طبقة الأوزون - العلوم الفيزيائية - السنة السابعة أساسي

يتكوّن الأوزون عادة في طبقة الستراتوسفير التي تقع على ارتفاع يتراوح ما بين 10 و40 كليومترا فوق سطح الأرض. ويتكون الأوزون عندما يتعرض أكسجين الهواء الجوي لتأثير الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن الشمس، فينحل بعض جزيئاته بتأثير هذه الأشعة إلى ذات نشيطة، ثم يتحد بعض هذه الذرات مرة أخرى مع جزئيات الأكسجين مكونة الأوزون. 

ويتمّ في هذه العملية امتصاص قدر كبير من الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن الشمس، فلا يصل منها إلى سطح الأرض إلا قدر معتدل لا يؤثر في حياة الكائنات الحيّة، وبذلك تمثل طبقة الأوزون، التي تتكون في الطبقات العليا من الجوّ، درعا واقيا يحمي الكائنات الحيّة التي تعيش على سطح الأرض من غوائل هذه الأشعة المدمرة.

ويؤدي نقص تركيز الأوزون في طبقات الجوّ العليا إلى كثير من المضار، فهو يسمح بزيادة كميّة الأشعة فوق البنفسجية التي تصل إلى سطح الأرض ممّا قد يؤدي إلى الإصابة بسرطان الجلد، كما قد يؤدي إلى إحداث تغيير في العوامل الوراثية لبعض الكائنات الدقيقة، ويؤثر كذلك في عمليات التخليق الضوئي، وفي سلسلة الغذاء إلى غير ذلك من أنواع الدمار البيولوجي.

وقد جاء في التقرير المقدم لجمعية الأرصاد الفرنسية عام 1967، والخاص بمثل هذه الدراسات، أنّه لو حدث نقص في طبقة الأوزون مقداره 3 %، فسيؤدي ذلك إلى نقص قدره 9 % في عمليات التخليق الضوئي التي تقوم بها النباتات، وإلى زيادة بمقدار 6 % في الإصابة بسرطان الجلد.

ومن المعروف أن حركة الهواء على ارتفاع نحو 15 كيلومترا من سطح الأرض تكون قليلة نسبيا، ولذلك نجد أن كثيرا من الشوائب التي تنطلق في الهواء قد تتجمّع عند هذه الطبقة، وقد يؤدي بعض هذه الشوائب إلى انحلال جزيئات الأوزون عند هذه الارتفاعات.

وتعتبر أكاسيد النتروجين، وغازات الكلوروفلور كربون من أهم المواد التي تسبب تدمير طبقة الأوزون.

وعندما تتلامس جزيئات أكاسيد النتروجين مع جزيئات الأوزون يحدث بينهما تفاعل كيميائي يؤدي إلى تفكّك جزيئات الأوزون وتحويلها إلى جزيئات أكسجين مرة أخرى.  

ومن الملاحظ أن هذا التفاعل لا يؤدي إلى اختفاء أكاسيد النتروجين، بل يتحول في هذا التفاعل أحد هذه الأكاسيد، وهو أكسيد النتريك، إلى أكسيد نتروجين آخر، وبذلك يستمر فعل هذه الأكاسيد مدّة طويلة.

وقد قامت الولايات المتحدة في فترة ما بمنع طيران طائرة الكونكورد في الأجواء الأمريكية، باعتبار أن محركات مثمة هذه الطائرات يتكون فيها نسبة واضحة من أكاسيد النتروجين وبخار الماء، وهي عوامل قد تساعد على تحلل طبقة الأوزون في هذه الأجواء.

وقد قامت لجنة رسمية أمريكية ببحث أثر الطيران الأسرع من الصوت في تركيب الهواء، وقدمت تقريرا عام 1971 جاء فيه: أن التركيز الطبيعي لبخار الماء في الهواء يصل إلى نحو 3 أجزاء في المليون، وأن الأمر يحتاج إلى نحو 500 طائرة من الطائرات التي تطير على ارتفاع 21 كليومترا وبسرعة 3 ماخ، أي بسرعة 3300 كليومتر في الساعة تقريبا، ولمدة 30 سنة للوصول إلى مثل هذا التركيز من بخار الماء في طبقات الجو العليا. كذلك تبين أن أكاسيد النتروجين التي تنتج من هذه المحركات ضئيلة جدا عند مقارنتها بكميّة هذه الأكاسيد التي تتصاعد في الهواء من سطح الأرض عند إحراق الوقود في المصانع، وفي محطات القوى، وفي محركات السيارات.

