لایه اوزون چیست؟ – اهمیت، دلایل تخریب و محافظت از آن

لایه اوزون ناحیه‌ای نازک در اطراف زمین است که با جذب پرتوهای فرابنفش زیان‌بار خورشید، از سطح زمین و جانداران محافظت می‌کند. در این لایه، که در لایه استراتوسفر اتمسفر زمین قرار دارد، غلظت اوزون $$O_3$$ نسبت به سایر اجزای جو بیشتر است. با این حال، ضخامت لایه اوزون در برخی از نقاط، به دلالیل طبیعی و انسانی کاهش یافته و تخریب شده است. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم لایه اوزون چیست و چرا اهمیت دارد.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم لایه اوزون چیست و چرا اهمیت دارد. در ادامه، می‌آموزیم منبع اوزون در اتمسفر چیست، لایه اوزون کجا قرار دارد و ضخامت آن چقد است. سپس تخریب لایه اوزون، علت آن و اثرات آن را بر سلامت جانداران و محیط زیست بررسی خواهیم کرد. در نهایت، درباره حفاظت از لایه اوزون و بازیابی آن در نواحی تخریب شده صحبت می‌کنیم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل بیاموزید لایه اوزون چیست.

لایه اوزون چیست؟

لایه اوزون منطقه‌ای در اتمسفر بالایی زمین است که غلظت بالایی از مولکول‌های اوزون با فرمول شیمیایی $$O_3$$ در آن وجود دارد. این لایه مانند محافظی از تمامی سطح زمین در برابر خورشید و اشعه‌های مضر آن محافظت می‌کند. لایه اوزون در ارتفاع بین حدود ۱۴٫۵ تا ۳۵٫۴ کیلومتری از سطح زمین قرار دارد و از مولکول‌های دو اتمی اکسیژن به صورت طبیعی و با استفاده از انرژی پرتوهای فرابنفش خورشید در چرخه اوزون تولید و بازتولید می‌شود.

لایه اوزون در حیات روی زمین بسیار با اهمیت است زیرا در صورت وجود نداشتن آن، پرتوهای فرابنفش خورشید می‌توانند به موجودات آسیب جدی وارد کنند. با این وجود در طی دهه‌های اخیر، فعالیت‌های انسانی باعث کاهش غلظت و ضخامت این لایه در اتمسفر، به ویژه در نواحی قطبی شده است.

اجزای لایه اوزون چیست؟

در لایه اوزون، غلظت اوزون $$O_3$$ نسبت به سایر بخش‌های جو بیشتر است. با این حال، مقدار اوزون موجود در این لایه کمتر از ۱۰ قسمت در میلیون است، در حالی که میانگین غلظت اوزون در کل جو حدود ۰٫۳ قسمت در میلیون است.

بخش عمده لایه اوزون را همچنان گازهای نیتروژن $$N_2$$ و اکسیژن $$O_2$$ تشکیل می‌دهند و اوزون تنها بخش بسیار کوچکی از ترکیب آن را تشکیل می‌دهد. علاوه بر این، مقادیر اندکی از گازهایی مانند آرگون، دی‌اکسید کربن و بخار آب نیز در استراتوسفر وجود دارند، اما همین افزایش نسبی غلظت اوزون برای جذب پرتوهای فرابنفش و محافظت از زمین اهمیت اساسی دارد.

مولکول اوزون چیست؟

مولکول اوزون، مولکولی متشکل از سه اتم اکسیژن با فرمول شیمیایی $$O_3$$ است. فراوانی مولکول اوزون نسبت به مولکول اکسیژن کمتر است. اوزون گازی به رنگ آبی کم‌رنگ، سمی و تحریک‌کننده است و حتی در غلظت‌های پایین نیز می‌تواند خطرناک باشد. این ماده به‌طور طبیعی در مقادیر کمی در استراتوسفر زمین وجود دارد و با جذب پرتوهای فرابنفش خورشید، از رسیدن بخش زیادی از این پرتوهای آسیب‌زا به سطح زمین و واردشدن آسیب جدی به جانداران جلوگیری می‌کند.

اوزون در شرایط خاص می‌تواند در لایه‌های پایینی جو نیز تشکیل شود. واکنش‌های فتوشیمیایی میان اکسیدهای نیتروژن و هیدروکربن‌ها می‌توانند باعث تولید اوزون در غلظت‌های بالا شوند. این نوع اوزون می‌تواند چشم‌ها و غشاهای مخاطی را تحریک کند و به‌عنوان یکی از آلاینده‌های مهم هوا شناخته می‌شود.

