آلودگی هوا در اتمسفیر

زمین تا کنون شبیه مادری از انسان نگهداری کرده و حالا آسمان است که با ویژگی های خاص خود مثل پدری بالای سر بشریت سایه افکنده است.زمین اگر چه گاهواره تمدن انسان است، اما هیچ کودکی را نمی توان برای همیشه در گهواره نگاه داشت. در عصر فضا، بشریت به سنی رسیده است که می تواند از موهبت های آسمانی بهره برداری کند. بقیه در ادامه مطلب...

زکات علم در نشر ۀآن است. امام علی(ع)

طبقات اتمسفیر


مقدمه

 
زمین تا کنون شبیه مادری از انسان نگهداری کرده و حالا آسمان است که با ویژگی های خاص خود مثل پدری بالای سر بشریت سایه افکنده است.زمین اگر چه گاهواره تمدن انسان است، اما هیچ کودکی را نمی توان برای همیشه در گهواره نگاه داشت. در عصر فضا، بشریت به سنی رسیده است که می تواند از موهبت های آسمانی بهره برداری کند. پیشرفت و تکامل جوامع انسانی و افزایش نیازهای ارتباطی، بشر را به سمت استفاده از فضا در جهت توسعه روش های نوین زندگی و حیات سوق داده است.
بیش از نیم قرن است که مسئله فضا و حضور انسان در فضا و به دنبال آن ساخت و پرتاب ماهواره و فضاپیماهای فضایی در زندگی بشر مطرح شده است. در این مدت افق دید بشر به مدد فعالیت های فضایی هزاران سال رشد پیدا کرده است. امروز حتی دور افتاده ترین نقاط جهان هم از مواهبی که فناوری فضایی برای آنها به ارمغان آورده است بهره می برند. فضا اگر چه هنوز کالایی لوکس و تشریفاتی برای بسیاری از مردم به شمار می رود، اما توانسته است ضرورت وجود خود را به همگان ثابت کند. زمانی بیش از یک قرن پیش و قبل از آنکه عصر فضا آغاز شود، تسیلکوفسکی، معلم ساده ای که در نقطه ای دور افتاده در روسیه، به تحقیق در زمینه سفر به فضا را ارائه داد، اما هیچ کس در آن زمان او را جدی نگرفت. شاید خود او هم تصور نمی کرد یک قرن بعد علوم فضایی تا چه حد پیشرفت خواهد کرد.
جو زمین
اکنون، یکی از پیشرفته ترین علوم دنیا، علوم فضایی است که در انحصار چند کشور محدود است و اکثر کشورها از داشتن این فناوری محروم هستند. کشور ما نیز تا کنون توانسته است تنها بخشی از دستاوردهای این فناوری را استفاده کند. فناوری فضایی به عنوان یکی از فناوری های نوین در سند چشم انداز بیست ساله کشور مطرح شده است. در اختیار داشتن این فناوری معرف درجه ای از توان کشور است. استفاده از این فناوری پیشرفته به حدی گسترده و موثر است که امروزه در اقصی نقاط جهان دولت های مختلف به دنبال استفاده کامل از فواید فضا در تمام زمینه ها هستند. اهمیت این موضوع را می توان در اعلامیه هزاره سوم سازمان ملل نیز مشاهده کرد. این اعلامیه محورهای توسعه انسانی، امنیت و رفاه انسان را را به طور خاص در استفاده از فضا یادآوری کرده است.
 
