الكيمياء في ضوء الشمس (كيمياء تكوين الأوزون)
يتشكل الأوزون بسهولة في طبقة الستراتوسفير، حيث إنّ عملية إعادة الأشعة فوق البنفسجية الواردة تكسر الأوكسجين الجزيئي (ذرتان) إلى أوكسجين ذري (ذرة واحدة). في هذه العملية، يمتص الأوكسجين الكثير من الأشعة فوق البنفسجية ويمنعها من الوصول إلى سطح الأرض حيث نعيش. في لغة الصيغة الكيميائية المبسطة.
كيمياء تكوين الأوزون:
O2 + sunlight → O + O
عندما تصادف ذرة أوكسجين حرة نشطة كهربائياً جزيء أوكسجين، فإنها قد تترابط لتشكيل الأوزون:
O + O2 → O3
يحدث تدمير الأوزون في الستراتوسفير بسرعة مثل تكوين الأوزون، لأنّ المادة الكيميائية شديدة التفاعل. يمكن لأشعة الشمس فصل الأوزون بسهولة إلى جزيء أوكسجين وذرة أوكسجين فردية:
O3 + sunlight → O2 + O
عندما تصادف ذرة أوكسجين متحركة الكترونياً جزيء الأوزون فإنها قد تتحد لتشكل جزيئين من الأوكسجين:
O + O3 → O2 + O2
تحدث عملية تدمير-تكوين طبقة الأوزون في الستراتوسفير بسرعة وباستمرار، مع الحفاظ على الطبقة.
يمكنك أيضًا الأطلاع على: نبذة عن الصابون Soap
في طبقة التروبوسفير القريبة من سطح الأرض، يتشكل الأوزون من خلال انقسام الجزيئات بواسطة ضوء الشمس كما يحدث في طبقة الستراتوسفير، ولكن في طبقة التروبوسفير يوفر ثاني أوكسيد النيتروجين، وليس الأوكسجين الجزيئي، المصدر الأساسي لذرات الأكسجين اللازمة لتشكيله، يقسم ضوء الشمس ثاني أوكسيد النتروجين إلى أوكسيد النتروجين وذرة أوكسجين:
NO2 + sunlight → NO + O
ثم تتفاعل ذرة أوكسجين واحدة مع جزيء أوكسجين لتشكيل الأوزون:
O + O2 → O3
ثم يتفاعل بسهولة مع أوكسيد النتروجين لإعطاء غاز ثاني أوكسيد النتروجين والأوكسجين:
NO + O3 → NO2 + O2
العملية المذكورة أعلاه لا تؤدي إلى أي مكاسب صافية في الأوزون، تحدث التراكيز بكميات أعلى في طبقة التروبوسفير أكثر من تلك التفاعلات وحدها.
في الخمسينيات اكتشف الكيميائيون أنّ مادتين كيميائيتين إضافيتين ضمن التروبوسفير تساهمان في تكوين الأوزون. هذه المكونات هي أكاسيد النيتروجين والمركبات العضوية المتطايرة ولها مصادر طبيعية وصناعية على حد سواء.
أكاسيد النيتروجين (NOx)
يعرف أوكسيد النيتروجين وثاني أوكسيد النيتروجين معاً باسم أكاسيد النيتروجين NOx. تشمل مصادر أكاسيد النيتروجين البرق والعمليات الكيميائية في التربة وحرائق الغابات والحرق المعتمد للنباتات لفسح المجال للمحاصيل الجديدة (احتراق الكتلة الحيوية).
كما تأتي NOx من انبعاثات المدخنة وانبعاثات العوادم كمنتجات ثانوية لاحتراق الوقود الأحفوري (الفحم والزيت والغاز الطبيعي) في درجات حرارة عالية. محطات الطاقة التي تعمل بالفحم هي المصادر الرئيسة لأكاسيد النيتروجين في الولايات المتحدة. السيارات والشاحنات والحافلات والديزل ومحركات الطرق (معدات الزراعة والبناء والقوارب والقطارات) تطرح أيضاً أكاسيد النيتروجين.
المركبات العضوية المتطايرة (VOCs)
تعد الهيدروكربونات أحد أمثلة المركبات العضوية المتطايرة، يشير مصطلح “التطاير” إلى الاستعداد الشديد للتبخير.
بسبب بعض النباتات والعمليات البكتيرية في التربة تنبعث منها المركبات العضوية المتطايرة (تنبعث رائحة غابة الصنوبر من هيدروكربون يطلق عليه alpha-pinene).