یادگیری شیمی دهم با فرادرس

برای درک بهتر این موضوع که لایه اوزون چیست، ابتدا باید با مفاهیمی چون هواکره، زیست کره، اجزای تشکیل دهنده هوا، تروپوسفر، گاز اکسیژن، گازها، رفتار گازها، فشار و قوانین گازها آشنا شوید. برای درک بهتر این مفاهیم پیشنهاد می‌کنیم به مجموعه آموزش دروس پایه دهم، بخش شیمی فرادس مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این موارد می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است می‌توانید به آموزش‌های بیشتری درباره لایه اوزون دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم بخش شیمی فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس

اهمیت لایه اوزون چیست؟

لایه اوزون ناحیه‌ای در بخش‌های بالایی جو است که غلظت زیادی از مولکول‌های اوزون $$O_3$$ دارد. این لایه با جذب پرتوهای فرابنفش زیان‌بار خورشید، از جانداران روی زمین محافظت می‌کند. بدون وجود لایه اوزون، ادامه حیات به شکل امروزی روی زمین امکان‌پذیر نبود.

افزایش غلظت اکسیژن در جو در حدود دو میلیارد سال پیش، زمینه تشکیل و تجمع اوزون در جو زمین را فراهم کرد و این فرایند به‌تدریج به شکل‌گیری استراتوسفر انجامید. بعدها، یک پروتکل با هدف کنترل تولید و مصرف مواد شیمیایی مؤثر در تخریب لایه اوزون تصویب شد.

فلش کارت لایه اوزون

در ادامه، مهم‌ترین نکات مربوط به لایه اوزون که در امتحانات و کنکور مهم هستند، در قالب فلش‌کارت آورده شده‌اند. با کلیک بر روی هر تصویر، می‌توانید مفاهیم مربوط به آن را در پشت کارت مشاهده کنید.

انواع اوزون در اتمسفر

اوزون در اتمسفر به صورت طبیعی در لایه اوزون در استراتوسفر تشکیل می‌شود. همچنین، اوزون به عنوان یک گاز گلخانه‌ای توسط انسان و فعالیت‌های صنعتی تولید شده و یک نوع آلودگی هوا به شمار می‌رود. انواع اوزون در جو را در تصویر زیر نمایش داده‌ایم.

منبع اوزون

اوزون به صورت طبیعی در لایه استراتوسفر در اتمسفر زمین تشکیل می‌شود. در این محدوده، لایه ازن به صورت طبیعی با استفاده از انرژی پرتوهای فرابنفش خورشید و مولکول‌های دو اتمی اکسیژن طی چرخه‌ای به نام چرخه اوزون - اکسیژن تولید می‌شود. در ادامه این چرخه را توضیح می‌دهیم.

پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با لایه‌های مختلف اتمسفر و نقش اوزون در آن‌ها، فیلم آموزش اتمسفر و لایه‌های آن در فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

چرخه اوزون اکسیژن

چرخه اوزون - اکسیژن، چرخه‌ای است که طی آن، مولکول‌های دو اتمی اکسیژن توسط پرتوهای فرابنفش خورشید شکسته شده و اتم‌های تک اکسیژن آزاد می‌شوند. سپس این اتم‌های تک می‌توانند به مولکول‌های دواتمی اکسیژن دیگر پیوسته و اوزون تشکیل دهند. از سوی دیگر، این تک اتم‌ها مجددا می‌توانند از مولکول اوزون جدا شده و به مولکول دو اتمی اکسیژن تبدیل شوند. به این چرخه مداوم که در استراتوسفر به صورت طبیعی انجام می‌شود، چرخه اوزون - اکسیژن گفته می‌شود.

این چرخه را در شکل زیر توضیح داده‌ایم.

اوزون تروپوسفری چیست؟

اوزون تروپوسفری به اوزونی گفته می‌شود که در تروپوسفر، یعنی لایه نزدیک به سطح زمین، وجود دارد. برخلاف اوزون موجود در استراتوسفر که با جذب پرتوهای فرابنفش از زمین محافظت می‌کند، اوزون تروپوسفری یک آلاینده هوا و گاز گلخانه‌ای است. این گاز می‌تواند سلامت جانداران را تهدید کند و با به‌دام‌انداختن گرما در جو، در تغییرات اقلیمی نقش داشته باشد.

مقدار کمی اوزون به‌طور طبیعی در نزدیکی سطح زمین وجود دارد. گیاهان و خاک مقداری اوزون تولید می‌کنند و بخشی از اوزون استراتوسفر نیز به لایه‌های پایین‌تر جو منتقل می‌شود. بااین‌حال، این منابع معمولا مقدار کافی اوزون برای ایجاد تهدید جدی برای سلامت انسان یا محیط زیست تولید نمی‌کنند. بیشتر اوزون تروپوسفری در اثر فعالیت‌های انسانی و واکنش آلاینده‌های موجود در هوا تشکیل می‌شود.

