MAHDIAR
1st June 2010, 08:54 AM
دسته بندی: مقالات زمین شناسی
واقعیت زندگی در عصر صنعتی
برای داشتن مدل های تغییرات ناگهانی آب و هوا و تدابیر صنعتی بایستی هم از سرمایش آئروسل و هم اثر گرمایش گازهای گلخانه ای مدنظر قرار بگیرند. از نظر تئوری آئروسل های صنعتی تنها ذراتی نیستند که در سرمایش شرکت دارند. چندین نوع آئروسل طبیعی وجود دارد اگرچه در ایجاد این تغییرات فاکتورهای اصلی به حساب نمی آیند.
▪ آئروسل سولفات و نقش آن در تغییرات آب و هوایی
اثر گلخانه ای واقعیت ژئوفیزیکی زندگی است. گازهای اتمسفری همچون دی اکسید کربن و متان گرما را به تله انداخته و برای زندگی موجودات کره زمین حفظ می کنند. این گازها سطح سیاره زمین را ۳۳ درجه سانتی گراد، از زیر نقطه انجماد تا میانگین کنونی ۱۷ درجه سانتی گراد، گرم می کنند. براساس مدل های گرمایش جهانی بیشتر گازهای با طول عمر زیاد که حاصل فعالیت بشر هستند زمین را بیشتر از آنچه که باید، گرم کرده اند. اما میان تئوری و مشاهدات تناقض وجود دارد. گرمای پیش بینی شده براساس افزایش غلظت گازهای گلخانه ای تا اندازه ای بیش از گرمای مشاهده شده در اتمسفر است. علاوه بر این روند گرم شدن نیمکره شمالی از الگوی جهانی تبعیت نمی کند. این تناقض و انحراف را چگونه می توان توجیه کرد؟ بیشترین احتمال مربوط به آئروسل سولفات است که توانایی اتمسفر را برای بازتاب نور خورشید به فضا قبل از آنکه بتواند به سطح زمین برسد و زمین را گرم کند، افزایش می دهد.
ذرات سولفات با قطر ۱/۰ تا یک میکرون عمدتاً در نواحی صنعتی نیمکره شمالی در غلظت بالا یافت می شوند. نقش آنها در تولید باران اسیدی و به دنبال آن تولید چشم اندازهای باشکوهی همچون «گرند کانیون» سال ها است که شناخته شده ولی توانایی این ذرات در سرد کردن آن هم توسط پراکندن نور خورشید و تاثیر آن در تغییرات آب و هوایی چند سالی است که مورد مطالعه قرار گرفته است.
برای داشتن مدل های تغییرات ناگهانی آب و هوا و تدابیر صنعتی بایستی هم از سرمایش آئروسل و هم اثر گرمایش گازهای گلخانه ای مدنظر قرار بگیرند. از نظر تئوری آئروسل های صنعتی تنها ذراتی نیستند که در سرمایش شرکت دارند. چندین نوع آئروسل طبیعی وجود دارد اگرچه در ایجاد این تغییرات فاکتورهای اصلی به حساب نمی آیند. آئروسل های طبیعی اغلب شامل غبار سبک، نمک دریا و ترکیبات سولفات آبزیان است که این آئروسل ها دست کم در طول یک قرن از نظر غلظت، پراکندگی و خواص، ثابت بوده اند.
بنابراین، این ترکیبات نمی توانند در تغییرات قابل مشاهده آب و هوا دخیل باشند. آئروسل های حاصل از آتشفشان هم اثر طولانی مدت ندارند. فوران عظیم آتشفشان تامبورا در سال ،۱۸۱۵ کراکاتوآ در سال ۱۸۸۳ و بیناتوب در سال ۱۹۹۱ تنها برای چند سال باقی ماند.
در مقابل آئروسل ناشی از فعالیت صنعتی بشر در اتمسفر افزایش یافته است. این افزایش ابتدا طی دوره صنعتی شدن، شروع و سپس با سرعت بیشتر از سال ۱۹۵۰ ادامه داشته است. اقلیم شناسان در بین تمامی ترکیبات ریز آلوده کننده ای که بشر تولید کرده، بیشترین توجه شان را بر روی ترکیبات سولفور متمرکز کرده اند.