جو
 
از سطح زمین که جدا می شویم حدود 80 درصد جرم جو یا اتمسفر زمین در همان 10 کیلومتر نخست جمع شده است. جو زمین به صورت لایه های مختلف از گازها است که زمین را احاطه کرده اند. این گازها با جاذبه زمین نگه داشته شده اند. جو زمین از گازهایی نظیر نیتروژن (%1/78) و اکسیژن (%9/20) همراه مقدار کمی از آرگون (%9/0)، دی اکسید کربن (متغیر، ولی حدود %035/0)، بخار آب و دیگر گازها تشکیل تشکیل می شود. جرم حجمی هوا در سطح دریا حدود 2/1 کیلوگرم بر متر مکعب است. این جرم حجمی با افزایش ارتفاع کم و به همین صورت فشار آن کاهش می یابد. مجموع جرم جو زمین در حدود 105× 4018 کیلوگرم است که بخش بسیار ناچیزی از کل جرم زمین را تشکیل می دهد.
جو زمین موجودات زمینی را از طریق جذب اشعه فرابنفش خورشید، متعادل کردن دمای زمین یعنی کم کردن اختلاف دمای زمین بین روز و شب، نابودی شهاب سنگ های نه چندان بزرگ و مهار ذرات پر انرژی و خطرناک منتشر شده از خورشید و کیهان، محافظت می کند. همچنین این جو، روز را برای موجودات زمین روشن می کند.
مرز دقیقی بین لایه های جو وجود ندارد اما جو به سرعت با افزایش ارتفاع رقیق می شود و نمی توان مرز مشخصی بین جو و فضای خارج از جو تعیین نمود. در ایالات متحده کسانی که به بالای 50 مایل (80 کیلومتر) سفر کنند، فضانورد شناخته می شوند. ارتفاع 400 هزار پا (75 مایل یا 120 کیلومتر) جایی است که تأثیر قابل توجهی در مشاهد انسان از فضا می گذارد. همچنین ارتفاع 100 کیلومتری یا 62 مایلی ارتفاعی است که عمدتاً به عنوان مرز بین جو زمین و فضا استفاده می شود.
 
  اتمسفیر و اتمسفر
لایه های جو
 
اتمسفر زمین را بر حسب چگونگی روند دما، اختلاف چگالی، تغییرات فشار، تداخل گازها و سرانجام ویژگی های الکتریکی به لایه های زیر تقسیم کرده اند:
1- تروپوسفر (Troposphere)
2- استراتوسفر (Stratosphere)
3-مزوسفر (Mesosphere)
4-یونسفر (Ionosphere)
5-اگزوسفر (Exosphere)
 
   تروپوسفر
 
لایه تروپوسفر، پایین ترین لایه اتمسفر است که به خاطر حرکت با چرخش زمین آن را "گشت کره" یا ترپوسفر می نامند. ضخامت تروپوسفر، از شرایط حرارتی متفاوتی که در عرض های جغرافیایی مختلف حاکم است، تبعیت می کند. این ضخامت معمولاً از 17 تا 18 کیلومتر در استوا به 10 تا 11 کیلومتر در مناطق معتدل و 7 تا 8 کیلومتر در قطب ها تغییر می کند. تروپوسفر بخشی از جو زمین است که ابرها در آنجا قرار دارند و بیشتر پدیده های هواشناسی دراین قسمت رخ می دهد. این لایه تقریباً 80 درصد از مجموع جرم هوا را شامل می شود. معمولاً هواپیماهای جت در نزدیکی بالای این لایه پرواز می کنند تا بتوانند از آشفتگی های جوی و چاله های هوایی آن فرار کنند.
وجه تمایز این لایه با دیگر لایه های اتمسفر، تجمع تمامی بخار آب جو زمین در آن است، به همین دلیل بسیاری از پدیده های جوی که با رطوبت ارتباط دارند و عاملی تعیین کننده در وضعیت هوا به شمار می آیند (از قبیل ابر، باران، برف، مه و رعد برق) تنها در این لایه رخ می دهند. این لایه از گازهای ازت یا نیتروژن، اکسیژن، دی اکسید کربن، ازن و بخار آب تشکیل می شود.
 
 ازت
 
نیتر یا ازت یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن N و عدد اتمی آن 7 است. نیتر معمولاً به صورت یک گاز، غیر فلز، دو اتمی بی اثر، بی رنگ، بی مزه و بی بو است که % 78 جو زمین را در بر گرفته و عنصر اصلی در بافت های زنده است. نیتر دو ایزوتوپ پایدار دارد: ایزوتوپ 14- N است که در چرخه ای در اثر عمل هم جوشی هسته ای در ستارگان تولید می شود. نیتروژن ترکیبات مهمی مانند آمونیاک اسید نیتریک وسیانیدها را شکل میدهد. گاز ازت به صورت مولکولی است. تجزیه مولکول های ازت مشکل است و تا ارتفاع 500 کیلومتری غلظت ازت اتمی (N) خیلی کم است. در جو، ترکیبات ازت دار مانند دی اکسید ازت NO2 در اثر آتشفشان، آتش سوزی، دود کارخانجات ونظایر اینها وجود دارد که در اثر تجزیه، تولید ازن می کند.
 
