سمك طبقة الأوزون: القياسات والتغيرات وأهميتها

تُعد طبقة الأوزون واحدة من أكثر المواضيع إثارة للاهتمام وأهمية في العلوم البيئية الحالية. ورغم أنه قد يبدو للوهلة الأولى وكأنه أمر خاص بالعلماء وخبراء الأرصاد الجوية، إلا أن سمكه وتنوعاته وأهمية الحفاظ عليه أمر بالغ الأهمية. لها آثار مباشرة على الحياة اليومية لجميعنا. من الحماية من الأشعة فوق البنفسجية إلى تأثيرها على صحة الإنسان والنظم البيئية، يعد فهم طبقة الأوزون أمرًا بالغ الأهمية لتقييم المخاطر على الكوكب والحلول التي يمكننا تنفيذها.

في السطور التالية، سوف تغوص في جولة شاملة تتناول الطبيعة الفيزيائية لطبقة الأوزون، وكيفية قياسها ومراقبتها، والتهديدات الرئيسية لسلامتها، والتطور التاريخي لحالتها، والإنجازات - والتحديات المتبقية - في حمايتها. بالإضافة إلى مراجعة الأسس العلمية، سوف تكتشف كيف تحدث التغيرات بمرور الوقت والمكان، وما هي الأدوات المستخدمة لقياسها، وقبل كل شيء، لماذا نحافظ على هذه الطبقة الغازية أمر بالغ الأهمية لاستمرارية الحياة على الأرض.

ما هي طبقة الأوزون ولماذا هي حيوية؟

طبقة الأوزون هي منطقة من الغلاف الجوي للأرض، تقع بشكل رئيسي في طبقة الستراتوسفير، حيث يتركز معظم الأوزون الجوي. هذا الغاز الذي صيغته الكيميائية هي O₃يتكون من ثلاث ذرات أكسجين وله خصائص فريدة تميزه عن الأكسجين الشائع (O2).₂).

وتمتد على ارتفاع يتراوح بين 15 إلى 40 كيلومترًا تقريبًا فوق سطح الأرض، وتصل أعلى تركيز لها عند حوالي 25 كيلومترًا. ومع ذلك، إذا تم ضغط كل الأوزون الموجود في طبقة الستراتوسفير إلى الضغط المحيط، فإنه سيشكل طبقة رقيقة للغاية يتراوح سمكها بين 2 إلى 3 ملليمترات، وهي حقيقة مدهشة بالنظر إلى دوره الوقائي المهم.

الوظيفة الرئيسية لطبقة الأوزون هي تصفية وامتصاص معظم الأشعة فوق البنفسجية (UV-B وUV-C) القادمة من الشمس. وبدون هذا الحاجز الطبيعي، فإن الإشعاع الضار سوف يصل إلى سطح الأرض دون عوائق، مما يسبب آثاراً مدمرة: زيادة الأمراض مثل سرطان الجلد وإعتام عدسة العين، وتلف المحاصيل، وإلحاق الضرر بالحياة البحرية، واضطرابات النظم البيئية الأرضية والمائية.

إن وجود الحياة على الأرض، كما نعرفها، يعتمد على هذا الدرع الغازي الدقيق. لذلك، فإن أي تغيير ذي صلة في سمكها أو تركيبها له تأثير مباشر على البيئة والصحة البشرية.

تكوين وتدمير الأوزون الستراتوسفيري

إن تكوين وتدمير الأوزون في طبقة الستراتوسفير هي عملية ديناميكية، وهي نتيجة لتوازنات كيميائية وفيزيائية معقدة مدفوعة في المقام الأول بالأشعة فوق البنفسجية الشمسية.

يتم توليد الأوزون عندما تصطدم الأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي الأقصر من 240 نانومتر بجزيئات الأكسجين (OXNUMX)₂). هذه الطاقة "تكسر" الجزيئات، وتفصل الذرات، التي تنضم بعد ذلك إلى جزيئات الأكسجين الأخرى لتكوين الأوزون (O2).₃). وقد وصف سيدني تشابمان هذه الآلية في عام 1930 وهي تُعرف بدورة تشابمان.