به دلیل حجم زیاد اطلاعات که در مطالعات باران اسیدی جمع آوری شده است، سولفات شناخته شده ترین آئروسل است. آئروسل های دیگر مانند دوده ناشی از سوختن گرد و خاک ناشی از گسترش صحرا و دود ناشی از سوزاندن مزارع، اثری با اهمیت کمتری نسبت به سولفور صنعتی دارند.
محققان در تحقیقات و محاسبات خود، احتمالات دارای اثرات بزرگ تر را وارد می کنند. برای سیستم پیچیده ای مانند آب و هوا تعیین میزان سرمای ناشی از آئروسل کار راحتی نیست. بسیاری از متغیرها کار را پیچیده می کنند که از بین آنها می توان به میزان سولفور در اتمسفر، پراکندگی آن در دنیا، مکانیسم تشکیل آئروسل، درجه بازتاب ذرات و تاثیر آنها بر روی ابر اشاره کرد.
برای پیش بینی صحیح، داشتن فرض صحیح لازم است. برخی مطالعات اولیه نقشی را برای آئروسل ها در تغییرات آب و هوا قائل نبودند. به عنوان مثال یک فرض تائید نشده این بود که غبار خارج شهرها دورنمای طبیعی آئروسل است. فرض دیگر این بود که آئروسل ها بیشتر در سطح زمین تولید می شوند. این فرضیات تنها برای دو نوع آئروسل ارزش دارد. آئروسل هایی مانند نمک دریا و گرد و خاک جامد که از طریق باد به اتمسفر راه می یابند و آئروسل هایی مانند دود صنعتی و دود ناشی از آتش سوزی جنگل و مزارع که مستقیماً بالا می روند. مطالعات دهه گذشته نشان می دهد که بیشتر آئروسل های سولفات از واکنش شیمیایی گازهای سولفور آزاد شده به هوا ناشی می شود. این واکنش ها در تروپوسفر انجام می گیرد که گستردگی تروپوسفر از سطح زمین تا هوا ارتفاعی در حدود ۱۰ کیلومتر است. اقلیم شناسان برای محاسبه میزان افزایش سولفور در تروپوسفر، تکیه بر سرعت پخش صنعتی آن کرده اند.
این سرعت به عنوان راهنمایی عالی برای محاسبه تغییرات میانگین غلظت آئروسل سولفات اتمسفری در زمان به کار می رود. گازهای سولفور و سولفات تنها برای چند روز در تروپوسفر باقی می مانند پس غلظت متوسط در اتمسفر مستقیماً با سرعت تولید، میزان ساطع شدن و نیمه عمر این ترکیبات متناسب است.
در نتیجه اثرات اولیه بایستی گسترش و پراکندگی ژئوگرافی منابع سولفور را نشان دهد. بیش از دو سوم میزان گازهای سولفور در تروپوسفر که اغلب به فرم دی اکسید سولفور است نتیجه فعالیت بشر است. در حدود ۹۰ درصد این مقدار در نیمکره شمالی ایجاد می شود. در نیمکره شمالی میزان ساطع شدن گازهای سولفور به اتمسفر نسبت به نیمکره جنوبی پنج برابر حالت طبیعی است. حامل طبیعی اصلی سولفور به صورت سولفید هیدروژن یا دی اکسید سولفور و یا هر دو از آتشفشان و مرداب ایجاد می شود.
دی اکسید سولفور معمولاً در همان نیمکره ای که تولید می شود باقی می ماند. مخلوط کردن گرمایی و شیمیایی اتمسفر دو نیمه زمین، زمانی در حدود یک سال نیاز دارد که از متوسط نیمه عمر دی اکسید سولفور یا آئروسل سولفات تولید شده بیشتر است. اگرچه دو نیمکره الزاماً مناطقی جدا از هم هستند و آنقدر دور از هم به نظر می آیند که پراکندگی آئروسل مربوط به هر دو نیمکره به هم ارتباطی ندارند با این وجود آئروسل نیمکره شمالی آب و هوای سراسر جهان را تحت تاثیر قرار می دهد و مانند پوشش ابری انعکاس زمین را کنترل می کنند. در حدود نیمی از گازهای سولفور توسط شست وشوی باران یا واکنش شیمیایی با گیاهان خاک یا آب دریا از اتمسفر از دست می رود. باقی مانده با ترکیباتی در تروپوسفر اکسید شده و بدین ترتیب ذرات آئروسل تولید می شود و در حقیقت تمامی انواع گازهای سولفوردار در حضور عوامل اکسیدکننده به صورت شیمیایی واکنش می دهند.
