احمد رضا مطلق
عضو جدید
واکنش تشکیل گرمای کافی برای تعیین دما در این منطقه از جو را تولید می کند. بالای استراتوسفر ، هوا بسیار رقیق است و غلظت مولکولها به اندازه ای کم است که بیشتر اکسیژن به صورت اتمی وجود دارد ، که از تفکیک مولکول های o2 به وسیله فوتونهای UV-C نور خورشید به وجود آمده اند. برخورد نهایی اتم های اکسیژن به تشکیل مجدد مولکولهای o2 منتهی می شود ، و این مولکولها مجددا بر اثر جذب نور خورشید تفکیک می شوند.
در این مطلب ، تشکیل اوزون در استراتوسفر و تخریب غیر کاتالیزی آن مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرد. به طوری که خواهیم دید واکنش تشکیل گرمای کافی برای تعیین دما در این منطقه از جو را تولید می کند. بالای استراتوسفر ، هوا بسیار رقیق است و غلظت مولکولها به اندازه ای کم است که بیشتر اکسیژن به صورت اتمی وجود دارد ، که از تفکیک مولکول های o2 به وسیله فوتونهای UV-C نور خورشید به وجود آمده اند. برخورد نهایی اتم های اکسیژن به تشکیل مجدد مولکولهای o2 منتهی می شود ، و این مولکولها مجددا بر اثر جذب نور خورشید تفکیک می شوند.
در استراتوسفر ، شدت نور UV-C خیلی کمتر است زیرا قسمت عمده آن به وسیله اکسیژن موجود در بالای استراتوسفر جذب می شود و چون چگالتر است غلظت اکسیژن مولکولی خیلی بیشتر است. به این دلایل ، قسمت عمده اکسیژن استراتوسفری به جای اکسیژن اتمی به صورت o2 وجود دارد. از آنجا که غلظت مولکولهای o2 نسبتا زیاد است و غلظت اکسیژن اتمی خیلی کم است ، محتملترین سرنوشتی که برای اتمهای اکسیژن استراتوسفری ایجاد شده به وسیله تجزیه نور شیمیایی o2 وجود دارد این است که با مولکولهای اکسیژن دو اتمی برخورد کنند و به این ترتیب اوزون حاصل شود:
گرما +O3 >---------- O + O2
در واقع ، این واکنش منبع تمام اوزون موجود در استراتوسفر است. به هنگام روز ، اوزون به طور پیوسته به وسیله این فرآیند در حال تشکیل شدن است و سرعت تشکیل آن به مقدار نور UV و غلظت مولکولهای اکسیژن در یک ارتفاع معین بستگی دارد. در پایین استراتوسفر وفور O2 خیلی بیشتر از وفور آن در بالای استراتوسفر است زیرا چگالی هوا با نزدیک شدن به سطح زمین به طور فزاینده ای افزایش می یابد. اما در این سطح مقدار نسبتا کمی از اکسیژن تفکیک می شود و از این رو مقدار کمی اوزون تشکیل می شود زیرا تقریبا تمام UV پر انرژی از نور خورشید پیش از رسیدن به این ارتفاع حذف شده است. به این دلیل لایه اوزون خیلی زیاد به پایین تر از استراتوسفر گسترش نمی یابد. بر عکس در بالای استراتوسفر شدت UV-C بیشتر است اما هوا رقیق تر است و بنابراین اوزون نسبتا کمی تولید می شود زیرا اتم های اکسیژن به جای برخورد با تعداد کم مولکول های O2 دست نخورده با یکدیگر برخورد می کنند. در نتیجه چگالی اوزون در جایی که حاصلضرب شدت UV-C و غلظت O2 حد اکثر است به حداکثر می رسد. این حداکثر چگالی اوزون در بالای مناطق حاره در حدود 25 کیلومتری در بالای عرضهای جغرافیایی میانی (همان طور که در نمودار در شکل1 نمایش داده شده است) در21 کیلومتری و در بالای مناطق زیر قطبی در 18 کیلومتری مشاهده می شود. بیشتر اوزون در منطقه ای بین 15 و 35 کیلومتری ، یعنی قسمت تحتانی و میانی استراتوسفر که همچنین به عنوان لایه اوزون شناخته می شود ، واقع شده است.
