گاز های موجود در جو

مقدمه:ترکیبات جوهوا مخلوطی از گازهای مختلف است. گرچه جو زمین ظاهراً به دلیل ماهیت گازی شکل خود بی وزن به نظر می رسد، اما دارای جرمی به مقدار ۱۰۱۴×۶/۵ تن می باشد. به استثنای بخار آب، نسبت اختلاط گازهای تشکیل دهنده هوا تا ارتفاع ۶۰ کیلومتری نسبتاً ثابت است. حدود ۹۹ درصد حجم هوای زمین را دو گاز ازت و اکسیژن تشکیل می دهد که ازت با ۷۸ درصد، پیکره اصلی جوزمین است، بعد از آن اکسیژن قرار دارد، و سایر گازها فقط یک درصد را شامل می شوندو جدول گازهای تشکیل دهنده جو را در یک هوای خشک (بدون بخار آب و آلاینده ها) به صورتهای حجمی و جرمی نشان می دهد که معمولاً تقسیم بندی حجمی آن متداولتر است. اگر سهم بخار آب موجود در جو را نیز در این تقسیم بندی دخالت دهیم، این نسبتها ثابت نخواهد بود زیرا دمای طبقات پایین جو همیشه در حال تغییر است و با رسیدن دما به نقطه میعان و تبدیل بخار به مایع، درصد حجمی بخارآب در جو تغییر خواهد کرد. گرچه وزن مولکولی بخار آب از وزن سایر عناصر تشکیل دهنده جوکمتر است، با این وجود بخار آب عمده در لایه های پایین جو متمرکز می باشد. بیشترین مقدار بخار آب در لایه مجاور سطح زمین است و با افزایش ارتفاع، به سرعت از میزان آن کاسته می شود. وجود بخار آب در نزدیکی سطح زمین: اولاً به دلیل وجود اقیانوسهاست که منبع اصلی تأمین آن است؛ و ثانیاً سرد بودن لایه های فوقانی جو که مانع از نفوذ بخار آب می شوند.جالب است بدانیم که مقدار دی اکسید کربن موجود در جو زمین در طول قرن گذشته افزایش پیدا کرده است. بخشی از این افزایش به دلیل مصرف زیاد سوختهای فسیلی است که نتیجه آن آزاد شدن گاز CO2 است.علاوه بر ترکیبات دائمی جو که اشاره شد، جو زمین حاوی مواد معلق گوناگون مانند ذرات نمک، گرد و غبار و قطرات بسیار کوچک آب نیز می باشد که نباید آنها را جزء ترکیبات گازی جو به حساب آورد. اما نقش این مواد، بخصوص قطرات کوچک آب را نیز نمی توان نایده گرفت. ترکیبات حجمی و جرمی هوای خشکنوع گاز درصد حجمی درصد جرمیازتاکسیژنآرگوندی اکسید کربن ارتفاع و ساختار جوجو زمین، پوشش عظیم گازی شکل است که اطراف کره زمین قرار گرفته و حتی در سطح آن نیز نفوذ نموده است. هر مقدار از سطح زمین دور شویم از غلظت هوا کاسته می شود. بطوری که غلظت هوا در لایه های انتهایی آنقدر کم می شود که بالاخره بطور غیر محسوسی با جو خورشید در هم می آمیزد. در ابتدا کاهش غلظت هوا بسیار سریع است بطوری که ۵۰ درصد جرم هوا در ارتفاع کمتر از ۵/۵کیلومتری سطح زمین قرار دارد و نیمی از آنچه باقی می ماند نیز در ۵/۵ کیلومتر دوم متمرکز است. به عبارت دیگر سه چهارم جرم هوا در ارتفاع کمتر از ۱۱ کیلومتری سطح زمین پراکنده است. افزایش غلظت هوا در نزدیک سطح زمین یکی به دلیل جاذبه و دیگری فشاروارده از سطوح بالاتر جو است.ساختارجو را میتوان از دیدگاههای مختلف مورد بررسی قرار داد. یکی از معیارهایی که بر اساس آن لایه های جو طبقه بندی می شوند دمای هوا است. طبقه بندی حرارتی از نظر تغییرات هوا و اثرات مستقیم گرما بسیار با اهمیت می باشد.