یکی از مهم ترین این عوامل رادیکال هیدروکسیل است. واکنش هایی که آئروسل سولفات را ایجاد می کنند به صورت نه چندان دقیقی به دو واکنش آسمان پاک (Clear Sky) و آسمان ابری (Cloud Sky) تقسیم شده اند. در واکنش آسمان پاک دی اکسید سولفور و دی متیل سولفید در حضور بخار آب از طریق توالی پیچیده ای از واکنش ها اسید سولفوریک گازی را ایجاد می کنند. اسید سولفوریک با بخار آب یا مولکول های اسیدسولفوریک دیگر واکنش می دهد تا فرم فشرده تری به خود بگیرد که این تغییر شکل را تحت عنوان تبدیل گاز به ذره می نامند. اسید سولفوریک سپس با مقادیر جزیی آمونیاک واکنش می دهد تا فرم های هیدراته متنوعی از نمک های سولفات آمونیم به وجود آورده و به علاوه دی متیل سولفید هم می تواند فرم های قابل فشرده شدن متان سولفونیک اسید را به وجود آورد. اگرچه متان سولفونیک اسید از ترکیبات مهم سازنده اتمسفر است و به عنوان مولکول ردیاب به فرم فسیل در هسته های یخی قابل اندازه گیری است اما تحقیقات اخیر نشان می دهد که آئروسل های مربوط به آن فشردگی کوچکی دارند.
آئروسل سولفات همچنین در ابرها تولید می شود. این مسیر هنگامی شروع می شود که دی اکسید سولفور در درون ذرات ابر حل می شود. درون ابر دی اکسید سولفور توسط غلظت های کمی از پراکسید هیدروژن که در اثر ترکیب دو مولکول هیدروکسیل تشکیل شده است، اکسید می شود. در اثر این واکنش اکسیداسیون اسیدسولفوریک و نمک های آمونیوم مربوط به آن تشکیل می شود.
درون قطرات ابر اسیدسولفوریک به فرم هیدراته وجود دارد. بخار شدن آب باعث به وجود آمدن محلول غلیظی از اسیدسولفوریک می شود. این عمل آئروسل هایی را ایجاد می کند که از آئروسل های تشکیل شده توسط تبدیل گاز به ذره، قابل شناسایی است.
واقعیت زندگی در عصر صنعتی
برای داشتن مدل های تغییرات ناگهانی آب و هوا و تدابیر صنعتی بایستی هم از سرمایش آئروسل و هم اثر گرمایش گازهای گلخانه ای مدنظر قرار بگیرند. از نظر تئوری آئروسل های صنعتی تنها ذراتی نیستند که در سرمایش شرکت دارند. چندین نوع آئروسل طبیعی وجود دارد اگرچه در ایجاد این تغییرات فاکتورهای اصلی به حساب نمی آیند.
▪ آئروسل سولفات و نقش آن در تغییرات آب و هوایی
اثر گلخانه ای واقعیت ژئوفیزیکی زندگی است. گازهای اتمسفری همچون دی اکسید کربن و متان گرما را به تله انداخته و برای زندگی موجودات کره زمین حفظ می کنند. این گازها سطح سیاره زمین را ۳۳ درجه سانتی گراد، از زیر نقطه انجماد تا میانگین کنونی ۱۷ درجه سانتی گراد، گرم می کنند. براساس مدل های گرمایش جهانی بیشتر گازهای با طول عمر زیاد که حاصل فعالیت بشر هستند زمین را بیشتر از آنچه که باید، گرم کرده اند. اما میان تئوری و مشاهدات تناقض وجود دارد. گرمای پیش بینی شده براساس افزایش غلظت گازهای گلخانه ای تا اندازه ای بیش از گرمای مشاهده شده در اتمسفر است. علاوه بر این روند گرم شدن نیمکره شمالی از الگوی جهانی تبعیت نمی کند. این تناقض و انحراف را چگونه می توان توجیه کرد؟ بیشترین احتمال مربوط به آئروسل سولفات است که توانایی اتمسفر را برای بازتاب نور خورشید به فضا قبل از آنکه بتواند به سطح زمین برسد و زمین را گرم کند، افزایش می دهد.
