الأوزون

لأوزون

الأوزون Ozone (O3) أحد أشكال الأكسجين (المتآصلة allotropic)، وهو غاز أزرق اللون شديد الانفجار ذو رائحة واخزة مميزة، كثافته بالنسبة للهواء 62.1، ودرجة غليانه -122ْس، يكوِّن في الدرجات التي هي أخفض من درجة غليانه سائلاً أزرق داكناً تبلغ كثافته 71.1 غ/سم3 . وفي الدرجة -183ْس يكون الأوزون ذا مغنطيسية عكسية في الحالة الغازية وذا مغنطيسية طردية ضعيفة في الحالة السائلة. ينحل الأوزون في الماء بنسبة 0.394غ/سم3 في الدرجة 0ْس، أي أكثر بخمس عشرة مرة من انحلال الأكسجين.
يتكون الأوزون بالتفاعل العكوس:

ويتفكك جزيء الأوزون تلقائياً إلى الأكسجين ناشراً الحرارة، ويتفكك في التركيزات العالية منفجراً. أما في التركيزات البسيطة العادية، وفي حال عدم وجود شوائب غريبة، فيتفكك ببطء. ويتسارع تفكك الأوزون بشدة بتسخينه أو بملامسته لشيء من المركبات العضوية أو لبعض المعادن أو أكاسيدها. وتؤثر المقادير البسيطة من حمض الآزوت HNO3 في استقرار الأوزون.
وهو لا يتفكك إذا كان محفوظاً في الدرجة -78ْس في أوعية زجاجية أو لدائنية أو أوعية مصنوعة من معادن صرفة.
والأوزون هو أحد المؤكسِدات القوية (أقوى من الأكسجين العادي)، يؤكسد جميع المعادن (ما عدا الذهب والبلاتين وما يماثلهما) ومعظم العناصر الأخرى. ويعطي أوزونيدات مع بعض المركبات العضوية واللاعضوية.
يُكشف عن الأوزون في مزيج غازي بالتفاعل الآتي:

يتكوَّن الأوزون في العمليات التي يرافقها انطلاق الأوكسجين الذري، وفي الصناعة يُحصَل عليه من الهواء ومن الأوكسجين بالانفراغ الكهربائي في درجات منخفضة من الحرارة.
تتيح خاصيات الأوزون الشديدة الأكسدة استعماله في تحضير كثير من المركبات العضوية وفي تبييض الورق والزبدة.
يقتل الأوزون الأحياء الدقيقة، لذلك يستعمل في تنقية مياه الشرب والهواء. وهو سام جداً (تزيد سميته على سمية CO)، ويساوي التركيز الحدّي المسموح به للأوزون في الهواء 10-5 %.
تكوّن الأوزون وأوضاعه في الغلاف الجوي للكرة الأرضية ودوره في امتصاص الأشعة فوق البنفسجية
يتكوّن الأوزون في الستراتوسفير stratosphére (وهي طبقات الجو العليا التي تمتد على ارتفاع يراوح بين 10 و 15 كم تقريباً من الأرض) من تفكك جزيئات الأكسجين O2 بفعل الإشعاع فوق البنفسجي، وتتحد ذرات الأكسجين الناتجة مع جزيئات من الأكسجين

