طبقة الأوزون

مشكور

الأشعة الفوق بنفسجية و الأوزون و مشعل



رسم بياني يوضح مستويات الأوزون عند ارتفاعات مختلفة و منع الأشعة فوق البنفسجية



على الرغم من ان تركيز الأوزون في طبقة الأوزون قليل, إلا انه مهم بشكل كبير للحياة على الأرض, حيث انها تتشرب الأشعة فوق البنفسجية الضارة (UV) التي تطلقها الشمس. تم تصنيفها على حسب طول موجاتها إلى UV-A و UV-B و UV-C حيث تعتبر الأخيرة خطيرة جداً على البشر و يتم تنقيتها بشكل كامل من خلال الأوزون على ارتفاع 35 كيلومتر فوق سطح الأرض. مع ذلك يعتبر غاز الأوزن سام على ارتفاعات منخفضة حيث يسبب النزيف و غيرها.
من الممكن ان يؤدي تعرض الجلد لأشعة UV-B لإحتراقه (يظهر على شكل احمرار شديد); و التعرض الشديد له قدر يؤدي إلى تغير في الشفرة الوراثية و التي تنتج عنها سرطان الجلد. مع ان طيقة الأوزون تمنع وصول الأشعة UV-B الا انه يصل بعضاً منها لسطح الأرض. معظم أشعة UV-A تصل الأرض و هي لا تضر بشكل كبير إلا انها من الممكن ان تسبب تغيير في الشفرة الوراثية ايضاً.
استنزاف طبقة الأوزون يسمح بالتعرض الأشعة فوق البنفسجية و تحديداً أشعة ذات موجات أكثر ضرر للوصول إلى السطح مما يؤدي إلى زيادة في التغيير بالجينيات الوراثية للأحياء على الارض.

حساسية الحمض النووي للأشعة فوق البنفسجية


مستويات طاقة الأشعة فوق البنفسجية عند ارتفاعات مختلفة, الخط الأزرق يوضح حساسية الحمض النووي (DNA). اللون الأحمر يوضح مستوى الطاقة عند انخفاض 10% بنسبة الاوزون



لتقدير أهمية الوقاية من الأشعة فوق البنفسجية, نستطيع خصائص الضرر من التعرض للإشعاع في طيف ضوئي (action spectrum), حيث يبين لنا تأثير الإشعاع البيولوجي حسب طول الموجات. من الممكن ان يكون التأثير حروق الجلد, تغير في نمو النبات او تغيير في الحمض النووي (DNA). يتغير الضرر من التعرض للإشعاع على حسب طول الموجات. لحسن الحظ, يتغير تركيب الحمض النووي (DNA) بالموجات الأقل من 290 نانومتر و التي تقوم طبقة الأوزون بحجبها بشكل كبير. و في الموجات الأطول التي يحجبها الاوزون بشكل بسيط لا يتضرر الحمض النووي بشكل كبير. لو قل الأوزون بنسبة 10%, سيتم التغيير بنسبة 22% في الحمض النووي من تأثير الأشعة الفوق بنفسجية. للعلم التغيير في الحمض النووي يؤدي أمراض مثل سرطان الجلد, و هذا يوضح أهمية طيقة الاوزون على حياتنا.

توزيع الأوزون في طبقة الستراتوسفير


المتوسط الشهري العالمي لكمية الأوزون الإجمالية



سماكة الأوزون هي الكمية الإجمالية في عامود رأسي من الهواء و هي تختلف لأسباب كثيرة, حيث تكون اقل عند خط الإستواء و أكبر مع المرور عند القطبين. و هي تختلف أيضاً في المواسم, حيثت تكون أكثر سماكة في فصل الربيع و أقل سماكة في فصل الخريف. و الأسباب لذلك معقدة, يتضمن ذلك دورة الغلاف الجوي و قوة الشمس.
بما أن الأوزون الموجود في طبقة الستراتوسفير تنتج بسبب الأشعة الفوق البنفسجية الصادرة من الشمس, لذلك من المتوقع ان تكون اعلى مستويات الأوزون عند خط الإستواء و أقلها عن القطبين و لنفس السبب من الممكن الإستنتاج ان اعلى مستويات الأوزون في الصيف و اقلها في الشتاء. غير أن ذلك غير صحيح حيث أن اعلى مستويات الأوزون متواجدة في القطبين الشمالي و الجنوبي كما تكون أعلى في فصل الربيع و ليس في الصيف, و اقلها في فصل الخريف و ليس الشتاء. خلال فصل الشتاء, تزداد سماكة طبقة الاوزون. تم تفسير هذه الأحجية من خلال دورة الرياح في طبقة الستراتوسفير و المعروفة بدورة بروير-دوبسون (). معظم الأوزون يتم انتاجه فوق القطبين و تقوم دورة الرياح في طبقة الستراتوسفير من عند القطبين بإتجاه و بالعكس إلى ارتفاع اقل في طبقة الستراتوسفير.
دورة بروير - دوبسون في طبقة الاوزون