 اکسیژن
 
گاز اکسیژن با اشعه های فرابنفش خورشیدی تجزیه می شود. غلظت اکسیژن مولکولی با افزایش ارتفاع کاهش می یابد، در حالی که اکسیژن اتمی (O) نسبت به ارتفاع افزایش می یابد. به همین ترتیب میزان مولکول اکسیژن در تروپوسفر از سایر لایه های جوی بیشتر است، در ارتفاع 130 کیلومتری دو سوم اکسیژن موجود در آن ارتفاع به صورت اتمی است و در ارتفاع 500 کیلومتری مقادیر ناچیزی از اکسیژن مولکولی باقی مانده است. اکسیژن اتمی منبع تولید ازن است.

 

 گاز کربنیک CO2

 

مقدار گاز کربنیک در حالت طبیعی در تروپوسفر 3% درصد است، ولی امروزه به دلیل گسترش صنایع مقادیر آن رویانیان به افزایش است. گاز کربنیک تابش خورشیدی را جذب کرده و تجزیه می شود. طول موج اشعه ای که باعث تجزیه گاز کربنیک می شود زیر 169/0 میکرون بوده و این گستره موجی با اکسیژن (O2) نیز جذب می شود و از تجزیه گاز کربنیک محافظت می کند. بدین ترتیب، در ارتفاع 90 کیلومتری، کار فتوشیمیایی روی گاز کربنیک کم است. گاز کربنیک در تعادل حرارتی زمین و جو نقش بسیار مهمی دارد و تابش های خروجی از سطح زمین را در طول موج معین جذب و از کاهش حرارت جلوگیری می کند (اثر گلخانه ای). این گاز جزو آلوده کننده های جو به شمار می رود و بر اثر      آشفتگی های جوی گسترش می یابد. منابع تولید آن تنفس انسان، حیوان، آتشفشان و صنایع است.
 
 ازن
 
اندازه گیری ها نشان می دهند که حداکثر مقدار ازن در حدود 25 کیلومتری قرار دارد و توزیع آن به طور عمومی یکسان نیست. از ارتفاع مذکور، هر چه به طرف بالا یا پایین برویم از مقدار آن کاسته می شود، به طوری که در حدود 70 کیلومتری به کمترین مقدار خود می رسد. در اثر تجزیه اکسیژن، گاز کربنیک و دی اکسید ازت دراثر تابش فرابنفش خورشیدی و در طول موج معین، اکسیژن اتمی تولید می شود. آمیزش اکسیژن اتمی و اکسیژن مولکولی در حضور یک ذره سوم موجب تولید ازن می شود:
O + O = O2
O2 + O = O3
واکنش های فوق در ارتفاع 25 کیلومتری بهتر و بیشتر انجام می پذیرد. به دلیل اینکه چگالی هوا به گونه ای است که مقدار زیادی اکسیژن اتمی وجود دارد.
ازن از نظر زیستی نقش مهمی دارد، چون تابش فرابنفش خورشیدی را جذب می کند و تجزیه می شود و از رسیدن بیش از حد تابش فرابنفش به زمین جلوگیری می کند.
O3 = O2 + O + E
اگر مقدار ازن از 6 تا 10 درصد تجاوز کند، فرابنفش بیشتری را جذب می کند و این باعث ایجاد عارضه کاهش ویتامین D در بدن جانداران و ایجاد بیماری راشیتیسم می شود.
بخار آب (H2O)
در جو هوا کاملاً خشک نیست، اگر چه در بیابان ها و عرض های جغرافیایی بالا نسبتاً خشک باشد. در هر حال همیشه بخار آب همراه هوای خشک وجود دارد. تخیر آب از آب های خارجی (اقیانوس ها و دریاها) و آب های داخلی زمین و گیاهان، منبع ایجاد بخار آب، ابرها و بارندگی ها است. بخار آب به نسبت متغیری در جو وجود دارد و هر قدر ارتفاع بیشتر شود، از مقدار آن کاسته می شود.
 