واکنش شیمیایی اوزون در تروپوسفر

اوزون در تروپوسفر به وسیله نیتروژن مونوکسید و نیتروژن دی اکسید تولید شده توسط فعالیت‌های صنعتی و سوخت هیدروکربن‌ها و ماشین‌ها تولید می‌شود و در لایه پایین جو (تروپوسفر) تجمع می‌کند. اوزون در این لایه به عنوان یک گاز کلخانه‌ای عمل کرده و یکی از عوامل گرمایش زمین و تغییرات اقلیمی و آلودگی هوا به شمار می‌آید. واکنش‌های شیمیایی تولید اوزون در تروپوسفر را در ادامه آورده‌ایم.

$$NO_2 \xrightarrow{\text{UV}} NO + O$$

$$O + O_2 \rightarrow O_3$$

$$NO_2 + O_2 \xrightarrow{\text{UV}} NO + O_3$$

پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با واکنش‌های این لایه و سایر لایه‌های اتمسفر، مطلب جمع بندی شیمی دهم فصل دوم مجله فرادرس را مطالعه کنید.

این واکنش‌ها به وسیله انرژی پرتوهای جذب شده فرابنفش از خورشید به صورت چرخه‌ای انجام می‌شوند. چرخه تولید اوزون در تروپوسفر را در تصویر زیر نشان داده‌ایم.

منابع اوزون تروپوسفری

بخش زیادی از ترکیباتی که در تشکیل اوزون تروپوسفری نقش دارند، از گازهای خروجی خودروها و انتشار آلاینده‌ها از کارخانه‌ها، نیروگاه‌ها و پالایشگاه‌ها وارد هوا می‌شوند. افزایش تعداد خودروها و گسترش فعالیت‌های صنعتی باعث شده است مقدار اوزون نزدیک سطح زمین از سال ۱۹۰۰ بیش از دو برابر شود.

نحوه تشکیل اوزون تروپوسفری

برخلاف بسیاری از آلاینده‌های هوا، اوزون به‌طور مستقیم وارد جو نمی‌شود. اوزون تروپوسفری در اثر واکنش نور خورشید، به‌ویژه پرتوهای فرابنفش، با هیدروکربن‌ها و اکسیدهای نیتروژن تشکیل می‌شود. این ترکیبات عمدتا از اگزوز خودروها و دودکش‌های صنعتی وارد هوا می‌شوند.

در مناطق شهری، معمولا میزان اوزون در ماه‌های گرم تابستان بیشتر است. مقدار این گاز اغلب در اواسط تا اواخر بعدازظهر به بیشترین حد خود می‌رسد، زیرا آلاینده‌های منتشرشده در ساعات شلوغی صبح فرصت کافی برای واکنش با نور خورشید پیدا می‌کنند. روزهای گرم، آفتابی و بدون وزش باد نیز شرایط مناسبی برای تشکیل اوزون هستند. با غروب خورشید، تولید اوزون کاهش پیدا می‌کند، زیرا تشکیل آن به نور خورشید برای پیش‌برد واکنش‌های شیمیایی نیاز دارد.

اثرات اوزون تروپوسفری

اوزون تروپوسفری می‌تواند هم بر سلامت انسان و هم بر محیط زیست اثر منفی بگذارد. افزایش غلظت این گاز در هوا همچنین می‌تواند به برخی مواد مورد استفاده در صنایع آسیب برساند.

اثر اوزون تروپوسفری بر سلامت انسان

هنگامی که میزان اوزون در هوا افزایش پیدا می‌کند، هشدارهای آلودگی هوا صادر می‌شوند و از افراد دارای مشکلات تنفسی خواسته می‌شود احتیاط بیشتری داشته باشند یا در خانه بمانند.

استنشاق اوزون می‌تواند به بافت ریه آسیب بزند و عملکرد ورزشکاران را کاهش دهد. همچنین ممکن است حملات آسم را در افراد مبتلا به این بیماری بیشتر کند و علائمی مانند تحریک چشم، درد قفسه سینه، سرفه، تهوع، سردرد و احساس گرفتگی در قفسه سینه ایجاد کند. اوزون همچنین می‌تواند بیماری‌های قلبی، برونشیت و آمفیزم را تشدید کند.

اثر اوزون تروپوسفری بر مواد

اوزون می‌تواند به موادی مانند لاستیک، رنگ‌های مورد استفاده در منسوجات، الیاف و برخی رنگ‌ها آسیب بزند. تماس با اوزون ممکن است باعث ضعیف‌شدن یا تخریب این مواد شود.

برای مثال، برخی مواد کشسان در اثر تماس با اوزون شکننده می‌شوند و ترک می‌خورند. رنگ‌ها و رنگ‌دانه‌های موجود در پارچه نیز ممکن است سریع‌تر رنگ خود را از دست بدهند.

چگونه اوزون تروپوسفری را کاهش دهیم؟

کاهش انتشار آلاینده‌هایی که در تشکیل اوزون تروپوسفری نقش دارند، یکی از راه‌های اصلی کاهش این نوع آلودگی است. برخی از این راهکارها را در ادامه معرفی کرده‌ایم.