توجه کنید که منطقه حداکثر چگالی اوزون خیلی پایین تر از ارتفاع 35 کیلومتری است که در آنجا حداکثر غلظت اوزون مشاهده می شود( شکل2الف را ببینید). در ارتفاعات بالاتر، هوابه اندازه ای رقیق است که حتی با وجود بیشتر بودن نسبت مولکولهای اوزون به مولکولهای هوا (یعنی غلظت بیشتر است) ، تعداد مطلق مولکولهای اوزون در لیتر در مقایسه با جمعیت این مولکولها در هوای چگالتر در ارتفاعات کمتر به میزان قابل توجهی کاهش یافته است. در سطوح پایین تر جو اوزون بیشتری در حجم هوا وجود دارد (چگالی بیشتر) اما تعداد دیگر مولکولهای هوا خیلی بیشتر از مولکولهای اوزون است ـ بنابر این غلظت کمتری از اوزون وجود دارد.
برای جذب انرژی گرمایی تولید شده در برخورد بین اکسیژن اتمی (O) و O2 که به تشکیل اوزون منتهی می شود ، مولکول سومی ، که آن را با M نشان می دهیم مانند N2 مورد نیاز است بنابر این واکنش بالا به طور واقع بینانه تر به صورت زیر نوشته می شود:
گرما > O3 + M + ---------- O + O2 + M
آزاد شدن گرما به وسیله این واکنش سبب می شود که دمای استراتوسفر همان طور که در شکل 2-3 ب نشان داده شده از دمای هوای بالا و پایین آن بیشتر باشد. در واقع استراتوسفر به عنوان منطقه ای در فضا تعریف شده که بین این دو دما قرار گرفته است. از روی شکل 2 ب توجه کنید که در استراتوسفر ، هوا در یک ارتفاع معین خنک تر از هوایی است که در بالای آن قرار دارد. نام عمومی این پدیده وارونگی دما است. از آنجا که هوای خنک چگالتر از هوای گرم است به علت نیروی گرانش ، هوای خنک خود به خود صعود نمی کند در نتیجه اختلاف هوا در جهت عمودی در استراتوسفر در مقایسه با اختلاف هوا در تروپوسفر فرایندی بسیار کند است. بنابراین هوا در این منطقه طبقه طبقه شده است و نام استراتوسفر از اینجا گرفته شده است.
نتایج بررسیها نشان می دهد که فوتونهای نور در گستره مرئی و حتی در قسمتهایی از گستره زیر قرمز نور خورشید انرژی کافی برای جدا کردن یک اتم اکسیژن از مولکول O3 را دارند. اما اوزون با جذب نور خورشید اگر چه در این نواحی طول موج مقداری جذب به وسیله O3وجود دارد تفکیک نمی شود. اما نور UV با طول موجهای کوتاه تر از nm 320 که به وسیله اوزون جذب میشود در انجام واکنش تفکیک موثر است. از این رو تنها جذب فوتون UV-C یا UV-B به وسیله مولکول اوزون در استراتوسفر به تخریب آن مولکول منجر می شود:
آرایش الکترونی اتم های اکسیژن تولید شده در واکنش اوزون با نور UV با آرایش الکترونی اتم اکسیژن در پایین ترین انرژی آن تفاوت دارد. اتمها یا مولکولهایی که به طور گذرا در چنین وضعی هستند گفته می شود که در یک حالت بر انگیخته به سر می برد و نماد آنها با یک ستاره به صورت بالاوند (*) مشخص می شود. این قبیل اتمها یا مولکولها در مقایسه با آرایش الکترونها در پایین ترین انرژی که از آن به عنوان حالت پایه یاد می شود یک مقدار انرژی اضافی دارند. در صورتی که اتم یا مولکول برانگیخته به سرعت با اتم یا مولکول دیگری وارد واکنش نشود این انرژی اضافی معمولا تلف می شود.
اکثر اتم های انرژی تولید شده در استراتوسفر به وسیله تجزیه نور شیمیایی اوزون یا O2 متعاقبا با مولکولهای دست نخورده O2 وارد واکنش شده اوزون از نو تشکیل می شود. تعدادی از اتم های اکسیژن نیز با مولکولهای دست نخورده اوزون ترکیب شده و این مولکولها با تبدیل شدن به O2 تخریب می شوند:
2O2 >---------- O3 + O
این واکنش به طور ذاتی کند است زیرا انرژی فعالسازی kJ mol 18 برای این واکنش تا حدودی قابل توجه است و در نتیجه تعداد برخوردهای محدودی با انرژی کافی برای انجام این واکنش صورت می گیرد.