وتشترك مركبات الكلوروفلوكربون مع أكاسيد النتروجين في تدمير طبقة الأوزون. وهذه المركبات على قدر كبير من الثبات، ولذلك فهي تبقى في الهواء مدة طويلة، وتحملها تيارات الهواء الصاعدة في طبقات الجو العليا، وقد وجد تركيز محسوس من هذه المركبات على ارتفاع نحو 18 كيلو مترا من سطح الأرض عند خط الاستواء، وعلى ارتفاع نحو 7 كيلومترات فوق المناطق القطبية.

وتنحل بعض جزيئات الكلوروفلور كربون بتأثير الأشعة فوق البنفسجية القوية في طبقات الجو العليا، معطية بعض ذرّات الكلور النشيطة التي تتفاعل بعد ذلك مع الأوزون.

وهناك اهتمام عالمي اليوم بمشكلة الأوزون، وقد عقد في مدينة "بولدر" بالولايات المتحدة عام 1980 مؤتمر للجنة الدولية للأوزون قدمت فيه أعداد كبيرة من البحوث التي تتعلق بهذه المشكلة، بلغت في مجموعها نحو 250 بحثا، واشترك في تقديمها عدد كبير من علماء الدول المختلفة، واتفق أغلب هذه البحوث على أن هناك خطرا متزايدا على الكائنات الحية التي تعيش على سطح الأرض من النقص الملحوظ في طبقة الأوزون.

وطبقا لهذه البحوث فإنّه من المتوقع أن يحدث نقص في طبقة الأوزون بمقدار 10-16% في خلال السنوات القليلة القادمة، إذا استمر الإنسان في استعماله غير المتحفظ بمركبات الكلورفلورو كربون وما يماثلها من مركبات.  

وطبقا لبعض البيانات التي ذكرها "كاليس وتاتارجان"

(L.B Callis and M.Natarajan)

عام 1981، فإنّه كانت هناك زيادة طفيفة في كميّة الأوزون في المدّة (1962-1970)، ثم حدثت بعد ذلك عملية اتزان بين تفكك هذا الغاز وتكوينه من الأكسجين حتى عام 1979، ثم بدأ تركيز طبقة الأوزون في النقص منذ بداية عام 1980.

ويرى هذان الباحثان أن زيادة نسبة غاز ثاني أكسيد الكربون في الجوّ تعمل على رفع درجة حرارة طبقات الجوّ الملاصقة لسطح الأرض، وأنّه نتيجة امتصاص ثاني أكسيد الكربون للأشعة الحرارية المنعكسة من سطح الأرض فإنّ ذلك يساعد على زيادة برودة طبقات الجوّ العليا، ويقلّل بالتالي من معدل تفكك الأوزون إلى حدّ كبير.

ويبين المنحنى المبيّن ثبات الأوزون في وجود ثاني أكسيد الكربون فقط، ولكن سرعة التفكك تزداد عند اختلاط ثاني أكسيد الكربون بمركبات الكلوروفلورو كربون، وتزداد بشكل أكبر عند زيادة تركيز هذه المركبات الأخيرة.

وفي عام 1985 قام ثلاثة من الباحثين من مجموعة

(Survey British Anatarctic)

التابعة للمجلس البريطاني لبحوث البيئة بإجراء بعض القياسات على طبقة الأوزون فوق المنطقة القطبية الجنوبية في محطة "خليج هالي"

(Hally Bay)

في شهر أكتوبر من كل عام، وهو بداية الربيع في هذه المنطقة.

وقد نشرت بحوث هذه المجموعة في رسالة إلى مجلة

(Nature)،

ومنها تبين أن كمية الأوزون فوق القطب الجنوبي كانت تتناقص بشكل ظاهر خلال الفترة (1979-1985) في أوائل أكتوبر من كل عام، أي في بدء الربيع القطبي، مما عرف فيما بعد باسم ثقب الأوزون.

وقد أكّد هذا النقص في طبقات الأوزون فوق هذه المناطق كل من "كروجر وستولارسكي"

(Kruger and Stolarsky)

من علماء هيئة الفضاء الأمريكية (NASA) عن طريق بعض الصور التي التقطها القمر الصناعي "نيمبوس – 7"

(Nimbus-7)

ضمن البرنامج المسمى "نظام الخرائط للأوزون الكلي" (Total Ozone Mapping System) والمختصر إلى (TOMS).