• استفاده از حمل‌ونقل عمومی، پیاده‌روی یا دوچرخه‌سواری به‌جای خودرو
• انجام سوخت‌گیری در ساعات عصر
• استفاده از منابع انرژی پاک‌تر و کم‌آلاینده‌تر

اوزون استراتوسفری چیست؟

در استراتوسفر، اوزون زمانی تشکیل می‌شود که پرتو فرابنفش به مولکول‌های اکسیژن $$O_2$$ برخورد کرده و آن‌ها را به اتم‌های اکسیژن جداگانه تبدیل می‌کند.

$$O_2 \xrightarrow{\text{UV}} 2O$$

سپس اتم اکسیژن با مولکول $$O_2$$ واکنش می‌دهد و اوزون $$O_3$$ تشکیل می‌شود.

$$O + O_2 \rightarrow O_3$$

مولکول‌های اوزون نیز در اثر برخورد با پرتو فرابنفش تجزیه می‌شوند و دوباره مولکول‌های اکسیژن و اتم‌های اکسیژن ایجاد می‌کنند. تکرار مداوم این فرایند، چرخه اوزون - اکسیژن نام دارد.

$$O_3 \xrightarrow{\text{UV}} O_2 + O$$

واکنش کلی تشکیل اوزون در استراتوسفر به شکل زیر است.

$$O+O_2\rightarrow O_3$$

بیشترین غلظت اوزون در ارتفاع حدود ۲۰ تا ۴۰ کیلومتری از سطح زمین قرار دارد و می‌تواند به حدود ۲ تا ۸ قسمت در میلیون برسد.

پرتو فرابنفش

پرتو فرابنفش بخشی از طیف الکترومغناطیسی است که از انتهای بنفش طیف نور مرئی، یعنی ناحیه با طول موج کوتاه‌تر، تا ناحیه پرتو ایکس را دربرمی‌گیرد. این پرتوها با چشم انسان قابل مشاهده نیستند.

پرتو فرابنفش در محدوده‌ای از طول موج حدود ۴۰۰ نانومتر، در نزدیکی انتهای طیف نور مرئی، تا حدود ۱۰ نانومتر، در نزدیکی ناحیه پرتو ایکس، قرار دارد. بر اساس اثر پرتوهای فرابنفش بر مواد زیستی، این پرتوها به سه ناحیه تقسیم می‌شوند که در ادامه معرفی شده‌اند.

• UVA با طول موج ۴۰۰ تا ۳۱۵ نانومتر
• UVB با طول موج ۳۱۵ تا ۲۸۰ نانومتر
• UVC با طول موج ۲۸۰ تا ۱۰۰ نانومتر

پرتوهای UVB بیشترین نقش را در ایجاد اثرات شناخته‌شده پرتو فرابنفش بر موجودات زنده دارند. پرتوهای UVC نیز به سطح زمین نمی‌رسند.

لایه اوزون کجاست؟

لایه اوزون به ناحیه‌ای از استراتوسفر گفته می‌شود که غلظت اوزون در آن بیشتر از سایر بخش‌های جو است. این لایه در ارتفاع حدود ۱۵ تا ۳۰ کیلومتری از سطح زمین قرار دارد و بخش عمده آن در قسمت پایینی استراتوسفر دیده می‌شود. ضخامت و میزان گسترش لایه اوزون نیز در مناطق مختلف و در فصل‌های گوناگون تغییر می‌کند.

حدود ۹۰ درصد اوزون موجود در جو در استراتوسفر قرار دارد. جذب پرتوهای خورشیدی توسط اوزون باعث می‌شود دمای استراتوسفر با افزایش ارتفاع بیشتر شود. از سوی دیگر، لایه اوزون با جذب پرتوهای فرابنفش، از رسیدن بخش زیادی از تابش‌های زیان‌بار خورشید به سطح زمین جلوگیری می‌کند.

لایه اوزون حدود ۹۷ تا ۹۹ درصد از پرتوهای فرابنفش با طول موج ۲۰۰ تا ۳۱۵ نانومتر را جذب می‌کند. همچنین، تقریبا تمام پرتوهای خورشیدی با طول موج کمتر از ۲۹۰ نانومتر را جذب کرده و مانع از رسیدن آن‌ها به سطح زمین می‌شود.

ضخامت لایه اوزون

مقدار اوزون در لایه ازون کمتر از ۱۰ قسمت در میلیون است، درحالی‌که میانگین غلظت اوزون در کل جو حدود ۰٫۳ قسمت در میلیون است. مقدار اوزون در جو به‌طور طبیعی با عواملی مانند فعالیت خورشیدی، فصل و عرض جغرافیایی تغییر می‌کند. این تغییرات طبیعی قابل پیش‌بینی هستند و هر دوره کاهش طبیعی اوزون با افزایش دوباره آن همراه می‌شود. بیشتر اوزون موجود در جو در بخشی از استراتوسفر و در ارتفاع حدود ۱۵ تا ۳۰ کیلومتری سطح زمین متمرکز است.

