از اصلی‌ترین مسائلی که در سال‌های اخیر موردتوجه بسیاری از پژوهشگران و دوستداران محیط‌زیست قرار گرفته، تخریب لایه‌ اوزون است اما لایه‌ اوزون چیست و چرا اهمیت دارد؟ در این مقاله قصد داریم مفصل با لایه اوزون آشنا شویم و به سؤالات درباره آن پاسخ دهیم.

لایه اوزون چیست؟

برای آشنایی با لایه اوزون بهتر است ابتدا با ماده‌ای به نام اوزون آشنا شویم. اوزون نوعی گاز است که به‌صورت طبیعی در اتمسفر زمین حضور دارد و از 3 اتم اکسیژن تشکیل شده است (فرمول شیمیایی گاز اوزون O3 نوشته می‌شود). ساختار شیمیایی مولکول اوزون بسیار ناپایدار است که باعث می‌شود در ترکیب با سایر مولکول‌ها به‌سرعت شکسته شده و تغییر ماهیت بدهد. این ناپایداری علت‌های مختلفی دارد. یکی از این دلایل ساختار خمیده‌ مولکول اوزون است (به نحوی که 3 اتم اکسیژن به حالت کمان کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.) ساختار خمیده‌ مولکول اوزون انرژی پتانسیل بالایی به این مولکول می‌بخشد که آن را ناپایدار خواهد کرد.

یکی دیگر از دلایل ناپایداری مولکول اوزون نوع پیوند میان اتم‌های اکسیژن است. این نوع پیوند نه از نوع پیوندهای یگانه محسوب می‌شود نه از نوع پیوندهای دوگانه، بلکه حدواسطی میان آنهاست. این حالت حد واسط منجر به ناپایداری مولکول اوزون می‌شود. از دیگر دلایل ناپایداری اوزون اکسیدکننده بودن آن است؛ یعنی این مولکول در حضور نور و گرما (حتی در غیاب آنها) به‌راحتی با سایر مولکول‌ها واکنش داده و ترکیبات مختلفی آزاد می‌کند. این مولکول در حضور نور فرابنفش خاصیت اکسیدکنندگی بالاتری دارد. لایه‌ اوزون در واقع تجمعی از مولکول‌های اوزن است.

اگرچه نام لایه‌ اوزون این تصور را در ذهن ایجاد می‌کند که این لایه کاملاً یکنواخت و همگن بالای اتمسفر زمین حضور دارد، واقعیت این است که لایه‌ ازن خود از 2 لایه‌ مجزا تشکیل شده است: لایه‌ای که قسمت پایینی لایه‌ اوزون را می‌سازد و به‌سمت زمین قرار گرفته است و لایه‌ای که قسمت بالایی لایه‌ ازون را می‌سازد و به‌سمت اتمسفر و جو قرار گرفته است. این 2 لایه در عملکرد تفاوت‌های زیادی دارند. لایه‌ پایینی اوزون در متون علمی «تروپوسفر» نامیده می‌شود و لایه‌ رقیق‌تری از مولکول‌های اوزن است. تنفس مولکول‌های تشکل‌دهنده‌ این لایه از اوزون برای کودکان، کهن‌سالان و افراد با بیماری‌های تنفسی پیش‌زمینه بسیار خطرناک بوده و می‌تواند عوارض جدی داشته باشد. 10 کیلومتر ابتدایی لایه‌ ازن در واقع همین لایه‌ تروپوسفر است.

لایه‌ بالایی لایه‌ اوزون که در متون و مقالات علمی از آن به نام «استراتوسفر» یاد می‌شود، لایه‌ای است که به‌سمت جو قرار گرفته و بسیاری از جانداران روی کره‌ مین سلامت خود را مدیون آن هستند. این لایه که غلظت مولکول‌های اوزون در آن بالاتر است، کره‌ زمین و ساکنانش را از شر پرتو ماورای بنفش محافظت کرده و پرتوهای مضر فرابنفش ساطع‌شده از خورشید را دفع می‌کند؛ یعنی برای اطمینان از ادامه‌ این محافظتِ حیات‌بخش باید برای حفظ لایه‌ استراتوسفر بکوشیم. این لایه در فاصله‌ ۱۰ تا ۳۵ کیلومتری بالای سطح زمین قرار گرفته است.