 پدیده های لایه تروپوسفر
 
سرچشمه اصلی حرارتی و گرمایی لایه تروپوسفر، تماس این لایه با سطح زمین است که زمین بخش اعظم این گرما را در طول روز از خورشید می گیرد. تشعشع حرارتی خورشید در سطح زمین حدود 1358 وات بر متر مربع و بازتابش حرارتی زمین در نزدیکی آن حدود 235 وات بر متر مربع است. از این رو با افزایش ارتفاع، افزون بر فاصله گرفتن از منبع گرما (سطح زمین) به خاطر کاهش غلظت هوا، با کاهش دما مواجه خواهیم بود. نرخ متوسط کاهش دما نسبت به ارتفاع در این لایه 6 درجه سانتیگراد در هر کیلومتر و متوسط دمای جو در این لایه 14 درجه سانتی گراد است.
گاهی دما نسبت به ارتفاع در این لایه افزایش می یابد که این حالت استثنایی را در هواشناسی اینورژن        می گویند. یک پدیده طبیعی اینورژن در صبحگاه اتفاق می افتد. می دانیم که گرم بودن هوا در شب به علت تابش حرارتی شبانه سطح زمین است. در اوایل صبح زمین بیشتر گرمای خود را از دست می دهد چون آن را به لایه های هوای بالای خود داده، و در نتیجه هوای گرم بالا رفته و هوای سرد جای آن را گرفته است. زمین هم دیگر انرژی گرمایی کافی برای گرم کردن بسته هوای سرد که اکنون روی آن مستقر است را ندارد تا بتواند آن را گرم کند. بنابر این، دیگر جا به جایی بین بسته هوای سرد پایینی و بسته هوای گرم بالایی صورت نمی گیرد. پس یک سامانه پایدار به صورت هوای راکد و ماندگار به وجود         می آید. این حالت پایدار را پدیده اینورژن می گویند. اینورژن می تواند خیلی خطر آفرین باشد، چون دود حاصل از کارخانجات، خودروها و آلاینده های دیگر که بطور عادی با جابه جایی هوای گرم و سرد از سطح زمین دور می شد در این شرایط پایدار قرار می گیرد و نمی تواند از زمین دور شود. این پدیده باعث اختلالات تنفسی مردم شهرها می شود.
روشنایی روز، رنگ زیبا و نیلگون آسمان هم از پدیده های این لایه اتمسفر است. چرا؟ خیل ساده است. به نظر نیوتن رنگ های ظاهری اجسام طبیعی بستگی به این دارد که از آنها چه رنگی شدیدتر منعکس یا به سوی بیننده پراکنده می شود. می دانید نیتروژن یا ازت بیشترین گاز موجود در اتمسفر است و همچنین ابعاد مولکول آن برابر طول موج رنگ آبی طیف نور خورشید است. طبق پدیده فیزیکی پراکندگی موج در برخورد با موانع به ابعاد طول موج، ازت بیشترین پراکندگی را در این رنگ نور آفتاب درون جو ایجاد می کند، به عبارت دیگر، ما با دیدن رنگ آبی آسمان، گاز ازت موجود در آن را می بینیم.
 