وقد دلّت هذه الصور، التي أخذت في أكتوبر عام 1984، على وجود كميّة قليلة جدا من الأوزون فوق منطقة القطب الجنوبي، وظهرت هذه المنطقة ملونة باللون الأسود البنفسجي، ومع ذلك فقد كان يحيط بهذه المنطقة تركيز عال من الأوزون ظهر في هذه الصور بلون أخضر.

وعند إعادة التقاط صور نفس هذه المنطقة بواسطة القمر الصناعي في أكتوبر عام 1985، أي بعد التقاط الصور الأولى بعام كامل، تبين أن تركيز الأوزون فوق المنطقة القطبية قد قلّ عن العام السابق.

وقد تمّت دراسة حالة الجوّ فوق القطب الجنوبي خلال العام الجيوفيزيقي الدولي (1957-1958)، وتبين من هذه الدارسة أن الأوزون يتكون في طبقات الجو العليا فوق خط الاستواء من الأكسجين كما سبق ذكره، فتنحل بعض جزيئات الأكسجين بتأثير الأشعة فوق البنفسجية إلى ذرات حرة، ثم يعود بعض هذه الذرات للاتحاد بجزيئات الأكسجين لتكوّن الأوزون.

وتحمل الرياح في دورتها العادية هذا الأوزون إلى منطقة القطب، فترتفع فيها نسبة الأوزون في طبقات الجو العليا عندما يضاف هذا الأوزون إلى ما يتكون منه طبيعيا في هذه المنطقة.

أما في فصل الشتاء فإن الليل القطبي يسود فوق المنطقة القطبية الجنوبية، ويترتب على ذلك عدم تكون الأوزون في طبقات الجو العليا فوق هذه المنطقة لغياب الأشعة البنفسجية في هذا الفصل.

ويؤدي ذلك إلى أن الأوزون الموجود أصلا في طبقات الجو فوق المنطقة القطبية الجنوبية لا يتجدد في فترة الليل القطبي الطويل، بل إن بعض جزيئات الأوزون تنحل بمرور الزمن بطريقة تدريجية، ويبدأ تركيزه في النقصان بمرور الوقت، حتى يصل هذا التركيز إلى أقلّ قيمة له في سبتمبر / أيلول من كل عام.

وهذا النموذج ليس مؤكدا حتى الآن، وهناك نوع من الصراع بين نظريتين: إحداهما تعزو هذا النقص في تركيز الأوزون إلى أسباب اصطناعية نتيجة تلوث طبقات الجوّ بالغازات والشوائب الناتجة من نشاطات الإنسان، مثل تلك البحوث والدراسات التي قام بها كل من "سولومون"،

(Solomon)

"ماكلروي"

(Mc Elory)

ومعاونيهما، وقدم كل منهم ميكانيكية لتفسير الأسباب في تدمير طبقة الأوزون، كان أهمّ عامل فيها هو جزيئيات (CLO) التي تنتج من تلوث الهواء ببعض مركبات الكلوروفلوروكربون.

وهناك علماء آخرين مثل "كاليس" (Callis) ومعاونيه، بمركز بحوث لانجلى التابع لهيئة (NASA)، يرون أنه يجب ألا نتغاض عن بعض الأسباب الطبيعية التي تشترك في الإقلال من تركيز الأوزون في الطبقات العليا للجو، مثل النشاط الزائد للشمس، فكلما زاد نشاط الشمس زاد تركيز أكسيد النتروجين (NO) خصوصا في طبقات الميزوسفير، وينتقل هذا الأكسيد إلى القطب أثناء فترة الليل القطبي، ويتحد مع الأوزون محولا إياه إلى أكسجين.

وللإجابة عن هذ التساؤل، هل النقص في تركيز الأوزون فوق القطب الجنوبي يعود إلى أسباب طبيعية أم لأسباب اصطناعية من فعل الإنسان؟ قامت عدة هيئات بعقد مؤتمر في مارس 1986، اشتركت فيه هيئة الفضاء الأمريكية (NASA)، وهيئة الإدارة الأهلية لدراسات الجو والمحيطات،

National Oceanographic of Atmospheric Administration (NOAA)

واتحاد الصناعات الكيميائية

Chemical Manufacturers Association (CMA).