تخریب لایه اوزون

کاهش ضخامت لایه اوزون یا تخریب لایه اوزون به فرایندی گفته می‌شود که طی آن غلظت اوزون در لایه استراتوسفر کاهش می‌یابد. این پدیده عمدتا در اثر ورود ترکیبات حاوی کلر و برم به جو و واکنش آن‌ها با اوزون رخ می‌دهد و در مناطق قطبی، به‌ویژه جنوبگان، شدت بیشتری دارد.

کاهش اوزون باعث می‌شود مقدار بیشتری از پرتو فرابنفش خورشید به سطح زمین برسد و خطر آسیب‌های پوستی، آب‌مروارید و برخی آسیب‌های سلولی را افزایش دهد. برای مقابله با این مشکل، تولید و مصرف بسیاری از مواد مخرب لایه اوزون با توافق‌نامه‌های بین‌المللی، محدود شده است.

عوامل طبیعی

برخی فرایندهای طبیعی، مانند فوران‌های آتشفشانی بزرگ، می‌توانند به‌طور غیرمستقیم بر میزان اوزون اثر بگذارند. برای مثال، فوران کوه پیناتوبو در سال ۱۹۹۱ مقدار زیادی ذرات بسیار ریز به نام آئروسل وارد استراتوسفر کرد. این ذرات سطحی برای انجام واکنش‌های شیمیایی فراهم می‌کنند و باعث افزایش توانایی کلر در تجزیه اوزون می‌شوند. البته اثر آتشفشان‌ها بر تخریب اوزون معمولا کوتاه‌مدت است.

عوامل انسانی

علاوه بر فرایندهای طبیعی، فعالیت‌های انسانی نیز می‌توانند در تخریب لایه اوزون نقش داشته باشند. انتشار برخی ترکیبات شیمیایی و گازها در اثر فعالیت‌های صنعتی و فناوری‌های مختلف، می‌تواند فرایندهای شیمیایی موجود در استراتوسفر را تغییر دهد و باعث کاهش اوزون شود. در ادامه، مهم‌ترین عوامل انسانی موثر بر تخریب لایه اوزون را بررسی می‌کنیم.

ترکیبات کلر و برم

اتم‌های کلر و برم در استراتوسفر می‌توانند با مولکول‌های اوزون واکنش دهند و آن‌ها را تجزیه کنند. یک اتم کلر پیش از خروج از استراتوسفر می‌تواند بیش از ۱۰۰ هزار مولکول اوزون را از بین ببرد. در نتیجه، سرعت تخریب اوزون می‌تواند از سرعت تشکیل طبیعی آن بیشتر شود.

برخی ترکیبات در اثر تابش شدید پرتو فرابنفش در استراتوسفر، اتم‌های کلر یا برم آزاد می‌کنند. به این ترکیبات، مواد مخرب لایه اوزون یا ODS گفته می‌شود. مواد آزادکننده کلر را در ادامه معرفی کرده‌ایم.

• کلروفلوئوروکربن‌ها (CFCها)
• هیدروکلروفلوئوروکربن‌ها (HCFCها)
• کربن تتراکلرید
• متیل کلروفرم

مواد آزادکننده برم نیز در ادامه معرفی شده است.

• هالون‌ها
• متیل برومید

این مواد در سطح زمین منتشر می‌شوند، اما به‌تدریج وارد استراتوسفر می‌شوند و انتقال آن‌ها ممکن است حدود ۲ تا ۵ سال طول بکشد.

کلروفلوئوروکربن ها

نازک‌شدن یا تخریب لایه اوزون عمدتا در اثر فعالیت‌های انسانی و انتشار مواد شیمیایی حاوی کلر و برم، مانند CFCها، ایجاد می‌شود. هنگامی که این ترکیبات به استراتوسفر می‌رسند، پرتوهای فرابنفش آن‌ها را تجزیه کرده و اتم‌های کلر آزاد می‌شوند. این اتم‌های کلر با اوزون واکنش می‌دهند و آن را به اکسیژن مولکولی تبدیل می‌کنند.