خلاصه مطالب بالا به این صورت است که اوزون در استراتوسفر در طول روز طی یک رشته واکنشهایی که به طور همزمان صورت می گیرند به طور پیوسته تشکیل و تجزیه می شود و از نو به وجود می آید. اوزون در استراتوسفر به این علت تولید می شود که در آنجا به مقدار کافی UV-C از نور خورشید وجود دارد تا تعدادی از مولکولهای O2 را به اتمهای اکسیژن تفکیک کند و اکثر این اتمها با دیگر مولکولهای O2 برخورد می کنند و مولکول اوزون به وجود می آید. گاز اوزون UV-B و UV-C را از نور خورشید حذف می کند اما در جریان این عمل یا در واکنش با اتم های اکسیژن به طور گذرا تخریب می شود. اوزون در پایین تر از استراتوسفر تشکیل نمی شود زیرا در آنجا UV-C لازم برای تولید اتم های O که برای تشکیل O3 مورد نیاز است وجود ندارد. UV-C قبلا در استراتوسفر به وسیله O2 و O3 جذب شده است. در بالای استراتوسفر برتری با اتم های اکسیژن است که با دیگر اتم های اکسیژن برخورد کرده مولکولهای O2 از نو تشکیل می شوند. فرآیندهای تولید وتخریب اوزون در شکل 3 خلاصه شده است.
حتی در لایه اوزون استراتوسفر O3 گازی نیست که بیشترین فراوانی را داشته باشد یا حتی یک گونه اکسیژن دار عمده به حساب نمی آید. غلظت آن هرگز از ppm 10 تجاوز نمی کند ( شکل 2الف را ببینید ). در واقع اگر قرار باشد تمام اوزون استراتوسفر را در سطح زمین تحت فشار اتمسفر جمع آوری کنیم ضخامت این لایه فقط mm 3ر0 خواهد بود. از این رو واژه "لایه اوزون" نا مناسب است. در هر حال این غلظت کم اوزون کافی است تا تمام UV-C باقیمانده و قسمت عمده UV-B باقیمانده را از نور خورشید پیش از رسیدن آن به جو تحتانی حذف کند. احتمالا واژه "حفاظ اوزون" مناسب تر از "لایه اوزون" باشد.
در این مطلب ، تشکیل اوزون در استراتوسفر و تخریب غیر کاتالیزی آن مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرد. به طوری که خواهیم دید واکنش تشکیل گرمای کافی برای تعیین دما در این منطقه از جو را تولید می کند. بالای استراتوسفر ، هوا بسیار رقیق است و غلظت مولکولها به اندازه ای کم است که بیشتر اکسیژن به صورت اتمی وجود دارد ، که از تفکیک مولکول های o2 به وسیله فوتونهای UV-C نور خورشید به وجود آمده اند. برخورد نهایی اتم های اکسیژن به تشکیل مجدد مولکولهای o2 منتهی می شود ، و این مولکولها مجددا بر اثر جذب نور خورشید تفکیک می شوند.