وقد نوقشت عدّة بحوث في هذا المؤتمر، وهكذا بدا لأول مرة عمل منظم على أساس علمي لبحث مشكلة الأوزون، ولتقديم حلول جذرية لها. وقد تضمنت خطة العمل إطلاق بالونات من محطة "ماك موردو" (Mc Murbo)، ومن محطة "أموندسون سكوت" (Amundsen Scott) بالقطب الجنوبي لقياس تركيز الأوزون في طبقات الجو العليا في هذه المنطقة، كذلك خصصت طائرة بواسطة "المؤسسة الأهلية للعلوم" بالولايات المتحدة 

National Science Foundation (NSF)

تحمل معدات خاصة من جامعة نيويورك، ومن الإدارة الأهلية لدراسة الجو والمحيطات (NOAA) لقياس تركيز بعض أصناف خاصة من الجزيئات مثل: جزيئات الأوزون O3، وأكاسيد النتروجين NO، NO2، وأكاسيد الكلور مثل CLO، وكذلك لقياس تركيز بعض الأحماض مثل: حمض النتريك HNO3، وحمض الهدروكلوريك HCL وغير ذلك من الشوائب التي قد توجد في طبقات الجو فوق المنطقة القطبية.

وفي 16 سبتمبر 1987 اجتمعت 14 دولة من مونتريال بكندا، ووقعت هذه الدول بروتوكول اتفاقية نافذة المفعول في أول يناير 1989 لتنظيم استعمال المواد التي تؤثر في طبقة الأوزون، وتعتبر هذه الاتفاقية امتدادا لمؤتمر فينا الذي عقد في عام 1985 لحماية طبقة الأوزون.

وقد اهتم كثير من الهيئات العلمية بمشكلة تدمير طبقة الأوزون المحيطة بالأرض، فقامت جماعة ألمانية فرنسية في يناير 1988 بقياس نسبة الأوزون في الجو في شمال السويد وحول القطب الشمالي.

كذلك قامت جماعة أمريكية عام 1987 تحت اسم "التجارب الجوية لأوزون المنطقة القطبية الجنوبية"

Experiment Airborne Antarctic Ozone (AAOE) 

بإجراء بحوث في هذا الاتجاه، ووضع تحت تصرف هذه الجماعة طائرتين مجهزتين بكثير من الأجهزة المتقدمة: إحداهما طائرة من نوع (DC8) تطير على ارتفاع 12 كيلومترا، والأخرى طائرة (ER2) وهي من نوع طائرات (LL2) التي تطير على ارتفاعات عالية، وقامت الطائرة الأولى بتغطية نحو 14000 من الكيلومترات فوق منطقة القطب الجنوبي، بينما قامت الطائرة الثانية بتغطية نحو 70000 كيلومتر فوق المنطقة نفسها، وقامت هذه الجماعة بقياس تركيز كل من الأوزون، وبخار الماء، وأكاسيد النتروجين، والكلور، والميثان، ومركبات الكلورو فلورو كربون بالإضافة إلى تركيز الشوائب الأخرى والأحماض التي قد توجد في طبقات الجوّ العليا في هذه المناطق.

وعند تحليل النتائج التي حصلت عليها هذه الجماعة تبين انه في أثناء الليل القطبي يكون تركيز الأوزون منتظما في شمال وجنوب المنطقة القطبية، ولكن قيمته تكون قليلة إلى حد ما، بينما تزداد نسبة مركب الكلور CLO اتجهنا جنوبا، ويحدث العكس أثناء النهار القطبي، فيكون تركيز الأوزون أعلى قليلا من تركيزه في الليل القطبي، ويقلّ هذا التركيز كلما اتجهنا جنوبا. 


ويتبين من نتائج هذه البحوث أن ثقب الأوزون فوق المنطقة القطبية الجنوبية قد أصبح أكثر وضوحا مما كان عليه في عام 1986، وأنه قد بدأ بالانحدار الأفقي في منطقة محيطه بالقطب الجنوبي.

كذلك اتّضح أن انخفاض نسبة الأوزون يكون أوضح ما يمكن على ارتفاع 12-20 كيلومترا من سطح الأرض، وأن هذا الانخفاض يتفق تماما مع القياسات الواردة من الأقمار الصناعية.

وقد ثبت الآن أنّ نسبة الأوزون فوق منطقة القطب الجنوبي قد أصبحت مساوية لثلث نسبة الأوزون المحيط بالمناطق الأخرى من الأرض.