در این فرایند، کلر دوباره بازتولید می‌شود و می‌تواند بارها در واکنش تخریب اوزون شرکت کند. به همین دلیل، یک اتم کلر می‌تواند پیش از خروج از چرخه واکنش، هزاران مولکول اوزون را تجزیه کند. واکنش تخریب اوزون به وسیله کلر به شکل زیر است.

$$Cl + O_3 \rightarrow ClO + O_2$$

$$ClO + O \rightarrow Cl + O_2$$

$$O_3 + O \rightarrow 2O_2$$

پرتاب موشک ها

بر اساس پژوهش‌های اخیر، افزایش پرتاب موشک‌ها در سراسر جهان می‌تواند در آینده به لایه ازون در استراتوسفر آسیب بزند. به همین دلیل، کنترل و قانون‌گذاری درباره این پرتاب‌ها می‌تواند به کاهش آسیب‌های احتمالی به لایه اوزون کمک کند. انتشار برخی ترکیبات واکنش‌پذیر در اثر پرتاب موشک‌ها ممکن است روند تخریب اوزون را نیز تشدید کند.

رادیکال‌ها گروهی از مولکول‌ها و اتم‌های بسیار واکنش‌پذیر هستند که حتی در مقدار کم می‌توانند نقش مهمی در تخریب اوزون داشته باشند. این مواد در واکنش‌های زنجیره‌ای شرکت می‌کنند و می‌توانند بدون مصرف‌شدن سریع، تعداد زیادی مولکول اوزون را تجزیه کنند. برای مثال، یک رادیکال در استراتوسفر می‌تواند پیش از غیرفعال‌شدن و حذف از این ناحیه، نزدیک به ۱۰ هزار مولکول اوزون را تجزیه کند.

همه ترکیبات کلردار مخرب اوزون نیستند.

هر منبع کلر و برمی به استراتوسفر نمی‌رسد و بنابراین همه آن‌ها در تخریب لایه اوزون نقش ندارند. برای مثال، کلر موجود در استخرهای شنا، کارخانه‌های صنعتی، نمک دریا و آتشفشان‌ها معمولا به استراتوسفر نمی‌رسد. در مقابل، مواد مخرب اوزون مانند CFCها بسیار پایدار بوده و در آب باران حل نمی‌شوند. به همین دلیل، فرایندهای طبیعی موجود در لایه‌های پایینی جو نمی‌توانند این مواد را به‌سرعت از جو حذف کنند.

سوراخ لایه اوزون چیست؟

سوراخ لایه اوزون به ناحیه‌ای از استراتوسفر گفته می‌شود که در آن غلظت اوزون به‌شدت کاهش یافته است. این اصطلاح به معنای وجود یک حفره واقعی و خالی از اوزون نیست، بلکه به نازک‌شدن شدید لایه ازون اشاره دارد. این پدیده در اثر واکنش‌های شیمیایی ترکیبات کلر و بروم با اوزون ایجاد می‌شود و میزان کاهش اوزون در آن در فصل‌های مختلف تغییر می‌کند.

بیشترین و شدیدترین کاهش اوزون در ناحیه قطب جنوب و در استراتوسفر بالای قطب جنوب رخ می‌دهد. سوراخ لایه اوزون معمولا در اواخر زمستان و اوایل بهار نیمکره جنوبی شکل می‌گیرد و بیشترین میزان گسترش آن در حدود سپتامبر و اوایل اکتبر مشاهده می‌شود. کاهش اوزون در قطب شمال نیز گاهی رخ می‌دهد، اما معمولا شدت آن بسیار کمتر از قطب جنوب است. تصویر زیر، تصویر ماهواره‌ای غلظت لایه اوزون (سوراخ لایه ازن) را در جنوبگان نمایش می‌دهد.

اثرات مضر تخریب لایه اوزون چیست؟

تخریب لایه اوزون باعث کاهش نقش محافظتی آن در برابر پرتوهای فرابنفش، به‌ویژه UV-B، می‌شود. در نتیجه، میزان بیشتری از این پرتوها به سطح زمین می‌رسد و می‌تواند سلامت انسان، جانوران و گیاهان را تحت تاثیر قرار دهد. تخریب لایه اوزون و تغییرات اقلیمی نیز با یکدیگر ارتباط دارند، اما افزایش پرتوهای UV-B را نمی‌توان به‌طور مستقیم عامل اصلی گرم‌شدن زمین دانست.

در ادامه، مهم‌ترین اثرات تخریب لایه ازن بر سلامت جانداران، حیات آبزی، گیاهان و اقلیم را بررسی خواهیم کرد.

اثر تخریب لایه اوزون بر سلامت انسان و جانوران

افزایش میزان پرتوهای فرابنفش نوع B یا UV-B ناشی از کاهش لایه اوزون می‌تواند سلامت موجودات زنده روی زمین را تحت تأثیر قرار دهد و خطر ابتلا به سرطان پوست، بیماری‌های چشمی و برخی بیماری‌های عفونی را افزایش دهد. پرتوهای فرابنفش مضر می‌توانند به عدسی و قرنیه چشم آسیب بزنند. قرارگیری طولانی‌مدت در معرض UV-B احتمال ابتلا به آب‌مروارید را افزایش می‌دهد. همچنین، این پرتوها می‌توانند عملکرد دستگاه ایمنی را تحت تاثیر قرار دهند و احتمال بروز برخی بیماری‌های عفونی را افزایش دهند.