در استراتوسفر ، شدت نور UV-C خیلی کمتر است زیرا قسمت عمده آن به وسیله اکسیژن موجود در بالای استراتوسفر جذب می شود و چون چگالتر است غلظت اکسیژن مولکولی خیلی بیشتر است. به این دلایل ، قسمت عمده اکسیژن استراتوسفری به جای اکسیژن اتمی به صورت o2 وجود دارد. از آنجا که غلظت مولکولهای o2 نسبتا زیاد است و غلظت اکسیژن اتمی خیلی کم است ، محتملترین سرنوشتی که برای اتمهای اکسیژن استراتوسفری ایجاد شده به وسیله تجزیه نور شیمیایی o2 وجود دارد این است که با مولکولهای اکسیژن دو اتمی برخورد کنند و به این ترتیب اوزون حاصل شود:
گرما +O3 >---------- O + O2
در واقع ، این واکنش منبع تمام اوزون موجود در استراتوسفر است. به هنگام روز ، اوزون به طور پیوسته به وسیله این فرآیند در حال تشکیل شدن است و سرعت تشکیل آن به مقدار نور UV و غلظت مولکولهای اکسیژن در یک ارتفاع معین بستگی دارد. در پایین استراتوسفر وفور O2 خیلی بیشتر از وفور آن در بالای استراتوسفر است زیرا چگالی هوا با نزدیک شدن به سطح زمین به طور فزاینده ای افزایش می یابد. اما در این سطح مقدار نسبتا کمی از اکسیژن تفکیک می شود و از این رو مقدار کمی اوزون تشکیل می شود زیرا تقریبا تمام UV پر انرژی از نور خورشید پیش از رسیدن به این ارتفاع حذف شده است. به این دلیل لایه اوزون خیلی زیاد به پایین تر از استراتوسفر گسترش نمی یابد. بر عکس در بالای استراتوسفر شدت UV-C بیشتر است اما هوا رقیق تر است و بنابراین اوزون نسبتا کمی تولید می شود زیرا اتم های اکسیژن به جای برخورد با تعداد کم مولکول های O2 دست نخورده با یکدیگر برخورد می کنند. در نتیجه چگالی اوزون در جایی که حاصلضرب شدت UV-C و غلظت O2 حد اکثر است به حداکثر می رسد. این حداکثر چگالی اوزون در بالای مناطق حاره در حدود 25 کیلومتری در بالای عرضهای جغرافیایی میانی (همان طور که در نمودار در شکل1 نمایش داده شده است) در21 کیلومتری و در بالای مناطق زیر قطبی در 18 کیلومتری مشاهده می شود. بیشتر اوزون در منطقه ای بین 15 و 35 کیلومتری ، یعنی قسمت تحتانی و میانی استراتوسفر که همچنین به عنوان لایه اوزون شناخته می شود ، واقع شده است.
توجه کنید که منطقه حداکثر چگالی اوزون خیلی پایین تر از ارتفاع 35 کیلومتری است که در آنجا حداکثر غلظت اوزون مشاهده می شود( شکل2الف را ببینید). در ارتفاعات بالاتر، هوابه اندازه ای رقیق است که حتی با وجود بیشتر بودن نسبت مولکولهای اوزون به مولکولهای هوا (یعنی غلظت بیشتر است) ، تعداد مطلق مولکولهای اوزون در لیتر در مقایسه با جمعیت این مولکولها در هوای چگالتر در ارتفاعات کمتر به میزان قابل توجهی کاهش یافته است. در سطوح پایین تر جو اوزون بیشتری در حجم هوا وجود دارد (چگالی بیشتر) اما تعداد دیگر مولکولهای هوا خیلی بیشتر از مولکولهای اوزون است ـ بنابر این غلظت کمتری از اوزون وجود دارد.
برای جذب انرژی گرمایی تولید شده در برخورد بین اکسیژن اتمی (O) و O2 که به تشکیل اوزون منتهی می شود ، مولکول سومی ، که آن را با M نشان می دهیم مانند N2 مورد نیاز است بنابر این واکنش بالا به طور واقع بینانه تر به صورت زیر نوشته می شود:
گرما > O3 + M + ---------- O + O2 + M
آزاد شدن گرما به وسیله این واکنش سبب می شود که دمای استراتوسفر همان طور که در شکل 2-3 ب نشان داده شده از دمای هوای بالا و پایین آن بیشتر باشد. در واقع استراتوسفر به عنوان منطقه ای در فضا تعریف شده که بین این دو دما قرار گرفته است. از روی شکل 2 ب توجه کنید که در استراتوسفر ، هوا در یک ارتفاع معین خنک تر از هوایی است که در بالای آن قرار دارد. نام عمومی این پدیده وارونگی دما است. از آنجا که هوای خنک چگالتر از هوای گرم است به علت نیروی گرانش ، هوای خنک خود به خود صعود نمی کند در نتیجه اختلاف هوا در جهت عمودی در استراتوسفر در مقایسه با اختلاف هوا در تروپوسفر فرایندی بسیار کند است. بنابراین هوا در این منطقه طبقه طبقه شده است و نام استراتوسفر از اینجا گرفته شده است.