    استراتوسفر
 
این لایه چون روی لایه تروپوسفر قرار دارد، "پوش کره" یا استراتوسفر نامیده می شود. ضخامت متوسط استراتوسفر حدود 35 کیلومتر است و تا ارتفاع 50 کیلومتری قرار دارد. در 3 کیلومتر اول این لایه، که از گازهای سرد تشکیل شده، دمای هوا ثابت است اما در قسمت های بالاتر دمای هوا با ارتفاع افزایش می یابد. تابش پر انرژی فرابنفش خورشید در این لایه جذب مولکول های سه اتمی اکسیژن یعنی O3 (ازن) می شود تا دما با افزایش ارتفاع زیاد شود. دما در بالاترین منطقه این لایه حدود 3- درجه سانتیگراد است. یکی از ویژگی های مهم استراتوسفر وجود ازن در این لایه است که به خصوص در ارتفاع 20 تا 30 کیلومتری سطح زمین بر اثر واکنش های مختلف فتوشیمیایی به دست می آید. مقدار ازن در این لایه معمولاً روند فصلی دارد حداکثر آن در بهار و حداقل آن در پاییز مشاهده می شود.
در استراتوسفر به ندرت ابر تشکیل می شود و تنها در شرایط ویژه ای ممکن است ابرهای کوهستانی به نام ابرهای مرواریدی در ارتفاع 21 تا 29 کیلومتری از سطح زمین ظاهر شوند که علت وجود آنها حرکات موجی شکل هوا از سوی موانع است.
 
    مزوسفر
 
در بالای لایه گرم ازن لایه مزوسفر یا "میان کره" قرار دارد که دما در آن متناسب با افزایش ارتفاع با آهنگ 3 سانتیگراد به ازای هر کیلومتر کاهش می یابد. دما در مرز فوقانی این لایه در ارتفاع 80 تا 90 کیلومتری به 90- درجه سانتیگراد می رسد (یعنی سردتر از رکورد سرمای روی زمین که 89- درجه سانتیگراد در قطب جنوب ثبت شده است). این لایه، که بر فراز نواحی متراکم جوی و نزدیک به سطح، جایی که وجود گازهای گلخانه ای سبب بقای گرما می شود، سردترین جای جو زمین است. نتیجه این دمای پایین، انجماد بخار آب ناچیز موجود در این لایه است که باعث به وجود آمدن ابرهای شب تاب می شوند. این ابرها در تابستان و در عرض های بالا دیده می شوند.
روزانه میلیون ها شهاب سنگ در اثر برخورد با ذرات داخل مزوسفر می سوزند. این برخورد باعث می شود که اجسام آسمانی قبل از رسیدن به زمین بسوزند.
 
 
    یونوسفر
 
از بخش فوقانی مزوسفر تا ارتفاع تقریبی 1000 کیلومتری اتمسفر زمین، بار الکتریکی شدیدی حاکم است که زاییده وجود یون ها و الکترون های آزاد است. در حقیقت پرتوهای پر انرژی خورشید شامل اشعه های ایکس، گاما و ذرات کیهانی که از فضای خارج به طبقات بالایی اتمسفر وارد می شوند، باعث گسستگی پیوند یا یونونیزاسیون مولکول ها و اتم ها می شوند. بر اثر یونیزاسیون، الکترون آزاد می شود و باقی مانده اتم به صورت "یون در می آید، به همین علت این لایه از جو را یونوسفر یا یون کره" نامیده اند. این پدیده دمای یونهای این لایه را تا 1000 درجه سانتیگراد بالا می برد به همین علت این لایه نیز ترمسفر یا "گرما کره" می گویند.
شدت یونیزاسیون در تمام ارتفاعات یونسفر یکسان نیست، بنابراین، لایه های متفاوت با تراکم الکترون و یون متفاوت با ارتفاعات مجاور خود در یونسفر وجود دارد. این لایه ها که در ارتباطات رادیویی اهیمت بسیاری دارند، عبارتند از لایه های دی، ئی و اف.
برخورد ذرات پر انرژی با گازهای جوی این لایه باعث تابش نور می شود. در این پدیده، عناصر مختلف تابش هایی در طول موج های مختلف گسیل می کنند و طیفی از رنگ های زیبا پدید می آورند. این نورها همان شفق قطبی هستند. از آنجا که این ذرات پر انرژی ناشی از بادهای خورشیدی و ذرات کیهانی، از جنس هسته اتم هستند دارای بار الکتریکی بوده و در میدان مغناطیسی زمین به سوی قطب ها منحرف می شوند. بنابراین، محل رویارویی آنها با جو زمین اغلب به صورت حلقه به دور قطب ها است.
 
