شیمی, علوم پایه 253 بازدید

هوایی که تنفس می‌کنیم از مخلوط گازها و ذره‌های معلق مایع و جامد تشکیل شده است. نه تنها حیات ما بلکه حیات بیشتر گونه‌های زنده به این هوا وابسته است. هوایی که در «هواسپهر» (Atmosphere) جای گرفته ویژگی‌های بسیاری دارد که می‌تواند ناشی از شرایطی مانند ترکیب آن در، دما، زمان، ارتفاع و مانند آن‌ها باشد. همچنین از ضروری‌ترین ویژگی‌های هواسپهر امکان تبادل انرژی و مواد گوناگون شیمیایی در آن است که سبب ایجاد ویژگی‌های منحصر به فرد آن در می‌شود. در این مقاله نگاهی می‌اندازیم به ترکیب و ساختار هوای پیرامون زمین و سپس به تبادل ماده و انرژی در آن در و چرخه‌های برخی از مواد مهم و ضروری در جو زمین اشاره می‌کنیم.

هوا

مخلوط گازهای مختلف، هواسپهر (اتمسفر) زمین را تشکیل می‌دهند. این مخلوط دارای گروهی از گازهاست که غلظتی به تقریب ثابت دارند و گروهی دیگر که غلظت‌های آن‌ها در هر دوی فضا و زمان تغییر می‌کنند. گازهای هواسپهر با غلظت پایدار (با نسبت درصد حجمی) به ترتیب عبارت‌اند از:

۷۸٫۰۸۴ نیتروژن (N2)
۲۰٫۹۴۶ اکسیژن (O2)
۰٫۹۳۴ آرگون (Ar)
۰٫۰۰۱۸ نئون (Ne)
۰٫۰۰۰۵۲۴ هلیم (He)
۰٫۰۰۰۲ متان (CH4)
۰٫۰۰۰۱۱۴ کریپتون (Kr)
۰٫۰۰۰۰۵ هیدروژن (H2)
۰٫۰۰۰۰۵ نیتروز اکسید (N2O)
۰٫۰۰۰۰۰۸۷ زنون (Xe)

یکپارچگی ترکیب با فرایند آمیختن و از حرکت و جریان هوا به وجود می‌آید، اما در بالاتر از ارتفاع ۹۰ کیلومتر، فرایندهای نفوذی از آمیختن مهم‌تر می‌شوند و گازهای سبک‌تر (به ویژه هیدروژن و هلیم) در آنجا فراوان‌تر هستند.

از بین گازهای دارای غلظت متغیر می‌توان به بخار آب، ازن، کربن دی‌اکسید، گوگرد دی‌اکسید و نیتروژن دی‌اکسید اشاره کرد. محدوده غلظت این گازها (به درصد حجمی) عبارت‌اند از:

۰ تا ۷ بخار آب (H2O)
۰٫۰۱ تا ۰٫۱ (میانگین حدود ۰٫۰۳۲) کربن دی‌اکسید (CO2)
۰ تا ۰٫۰۱ ازن (O3)
۰ تا ۰٫۰۰۰۱ گوگرد دی‌اکسید (SO2)
۰ تا ۰٫۰۰۰۰۰۲ نیتروژن دی‌اکسید (NO2)

هرچند مقدار نسبی این گازها به نسبت اندک است، اما مقدارهای متغیر آن‌ها ممکن است برای حیات بر روی زمین بسیار مهم و تأثیر گذار باشد. بخار آب منبعی برای تمام شکل‌های گوناگون بارش است و یک جذب کننده و نشر دهنده مهم تابش فروسرخ است. در کنار آن در کربن دی‌اکسید در فرایند فتوسنتز دخالت می‌کند و مانند بخار آب یک جذب کننده و نشر دهنده مهم تابش فروسرخ است. ازن که بیشتر در ناحیه‌ای از جو بین ارتفاع 10 تا 50 کیلومتر بالاتر از سطح زمین حضور دارد، یک جذب کننده مهم برای تابش فرابنفش است که از خورشید تابیده می‌شود و به گونه‌ای مؤثر زمین را در برابر همه تابش‌های با طول موج کمتر از 300 نانومتر محافظت می‌کند.

