدار uv – B موارد مبتلا به آب مرواريد را در بين افراد ۵۰ ساله ۶ % بالا مي‌برد. افزايش تماس uv – B هم چنين به تضعيف سيستم ايمني بدن انسان و در نتيجه آن افزايش شيوع بيماري‌هاي عفوني منتهي مي‌شود.

حدس زده مي‌شود كه افزايش مقادير uv – B در بازدهي نور سنتز مداخله مي‌كند و درنتيجه عكس‌العمل گياهان توليد مقدار كمتر برگ دانه و ميوه است. تمام موجوداتي كه تا عمق ۵ متري آبهاي زلال زندگي مي‌كنند نيز در معرض اين افزايش تماس با uv – B هستند و ممكن است در خطر باشند به ويژه نگراني از اين است كه توليد گياهان خيلي ريز ه نام فيتوپلانگتون در نزديكي سطح آب دريا ممكن است. به ميزان قابل توجهي از افزايش uv – B در خطر باشند به اين ترتيب زنجيره‌ي غذايي دريايي كه فيتوپلانگتون اساس آن است تحت تأثير واقع مي شود كاهش جمعيت قورباغه‌ها و ساير دو زيستان در سطح جهاني در سال هاي اخير به افزايش سطح UV ربط داده شده است.