طيقة الأوزون أكثر ارتفاعاً عند خط الإستواء و أقل انخفاضاً عند الإبتعاد عن خط الإستواء, خصوصاً عند منطقة القطبين. تنوع الإرتفاع في الأوزون سببه بطئ دورة الهواء التي ترفع الأوزون من طبقة الترابوسفير إلى الستراتوسفير.
كلما ابتعدنا عن خط الإستواء زادت سماكة الأوزون بإتجاه القطبين, بشكل عام كمية الأوزون الموجودة في القطب الشمالي أكثر منها في الجنوبي. بالإضافة إلى ذلك, تكون سماكة الأوزون في القطب الشمالي أكبر في فصل الربيع (مارس - أبريل) منها في القطب الجنوبي بينما تكون في القطب الجنوبي أكبر في فصل الخريف (سبتمبر - اكتوبر) منها في القطب الشمالي في نفس الفترة. في الواقع أكبر كميات الأوزون في جميع انحاء العالم توجد في القطب الشمالي خلال فترة الربيع و في خلال الفترة نفسها تكون أقل كميات الأوزون في جميع انحاء العالم توجد في القطب الجنوبي خلال فترة الربيع بالقطب الجنوبي بشهري سبتمبر و أكتوبر و ذلك بسبب ظاهرة ثقب الأوزون.

إستنزاف الأوزون


من الممكن استنزاف طبقة الأوزون من خلال بعض المواد الحفازة و ذلك يضم اكسيد النترات (NO), هيدروكسيل (OH), غاز الكلور (Cl) و غاز البرومين (Br). حيث يوجد مصادر طبيعية لجميع العناصر المذكورة, الا ان تركيز غاز الكلور و غاز البرومين قد ارتفع بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة و ذلك بسبب انتاج البشر لبعض المواد المركبة خصوصاً كلوروفلوروكربون (chlorofluorocarbon) و التى تعرف اختصاراً بإسم (CFCs) و ايضاً بروموفلوروكربون.
هذه المركبات المستقرة كيميائية تستطيع ان تصل إلى طبقة الستراتوسفير حيث تعمل الأشعة فوق البنفسجية على تفكيك كل من الكلور و الفلور. يبدأ كل منهم بتحفيز سلسلة من التفاعل القادرة على تفكيك أكثر من 100,000 جزئ أوزون. الاوزون في الجزء الشمالي من الكرة الأرضية في انخفاض 4% كل عقد. تقريباً أكثر من 5% من سطح الأرض حول القطب الشمالي و القطب الجنوبي, أكثر (لكن بشكل موسمي) قد ينخفض; و هذا ما يمسى بـ ثقب الأوزون.



تظيم استخدام كلوروفلوروكربون


السويد هي أول دولة تمنع استخدام الرشاشات (مثل المبيدات الحشرية) التي تحتوي على كلوروفلوروكربون (CFC) في 23 يناير, 1978. تلتها بعض الدول مثل الولايات المتحدة الأمريكية, كندا و النرويج. و قد منعت المجموعة الأوروبية اقتراح مشابه. حتى في الولايات المتحدة, ما زال غاز كلوروفلوروكربون يستخدم في اماكن اخرى مثل الثلاجات و المنظفات الصناعية حتى بعد اكتشاف ثقب طبقة الأوزون بالقطب الجنوبي في سنة 1985. بعد محادثات و معاهدة دولية (بروتوكول مونتريال), تم وقف انتاج كلوروفلوروكربون (CFC) بشكل كبير ابتداً من 1987 و بشكل كامل في عام 1996.

في 2 اغسطس 2003, قام العلماء بالإعلان ان استنزاف طبقة الأوزون قد بدأ يتباطأ بعد حظر استخدام الكلوروفلوروكربون (CFC).
ثلاث أقمار اصطناعية و ثلاث محطات ارضية اثبتت بطئ استنزاف طبقة الأوزون العليا بشكل كبير خلال العقد الماضي. تمت الدراسة من خلال منظمة الإتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي (American Geophysical Union). بعض الإنحلال ما زال قائم في طبقة الأوزون بسبب عدم قيام بعض الدول بمنع استخدام الكلوروفلوروكربون (CFC) بالإضافة إلى وجوده مسبقاً في طبقة الستراتوسفير قبل منع استخدامه, حيث له فترة انحلال طويلة من 50 إلى أكثر من 100 سنة, و لذلك تحتاج طبقة الأوزون لرجوعها بشكل كامل لعدة عقود.
حالياً يتم تركيب مكونات تحتوي على (C-H) لتحل كبديل لإستخدام الكلوروفلوروكربون (CFC) مثل هايدروكوروفلوروكربون (HCFC), حيث ان هذه المركبات أكثر نشاط و لحسن الحظ لا تبقى فترة كافية في الغلاف الجوي لتصل إلى طبقة الستراتوسفير حيث تؤثر على طبقة الأوزون.