يمكن تلخيص التفاعل الأساسي على النحو التالي: يقوم ضوء الشمس بتفكيك الأكسجين الجزيئي إلى ذرات فردية، ثم تتحد هذه الذرات بعد ذلك مع الأكسجين.₂ لتوليد الأوزون (O₃). وبدوره، يمكن تدمير الأوزون بواسطة الأشعة فوق البنفسجية ذات الخصوصية المنخفضة، مما يؤدي إلى إطلاق الأكسجين الجزيئي وذرات الأكسجين. هذا رد الفعل ذهابا وإيابا يحافظ على التوازن الطبيعي لطبقة الأوزون، بشرط عدم وجود أي اضطرابات خارجية.

يمكن لعوامل أخرى، مثل وجود مركبات هالوجينية (مثل الكلورو فلورو كربون، ومركبات الكلورو فلورو كربون، والهالونات) أو زيادة محتوى أكسيد النيتروجين (NOx)، أن تدفع التفاعلات الحفزية التي تعمل على تسريع تدمير الأوزون.

في المناطق القطبية، وخاصة خلال فصل الربيع في القارة القطبية الجنوبية، يحدث ما نعرفه باسم "ثقب الأوزون". وفي هذه المناطق، تساهم عوامل مثل انخفاض درجات الحرارة، وتشكل السحب الستراتوسفيرية القطبية، وتراكم المركبات الهالوجينية، في إحداث تدمير هائل موسمي لهذه الطبقة.

الأهمية البيئية والصحية

إن دور طبقة الأوزون في الحفاظ على الحياة أساسي ولا يمكن الاستغناء عنه. من خلال امتصاص أكثر من 97% من الأشعة فوق البنفسجية-B وجميع الأشعة فوق البنفسجية-C تقريبًا، يمنع الجرعات القاتلة من الإشعاع الشمسي من الوصول إلى سطح الأرض. وبهذه الطريقة تحمي الطبقة الكائنات الحية من:

• سرطان الجلد: يؤدي التعرض للأشعة فوق البنفسجية غير المفلترة إلى زيادة خطر الإصابة بسرطان الجلد وأورام الجلد الأخرى.
• إعتام عدسة العين وتلف العين: يمكن للأشعة فوق البنفسجية أن تسبب أمراض خطيرة في العين، وقد تؤدي حتى إلى العمى.
• تثبيط المناعة: هناك أدلة تشير إلى أن التعرض المتزايد للأشعة فوق البنفسجية من النوع B يقلل من فعالية الجهاز المناعي لدى البشر والحيوانات.
• التغييرات في النظم البيئية: يمكن أن يؤثر تقلص هذه الطبقة على عملية التمثيل الضوئي ويغير سلاسل الغذاء في البحار والبحيرات والأنهار والغابات.
• التأثير الزراعي: إن زيادة الإشعاع تؤثر سلبا على إنتاجية المحاصيل وجودتها.

تلعب طبقة الأوزون أيضًا دورًا مهمًا في ديناميكيات المناخ، حيث عن طريق امتصاص الأشعة فوق البنفسجية، يساهم في ارتفاع درجة حرارة طبقة الستراتوسفير وينظم درجة حرارة الغلاف الجوي العالمية.

كيف يتم قياس سمك وتركيز طبقة الأوزون؟

لا يتم التعبير عن "سمك" طبقة الأوزون كسمك فيزيائي مباشر، ولكن كمقياس لكمية الأوزون الموجودة على طول عمود رأسي من الغلاف الجوي. الشكل القياسي هو وحدة دوبسون (DU)، والتي تمثل كمية الأوزون التي تشكل طبقة سمكها 0,01 ملم عند ضغطها في ظل الظروف العادية من الضغط ودرجة الحرارة.

ويُعتقد أن متوسط ​​القيمة العالمية للأوزون في الغلاف الجوي يبلغ نحو 300 وحدة دولية، على الرغم من وجود اختلافات اعتمادًا على الموقع الجغرافي وموسم السنة.. على سبيل المثال، في القطبين (وخاصة خلال فصل الربيع في القارة القطبية الجنوبية) يمكن أن تنخفض القيم إلى ما دون 150-220 وحدة DU أثناء حلقات ثقب الأوزون.