با توجه به محدود بودن اطلاعات ما از خصوصیات جو در لایه های فوقانی و به این دلیل که سطوح بالایی هنوز تحت بررسی و تحقیق می باشد هیچ گونه تعریف و مشخصه جامعی از ساختار جو در این قسمت وجود ندارد. در شکل ۱ ساختار لایه بندی جو از برخی جنبه های فیزیکی نشان داده شده است. پایینترین لایه جو که در برگیرنده بیشترین جرم هواست و همچنین بزرگترین ویژگی آن کاهش تدریجی دمای هوا نسبت به ارتفاع می باشد. لایه تروپوسفر نام دارد. بیشترین تغییرات جوی که کاهش دما نسبت به ارتفاع مهمترین آنهاست، در این لایه اتفاق می افتد. ضخامت متوسط لایه تروپوسفر حدود ۱۱ کیلومتر است.روی لایه تروپوسفر طبقه استراتوسفر قرار دارد که ضخامت متوسط آن حدود ۲۳ کیلومتر است. در ۳ کیلومتر اول استراتوسفر، دمای هوا ثابت است اما در قسمتهایی بالاتر دمای هوا با ارتفاع افزایش می یابد لایه مزوسفر در بالای طبقه استراتوسفر واقع شده و به صورتی است که در آن دمای هوانسبت به افزایش ارتفاع بطور سریع کاهش پیدا می کند. ترموسفر انتهاییترین لایه جو می باشد که در آن بار دیگر دمای هوا با ارتفاع به سرعت زیاد می شود. این لایه از ارتفاع تقریبی ۸۰ کیلومتری شروع و تا ۱۹۰ کیلومتری سطح زمین ادامه دارد. بدین ترتیب جو زمین از نظر حرارتی به چهار لایه متمایز: تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر، و ترموسفر تقسیم می شود. مرز بین لایه های اول و دوم، تروپوپاز،مرز لایه های دوم و سوم استراتوپاز و مرز لایه های سوم و چهارم مزوپاز نام گرفته است. مزوپاز محلی است که پایینترین دما را دارا می باشد.تأثیر فعالیتهای انسان بر وضعیت جووقتی می شنویم که مثلاً مردم شهر لوس آنجلس در وضعیت مه دود (Smong) هوا با ماسک ضد گاز در خیابانها ظاهر می شوند، باید به خود آئیم که واقعاً چه بلایی بر سر جو زمین آورده ایم.مواد زایدی که در یک جامعه غیر صنعتی دور ریخته می شود نه تنها آلوده کننده به حساب نمی آیند بلکه این مواد در اصل بخشی از چرخه عناصر در طبیعت است. اما در جوامع صنعتی، توسعه فرایندهای انرژی، بیش از نیاز شخصی افراد آن جامعه بوده و به دو صورت بر جو زمین تأثیر می گذارد: یکی تغییر در ترکیب گازهای جو؛ و دیگری تغییردمای جو. از زمان انقلاب صنعتی تاکنون بشر همیشه بیش از توان طبیعت درپاک سازی جو، مواد آلاینده وارد آن کرده است. اثرات آلودگی هوا از چند نظر حائزاهمیت است: تأثیر اول آن، تغییراتی است که در ترکیب گازهای جوی ایجاد می شود و برای سلامتی انسان مضر است؛ دومین تأثیر، افزوده شدن ذرات معلق در هوا (Aerosols)؛ و سومین اثر، تغییر دمای جو زمین است.آلاینده های گازی شکلبطوری که در جدول نشان داده شد، دی اکسید کربن فقط بخش بسیار کوچکی از گازهای جو را تشکیل می دهد؛ اما این مقدار ناچیز، همان طور که مشروحاً خواهیم دید، اهمیت زیادی دارد. CO2 و بخار آب، جذب کننده اصلی انواع طول موجهای تابشهای حرارتی هستند که باعث گرم شدن هوا می شوند. هر چه میزان CO2 در جو اضافه شود بر دمای هوای کره زمین افزوده می گردد. کارشناسان هواشناسی بر این عقیده اند که اگر افزایش CO2 موجب افزایش دمای هوا می گردد؛ برعکس، افزایش ذرات معلق در هوا با انعکاس و پراکنده کردن تابش خورشیدی باعث سرد شدن جو می شوند، و لذا تأثیر گاز CO2 از این طریق خنثی می گردد.