نتایج بررسیها نشان می دهد که فوتونهای نور در گستره مرئی و حتی در قسمتهایی از گستره زیر قرمز نور خورشید انرژی کافی برای جدا کردن یک اتم اکسیژن از مولکول O3 را دارند. اما اوزون با جذب نور خورشید اگر چه در این نواحی طول موج مقداری جذب به وسیله O3وجود دارد تفکیک نمی شود. اما نور UV با طول موجهای کوتاه تر از nm 320 که به وسیله اوزون جذب میشود در انجام واکنش تفکیک موثر است. از این رو تنها جذب فوتون UV-C یا UV-B به وسیله مولکول اوزون در استراتوسفر به تخریب آن مولکول منجر می شود:
( O2 + O >---------- O3 + UV ( < 320 nm
آرایش الکترونی اتم های اکسیژن تولید شده در واکنش اوزون با نور UV با آرایش الکترونی اتم اکسیژن در پایین ترین انرژی آن تفاوت دارد. اتمها یا مولکولهایی که به طور گذرا در چنین وضعی هستند گفته می شود که در یک حالت بر انگیخته به سر می برد و نماد آنها با یک ستاره به صورت بالاوند (*) مشخص می شود. این قبیل اتمها یا مولکولها در مقایسه با آرایش الکترونها در پایین ترین انرژی که از آن به عنوان حالت پایه یاد می شود یک مقدار انرژی اضافی دارند. در صورتی که اتم یا مولکول برانگیخته به سرعت با اتم یا مولکول دیگری وارد واکنش نشود این انرژی اضافی معمولا تلف می شود.
اکثر اتم های انرژی تولید شده در استراتوسفر به وسیله تجزیه نور شیمیایی اوزون یا O2 متعاقبا با مولکولهای دست نخورده O2 وارد واکنش شده اوزون از نو تشکیل می شود. تعدادی از اتم های اکسیژن نیز با مولکولهای دست نخورده اوزون ترکیب شده و این مولکولها با تبدیل شدن به O2 تخریب می شوند:
2O2 >---------- O3 + O
این واکنش به طور ذاتی کند است زیرا انرژی فعالسازی kJ mol 18 برای این واکنش تا حدودی قابل توجه است و در نتیجه تعداد برخوردهای محدودی با انرژی کافی برای انجام این واکنش صورت می گیرد.
خلاصه مطالب بالا به این صورت است که اوزون در استراتوسفر در طول روز طی یک رشته واکنشهایی که به طور همزمان صورت می گیرند به طور پیوسته تشکیل و تجزیه می شود و از نو به وجود می آید. اوزون در استراتوسفر به این علت تولید می شود که در آنجا به مقدار کافی UV-C از نور خورشید وجود دارد تا تعدادی از مولکولهای O2 را به اتمهای اکسیژن تفکیک کند و اکثر این اتمها با دیگر مولکولهای O2 برخورد می کنند و مولکول اوزون به وجود می آید. گاز اوزون UV-B و UV-C را از نور خورشید حذف می کند اما در جریان این عمل یا در واکنش با اتم های اکسیژن به طور گذرا تخریب می شود. اوزون در پایین تر از استراتوسفر تشکیل نمی شود زیرا در آنجا UV-C لازم برای تولید اتم های O که برای تشکیل O3 مورد نیاز است وجود ندارد. UV-C قبلا در استراتوسفر به وسیله O2 و O3 جذب شده است. در بالای استراتوسفر برتری با اتم های اکسیژن است که با دیگر اتم های اکسیژن برخورد کرده مولکولهای O2 از نو تشکیل می شوند. فرآیندهای تولید وتخریب اوزون در شکل 3 خلاصه شده است.
حتی در لایه اوزون استراتوسفر O3 گازی نیست که بیشترین فراوانی را داشته باشد یا حتی یک گونه اکسیژن دار عمده به حساب نمی آید. غلظت آن هرگز از ppm 10 تجاوز نمی کند ( شکل 2الف را ببینید ). در واقع اگر قرار باشد تمام اوزون استراتوسفر را در سطح زمین تحت فشار اتمسفر جمع آوری کنیم ضخامت این لایه فقط mm 3ر0 خواهد بود. از این رو واژه "لایه اوزون" نا مناسب است. در هر حال این غلظت کم اوزون کافی است تا تمام UV-C باقیمانده و قسمت عمده UV-B باقیمانده را از نور خورشید پیش از رسیدن آن به جو تحتانی حذف کند. احتمالا واژه "حفاظ اوزون" مناسب تر از "لایه اوزون" باشد.