هواسپهر

جو سیاره‌ها در منظومه خورشیدی
شکل 1: جو سیاره‌ها در منظومه خورشیدی از گازها، ذره‌ها و مایع‌های بسیاری تشکیل شده است. آن‌ها محیطی پویا دارند و گرما و شکل‌های دیگری از انرژی را باز توزیع می‌کنند. بر روی زمین، جو از ترکیبی ضروری برای حیات شکل گرفته است. در اینجا، ابرهای سیروس در آسمان آبی عمیق بر فراز کوهستان سان میگوئل (San Miguel Mountains) در کلرادو می‌چرخند.

پوشش گاز و ذره‌های معلق از اقیانوس، خشکی و سطح پوشیده از یخ یک سیاره به سمت فضای بیرون گسترده می‌شود. چگالی جو به سمت بیرون کاهش می‌یابد، زیرا کشش گرانشی که گازها و ذره‌های معلق (ذره‌های میکروسکوپی شامل گرد و خاک، دود یا ترکیب‌های شیمیایی) را به خود جذب می‌کند، در سطح و فاصله‌های نزدیک بیشتر است. جو برخی از سیاره‌ها، مانند عطارد، در واقع وجود ندارد چرا که جو ابتدایی آن‌ها به سبب کشش گرانشی به نسبت کم آن‌ها از سطح سیاره فرار کرده است.

دیگر سیاره‌ها، مانند زهره، زمین، مریخ و سیاره‌های غول پیکر در منظومه خورشیدی، دارای جوی پایا هستند. افزون بر این، جو زمین نیز دارای آب در هر سه حالت فیزیکی آن در (جامد، مایع و گاز) است که برای توسعه حیات بر روی سیاره ضروری است.

گذشته تکاملی جو کنونی سیاره زمین به گونه کامل درک نشده است. تصور می‌شود که جو کنونی ناشی از خروج گازها از درون سیاره و نیز از فعالیت‌های سوخت و ساز زیستی است که بر خلاف جو نخستین است که از فوران گازها در موقع شکل‌گیری اولیه زمین ایجاد شده بود.

انتشار گازهای آتش‌فشانی اکنون شامل بخار آب (H2O)، کربن دی‌اکسید (CO2)، گوگرد دی‌اکسید (SO2)، هیدروژن سولفید (H2S)، کربن مونواکسید (CO)، گونه‌های کلردار (Cl) و فلوئوردار (F) و نیتروژن دو اتمی (N2) است که همراه با مقداری بسیار جزئی از گونه‌های دیگر است. به تقریب 85 درصد از گازهای منتشر شده از آتشفشان‌ها به شکل بخار آب هستند. این در حالی است که مقدار کربن دی‌اکسید به حدود 10 درصد می‌رسد.

در طی دوره نخستین جو زمین، آب می‌توانست به حالت مایع وجود داشته باشد، چرا که اقیانوس‌ها قدمتی در حدود 3 میلیارد سال دارند. با توجه به اینکه بازتابش نور خورشید از سطح زمین در 4 میلیارد سال قبل حدود 60 درصد میزان کنونی بوده است، می‌بایست میزان کربن دی‌اکسید و آمونیاک (NH3) در جو زمین بسیار بالا بوده تا تابش فرو سرخ کمتری را به فضا بازتاب می‌کرده است.

شکل‌های نخستین حیات که در این محیط آغاز به فعالیت کردند می‌بایست بی‌هوازی می‌بودند (که بتوانند در نبود اکسیژن زنده بمانند). افزون بر این، آن‌ها می‌بایست قادر می‌بودند تا در مقابل تابش مخرب فرابنفش که از خورشید می‌تابید از خود محافظت کنند، چرا که در جو نخستین زمین، ازن وجود نداشت که این تابش را جذب کند.