يتم إجراء القياس من خلال أدوات محددة:

• أجهزة قياس الطيف دوبسون وبروير: إنها أجهزة بصرية تقيس الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس قبل وبعد مرورها عبر الغلاف الجوي. وبذلك يتم حساب تركيز الأوزون الكلي في العمود.
• مجسات الأوزون: إنها عبارة عن بالونات طقس مزودة بأجهزة استشعار تسجل أثناء صعودها بيانات عن تركيزات الأوزون اعتمادًا على الارتفاع.
• الأقمار الصناعية الخاصة بالطقس: وهي مجهزة بأجهزة استشعار متقدمة، مما يتيح رسم خرائط عالمية وتحليل تاريخي لتوزيع وتطور طبقة الأوزون.

وتعتبر مراكز الأرصاد الجوية والبحث العلمي مثل وكالة الأرصاد الجوية الحكومية (AEMET) في إسبانيا، أو مرصد إيزانيا في جزر الكناري، مراجع دولية في مجال مراقبة الأوزون الجوي.. تعمل هذه المؤسسات ضمن شبكة، حيث تتشارك البيانات عالميًا وتسهل التقييم في الوقت الفعلي لحالة الطبقة.

اختلافات السُمك: الأسباب الطبيعية والبشرية

يختلف سمك وتركيز طبقة الأوزون بشكل طبيعي على مدار العام، وبين المناطق المختلفة، وأيضًا بسبب أسباب بشرية.

الأسباب الطبيعية تشمل:

• خط العرض والموسم: غالبًا ما تسجل المناطق القطبية قيمًا أقل في الربيع بسبب العمليات الكيميائية الضوئية المحددة. وتشهد المناطق الاستوائية، التي تتلقى قدراً أكبر من الأشعة فوق البنفسجية، إنتاجاً أكبر للأوزون.
• النشاط الشمسي: تؤثر التغيرات في الإشعاع الشمسي، والدورة الشمسية، والانفجارات الشمسية بشكل مؤقت على إنتاج وتدمير الأوزون.
• العمليات الجوية: تؤثر الموجات الكوكبية والدوامات القطبية وظواهر الدورة الجوية الأخرى على توزيع ونقل الأوزون الستراتوسفيري.
• ثورات بركانية: إن إخراج الجسيمات والغازات يمكن أن يؤدي إلى تقليل الأوزون بشكل مؤقت من خلال عدة مسارات كيميائية.

إن التهديد الرئيسي لتوازن طبقة الأوزون يأتي من الأنشطة البشرية.. إن الاستخدام المستمر وانبعاث المواد الكيميائية المهلجنة، وخاصة مركبات الكلوروفلوروكربون والهالونات، منذ منتصف القرن العشرين، وهم مسؤولون عن الفقدان المتسارع للأوزون في مناطق كبيرة من الكوكب.

يمكن أن تستغرق هذه المواد، بمجرد إطلاقها في الغلاف الجوي، سنوات للوصول إلى طبقة الستراتوسفير، حيث تقوم الأشعة فوق البنفسجية بتفكيكها، مما يؤدي إلى إطلاق ذرات الكلور والبروم شديدة التفاعل. هذه الذرات إنها تدمر الأوزون من خلال التفاعلات التحفيزية حيث يمكن لجزيء واحد أن يقضي على ما يصل إلى 100.000 جزيء من الأكسجين.₃ قبل أن يتم تحييدها.

عملية تدمير الأوزون بواسطة المركبات الهالوجينية

يعد تدمير الأوزون التحفيزي بواسطة المركبات المكلورة والمبرومية المسار الأكثر أهمية لاستنزاف الأوزون في العقود الأخيرة. الجزيئات المسؤولة هي بشكل رئيسي مركبات الكلورو فلورو كربون (CFCs)، ومركبات الهيدروكلورو فلورو كربون (HCFCs)، والهالونات، ورابع كلوريد الكربون، وكلورو فورم الميثيل، وغيرها.

الآلية الرئيسية هي أنه بعد وصول هذه المواد إلى طبقة الستراتوسفير، تخضع للتحلل الضوئي بسبب الأشعة فوق البنفسجية، مما يؤدي إلى إطلاق ذرات الكلور أو البروم. وبعد ذلك، يشاركون في تفاعلات دورية مع الأوزون:

• يتفاعل ذرة الكلور مع جزيء الأوزون، مكونًا أول أكسيد الكلور (ClO) والأكسجين الجزيئي.
• يتفاعل أول أكسيد الكلور مع ذرة الأكسجين، مما يؤدي إلى إطلاق الكلور مرة أخرى وإغلاق الدورة.