کشف لایه اوزون

این لایه را اولین دو فیزیک‌دان به نام‌های «شارل فابری» و «آنری بویسون» در سال ۱۹۱۳ شناسایی شد. در گام‌های ابتدایی شناسایی لایه و مولکول‌ اوزون آزمایش روی کره‌ زمین انجام می‌شد اما بعدها با اختراع بالن و دیگر وسایل پیمایش‌های هوایی، اندازه‌گیری‌ها و آزمایش‌های دقیق‌تر با نمونه‌گیری از هوا در ارتفاعات مختلف همراه شد که زمینه را برای شناسایی هرچه بهتر لایه‌ اوزون، خصوصاً لایه‌ استراتوسفر مهیا کرد. از آن زمان تاکنون، سازمان‌های مختلفی لایه‌ ازون و تغییرات آن را بررسی می‌کنند؛ ناسا یکی از آنهاست. سازمان ناسا و دیگر سازمان‌های فضایی با کمک ماهواره‌ها تغییرات لایه‌ اوزن را رصد می‌کنند.

اهمیت لایه اوزون در چیست؟

غلظت مولکول‌های ازن در لایه‌ ازن یکسان نیست، بلکه در عمق ۲۰ تا ۲۵ کیلومتری به اوج خود می‌رسد. در واقع ۹۰ درصد مولکول‌های اوزون در همین ارتفاع قرار گرفته‌اند. نکته‌ای که باید به آن اشاره کرد، این است که در دیدگاه عام، منظور از لایه‌ ازون همان استراتوسفر است که نقش سپر محافظتی کره‌ زمین را ایفا می‌کند.

به‌رغم این ضخامت کم، لایه‌ اوزون سپری غیرقابل‌نفوذ نقش بسزایی در ادامه حیات در سطح کره‌ زمین ایفا می‌کند. همان‌طور که گفتیم، مهم‌ترین دلیل اهمیت حیاتی لایه‌ اوزون این است که این لایه جلوی نفوذ ۹۷ تا ۹۹ درصد اشعه‌ ماورای بنفش را با طول موج ۳۰۵ نانومتر (خطرناک‌ترین اشعه‌ ماورای بنفش برای حیات) را می‌گیرد. این اشعه‌ ماورای بنفش که می‌تواند DNA موجودات مختلف را بشکند، بیشترین آسیب را به بیرونی‌ترین اندام، پوست، وارد می‌کند. آسیب اشعه‌ فرابنش محدود به انسان‌ها نیست بلکه تمامی جانداران، گیاهان و حتی فیتوپلانکتون‌ها را در بر می‌گیرد؛ بنابراین لایه‌ استراتوسفر نه‌فقط از انسان‌ها بلکه از تمامی اقلیم کره‌ زمین محافظت می‌کند.

نقش محافظتی لایه‌ استروتوسفر صرفاً محدود به مقابله با اشعه‌ فرابنفش نیست؛ این لایه با ایجاد محیطی بسته باعث پایداری شرایط جوی و دما در اتمسفر زمین نیز می‌شود که منجر به پایداری الگوهای هوایی و دمای سطح زمین می‌شود؛ بنابراین یکپارچگی این لایه شرایط را برای کشاورزی پایدار انسان‌ها و یکپارچگی زنجیره‌ غذایی سایر جانداران فراهم می‌کند.
سؤال این است که چگونه این سپر نادیدنی و نفوذناپذیر زمین و همه‌ ساکنان آن را در بر گرفته و محافظت می‌کند؟

محافظ زمین

مولکول‌های اوزون در اثر تابش اشعه‌ ماورای بنفش به مولکول‌های اکسیژن (O2) و اتم‌های اکسیژن (O) می‌شکنند. این اتم‌های اکسیژن که واکنش‌پذیری بسیار بالایی داشته و ناپایدارند، مجدداً در مجاورت مولکول‌های اکسیژن وارد واکنش شده و مولکول‌های اوزون را می‌سازند. این چرخه‌ بی‌انتهای واکنشی منجر به حفظ تعادل لایه‌ اوزون شده و اشعه‌ مضر ماورای بنفش ساطع‌شده از خورشید را به نوعی مشغول این واکنش نگه می‌دارد تا ساکنان سیاره‌ آبی در امان باشند.