ذرات سولفات با قطر ۱/۰ تا یک میکرون عمدتاً در نواحی صنعتی نیمکره شمالی در غلظت بالا یافت می شوند. نقش آنها در تولید باران اسیدی و به دنبال آن تولید چشم اندازهای باشکوهی همچون «گرند کانیون» سال ها است که شناخته شده ولی توانایی این ذرات در سرد کردن آن هم توسط پراکندن نور خورشید و تاثیر آن در تغییرات آب و هوایی چند سالی است که مورد مطالعه قرار گرفته است.
برای داشتن مدل های تغییرات ناگهانی آب و هوا و تدابیر صنعتی بایستی هم از سرمایش آئروسل و هم اثر گرمایش گازهای گلخانه ای مدنظر قرار بگیرند. از نظر تئوری آئروسل های صنعتی تنها ذراتی نیستند که در سرمایش شرکت دارند. چندین نوع آئروسل طبیعی وجود دارد اگرچه در ایجاد این تغییرات فاکتورهای اصلی به حساب نمی آیند. آئروسل های طبیعی اغلب شامل غبار سبک، نمک دریا و ترکیبات سولفات آبزیان است که این آئروسل ها دست کم در طول یک قرن از نظر غلظت، پراکندگی و خواص، ثابت بوده اند.
بنابراین، این ترکیبات نمی توانند در تغییرات قابل مشاهده آب و هوا دخیل باشند. آئروسل های حاصل از آتشفشان هم اثر طولانی مدت ندارند. فوران عظیم آتشفشان تامبورا در سال ،۱۸۱۵ کراکاتوآ در سال ۱۸۸۳ و بیناتوب در سال ۱۹۹۱ تنها برای چند سال باقی ماند.
در مقابل آئروسل ناشی از فعالیت صنعتی بشر در اتمسفر افزایش یافته است. این افزایش ابتدا طی دوره صنعتی شدن، شروع و سپس با سرعت بیشتر از سال ۱۹۵۰ ادامه داشته است. اقلیم شناسان در بین تمامی ترکیبات ریز آلوده کننده ای که بشر تولید کرده، بیشترین توجه شان را بر روی ترکیبات سولفور متمرکز کرده اند.
به دلیل حجم زیاد اطلاعات که در مطالعات باران اسیدی جمع آوری شده است، سولفات شناخته شده ترین آئروسل است. آئروسل های دیگر مانند دوده ناشی از سوختن گرد و خاک ناشی از گسترش صحرا و دود ناشی از سوزاندن مزارع، اثری با اهمیت کمتری نسبت به سولفور صنعتی دارند.
محققان در تحقیقات و محاسبات خود، احتمالات دارای اثرات بزرگ تر را وارد می کنند. برای سیستم پیچیده ای مانند آب و هوا تعیین میزان سرمای ناشی از آئروسل کار راحتی نیست. بسیاری از متغیرها کار را پیچیده می کنند که از بین آنها می توان به میزان سولفور در اتمسفر، پراکندگی آن در دنیا، مکانیسم تشکیل آئروسل، درجه بازتاب ذرات و تاثیر آنها بر روی ابر اشاره کرد.
برای پیش بینی صحیح، داشتن فرض صحیح لازم است. برخی مطالعات اولیه نقشی را برای آئروسل ها در تغییرات آب و هوا قائل نبودند. به عنوان مثال یک فرض تائید نشده این بود که غبار خارج شهرها دورنمای طبیعی آئروسل است. فرض دیگر این بود که آئروسل ها بیشتر در سطح زمین تولید می شوند. این فرضیات تنها برای دو نوع آئروسل ارزش دارد. آئروسل هایی مانند نمک دریا و گرد و خاک جامد که از طریق باد به اتمسفر راه می یابند و آئروسل هایی مانند دود صنعتی و دود ناشی از آتش سوزی جنگل و مزارع که مستقیماً بالا می روند. مطالعات دهه گذشته نشان می دهد که بیشتر آئروسل های سولفات از واکنش شیمیایی گازهای سولفور آزاد شده به هوا ناشی می شود. این واکنش ها در تروپوسفر انجام می گیرد که گستردگی تروپوسفر از سطح زمین تا هوا ارتفاعی در حدود ۱۰ کیلومتر است. اقلیم شناسان برای محاسبه میزان افزایش سولفور در تروپوسفر، تکیه بر سرعت پخش صنعتی آن کرده اند.
این سرعت به عنوان راهنمایی عالی برای محاسبه تغییرات میانگین غلظت آئروسل سولفات اتمسفری در زمان به کار می رود. گازهای سولفور و سولفات تنها برای چند روز در تروپوسفر باقی می مانند پس غلظت متوسط در اتمسفر مستقیماً با سرعت تولید، میزان ساطع شدن و نیمه عمر این ترکیبات متناسب است.