از زمانی که جانداران تکامل یافته و قادر به فتوسنتز شدند، اکسیژن در مقیاس گسترده در جو زمین تولید شد. تشکیل اکسیژن در جو همچنین اجازه داد که لایه ازن توسعه یابد چنانکه مولکول‌های اکسیژن به گونه تک اتمی اکسیژن تفکیک شده (O) و با یک مولکول اکسیژن دیگر واکنش داده و مولکول سه اتمی ازن (O3) را ایجاد کردند. توانایی فتوسنتز در شکل‌های نخستین گیاهان بین 2 تا 3 میلیارد سال گذشته افزایش یافت. قبل از تکامل جاندارانی که فتوسنتز می‌کردند، اکسیژن به مقدار بسیار محدود به عنوان محصول جانبی تخریب شیمیایی بخار آب بر اثر تابش فرابنفش ایجاد می‌شد.

در ادامه این مقاله نگاهی خواهیم داشت به نیروهای فیزیکی که منجر به رخداد فرایندهای تبادلی در جو زمین می‌شوند و نیز ساختار جو زمین و بررسی برخی ویژگی‌های مختلف جو زمین.

حوزه‌های زیست محیطی زمین
شکل ۲: حوزه‌های زیست محیطی زمین

برای آشنایی بیشتر با مباحث شیمی، پیشنهاد می‌کنیم به مجموعه آموزش های شیمی مراجعه کنید که توسط فرادرس تهیه شده و لینک آن در ادامه آورده شده است.

تبادل‌های سطحی

در این بخش، درباره تبادل‌های سطحی بحث می‌کنیم.

تبادل انرژی

جو زمین از پایین با آب و زمین پیوند دارد که همان سطح زمین است. گرم شدن این سطح از راه سه فرایند فیزیکی رخ می‌دهد؛ تابش، رسانش و همرفت و دما در محل اتصال جو و سطح نتیجه‌ای از این گرم شدن است.

سهم نسبی هر فرایند وابسته به باد، دما و رطوبت در ساختار هواسپهر و بر روی سطح زمین، شدت تابش نور آفتاب و ماهیت فیزیکی سطح است. دمای مشاهده شده در این محل پیوند از اهمیت زیادی در تخمین چگونگی و کیفیت آن در محل برای شکل‌های مختلف گونه‌های زیستی برخوردار است.

تابش

دمای هواسپهر و سطح زمین تحت تأثیر تابش الکترومغناطیس است و این تابش به گونه‌ای سنتی به دو دسته تقسیم می‌شود: نشر نور آفتاب و بازنشر آن در از سطح و جو. نشر به گونه‌ای معمول به تابش با طول موج کوتاه اشاره دارد؛ آن در درجه اول شامل بخش‌هایی در محدوده فرابنفش و مرئی از طیف الکترومغناطیس است و بیشتر از طول موج‌های 390 تا 760 نانومتر تشکیل شده است. تابش نشر شده از زمین به اصطلاح تابش موج بلند نامیده می‌شود؛ آن در شامل بخش‌های فروسرخ از طیف است و به گونه‌ای نوعی طول موج‌هایی بین 4 تا 30 میکرومتر دارد.

طول موج‌های تابش نشر شده از یک جسم وابسته به دمای آن در جسم است که با قانون تابش پلانک توصیف می‌شود. خورشید با دمای سطحی حدود 6000 کلوین (حدود 5725 درجه سانتی‌گراد)، نشر دهنده طول موج‌های بسیار کوتاه‌تری نسبت به زمین است که سطح و ناحیه پایین هواسپهر در آن در تنها 250 تا 300 کلوین (23- تا 27+ درجه سانتی‌گراد) دما دارد.

کسری از تابش موج کوتاه کسب شده به وسیله گازهای جوی، به ویژه بخار آب، جذب می‌شوند و هوا را به گونه‌ای مستقیم گرم می‌کند اما در نبود ابرها، بیشتر انرژی به سطح زمین می‌رسد. پراکندگی کسری از تابش موج کوتاه، به ویژه کوتاه‌ترین طول موج‌ها به وسیله مولکول‌های هوا در فرایندی به نام پراکندگی رایلی، آسمان آبی زمین را ایجاد می‌کند.