وقد لاحظت هذه البعثات العلمية أن تركيز مركب الكلور (CLO) يزداد في طبقات الجو العليا، كما لاحظت "بعثة الأوزون الأهلية"

National Ozone Expedition (NOZE)

 المقيمة في محطة "'ماك موردو" أن نسبة (CLO) قد ازدادت كثيرا في عام 1987 على ما سبق لهذه البعثة نفسها أن سجلته في العام السابق في طبقات الجو العليا في القطب الجنوبي.

ومن المعتقد الآن أن مركب الكلور (CLO) هو واحد من أهم المواد المسببة لتفكك جزيئات الأوزون، ويتكون هذا المركب من تحلل جزيئات مركبات الكلورو فلورو كربون التي يطلقها الإنسان كل يوم في الهواء، ويتضح ذلك بجلاء من المنحنى السابق، حيث تنخفض نسبة الأوزون أثناء النهار القطبي في الوقت الذي يزداد فيه تركيز (CLO) في الجوّ. 

وقد نشر في مارس 1988 أول تقرير عن أعمال مجموعة من الهيئات والمؤسسات تعرف باسم

(Ozone Trend Panel)

وتقوم بمتابعة موقف الأوزون الحالي، وتضم هذه المجموعة هيئة الفضاء الأمريكية (NASA)، والإدارة الأهلية لدراسة الأجواء والمحيطات (NOAA)، وإدارة الطيران الأهلية

Federal Aviation Administration (FAA)

وبرنامج الأمم المتحدة للبيئة

United Nations Envirommental Program (UNEP).

ويتبين من تقرير هذه المجموعة أن نسبة الأوزون في طبقات الجو فوق منطقة القطب الجنوبي قد قلت كثيرا في عام 1985 عن أول قياس تم أخذه للأوزون في المنطقة نفسها منذ عام 1978.

ومن حسن الحظ أن هناك هيئات عالمية كثيرا تعمل معا لحل هذه المشكلة والوصول إلى أسبابها الحقيقية، وعلى رأس هذه الهيئات هيئة الأمم التي أقامت قاعدة للمعلومات الدولية ومصادرها (GRID) ضمن برنامج الأمم المتحدة للبيئة (UNEP)، وتوجد حاليا ثلاثة مراكز في نيروبي، وجنيف، وبانكوك، وهي عبارة عن شبكة لرصد المعلومات المتعلقة بالبيئة لتوفيرها لكل الجهات التي تطلبها من حكومات وهيئات ومراكز بحث وغيرها.

وقد افتتحت رئيسة وزراء النرويج دكتورة جروهارلم برونتلاند حديثا مركزا رابعا يكمل المراكز الثلاثة الأولى، وقد أقيم هذا المركز في مدينة "أرندال" جنوب النرويج، وزود بكثير من أجهزة الرصد، والاتصال، وبالعقول الإلكترونية، ورصدت له الحكومة النرويجية 1.4 مليون دولار. وسيقوم هذا المركز مثل المراكز الثلاثة الأخرى بجمع المعلومات الخاصة بالبيئة والتغيرات الجوية، كما سيقوم بجمع المعلومات عن المنطقة القطبية الشمالية، ومعلومات عن زيادة التلوث وأثر ذلك في الغابات وفي طبقة الأوزون.

وقد اجتمع علماء 48 دولة في شهر أغسطس (آب) 1989 في مؤتمر الأمم المتحدة للبيئة المنعقد في نيروبي، وأطلقوا صرخة تحذير من العواقب الوخيمة للأضرار التي قد تنشأ عن تدمير طبقة الأوزون.

وقد صرح "دكتور جان فان ديرليون" رئيس المجموعة العلمية في هذا المؤتمر بأن هناك خطرا متزايدا على إمدادات الغذاء بالنسبة لكل سكان العالم، وذلك لأن النقص في الأوزون سيؤثر بطريقة غير مباشرة في الطاقة الإنتاجية للمحاصيل، وفي الثروة السمكية، وأن أي نقص في إنتاج الغذاء ولو بدرجة ضئيلة سيؤثر تأثيرا سيئا خصوصا في المواطنين الذين يعيشون في المناطق التي تعاني بالفعل من المجاعة في دول العالم الثالث، هذا بالإضافة إلى ما قد يسببه نقص الأوزون من مخاطر ارتفاع درجة الحرارة، وارتفاع مستوى مياه البحر، وما قد يسببه هذا النقص من الإصابة بسرطان الجلد.

ملفات وبحوث العلوم الفيزيائية السنة السابعة أساسي