در نتیجه اثرات اولیه بایستی گسترش و پراکندگی ژئوگرافی منابع سولفور را نشان دهد. بیش از دو سوم میزان گازهای سولفور در تروپوسفر که اغلب به فرم دی اکسید سولفور است نتیجه فعالیت بشر است. در حدود ۹۰ درصد این مقدار در نیمکره شمالی ایجاد می شود. در نیمکره شمالی میزان ساطع شدن گازهای سولفور به اتمسفر نسبت به نیمکره جنوبی پنج برابر حالت طبیعی است. حامل طبیعی اصلی سولفور به صورت سولفید هیدروژن یا دی اکسید سولفور و یا هر دو از آتشفشان و مرداب ایجاد می شود.
دی اکسید سولفور معمولاً در همان نیمکره ای که تولید می شود باقی می ماند. مخلوط کردن گرمایی و شیمیایی اتمسفر دو نیمه زمین، زمانی در حدود یک سال نیاز دارد که از متوسط نیمه عمر دی اکسید سولفور یا آئروسل سولفات تولید شده بیشتر است. اگرچه دو نیمکره الزاماً مناطقی جدا از هم هستند و آنقدر دور از هم به نظر می آیند که پراکندگی آئروسل مربوط به هر دو نیمکره به هم ارتباطی ندارند با این وجود آئروسل نیمکره شمالی آب و هوای سراسر جهان را تحت تاثیر قرار می دهد و مانند پوشش ابری انعکاس زمین را کنترل می کنند. در حدود نیمی از گازهای سولفور توسط شست وشوی باران یا واکنش شیمیایی با گیاهان خاک یا آب دریا از اتمسفر از دست می رود. باقی مانده با ترکیباتی در تروپوسفر اکسید شده و بدین ترتیب ذرات آئروسل تولید می شود و در حقیقت تمامی انواع گازهای سولفوردار در حضور عوامل اکسیدکننده به صورت شیمیایی واکنش می دهند.
یکی از مهم ترین این عوامل رادیکال هیدروکسیل است. واکنش هایی که آئروسل سولفات را ایجاد می کنند به صورت نه چندان دقیقی به دو واکنش آسمان پاک (Clear Sky) و آسمان ابری (Cloud Sky) تقسیم شده اند. در واکنش آسمان پاک دی اکسید سولفور و دی متیل سولفید در حضور بخار آب از طریق توالی پیچیده ای از واکنش ها اسید سولفوریک گازی را ایجاد می کنند. اسید سولفوریک با بخار آب یا مولکول های اسیدسولفوریک دیگر واکنش می دهد تا فرم فشرده تری به خود بگیرد که این تغییر شکل را تحت عنوان تبدیل گاز به ذره می نامند. اسید سولفوریک سپس با مقادیر جزیی آمونیاک واکنش می دهد تا فرم های هیدراته متنوعی از نمک های سولفات آمونیم به وجود آورده و به علاوه دی متیل سولفید هم می تواند فرم های قابل فشرده شدن متان سولفونیک اسید را به وجود آورد. اگرچه متان سولفونیک اسید از ترکیبات مهم سازنده اتمسفر است و به عنوان مولکول ردیاب به فرم فسیل در هسته های یخی قابل اندازه گیری است اما تحقیقات اخیر نشان می دهد که آئروسل های مربوط به آن فشردگی کوچکی دارند.
آئروسل سولفات همچنین در ابرها تولید می شود. این مسیر هنگامی شروع می شود که دی اکسید سولفور در درون ذرات ابر حل می شود. درون ابر دی اکسید سولفور توسط غلظت های کمی از پراکسید هیدروژن که در اثر ترکیب دو مولکول هیدروکسیل تشکیل شده است، اکسید می شود. در اثر این واکنش اکسیداسیون اسیدسولفوریک و نمک های آمونیوم مربوط به آن تشکیل می شود.
درون قطرات ابر اسیدسولفوریک به فرم هیدراته وجود دارد. بخار شدن آب باعث به وجود آمدن محلول غلیظی از اسیدسولفوریک می شود. این عمل آئروسل هایی را ایجاد می کند که از آئروسل های تشکیل شده توسط تبدیل گاز به ذره، قابل شناسایی است.