وقتی ابرهای ضخیم و مرتفع حضور دارند، درصد بالایی (تا حدود 80 درصد) از تابش به سمت فضا بازتاب می‌شود. (کسری از تابش موج کوتاه که بازتابیده، قدرت بازتاب ابر (Cloud Albedo) نامیده می‌شود.) از تابش خورشیدی که به سطح زمین می‌رسد، برخی دوباره به درون هواسپهر بازتابیده می‌شود. مقدار محدوده قدرت بازتاب سطح از حدود ۰٫۹۵ برای برف تازه تا ۰٫۱۰ برای خاک‌های آلی و تیره رنگ تغییر می‌کند. روی زمین، این بازتابش به گونه کامل در سطح رخ می‌دهد؛ اما در آب، قدرت بازتاب به زاویه پرتو آفتاب و عمق ستون آب بستگی دارد.

اگر پرتوهای خورشید با زاویه مورب به سطح برخورد کنند، ضریب بازتاب ممکن است بالاتر از ۰٫۸۵ شود. اگر این پرتوها مستقیم‌تر بتابند، تنها سهم کوچکی حتی کمتر از ۰٫۰۲ بازمی‌تابد، در حالی که باقی تابش درون ستون آب پراکنده و جذب می‌شود. تابش موج کوتاه درون حجمی از آب تا عمق کافی نفوذ می‌کند (تا چند صد متر) و این تا جایی ادامه می‌یابد که تابش به گونه کامل ضعیف شود. گرمایش آب با تابش آفتاب در عمق توزیع می‌شود که منجر به تغییر کوچک دما در سطح آب می‌شود که برابر همان تابشی است که به مساحتی معادل از زمین می‌تابد.

مقداری از تابش خورشید که به سطح می‌رسد بستگی به عرض جغرافیایی، سال، روز و جهت‌گیری سطح زمین با توجه به خورشید دارد. برای نمونه، در نیم کره شمالی شمال از ′30 ˚20، نور خورشید در ظهر محلی در دامنه‌های رو به شمال کمتر از زمین‌هایی است که به سمت جنوب واقع شده‌اند.

تابش خورشید از پرتو مستقیم و پخشی ساخته می‌شود. تابش موج کوتاه مستقیم بدون جذب یا پراکنش از خط سیر آن در و بدون دخالت جو به سطح زمین می‌رسد. تصویر قرص خورشید به شکلی تیز و مشخص نشان دهنده سهمی از تابش خورشید است که به گونه مستقیم به یک ناظر می‌رسد. در مقابل، تابش پخشی پس از پراکندگی از خط سیر آن در به سطح می‌رسد. برای نمونه، در یک روز ابری قرص خورشید قابل مشاهده نیست و همه تابش موج کوتاه از نوع پخشی است.

تابش موج بلند از هواسپهر نشر و در هر دو جهت رو به بالا و رو به پایین نشر می‌شود. بر طبق قانون استفان- بولتزمن، کل مقدار انرژی موج بلند نشر شده متناسب با توان چهارم دمای ماده نشر کننده است (برای نمونه سطح پایه یا لایه‌های هواسپهر). مقدار این تابش که به سطح می‌رسد وابسته به دما در ارتفاع نشر است و مقدار جذبی که اتفاق می‌افتد بین ارتفاع نشر و سطح است. بخش بزرگی از تابش موج بلند هنگامی جذب می‌شود که جو مقدار زیادی از بخار آب و کربن دی‌اکسید در خود داشته باشد.

ابرهایی با غلظت ۲٫۵ گرم آب مایع در متر مکعب به تقریب 100 درصد تابش موج بلند را با ضخامت 12 متری خود جذب می‌کنند. ابرها با غلظت‌های آب مایع کمتر نیاز به عمق بیشتر برای جذب کامل تابش دارند (برای نمونه، ابری با محتوای ۰٫۰۵ گرم آب در متر مکعب نیاز به حدود 600 متر ضخامت برای جذب کامل تابش دارد).

ابرهایی که حداقل در این ضخامت هستند از خود پرتوهایی به سمت زمین پایین خود منتشر می‌کنند. مقدار تابش موج بلند نشر شده مطابق با دمای پایین‌ترین سطح ابر است (ابرهایی که پایه‌های آن‌ها گرم‌تر است نسبت به ابرهای سردتر، تابش موج بلند بیشتری به سمت پایین نشر می‌کنند).