گاز دی اکسید کربن در اثر سوخت کامل کربن و مواد فسیلی، حاصل می گردد. گرچه CO2 به مقدار بسیار زیادی توسط وسایل نقلیه، صنایع و سوختهای خانگی تولید می شود، اما تنفس آن مستقیماً بر سلامتی انسان اثر ندارد، و تنها تأثیر آن، گرم شدن جو زمین می باشد. در شکل ۲ تغییرات گاز کربنیک هوا از سال ۱۸۶۰ تا ۱۹۷۰ و پیش بینی روند افزایشی آن تا سال ۲۰۰۰ نشان داده شده است.مونوکسیدکربن یا گاز CO2 که در اثر سوخت ناقص مواد کربن دار حاصل می شود بسیار خطرناک و سمی است. با تراکم این گاز به مقدار ۱۰۰ قسمت در میلیون به فاصله چند ساعت سلامتیانسان به خطر می افتد. گازهای CO2 و اسید سولفوریک نیز به مقدار کمتری تولید می شوند، اما اثرات آنها بیشتر و کشنده تر است. هنگام تنفس، وقتی گاز اسیدسولفوریک وارد ریه ها می شود سلولها به طور دایم از بین می روند. گاز SH2 که بوی تخم مرغ گندیده می دهد از ضایعات کارخانجات حاصل شده و سمی بودن آن به مراتب خطرناکتر از دیگر گازها می باشد. این گازموجب اغلب مرگ و میرها و بیماریهای ناشی از آلودگی هواست. در فرایندهای شیمیایی جو چندین نوع اکسید ازت تولید می شود که خطرناکترین آن اکسید نیتریک (NO2) است. تابش خورشید، اکسید ازت را به ازن که نوعی اکسیژن فعال و سمی است تجزیه می کند. بعضی از فرایندهای صنعتی موادی از جمله فلورید هیدروژن (HF) تولید می کند. این ماده شیمیایی بسیار خورنده است و با تراکمی کمتر از یک قسمت در بیلیون می تواند خسارات زیادی به گیاهان واردآورد. دی سولفید کربن نوع دیگری از گازهای سمی است که در صنایع کاغذسازی به مقدار زیاد تولید می شود.علاوه بر گازهای معدنی مذکور، ترکیباتی از نوع گازهای آلی و فرار که بسیار سمی هستند نیز وارد جو می گردد. این گازها عبارتنداز: اتیلین، فورمالدئید و تعدادی گازهای حلال. اتیلین، هیدروکربن مهمی است که در دود اتومبیلها، اتوبوسها و کامیونها وجود دارد. تراکم این گازها به مقدار یک قسمت در بیلیون به اغلب گیاهان زراعتی صدمه می زند. فورمالدئید، ماده شیمیایی از انواع گازهای آلوده کننده است. این ماده ترکیبی تحریک کننده دودی شکل بوده که در محل سوزانیدن زباله ها تولید می شود. حلالهای آلی در هوای نواحی صنعتی به وفور یافته می شود که اثرات آنها، از تحریکات ساده تا مسمومیتهای شدید می باشد.هنوز به خوبی اثرات واقعی گازهای رادیواکتیو روشن نشده و خطرات حاصله چه به لحاظ توارثی و چه به لحاظ پزشکی قابل توجه و تحت بررسی است.