وعلى نحو مماثل، تتبع المركبات المبرومة، مثل الهالونات وبروميد الميثيل، مسارات مماثلة، بل إنها في الواقع أكثر فعالية في تدمير الأوزون. يمكن أن تكون ذرة واحدة من البروم أكثر فعالية بنحو 45 مرة من ذرة واحدة من الكلور.

وتشتد التفاعلات في المناطق القطبية خلال فصل الشتاء والربيع، بسبب وجود السحب الستراتوسفيرية القطبية. توفر هذه السحب أسطحًا للمركبات غير النشطة عادةً لتتحول إلى أنواع نشطة للغاية، جاهزة لتدمير الأوزون عندما تعود الإشعاع الشمسي في نهاية الشتاء.

ظاهرة ثقب الأوزون

يشير "ثقب الأوزون" إلى منطقة - فوق القارة القطبية الجنوبية بشكل أساسي - حيث ينخفض ​​إجمالي محتوى الأوزون إلى أقل من 220 وحدة DU خلال فصل الربيع الجنوبي (من أغسطس إلى نوفمبر).

تم اكتشاف هذه الظاهرة لأول مرة في سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين من خلال الرصد الميداني والأقمار الصناعية. ظهورها وتطورها مرتبط بـ:

• العزل الجوي عن الدوامة القطبية: خلال فصل الشتاء في نصف الكرة الجنوبي، يفصل تيار نفاث هواء القارة القطبية الجنوبية عن بقية الكوكب، مما يسمح بتراكم درجات الحرارة المنخفضة وتشكل السحب الستراتوسفيرية القطبية.
• وجود المركبات الهالوجينية: تتحول هذه الغازات، على سطح السحب القطبية، إلى أشكال شديدة التفاعل، مما يؤدي إلى تدمير مكثف بمجرد ظهور ضوء الشمس.

وصلت مساحة ثقب الأوزون إلى أكثر من 25-29 مليون كيلومتر مربع في بعض السنوات، أي أكثر من ضعف مساحة سطح القارة القطبية الجنوبية. وعلى الرغم من أن هذه الظاهرة تكون أكثر شدة فوق القارة القطبية الجنوبية، فقد تم رصد حلقات أقل وضوحا أيضا في القطب الشمالي.

وكان تأثير هذه الظاهرة مثيرا للقلق بشكل خاص في المناطق الجنوبية مثل الأرجنتين وتشيلي، حيث تسببت الأشعة فوق البنفسجية المتزايدة في تنبيهات صحية، وإلحاق أضرار بالمحاصيل، والإضرار بالحياة البرية.

التطور التاريخي والمراقبة والتعافي

ومنذ ظهور أولى علامات التدمير المتسارع في سبعينيات القرن العشرين، كثف المجتمع العلمي الدولي والوكالات الحكومية والمنظمات المتعددة الأطراف عمليات رصد ودراسة حالة طبقة الأوزون.

تتم المراقبة من خلال:

• شبكات أجهزة قياس الطيف ومسبارات الأوزون: ويتم توزيعها في جميع أنحاء العالم، وتجمع البيانات في الوقت الحقيقي وتشكل جزءًا من اتحادات دولية مثل مركز بيانات الأوزون والأشعة فوق البنفسجية العالمي (WOUDC).
• الأقمار الصناعية الخاصة بالطقس: إنها تسمح بمراقبة عالمية ومفصلة للطبقة، وتحديد الاتجاهات، والشذوذ الموسمي، وتطور ثقوب الأوزون.
• مراكز البحوث الإقليمية: مثل مرصد إيزانيا (إسبانيا)، الذي يقود حملات المعايرة والتكنولوجيا المتطورة في قياس الأوزون.

تتميز إسبانيا في أوروبا بشبكتها من الأدوات والمبادرات، مثل المشاركة في قيادة شبكة EUBREWNET، المخصصة لتوفير بيانات متسقة وعالية الجودة حول الأوزون والإشعاع فوق البنفسجي. بالإضافة إلى ذلك، يوجد بها أكثر من خمسة وعشرين محطة قياس ونظام للتنبؤ بمؤشر الأشعة فوق البنفسجية لجميع بلديات البلاد.