هدایت

مقدار شار گرمایی هدایت شده به زیر یک سطح بستگی به هدایت گرمایی و گرادیان عمودی دما در ماده زیرین سطح دارد. خاک‌هایی مانند زغال سنگ نارس و خشک که هدایت گرمایی بسیار اندکی دارد (که عبارت است از ۰٫۰۶ وات بر متر بر کلوین)، اجازه کمی برای شارش گرما می‌دهد.

صعود هوا در جو ناپایدار
شکل ۳: صعود هوا در جو ناپایدار

در مقابل، هدایت گرمایی بتن در حدود 75 برابر بیشتر است (حدود ۴٫۶۰ وات بر متر بر کلوین) و اجازه شارش قابل توجه گرما را می‌دهد. در آب هدایت گرمایی به نسبت مهم نیست زیرا در مقابل سطح زمین، تابش تا عمق خاصی در آب گسترش می‌یابد، افزون بر این آب می‌تواند به گونه عمودی هم بخورد.

صعود هوا در جو پایدار
شکل ۴: صعود هوا در جو پایدار

همرفت

هم خوردن عمودی (همرفت) در هواسپهر شبیه به این اتفاق در آب است. این فرایند هم خوردن همچنین به تلاطم و آشوب در سامانه مربوط است. ساز و کار شارش گرما که در هواسپهر رخ می‌دهد دو گونه است. هنگامی که سطح به گونه مشخص گرم‌تر از هوای اطراف است، هم خوردن برای توزیع مجدد گرما به گونه خود به خودی رخ می‌دهد. این فرایند همرفت آزاد است و وقتی رخ می‌دهد که میزان افت دمای محیط (سرعت تغییر یک متغیر جوی مانند دما و چگالی با افزایش ارتفاع، میزان افت محیط نامیده می‌شود) با سرعتی بیش از 1 درجه سانتی‌گراد در هر 100 متر کاهش یابد. این سرعت «میزان افت بی‌در رو» (Adiabatic Lapse Rate) (سرعت تغییر دما که با کاهش یا افزایش در قسمتی از هوا رخ می‌دهد).

در اقیانوس دما با عمیق‌تر شدن آن در افزایش می‌یابد که سبب همرفت آزاد می‌شود که وابسته به دما، درجه شوری و عمق آب است. برای نمونه اگر دمای سطح ۲۰ درجه سانتیگراد و درجه شوری ۳۴٫۸۵ قسمت در هزار باشد، افزایش در دما با عمق بیش از حدود ۰٫۱۹ درجه سانتیگراد در هر کیلومتر درست در زیر لایه‌های بالایی اقیانوس منجر به همرفت آزاد خواهد شد. در هواسپهر، ویژگی‌های دمایی وابسته به ارتفاع تعیین می‌کند که آیا همرفت آزاد رخ می‌دهد یا نه.

در اقیانوس، همرفت آزاد وابسته به ویژگی‌های دمایی و درجه شوری وابسته به عمق است. احتمال دارد در شرایط دمای سردتر و درجه شوری بیشتر در یک قسمت از سطح آب، برای نمونه آن در قسمت به گونه‌ای خود به خودی غرق شود و بدین ترتیب تبدیل به بخشی از فرآیند انتقال همرفت آزاد شود.

هم خوردن همچنین می‌تواند به سبب تنش برشی ناشی از باد در سطح رخ دهد. تنش برشی، نیروی کشش یک سیال است که در حالی که به یک سیال یا جسم نزدیک می‌شود در جهت دیگر آن در را حرکت دهد. به عنوان نتیجه‌ای از اصطکاک سطح، سرعت میانگین باد در سطح زمین می‌بایست صفر باشد مگر اینکه سطح خود در حالت حرکت باشد، همان گونه که در جریان‌های رودخانه‌ها و اقیانوس‌ها وجود دارد. سرعت باد بر روی سطح کاهش می‌یابد، به ویژه وقتی که برش عمودی باد (تغییر در سرعت باد در ارتفاع‌های مختلف) به اندازه کافی بزرگ شود که منجر به هم خوردن عمودی می‌شود.