تخریب لایه اوزون

متأسفانه در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ میلادی، هم‌زمان با انقلاب صنعتی، بشر حجم زیادی از گاز گلخانه‌ای را وارد اتمسفر کرد که صدمات جبران‌ناپذیری به لایه‌ ازن وارد کرد. هم‌زمان با ورود این حجم سرسام‌آور از گاز گلخانه‌ای به اتمسفر و اختلال در چرخه‌ واکنش‌های لایه‌ ازن، حفره یا سوراخی در لایه‌ ازون خود پدید آمد که منجر به نفوذ اشعه‌های فرابنفش مضر به سطح کره‌ زمین شد. یکی از اثرات منفی نفوذ این اشعه‌ها رشد سرسام‌آور نرخ سرطان پوست که در نیمکره‌ جنوبی کره‌ زمین بیشتر دیده می‌شود؛ زیرا دمای هوا و شرایط جوی نیمکره‌ جنوبی سرعت تخریب لایه‌ ازن را بیشتر کرده است. همچنین داده‌های هواشناسی تأیید می‌کنند حفره‌های بزرگی بالای ۲ قطب کره‌ زمین شکل گرفته‌ است.

دلایل تخریب لایه‌ ازون محدود به حضور گارهای گلخانه‌ای نمی‌شود بلکه فراتر از آنهاست. یکی دیگر از دلایل تخریب لایه‌ اوزون استفاده از مواد «کلروفلروکربن» یا به‌اختصار CFCهاست. این مواد که بیشتر در ساخت وسایل سرمازا، یخچال‌ها و فریزر کاربرد دارند، از اصلی‌ترین دلایل تخریب لایه‌ ازن هستند. CFCها در قسمت‌های پایین اتمسفر پایدار هستند و به‌آسانی در این مناطق نمی‌شکنند اما همین که به بالای اتمسفر حرکت می‌کنند و در معرض اشعه‌ فرابنفش قرار می‌گیرند، واکنش‌پذیر شده و با مولکول‌های اوزون واکنش ‌می‌دهند. طی این واکنش، ماده‌ای با نام «کلرین» آزاد می‌شود. یک اتم کلرین می‌تواند طی یک سلسله واکنش با هزاران مولکول اوزون وارد واکنش شده و همه‌ آنها را نابود کند؛ به‌این‌ترتیب غلظت مولکول‎‌های ازن در لایه‌ استراتوسفر کاهش می‌یابد؛ همان اتفاقی که در دیدگاه عام از آن با نام سوراخ شدن لایه‌ اوزون یاد می‌شود. گروهی از دانشمندان در سال‌های مختل پدیده‌ تخریب لایه‌ اوزون با مولکول‌های CFC را مدل‌سازی کردند. دانشمندان می‌خواستند اثر مواد شیمیایی انسان‌ساز بر یکپارچگی لایه‌ اوزون را بررسی کنند که به اثرات مخرب مولکول‌های CFC پی بردند. دانشمندان یافته‌های خود را سال ۱۹۷۴ اولین بار در مقاله‌ای منتشر کردند که توجه محققان و دوستداران محیط‌زیست را به‌شدت به مسئله‌ تخریب لایه‌‌ اوزون جلب کرد.

ازآنجایی‌که به نظر می‌رسید CFCها صدر لیست مواد تخریب‌کننده ازن قرار دارند، معاهده‌ها و قراردادهای بیشتری برای منع مصرف آنها در سطح ملی و بین‌المللی تصویب شده است؛ ازجمله‌‌‌ معاهده‌‌ منع تولید CFC در صنایع آمریکا.