ولكن تأتي المركبات العضوية المتطايرة أيضًا من احتراق البنزين، ومن تبخر الوقود السائل أيضًا، والمذيبات والمواد الكيميائية العضوية مثل تلك الموجودة في بعض الدهانات، والمنظفات، ومقبلات الشواء، ومزيل الأظافر.
يتطلب تكوين الأوزون في طبقة التروبوسفير كلاً من أكاسيد النيتروجين والمركبات العضوية المتطايرة. في نسخة مبسّطة جدًا من تفاعلات هذه الطبقة في التروبوسفير:
NO2 + VOC + sunlight → O3, and other products
تمثل الصيغة المذكورة أعلاه عدة سلاسل من التفاعلات التي لا تصلح لتصوير بسيط.، وذلك بسبب أنها تنطوي على أكسدة المركبات العضوية المتطايرة في التفاعلات التي تنطوي أيضًا على أكاسيد النيتروجين.
بسبب الهيدروكسيل يتم تحفيز بعض التفاعلات الرئيسية، ولكن تشارك عشرات الأنواع الكيميائية الأخرى. والنتيجة هي الأوزون، وثاني أكسيد النيتروجين (المتاح لمزيد من تكوين الأوزون)، ولذلك فإن تجديد الهيدروكسيل (متاح لتحفيز المزيد من تكوين الأوزون)، وبعض الأنواع الكيميائية الأخرى.
تحدد النسبة المحددة من أكاسيد النيتروجين إلى المركبات العضوية المتطايرة كفاءة عملية تكوين الأوزون.
بسبب الثروة الحيوانية تبعث كميات كبيرة من الميثان، ولذلك فهي واحدة من المواد الكيميائية المستخدمة في إنتاج الأوزون.
تنتج بقرة واحدة في المتوسط 0.23 كجم (0.5 رطل) من الميثان في اليوم. يبلغ إجمالي عدد الأبقار على الأرض ما يقارب 1.4 مليار بقرة تنتج 322 مليون كيلوغرام (708 مليون رطل) من الميثان في اليوم. ولكن تلال النمل الأبيض وحقول الأرز هي أيضًا من كبار منتجي الميثان.
تشتمل معظم تكوينات الأوزون في طبقة التروبوسفير على هيدروكربونات غير الميثان.
إنّ كيمياء تكوين الأوزون من الهيدروكربونات غير الميثان يتبع النمط العام الموصوف أعلاه ولكنه أكثر تعقيدًا بكثير. تتضمن أكاسيد النيتروجين والمركبات العضوية المتطايرة معًا حوالي 120 مركب كيميائي مختلف، ولكن يمكن أن تحدث مئات التفاعلات الكيميائية. قد يتم اعتراض بعض المواد الكيميائية المشاركة كجزء من العملية خلال التفاعلات مع مواد كيميائية أخرى في الغلاف الجوي.
ويمكن أن تشكل مركبات وسيطة تعمل كمستودعات مؤقتة لكميات مختلفة من الوقت.
ومن التحديات الإضافية التي تنشأ لأي شخص يتابع تفاعلات طبقة الأوزون في التروبوسفير أنها تنطوي على تفاعلات بين مراحل مختلفة من المادة (الغاز والسائل والجسيمات المعروفة باسم الهباء الجوي).
وبسبب تغير الظروف البيئية مثل درجة حرارة الهواء والرطوبة تؤثر أيضًا على كيمياء الأوزون.
بالإضافة إلى ذلك فإنّ العديد من المواد الكيميائية المعنية لها عمر قصير للغاية، وذلك قبل أن تتفاعل مع مواد كيميائية أخرى لتشكيل مركبات جديدة.
ولكن يواجه العلماء تحديات لا تعد ولا تحصى في سعيهم لفهم كيمياء الأوزون في طبقة التروبوسفير.
المصادر:
Finlayson-Pitts, Barbara J. and Pitts, James N., Jr. 1999. Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere. (Academic Press) P. 583
Fishman, Jack. 1990. Global Alert: The Ozone Pollution Crisis. (New York and London: Plenum Press)
Fishman, Jack, et al., NASA Langley Research Center, Hampton, VA. 1999.
Madronich, Sacha. 1993. Tropospheric photochemistry and its response to UV changes. In The Role of the Stratosphere in Global Change. Vol. 18. NATO-ASI Series, Editor M-L. Chanin. (Amsterdam: Springer-Verlag) Pp. 437-61
Chemistry in the Sunlight. NASA – Earth Observatory. Retrieved October 27, 2018, from https://earthobservatory.nasa.gov/Features/ChemistrySunlight/chemistry_sunlight3.php