فرایندی که به واسطه گرما و دیگر ویژگی‌های جوی سبب هم خوردن می‌شود ناشی از برش باد است و همرفت اجباری نامیده می‌شود. همرفت آزاد و اجباری همچنین به ترتیب تلاطم همرفتی و مکانیکی نامیده می‌شوند. همرفت یا به شکل شارش گرمای متلاطم محسوس (گرما به شکلی مستقیم به یا از سطح منتقل می‌شود) رخ می‌دهد و یا به شکل شارش متلاطم پنهان (گرمای استفاده شده برای بخار کردن آب از یک سطح). هنگامی که هم خوردن رخ نمی‌دهد، سرعت باد کم است و تغییر کمی نیز با زمان دارد.

تبادل آب

چرخه آب
شکل ۵: در چرخه آب، آب در میان سطح زمین، اقیانوس‌ها و جو زمین منتقل می‌شود. در شکل، پیکان‌ها جهت حرکت آب را نشان می‌دهند.

تبادل آب در سطح مشترک با هوا نیز اهمیت حیاتی در فرایندهای تأثیر گذار در جو دارد. سطح زمین آب را از راه بارش (باران و برف) یا همان تراکم مستقیم به دست می‌آورد و یا از راه نشستن شبنم مایع یا یخ زده. در روی زمین، بارش بیشتر است و به شکلی گسترده است که سبب نفوذ آن در زمین یا جریان یافتن آن در به درون رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و یا اقیانوس‌ها می‌شود. برخی از مقدار بارش باقیمانده بر روی سطح زمین، درون گودال‌ها و یا بر روی پوشش گیاهان، به سرعت تبخیر شده و به جو برمی‌گردد.

آب مایع در خاک نیز به بخار آب تبدیل می‌شود و با تراوش از برگ‌ها و ساقه گیاهان تبخیر می‌شود. ریشه‌های گیاهی آب را از درون خاک استخراج کرده و آن در را از راه روزنه‌ها و یا دهانه‌های کوچک بر روی برگ‌ها به جو برمی‌گرداند. افزون بر این، آب‌های زیرزمینی که به سطح می‌آید می‌تواند به گونه مستقیم از سطح خاک تبخیر شود. تبخیر در سطحی از توده آب به گونه‌ای رخ می‌دهد که سرعتش متناسب با معکوس رطوبت نسبی درست در بالای سطح است.

تبخیر در هوای خشک سریع‌تر است اما هنگامی که پایین‌ترین سطح جو نزدیک به اشباع باشد بسیار کندتر است. تبخیر از خاک‌ها وابسته به سرعتی است که رطوبت از منبع آن در با خاصیت موئینگی از درون خاک مکیده می‌شود، در حالی که تراوش از توده گیاهی وابسته به هر دوی آب موجود در محدوده ریشه گیاهان و همچنین روزنه‌های باز در برگ آن‌ها دارد. آب که تبخیر می‌شود و راهی جو می‌شود بیشتر مسیرهایی طولانی را قبل از بارش پشت سر می‌گذارد.

ورود، انتقال و خروج آب از جو قسمتی از چرخه آب است. در هر زمان، تنها کسر کوچکی از آب روی زمین در جو موجود است؛ اگر همه آب اتمسفر متراکم شود، کل سطح سیاره‌مان را با ارتفاع میانگینی حدود ۲٫۵ سانتی‌متر پوشش می‌دهد.

تبادل نیتروژن

چرخه نیتروژن
شکل ۶: چرخه نیتروژن

تبادل نیتروژن شامل تغییرهای شیمیایی نیتروژن دواتمی (N2) که 78 درصد از گازهای جو را تشکیل می‌دهد، به ترکیب‌های دارای آمونیوم، نیتریت و نیترات می‌شود. در فرایندی که نیتروژن‌دار کردن (Nitrification) یا تثبیت نیتروژن (Nitrogen Fixation) نامیده می‌شود، باکتری‌هایی مانند ریزوبیوم که درون گره‌های روی ریشه نخود، شبدر و دیگر حبوبات زندگی می‌کنند، نیتروژن دو اتمی را به گاز آمونیاک تبدیل می‌کنند. مقدار اندکی از نیتروژن نیز با رعد و برق به اصطلاح تثبیت می‌شود. آمونیاک ممکن است به وسیله دیگر باکتری‌ها تغییرهای دیگری به نیتریت‌ها و نیترات‌ها داشته باشد و برای رشد گیاهان بهره گرفته شود.