  اگزوسفر
 
شرایط موجود در یونوسفر در این لایه نیز حاکم است، بدین معنی که گازها در این لایه همچنان قابلیت هدایت الکتریکی خود را حفظ می کنند. سرعت ذرات در این لایه بسیار زیاد است و در مواردی به 11/2 کیلومتر در ثانیه می رسد. اگزوسفر با "برون کره" لایه گذار جو به فضای کیهانی به شمار می آید و تفاوت محسوسی با محیط فضا، تاریکی و خلاء ندارد. بخش فوقانی این لایه را تا ارتفاع بیش از سه هزار کیلومتری از سطح زمین برآورد کرده اند.
با این وجود وقتی سوار بر یک موشک فضایی از زمین دور می شویم، طی چند دقیقه ده ها کیلومتر از زمین فاصله می گیریم. در ارتفاع 40 تا 50 کیلومتری انحنای سطح زمین، لایه آبی جو و تیرگی آسمان پیدا می شود.
مرزهای بین این لایه های جوی تروپوپوز (بین تروپسفر و استراتوسفر)، استراتوپوز (بین استراتوسفر و مزوسفر) و مزوپوز (بین مزوسفر و ترومسفر یا یونسفر) نامگذاری شده اند.
 
فرضیه جو
 
بشر طالب بسیار اندکی را در باره تاریخچه پیدایش زمین در زمانی قبل از حدود یک میلیارد سال پیش می داند. اما به دنبال یک رشته حوادث و فرضیات محتمل نظریه ای ارائه شده است. این نظریه نتیجه پژوهشی است که با تلاش زیاد صورت گرفته و به جا مانده است. اتمسفر امروزی را می توان به عنوان سومین اتمسفر شناخت. اولین اتمسفر با ترکیب شیمیایی از دو گاز معروف هلیم و هیدروژن تشکیل شده بود که در نهایت گرما آن را از هم پاشاند.
حدود 5/3 میلیارد سال پیش سطح زمین به اندازه ای سرد شد که پوسته آن شکل گرفت. سپس به شدت در اثر آتشفشان هایی که بخار، دی اکسید کربن و بخار آمونیاک آزاد می کردند، محاصره شد. این باعث بوجود آمدن اتمسفر دومی شد که اویل شامل دی اکسید کربن، بخار آب و همراه مقداری نیتروژن و بدون اکسیژن بود. دومین اتمسفر 100 برابر اولین اتمسفر گاز داشت. به طور کلی، این باور وجود دارد که پدیده گلخانه ای با بالا رفتن مقدار دی اکسید کربن در جو زمین باعث نگهداری زمین از یخ زدگی می شود.
در طول چند میلیارد سال بعد متراکم شدن بخار آب باعث به وجود آمدن باران و شکل گیری اقیانوس ها و حل کردن دی اکسید کربن شد. حدود %50 از دی اکسید کربن جذب اقیانوس ها شدند. فوتوسنتز گیاهان باعث شد دی اکسیدکربن تجزیه و به اکسیژن تبدیل شود. همچنین در سوخت های فسیلی، سنگ های رسوبی و پوست حیوانات کربن زیادی محبوس شد. اکسیژن آزاد شده با آمونیاک واکنش داده و تشکیل نیتروژن داد. افزون بر این باکتری ها هم توانستد آمونیاک را به نیتروژن تبدیل کنند.
به نظر می رسد گیاهان مهم ترین عامل افزایش میزان اکسیژن هستند. اکسیژن در ابتدا با عنصرهای مهمی از جمله آهن ترکیب شد اما سرانجام پدیده های طبیعی باعث انباشته شدن اکسیژن در جو و تأییدی بر این نظریه شد. همراه با ظهور لایه ازن موجودات زنده مختلف از اشعه فرابنفش بهتر محافظت می شدند. این اتمسفر نیتروژن- اکسیژن سومین اتمسفر به حساب می آید.
منبع: سایت سازمان محیط زیست