وهو يوجد في الغلاف الجوي بكمية ضئيلة. ويبلغ ثخن طبقة الأوزون في الجو الأرضي وفي الشروط النظامية 2.5- 3مم وسطياً.
ومع أن غاز الأوزون يؤلف أقل من جزء واحد من المليون من غازات الغلاف الجوي، فهو يمتص معظم الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن الشمس، ويمنع تلك الأشعة من الوصول إلى الأرض. وهذا الإشعاع فوق البنفسجي ذو طاقة عالية تكفي لتحطيم جزيئات بيولوجية مهمة منها الحمض النووي الريبي المنقوص الأكسجين (الدنا DNA)، ويمكنه زيادة الإصابة بسرطان الجلد والساد العيني cataract ونقص المناعة.
القياسات التي أجريت على الأوزون
أجري منذ أواخر السبعينات من القرن العشرين نوعان من القياسات الخاصة بطبقة الأوزون. ففي القياس الأول تؤكد قياسات الأقمار الصناعية، على ما يبدو، النظرية القائلة إن طبقة الأوزون تتعرض لاستنزاف تدريجي. وتشير هذه القياسات إلى أن تركيز الأوزون قد انخفض عدة أجزاء في المئة منذ عام 1979، ووصلت نسبة الانخفاض إلى 18 في المئة في المناطق المتوسطة من نصف الكرة الجنوبي.
وفي القياس الثاني الذي تم في شهري أيلول وتشرين الأول من سنوات هذه المدة كلها تقريباً، بَيَّنت القياسات فوق القطب الجنوبي أن استنزاف الأوزون كان أكثر إثارة، وهو ما أصبح يعرف باسم ثقب الأوزون. ومع أن الثقب يمتلئ في الصيف فهو يعود كل سنة أكثر عمقاً من السابق. وقد كان متوسط تركيز الأوزون فوق القطب الجنوبي في تشرين الأول من عام 1985 أقل بنحو 40 في المئة مما كان عليه في تشرين الأول من عام 1979. وليس هناك إجماع على سبب هذه الظاهرة القطبية الجنوبية، كما أنه لا يوجد اتفاق على العلاقة بين ثقب القطب الجنوبي والاستنزاف العالمي للأوزون.
نضوب الأوزون والثقب الأوزوني وأسباب هذا النضوب
إن العوامل المؤثرة في مصير الغازات وتأثيراتها المتبادلة بينها وبين الكرة الحية biosphere معقدة وغير مفهومة جيداً. فالتفاعلات الكيمياوية التي يقوم بها مثلاً غاز ما في الكرة الحية تتوقف على مزيج الغازات والجسيمات القريبة منه، وعلى درجة الحرارة وشدة الشمس واختلاف أنواع الغيوم، وأنماط جريان الهواء التي تحرك الكيمياويات أفقياً وعمودياً. وتؤثر التفاعلات كذلك في طول المدة الزمنية التي يبقى فيها الغاز في الجو، وفيما إذا كان للغاز نفسه أو النواتج النهائية من تفاعله تأثير شامل (عالمي)، أو أن تأثيراتها البيئية لا تتجاوز حدود المنطقة التي توجد فيها.
ويعد بعض الباحثين الثقب الأوزوني إنذاراً بكارثة عالمية وشيكة الوقوع. ويعزى نضوب الأوزون الستراتوسفيري أساساً إلى مركبات الكلوروفلوروكربون Chlorofluorocarbon الصناعية، وهي مركبات تحوي الكلور والفلور والكربون، وتحوي الهدروجين أحياناً، ولاسيما المركب (CF2Cl2) CF – 12(CFCl3)CFC -11. وقد ازدادت انبعاثات هذه الكيمياويات المتولدة عن النشاط البشري وتركيزاتها بسرعة منذ عدة عقود، أي في الوقت الذي راج فيه استعمالها مبرّداتٍ أو حُلاَلاَتٍ هوائية (دواسر الحُلاَلاَت أو الرذيذات) aerosol propellants ومذيباتٍ وعواملَ نفخٍ لتكوين الرغوة. ومما عزَّز من رواج هذه الكيمياويات تمتعها بخاصة بدت جيدة في باديء الأمر وهي خمولها في الطبقة المنخفضة من الجو، فهي لذلك ليس لها فعل سُمِّيٌ مباشر في الكائنات الحية. ولا تتجاوز نسبة هذه المركبات مجتمعة في الجو جزءاً واحداً في البليون تقريباً. وتتحلل هذه المركبات بوساطة الأشعة فوق البنفسجية في الستراتوسفير فيتحرر الكلور الذي يحفز عملية تحليل الأوزون إلى أكسجين جزيئي O2:

ثم يتفاعل أحادي أكسيد الكلور مع ذرات من الأكسجين (تتكوّن نتيجة التفكك الضوئي لجزيء آخر من الأوزون)، وينطلق الكلور الذي يعيد الدورة من جديد.
أما البروم Br2 فيتكوَّن في الستراتوسفير من مصدرين رئيسيين ينجمان عن فعاليات الإنسان وهما بروميد الميثيل والهالونات. والهالون هو الاسم التجاري لمتبلمر تترافلورو الأثيلين. ولبروميد الميثيل مصدران: مصدر طبيعي ومصدر بشري، أما الهالونات فلها مصدر بشري فقط. ويبلغ إجمالي الوفرة الجوية للبروم نحو 15-20 جزءاً لكل ترليون جزء حجماً. والهالونات، بصفتها مواد كيمياوية «مهلجنة» (تحوي في تركيبها هالوجيناً. والهالوجينات هي الفلور والكلور والبروم واليود) ذات عمر طويل نسبياً (مستقرة)، فإنها تتفكك بتأثير الضوء في طبقة الستراتوسفير من الغلاف الجوي، فينبعث منها بروم ذو قدرة تحفيزية عالية في تدمير طبقة الأوزون. فالبروم عامل مدمر للأوزون، وقدرته على استنزافه أكبر من قدرة الكلور بنحو 10- 100 مرة.
والتفاعلات المتعلقة بالبروم هي المسؤولة عن التدمير الكيمياوي لطبقة الأوزون بنسبة 25% فوق القطب الجنوبي للأرض، وبنسبة 50% فوق القطب الشمالي.
وسلسلة التفاعلات التحفيزية للبروم هي كالآتي:

وتُرجِع نظرية أخرى السبب في ثقب الأوزون بالقطب الجنوبي واستنزاف الأوزون العالمي إلى أكاسيد الآزوت (النتروجين). فدورة الكلور التحفيزية لا تتم عادة من دون قيود ومداخلات. فهناك نوعان رئيسيان من التفاعلات يُعتَقَد أنهما يتدخلان في عملية تحطيم الأوزون، على الأقل عند الارتفاعات المتوسطة. ففي إحدى الحالات يتفاعل أكسيد الكلور ClO مع أكسيد الآزوت NO، وتنتقل ذرة الأكسجين في أكسيد الكلور إلى أكسيد الآزوت NO منتجة ذرة كلور حرة وثنائي أكسيد الآزوت NO2. وعندما يمتص ثنائي أكسيد الآزوت الضوء المرئي، فإنه يحرر ذرة أكسجين تكون جاهزة لكي تعيد توليد الأوزون:

وتكون النتيجة عدم حدوث تغير في مستوى الأوزون.
وفي حالة ثانية أكثر أهمية يؤدي اتحاد ذرة الكلور أو جذر أحادي أكسيد الكلور بجزيء آخر إلى ناتج مستقر يقوم مؤقتاً بدور «مستودع» للكلور. وعند ارتباط الكلور على هذا النحو (كما هي الحال في معظم الوقت بالجو العادي)، فإنه لا يتيسر له مهاجمة الأوزون. وهناك مستودعان مهمان هما نترات الكلور ClONO2 المكونة من اتحاد أحادي أكسيد الكلور بثنائي أكسيد الآزوت NO2، وحمض كلور الماء HCl الذي يتكون من تفاعل ذرة الكلور مع الميثان CH4. وفي نهاية المطاف فإن هذين المستودعين يمتصان فوتوناً أو يتفاعلان مع مواد كيمياوية أخرى، ويتفككان فيتحرر الكلور ليستأنف تحفيزه في تحطيم الأوزون.
تعزِّز درجات الحرارة المنخفضة، خاصة في القارة القطبية الجنوبية، وبدرجة أقل في القطب الشمالي، دورات الكلور التحفيزية، وذلك بإزالة أكاسيد الآزوت التي تعيق هذه الدورات (مع أن غازات NOx يمكنها أن تخرب الأوزون، إذ يعزز وجودها في الستراتوسفير غالباً عملية تخريب الأوزون المحفِّزَة بالكلور. والتناقض هنا ظاهري). إذ تتجمد غازات NOx مع الماء مشكلة جسيمات تعرف باسم الغيوم الستراتوسفيرية القطبية. وتسهّل الجسيمات الغيمية عملياً حدوث التفاعلات السابقة الذكر التي تؤدي إلى انطلاق الكلور من مركبات لا تتفاعل هي نفسها مع الأوزون مثل HCl و ClNO3.
إن تركيزات أكاسيد الآزوت في الجزء السفلي من الستراتوسفير ترتفع وتنخفض مع دورة الإحدى عشرة سنة للنشاط الشمسي. وقُبيل الذروة الشمسية (تصبح حرارة الشمس في ذروتها عندما يكون الكلف الشمسي Sunspot في مستواه الأدنى، وهذا يحدث دورياً كل 11 سنة) تنتقل كميات كبيرة من مركبات الآزوت التي تتولد في الجزء العلوي من الستراتوسفير إلى الجزء السفلي منه بفعل دوامة القطب الجنوبي، وهي نوع من الريح الدائرية التي تستقر فوق القطب الجنوبي في الشتاء القطبي الطويل. وتتسبب شمس الربيع في التحليل الضوئي لبعض المركبات لتنتج أول أكسيد الآزوت NO وثنائي أكسيد الآزوت NO2 المبددين للأوزون، وتنتشر أكاسيد الآزوت في الستراتوسفير، مبددة الأوزون فوق أجزاء أخرى من الكرة الأرضية. ومع أن هذه النظرية لا تبرئ مركبات كلوروفلورو الكربون بحال من الأحوال، فإنها ترى أن معظم استنزاف الأوزون الذي رُوقب حتى اليوم، يحدث دورياً لأسباب طبيعية.