افراد دارای پوست روشن نیز بیشتر در معرض ابتلا به سرطان‌های پوستی قرار دارند. پژوهش‌های انجام‌شده روی جانوران نشان داده‌اند که قرارگیری در معرض پرتو فرابنفش می‌تواند پاسخ ایمنی بدن در برابر سرطان‌های پوستی و عوامل عفونی را کاهش دهد.

اثر تخریب لایه اوزون بر حیات آبزیان

افزایش میزان پرتوهای فرابنفش می‌تواند بهره‌وری اکوسیستم‌های آبی را به‌شدت کاهش دهد. بیش از ۳۰ درصد پروتئین حیوانی مورد استفاده انسان در جهان از منابع دریایی تأمین می‌شود، بنابراین هرگونه تغییر در این اکوسیستم‌ها می‌تواند پیامدهای گسترده‌ای داشته باشد.

افزایش تابش فرابنفش در مناطق گرمسیری و نیمه‌گرمسیری می‌تواند پراکنش فیتوپلانکتون‌ها را تغییر دهد. فیتوپلانکتون‌ها پایه بسیاری از زنجیره‌های غذایی در اکوسیستم‌های آبی هستند. پرتو UV-B همچنین می‌تواند مراحل اولیه رشد برخی آبزیان مانند خرچنگ‌ها و میگوها را تحت تاثیر قرار دهد. از پیامدهای احتمالی آن می‌توان به اختلال در رشد لاروها و کاهش توانایی تولیدمثل اشاره کرد.

اثر تخریب لایه اوزون بر گیاهان خشکی زی

پرتو UV-B می‌تواند روی رشد و عملکرد طبیعی گیاهان اثر بگذارد. افزایش این پرتوها ممکن است استفاده از ارقام مقاوم‌تر به UV-B را در کشاورزی ضروری کند و نیاز به پرورش گونه‌های مقاوم‌تر را افزایش دهد. در علفزارها و جنگل‌ها، افزایش تابش UV-B می‌تواند ترکیب گونه‌های گیاهی را تغییر دهد و بر تنوع زیستی اثر بگذارد. همچنین ممکن است رشد و شکل گیاهان را تغییر دهد و بر بیماری‌های گیاهی، رقابت میان گونه‌ها و چرخه‌های طبیعی مواد در اکوسیستم تأثیر بگذارد.

اثر تخریب لایه اوزون بر تغییرات اقلیمی

تخریب لایه اوزون و تغییرات اقلیمی با یکدیگر ارتباط دارند، اما تخریب اوزون عامل اصلی تغییرات اقلیمی به شمار نمی‌آید. اوزون موجود در استراتوسفر با جذب پرتوهای فرابنفش خورشید به گرم‌شدن این لایه کمک می‌کند. از سوی دیگر، تغییرات دما و شرایط جوی می‌توانند بر غلظت و پراکنش اوزون در ارتفاعات مختلف جو اثر بگذارند.

بخش مهمی از کاهش اوزون در استراتوسفر پایینی به حضور گازهای حاوی کلر و برم مربوط می‌شود که در اثر فعالیت‌های انسانی وارد جو شده‌اند. در مقابل، افزایش اوزون در تروپوسفر که در اثر واکنش گازهای آلاینده منتشرشده از سطح زمین ایجاد می‌شود، می‌تواند اثر گرمایشی داشته باشد و به تشدید اثر گلخانه‌ای کمک کند.

اثرات بر مواد

پرتو UVB می‌تواند به پلیمرهای مصنوعی، زیست‌پلیمرهای طبیعی و برخی مواد مورد استفاده در صنایع مختلف آسیب بزند. اگرچه امروزه افزودنی‌های ویژه‌ای برای محافظت از این مواد در برابر UVB استفاده می‌شود، افزایش میزان این پرتوها می‌تواند سرعت تخریب مواد را بیشتر کند. در نتیجه، عمر مفید موادی که در فضای باز استفاده می‌شوند کاهش پیدا می‌کند.

حفاظت و بازیابی لایه اوزون چیست؟

فعالیت‌های انسانی باعث افزایش ترکیبات حاوی کلر و برم در جو شده‌اند که به تخریب لایه اوزون منجر می‌شوند. این ترکیبات به‌تدریج از استراتوسفر خارج می‌شوند و در صورت ادامه روند فعلی، انتظار می‌رود مقدار آن‌ها تا اواسط قرن بیست‌ویکم کاهش پیدا کند. این روند نتیجه همکاری کشورها برای کاهش تولید و مصرف مواد مخرب لایه اوزون است و ادامه این همکاری برای کامل‌شدن روند بازیابی لایه اوزون اهمیت زیادی دارد.