آئروسلهاهر چند بیشتر آئروسلها و ذرات معلق در هوا منشا طبیعی داشته و حاصل انفجارهای آتشفشانها ، گردو خاک حاصل از باد و یا ذرات نمک می باشند، با وجود این مقدار زیادی از مواد معلق همان طور که گفته شد، توسط انسان و فعالیتهای صنعتی وارد جو می شود. صرف نظر از این که ذرات مزبور چگونه تولید و در فضا پراکنده شده باشند. نقش مهمی در تغییر اب و هوای کره زمین دارند از حالت کلی دواثر متضاد مواد ملق در هوا ، این است که با انعکاس پرتوهای خورشیدی به خارج از جو باعث سرد شدن زمین می شوند، و یا ممکن است با جذب انرژی خورشید، موجب گرمشدن هوای کره زمین گردند.در حال حاضر ما شاهد افزایش مقدار آئروسلها در مناطق شهری هستیم ، ولی هنوز دلایلی که نشان دهد ذرات فوق در مقیاس جهانی تاثیر دارند به دست نیامده است. با این وجود بااطمینان می توان انظار داشت که با گسترش شهرها باز هم به مقدار ذرات معلق در هوا اضافه شود و اثرات جدی آن در زندگی بشر و تغییر آب و هوای زمین مشهود گردد.هر چند نقش انسان در آلوده کرده جو موثر است، اما طبیعت نیز گاهی اوقات با وارونگی دما نسبت به ارتفاع در تشدید موضوع دخالت دارد. زیرا هنگامی که این حالت اتفاق می افتد، هوای سرد و آلوده به دلیل سنگینی بیشتر در سطوح پایین، و هوای گرم در ارتفاع بالا قرار می گیرد ولذا جو حالت پایدار به خود گرفته و امکان مخلوط شدن و تهویه هوا وجود ندارد.آیا هوا با کمبود اکسیژن مواجه خواهد شد؟مصرف سوختهای فسیلی بطور جدی و قابل ملاحظه ای اکسیژن موجود در هوا را از بین میبرد. از طرف دیگر به دلیل آلودی دریاها و دریاچه ها و وارد شدن مواد سمی به داخل آنها رشد جلبکهای سبز-آبی را که یکی از منابع اصلی تامین اکسیژن هستند به مخاطره افکنده است. نظر به این که اکسیژن محصول جانبی فرایند فتوسنتز می باشد، کاهش گیاهان دریایی می باید تعادل تولید و مصرف اکسیژن را در هوا و اقیانوسها مختل سازد.مساله کم شدن اکسیژن در طبیعت مورد بررسی دقیق بسیاری از محققین قرار گرفته و تا به حال نتیجه این بوده است که خوشبختانه هیچ گونه کاهش جدی در مقدار اکسیژن دیده نمی شود و اکنون مقدار سالانه مصرف اکسیژن به صورت سوخت معادل مقدار تولید آن در فر؟آیندهای فتوسنتز می باشد. اگر انسان می توانست با فعالیت های صنعتی تمام سوخت های آلی را مصرف کند فقط کمتراز ۳ درصد اکسیژن موجود در هوا مورد استفاده قرار می گرفت، در حالی که اکسیژن ذخیره در اقیانوسها به مراتب، بیشتر از این مقدار بوده و می تواند کمبود آن را جبران نماید.آیا دمای کره زمین افزایش خواهد یافت؟در حال حاضر متوسط دمای کره زمین ۱۵ درجه سانتی گراد تخمین زده شده است.در محاسبه این دما بیلان کل انرژی دریافتی از خورشید، مقدار انرژی ذخیره شده در جو و مقدار واتابی که به خارج از جو برگشت داده می شود، در نظر گرفته شده است. هر گونه تغییری که در اجزای بیلان انرژی کره زمین داده شود می تواند دمای فعلی زمین را تغییر دهد.همان طور که قبلا توضیح داده شد بخار آب و گاز دی اکسید کربن مهمترین جذب کننده های انرژی تابشی در جو می باشند که از این دو بخار آب از اهمیت بیشتری برخوردار است. هر نوع فرایندی که موجب افزایش مقدار co2 و بخار آب بشود در افزایش دمای هوا موثر خواهد بود. در یکصد سال گذشته مقدار دی اکسید کربن هوا به میزان ۱۵% افزایش یافته است.