وما يزال باحثون آخرون يعتقدون أن الثقب القطبي الجنوبي من جهة، والنقص في ثخانة طبقة الأوزون العالمية من جهة أخرى، هما ظاهرتان منفصلتان تماماً، وأن الثقب لم يتكون بفعل المواد الكيمياوية بل بفعل الرياح. إذ لوحظ أن الكمية الكلّية للأوزون الجوي في اتجاه القطب وفي مدى 44 درجة جنوب خط الاستواء تكاد تبقى ثابتة عندما يتكون الثقب القطبي كل ربيع. والتفسير المحتمل لهذا هو أن تيارات الهواء الصاعدة تدفع الهواء الغني بالأوزون الموجود في الجزء السفلي من الستراتوسفير بعيداً عن القطب، ويحل محله هواء من خطوط العرض الدنيا يفتقر إلى الأوزون. ويجتمع الهواء الغني بالأوزون على هيئة حلقة عند خطوط العرض دون القطبية حيث يقاس حقاً نسبة عالية من تركيز الأوزون. وهكذا فإن الثقب يتعمق من سنة إلى أخرى لأن الاندفاع نحو الأعلى يزداد لأسباب غير واضحة حتى اليوم.
وقد حصل باحثون آخرون ضمن بعثة توجهت حديثاً إلى القطب الجنوبي على دليل أولي يناقض نظريتي الدورة الشمسية ونظرية الريح كلتيهما. وما يزال الجدل قائماً بين أنصار كل من هذه النظريات، وقد يحتاج الأمر إلى عدة سنوات قبل الوصول إلى تفسير واحد لظاهرة الثقب الأوزوني ولظاهرة استنزاف الأوزون.
تأثير الأوزون في الكائنات الحية وفي المواد غير الحية
يشعر بعض الناس بتأثير الأوزون عندما يوجد في الهواء بتركيز 0.001 جزء من المليون. وعندما يصبح بتركيز يراوح بين 0.5 و0.1 جزء من المليون يضطرب لديهم تنسيق تقلصات عضلات العين، وتنخفض حدة الرؤية. وتظهر وذمة رئوية عند الذين يتم تعريضهم تجريبياً لتركيز أقل من جزء واحد من المليون.
وتذكر وكالة حماية البيئة الأمريكية أن تركيز 0.15 جزءاً من المليون يسبب ضيقاً في الصدر وتخريشاً للجهاز التنفسي وانخفاضاً في وظيفة التنفس. ويسبب 0.17 جزءاً من المليون تفاقم حالات الربو والتهاب القصبات الحاد، وفي تركيز 0.18 جزءاً من المليون تنخفض مقاومة الأفراد للإصابة الجرثومية. أما تركيز 0.12 جزءاً من المليون فيعد الحد الأعلى للسلامة المسموح بها.
أما في الصناعة فيُسمح بالتعرض مدة 8 ساعات من العمل لتركيز مقداره 0.5 جزءاً من المليون، علماً أن تركيزات الأوزون في بعض الصناعات قد تصل أحياناً إلى جزء واحد من المليون، ويمكن أن يحصل هذا التركيز في حالات تلوث الهواء تلوثاً شديداً في بعض الأماكن، مثل مدينة لوس أنجلوس في الولايات المتحدة الأمريكية, ويزداد تركيز الأوزون في الارتفاعات العالية، كما يحصل في الطائرات التي تحلق على ارتفاع يزيد على 9 كيلو مترات. وعلى ارتفاع 25- 30كم يصل التركيز إلى 12 جزءاً من المليون، وهو الحد الذي يموت عنده الإنسان.
ولما كان الأوزون مادة مؤكسدة شديدة الفعالية، كان تركيزه يسبب تلف المحاصيل الزراعية والنباتات، ويسبب التخرب المبكر للمطاط والأنسجة، فتظهر على الأوراق قشور رقيقة حمراء، ويسبب ابيضاض النباتات ويثبط نموها ويؤدي إلى شيخوختها المبكرة.
ولما كان الأوزون يسبب تناثر المعلقات الخفيفة فقد أسهم، مع المواد المؤكسدة الأخرى، في خفض الرؤية.
هيام بيرقدار، حسن حلمي خاروف

الموضوعات ذات الصلة:

الأكسجين.

مراجع للاستزادة:

ـ مجلة العلوم، المجلد4، العدد3، مارس/آذار 1988، الكويت.
ـ مجلة العلوم، المجلد7، العدد3، مارس/آذار 1990، الكويت.
ـ حماية الأوزون (مجلة)، الأعداد 4، 7، 8، 11، 1993.
ـ معهد مراقبة البيئة العالمية Worldwatch