پروتکل مونترال نقش مهمی در کاهش انتشار مواد مخرب لایه اوزون دارد. بدون اجرای این پروتکل و اصلاحیه‌های آن، استفاده از CFCها و سایر مواد مخرب اوزون می‌تواند مقدار کلر و برم موجود در استراتوسفر را تا دهه ۲۰۵۰ به چند برابر میزان آن در دهه ۱۹۸۰ برساند و باعث کاهش شدیدتر اوزون شود. در مقابل، با ادامه اقدامات جهانی برای کاهش انتشار این مواد، غلظت ترکیبات حاوی کلر و برم در تروپوسفر از سال ۱۹۹۵ روند کاهشی پیدا می‌کند. بر اساس پیش‌بینی‌های علمی، در صورت ادامه این روند، لایه ازن می‌تواند در میانه قرن بیست‌ویکم به شرایط نزدیک به گذشته بازگردد.

پروتکل مونترال چیست؟

پروتکل مونترال یک توافق بین‌المللی برای کنترل تولید و مصرف مواد شیمیایی مخرب لایه اوزون بود که در ۱۶ سپتامبر ۱۹۸۷ در شهر مونترال به تصویب رسید. هدف اصلی این توافق، کاهش تولید و مصرف موادی بود که به لایه اوزون آسیب می‌زدند. این پروتکل در ابتدا با مشارکت حدود ۴۶ کشور شکل گرفت و به‌تدریج کشورهای بیشتری به آن پیوستند و تعداد اعضای آن به نزدیک ۲۰۰ کشور (از جمله ایران) رسید.

اجرای پروتکل مونترال به کاهش مواد مخرب اوزون در جو و بهبود تدریجی وضعیت لایه اوزون کمک کرد. حفره اوزون بر فراز جنوبگان نیز به‌تدریج نشانه‌هایی از بهبود نشان داد. بر اساس پیش‌بینی‌های علمی، اگر اقدامات کنترلی ادامه پیدا کند، لایه اوزون در بیشتر نقاط جهان می‌تواند بین سال‌های ۲۰۵۰ تا ۲۰۷۰ به شرایطی نزدیک به وضعیت آن در دهه ۱۹۸۰ بازگردد.

پیشرفت در بازیابی لایه اوزون

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم لایه اوزون چیست و چرا ضخامت آن تغییر کرده است. شناخت نقش کلر و بروم در تخریب لایه اوزون، به شکل‌گیری تلاش‌های بین‌المللی برای کاهش تولید و مصرف کلروفلوئوروکربن‌ها (CFCها) و سایر هالوکربن‌ها منجر شد. در سال ۱۹۸۷، پروتکل مونترال با هدف کنترل و حذف تدریجی این مواد تصویب شد. در نتیجه اجرای این توافق، تا سال ۲۰۰۵ مصرف مواد شیمیایی تخریب‌کننده اوزون در کشورهای عضو حدود ۹۰ تا ۹۵ درصد کاهش یافت.

کاهش تدریجی ترکیبات کلر و بروم در استراتوسفر به بهبود لایه ازن و کاهش اندازه سوراخ اوزون در قطب جنوب کمک کرده است. برای نمونه، مساحت سوراخ لایه ازون در قطب جنوب که در سال ۲۰۰۰ حدود ۲۹٫۹ میلیون کیلومتر مربع بود، در سال ۲۰۲۱ به حدود ۲۴٫۸ میلیون کیلومتر مربع کاهش یافت. همچنین در سپتامبر ۲۰۱۹، کوچک‌ترین سوراخ لایه اوزون از سال ۱۹۸۲ با مساحتی حدود ۱۶٫۳ میلیون کیلومتر مربع ثبت شد.

بر اساس گزارش‌های علمی، در صورت ادامه کاهش مواد تخریب‌کننده اوزون طبق برنامه پروتکل مونترال، انتظار می‌رود غلظت اوزون در مناطق قطبی در دهه‌های آینده به سطح سال ۱۹۸۰ نزدیک شود. برآوردهای سال ۲۰۲۳ سازمان ملل نشان می‌دهد که لایه اوزون قطب شمال و قطب جنوب احتمالا به‌ترتیب تا سال‌های ۲۰۴۵ و ۲۰۶۶ بهبود می‌یابد. از آنجا که اوزون یک گاز گلخانه‌ای است، بازیابی تدریجی لایه اوزون می‌تواند بر اثر خنک‌کننده ناشی از کاهش اوزون استراتوسفری نیز تاثیر بگذارد.

آزمون سنجش یادگیری

برای درک بهتر آنچه در این مطلب از مجله فرادرس درباره لایه اوزون آموختید، به سوالات زیر پاسخ دهید. درنهایت، پس از پاسخدهی به تمامی سوالات می‌توانید با کلیک بر روی گزینه «دریافت نتیجه آزمون» تعداد پاسخ‌های صحیح خود را مشاهده کنید.