علاوه‌بر CFCها، انقلاب صنعتی استفاده از مواد دیگری را نیز متداول کرد که آنها نیز به سهم خود در تخریب لایه‌ اوزون نقش ایفا کردند. ازجمله‌ این مواد می‌توان به «هالون‌» اشاره کرد. هالون‌ها در ساختار شباهت زیادی به CFCها دارند با این تفاوت که هالون‌ها به‌جای کلرین، ماده‌ای با نام «برمین» آزاد می‌کنند. برمین‌ها حتی از کلرین‌ها خطرناک‌ترند؛ زیرا هر برمین می‌تواند حدود ۱۰۰ هزار مولکول ازون را تخریب کند.

جالب است بدانید تخریب لایه‌ اوزون در ۲ قطب کره‌ زمین شدیدتر از بقیه نواحی آن است چرا که در زمستان‌های بسیار سرد این نواحی، پدیده‌ای موسوم به «ابرهای قطبی استرتوسفر» شکل می‌گیرد. این ابرها شرایطی فراهم می‌کنند که فرم‌های پایدار کلرین به فرم ناپایدار کلرین تبدیل شود. در گام بعدی فرم‌های ناپایدار کلرین همان طور که پیش‌تر توضیح داده شد با مولکول‌های ازن وارد واکنش شده و تعداد بسیار زیادی از آن‌ها را تخریب می‌کنند و باعث تخریب گسترده لایه‌ استراتوسفر در بالای ۲ قطب کره‌ زمین می‌شوند.

شایان توجه است که اولین سوراخ لایه‌ ازن (منظور نواحی از لایه‌ استراتوسفر است که غلظت مولکول‌های اوزون در آن به حداقل رسیده است) در بالای قطب جنوب سال ۱۹۸۵ توسط گروهی از دانشمندان بریتانیایی مشاهده شد.

محافظت از لایه اوزون

در کنار معاهده‌ها، کمپین‌های متعددی که برای افزایش آگاهی مردم درباره اهمیت لایه‌ اوزون و اهمیت مقابله با مواد تخریب‌کننده‌ لایه‌ اوزون شکل گرفته است، در مدارس، دانشگاه‌ها و مراکز عمومی نیز آموزش‌های لازم به مردم داده می‌شود. در کنار این حرکت‌های دولتی یا مردم‌نهاد، سازمان‌هایی مانند سازمان ناسا و سازمان «World Meteorological Organization» تغییرات لایه‌ اوزن را بررسی کردند تا تأثیر واقعی تلاش‌‌های جامعه‌ بشری برای حفظ آن را مشاهده و تحلیل کنند.

داده‌ها نشان داده بعد از اجرای قوانین و مقررات استفاده از موادی مانند CFCها که نقش عمده در تخریب لایه اوزون دارند، لایه‌ ازن در برخی نقاط تا حد قابل‌توجهی ترمیم شده است. داده‌ها نشان می‌دهد از سال 2020 میلادی، لایه‌ ازن با نرخ ۱ تا ۳ درصد در هر ۱۰ سال ترمیم و بازسازی شده است. با این نرخ ترمیم لایه‌ اوزون، پژوهشگران پیش‌بینی می‌کنند لایه‌‌ اوزن در نیم کره‌ شمالی تا سال ۲۰۳۰، نیمکره‌ جنوبی تا سال ۲۰۵۰ و قطب‌های شمال و جنوب تا ۲۰۶۰ میلادی کامل ترمیم شود؛ زیرا استفاده از ۹۹ درصد مواد مخرب لایه‌ اوزون در صنایع مختلف ممنوع شده است.

جمع‌بندی

در این مقاله ابتدا با مفهوم اوزون آشنا شدیم و دریافتیم اوزون در حقیقت مولکولی است که از ۳ اتم اکسیژن تشکیل می‌شود. سپس دریافتیم لایه‌ای از جو زمین را که در آن مولکول‌های اوزون وجود دارند، با نام لایه ازن می‌شناسیم. پس از بررسی ویژگی‌های این لایه، نقش مهم آن در حفاظت از کره زمین را بررسی کردیم و خواندیم این لایه علاوه‌بر محافظت از انسان و سایر جانداران در برابر اشعه ماورابنفش خورشید، به پایداری چرخه‌های آب‌وهوایی نیز کمک می‌کند. در پایان، علل سوراخ شدن لایه اوزن و راهکارهای بین‌المللی برای جلوگیری از تخریب آن را بررسی کردیم.