یکی از مسائل غیر قابل پیش بینی در مورد آلودگی هوا پرواز هواپیماهای با سرعت مافوق صوت در سطوح فوقانی جو می باشد که با پراکنده کردن بخار آب و گاز co2 در لایه استراتوسفر مشکلاتی را ایجاد کرده است.هنوز معلوم نیست که آیا رها شدن این ذرات در قسمت تحتانی استراتوسفر باعث گرم تر شدن لایه های پایینی جو می شود و یا این که با تشکیل ابر وانعکاس تابش خورشید توسط این ابرها، جو زمین سردتر خواهد شد. نهایتا مشکل حرارتی جو زمین با تداخل اثرات گوناگون آلودگی هوا مساله ای پیچیده به نظر می رسد که محققین هنوز به نظریه ثابتی نرسیده اند. ذخیره حرارتی جو که با تابش مستقیم خورشید و بازتاب حرارتی زمین تنظیم می شود، تحت تاثیر حرارت مستقیم ایجاد شده توسط انسان قرار میگیرد. منابع حرارتی و سوخت مواد در کارخانجات و فعالیتهای صنعتی انسان، مستقیما حرارت را به جو منتقل می سازد.گرچه ما با دید مختصر و کوتاه به مساله دخالت انسان در آلوده کردن جو نگاه کردیم، اما همین نگاه مختصر نشان می دهد که تاثیر فعالیتهای انسانی به آلوده کردن جو تا چه اندازه حائز اهمیت است.آلودگی هوامعنای اصطلاح آلودگی هوا چیست؟ یک مقایسه کلی ما بین آلودگی و عدم آلودگی هوا به این سوال پاسخ خواهد داد. این نقطه شروعی منطقی برای هر مطالعه ای در مورد آلودگی هوا می باشد.هوای غیر آلوده:هوا، بعنوان یک تعریف مصطلح برای توصیف مخلوطی از گازها که هر یک قشر نسبتا نازکی را در اطراف زمین به وجود می آورند به کار برده می شود. ترکیب این مخلوط از زمین به طرف بالا تا حدود ۵۰ مایل به طور قابل ملاحظاه ای ثابت است.چگونگی ترکیب آلودگی هوای خشک را طبقه ای از طبقات پیرامون کره زمین به صورت درصد حجمی ارائه می دهد، در ضمن مجموع جرم نسبی هر جز در تمام اتمسفر نیز داده شده است. نیتروژن واکسیژن از گازهای بسیار فراگیر اتمسفر و رویهم رفته ۹۹% حجم را تشکیل می دهند.تقریبا مابقی اتمسفر از آرگون و کربن دی اکسید، درصد حجمی کل مجموع این چهار جز در هوای خشک تمیز ۹۹/۹۹ درصد است. جدول ۲ شامل اجزا هوای خشک است بنابر این آب از قلم افتاده شده که یک جز اصلی پنجم از هوای تمیز می باشد. در جدول ۲ آب وارد نشده زیرا بر خلاف سایر اجزا بخار اب به مقادیر متفاوتی در هوای تمیز یافت می شود. آب موجود در اتمسفر وابسته به دماو سرعت تبخیر آب از منابع موجود از ۰۱/۰ تا ۵ درصد تغییر می کند و عموما مقدار آن ما بین ۱ تا ۳ درصد است. مشخص است که وجود بخار آب غلظت سایر اجزا اتمسفری را به زیر مقادیر داده شده در جدول ۲ تغییر خواهد بود. هر چند تناسب نسبی سایر اجزاء اساسا ثابت باقی می ماند و وقتی که میزان رطوبت مشخص شود درصد سایر گازها می توانند از این ثابت تناسب محاسبه شوند. اجاز جزئی هوا بسیار متعددند و تعدادی از آنها از روندهای طبیعی متنوعی حاصل می شوند. هیدروژن سولفیدH2S سولفوردی اکسید so2 و کربن منوکسید co همگی توسط عمل آتشفشانها حاصل شده و در اتمسفر موجود هستند.