این ترکیب‌ها پس از مرگ گیاهان یا خورده شدن آن‌ها توسط باکتری‌های نیتروژن‌زدا دوباره به گاز نیتروژن تبدیل شده و به جو برمی‌گردند. این باکتری‌ها با مصرف خود از گیاهان و هر دوی مدفوع و جسدهای جانوران گیاهخوار، بیشتر ترکیب‌های نیتروژن‌دار را به N2 تبدیل می‌کنند. برخی از این ترکیب‌ها نیز به واسطه یک سری از فرایندهای شیمیایی مرتبط با نور فرابنفش خورشید به N2 تبدیل می‌شوند.

سوختن مشتق‌های نفتی در موتور وسیله‌های حمل و نقل نیز اکسیدهای نیتروژن را تولید می‌کنند که غلظت طبیعی این ترکیب‌ها را در جو بالا می‌برد. مه‌دودی که در بسیاری از ناحیه‌های شهری ایجاد می‌شود با بالا بودن میزان اکسیدهای نیتروژن در آن‌ها ارتباط دارد.

کوه آتش‌فشان سن هلن
شکل ۷: کوه آتش‌فشان سن هلن (Mount St. Helens) از جهت جنوب و در جریان فوران 18 می سال 1980 (29 اردیبهشت 1359)

تبادل گوگرد

تبادل گوگرد نیز موضوع بسیار مهمی است. گوگرد به عنوان نتیجه‌ای از هوازدگی خاک‌ها و صخره‌های دارای گوگرد و انتشار متناوب گاز از آتشفشان‌ها وارد جو می‌شود. شکل‌های آلی از گوگرد در جانداران حضور داشته و دارای هر دو نقش مهم ساختاری و عملکردی در پروتئین‌ها است. گوگرد همچنین در جو به شکل گوگرد دی‌اکسید (SO2) و بخشی از ترکیب ذره‌های دارای سولفات وجود دارد. هر دوی این‌ها می‌توانند به تنهایی به گونه‌ای مستقیم با رسوب خشک بر روی سطح زمین رسوب کنند. هنگامی که مرطوب شوند، این ترکیب‌ها به سولفوریک اسید (H2SO4) که بسیار خورنده است تبدیل می‌شوند.

از زمان آغاز دوران انقلاب صنعتی، فعالیت‌های انسان مقدار قابل توجهی از گوگرد را از راه سوزاندن سوخت‌های فسیلی وارد جو کرده است. در ناحیه‌های شهری و فعالیت‌های صنایع سنگین نزدیک به آن‌ها، رسوب و بارش‌هایی دارای گوگرد به شکل سولفوریک اسید و نیز اکسیدهای نیتروژن به شکل نیتریک اسید (HNO3) ناشی از انتشار از وسیله‌های حمل و نقل مشاهده می‌شود که سبب خسارت به جمعیت ماهی‌ها، جنگل‌ها، مجسمه‌ها و نمای بناها شده است.

تبدیل گوگرد و نیتروژن اکسیدها به اسیدهای سولفوریک و نیتریک با عنوان مشکل باران اسیدی شناخته شده است. گوگرد و نیتروژن اکسیدها به شکل باران، برف یا رسوب خشک (رسوب در آب و هوای خشک) به سطح زمین برمی‌گردند.