پوسیدگی گیاهان و جانداران تحت شرایط فاقد اکسیژن (پوسیدگی غیر هوازی)غلظت جرم کلیدرصد حجمی میلیون در تناجزا اصلینیتروژن N2 09/78 4220000000اکسیژنO2 95/20 1290000000ارگون Ar 93/0 72000000کربن دی اکسید CO2 032/0 2700000اجزا فرعینئون Ne 0018/0 70000هلیوم He 00052/0 4000متان CH4 00015/0 4600کریپتون Kr 0001/0 16200هیدروژن H2 00005/0 190نیتروس اکسید N2O 00002/0 1700کربن منواکسید CO 000001/0 540گزنون Xe 000008/0 2000ازون O3 000002/0 190آمونیاک NH3 0000006/0 21نیتروژن دی اکسید NO2 0000001/0 9نیتریک اکسید NO 00000006/0 3سولفوردی اکسید SO2 00000002/0 2هیدروژن سولفید H2S 00000002/0 1منشا و ماهیت آلاینده های هوابه طور کلی، آلاینده چیست؟ هر گاه ماده ای با تراکمی بیشتر از تراکم متداولش در فضا- که غالبا مقدار بسیار ناچیزی است- یافت شود، به آن آلاینده گویند. موارد گاز کربونیک، اکسیدهای نیتروژن، اوزون، و امونیاک که از سازاهای عادی فضای غیر آلوده اند استثنا هستند. اما به متان، آمونیاک و هیدروژن سولفید را تولید می کند. اکسیدهای نیتروژن(N20,NO,NO2) توسط تخلیه بارالکتریکی در طی رعد و برق تولید می شوند. و نیز چندین تن کربن منوکسید توسط آتش سوزی جنگلها به وجود می آید.هوای آلوده:اضافه شدن هر ماده ای تا حدی خواص فیزیکی و شیمیایی هوای تمیز را تغییر می دهد. بنابر این چنین موادی به عنوان آلوده کننده هوا در نظر گرفته می شوند.آلوده کننده ها معمولا به عنوان موادی که باعث تاثیرات قابل توجهی برای بشر، حیوانات، نباتات یامواد بشوند طبقه بندی میگردند. بر این اساس تقریبا هر ماده طبیعی یامصنوعی که بتواند از هوا بدست آید به عنوان آلوده کننده طبقه بندی می شود. چنین موادی به صورت ذرات جامد قطرات مایع، گازها و یا مخلوطی از این اشکال هستند. اکثر مشکلات آلودگی هوا به تنوع انواع مختلف آلوده کنند ه ها در شکلهای گوناگون مربوط می گردد.آلودگی هوامحض آنکه مثلا تراکم گاز کربونیک بیش از تراکم متداول آن که از لحاظ حجمی در حدود ۳۰۰ قسمت در میلیون است، برسد می توان ان را به عنوان یک ماده آلوده تلقی کرد. آلاینده ها دارای سه منبع اصلی هستند که عبارتند از اجاقهای خانگی، کوره های صنعتی و مواد نشر یافته از آنها، و بالاخره گازهای خارج شده از لوله اگزوز وسایل نقلیه موتوری.-گازها و بخارات ترکیبات بسیار متنوع معدنی و آلی، مانند اکسید های گوگرد، نیتروژن، و غیره یا ئیدروکربورهای چرب (آلیفاتیک) و معطر(آروماتیک) اسیدها، بازها، فنول ها و غیره.ذرات جامد یا حبابهای مایع تشکیل شده از ائروسول هایی که ریزترین ذره آن دارای ابعاد حداقل ۳% میکرو میلی متر است و می تواند به صورت ائروسول باقی بماند و به ۲۰ میکرومیلی متر یا بیشتر هم (برای ذراتی که فورا روی زمین قرار می گیرند) برسد.پنج نوع از مواد که به عنوان آلوده کننده های عمده هوا شناخته شده اند و باعث بوجود آمدن بیش از ۹۰% از عوامل آلودگی هوا می شوند عبارتند از:۱- کربن منواکسیدco۲- اکسیدهای نیتروژن Nox3- هیدروکربن ها HC4- اکسیدهای سولفور Sox5- ذرات معلق )همتا گاز مهرآباد