تبادل کربن

تبادل کربن در جو اهمیت حیاتی برای آب و هوا و زندگی بر روی زمین دارد. کربن در جو زمین ابتدا به شکل کربن دی‌اکسید (CO2) آشکار می‌شود و به گونه‌ای طبیعی با تنفس موجودهای زنده، فروپاشی این موجودها، هوازدگی خاک‌ها و صخره‌های دارای کربن و انتشار آتش‌فشانی تولید می‌شود. گیاهان از CO2، آب و انرژی خورشیدی استفاده کرده و CO2 را به اکسیژن دو اتمی (O2) تبدیل می‌کنند. این فرایند با عنوان فتوسنتز شناخته می‌شود و می‌تواند سبب کاهش محلی کربن دی‌اکسید به مقدار ده‌ها قسمت در میلیون با کمک این سایه‌بان‌های گیاهی شود.

در مقابل، رخداد تنفس شبانه زمانی که فتوسنتز فعال نیست می‌تواند غلظت‌های CO2 را افزایش دهد. این غلظت‌ها ممکن است برای مدت کوتاهی قبل از طلوع آفتاب حتی تا دو برابر در جنگل‌های استوایی افزایش یابد. در مقیاس جهانی، تغییرهای فصلی در حدود 1 درصد به عنوان نتیجه‌ای از مصرف CO2 در فتوسنتز، تنفس گیاهان و تنفس خاک مشاهده می‌شود. CO2 جوی به گونه ابتدایی در نیم کره شمالی و در طی فصل‌های رشد (در بهار تا پاییز) جذب می‌شود. آن در همچنین به وسیله آب‌های اقیانوسی جذب می‌شود؛ سرعت تبادل با اقیانوس در آب‌های سرد بیش از آب‌های گرم است. هم اکنون گاز CO2 حدود ۰٫۰۳ درصد از ترکیب گازهای هواسپهر را تشکیل می‌دهد.

چرخه کربن
شکل ۸: چرخه کربن

در گذشته‌های زمین شناسی، سطح CO2 به مقدار قابل توجهی بیش از دوره زندگی ما بوده است و تأثیر مهمی بر هر دوی رفتارهای آب و هوایی و زیست محیطی داشته است. برای نمونه در «دوره کربنیفر» (Carboniferous Period) در 360 تا 300 میلیون سال قبل، آب و هوا به نسبت گرم و مرطوب بوده و همراه با غلظت بالایی از CO2 و پوشش گیاهی سرسبز بوده است. پس از مرگ و فروپاشی این گیاهان، آن‌ها به سنگ‌های رسوبی تبدیل شده و سبب ایجاد زغال سنگ شده است که هم اکنون برای مصرف صنعتی سوزانده می‌شود.

در هواسپهر، طول موج‌های ویژه‌ای از تابش موج کوتاه به واسطه CO2 جذب و سپس بازنشر می‌شوند. از آنجایی که سطح‌های پایین هواسپهر گرم‌تر از لایه‌های بالایی هستند، جذب از تابش الکترومغناطیس نشر شده در بالا و بازنشر بخشی از آن در برگشت به سمت پایین، اجازه می‌دهد جو پایین به گونه‌ای متفاوت از تصور گرم‌تر باقی بماند. همراه شدن غلظت بالای CO2 در هوا با یک «گشت‌سپهر» (Troposphere) گرم‌تر که لایه پایین در جو است به گونه معمول با عنوان اثر گلخانه‌ای شناخته می‌شود.

در سال‌های اخیر، توجه و نگرانی بسیاری در مورد رهاسازی CO2 از راه سوزاندن زغال سنگ و دیگر سوخت‌های فسیلی به وجود آمده است که سبب گرم شدن لایه پایین جو می‌شود، پدیده‌ای که با عنوان گرمایش جهانی شناخته می‌شود. بخار آب گاز گلخانه‌ای دیگری است که تأثیر بیشتری حتی نسبت به کربن دی‌اکسید دارد؛ اما از آنجایی که آب در همه جای زمین موجود است (به شکل یکی از حالت‌های فیزیکی‌اش یعنی جامد، مایع و گاز) و از آنجایی که CO2 نیز گازی فعال از نظر زیست زمین شیمیایی است، تغییرهای جهانی دما با تغییر غلظت جوی CO2 توضیح داده شده و پیش‌بینی می‌شوند.

این مطلب توسط نویسنده مهمان، «وحید نوروزی»، نوشته شده است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای 1 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *