ما هو ثقب الأوزون

يصف مصطلح استنفاد الأوزون ظاهرتين ذات صلة لوحظتا منذ أواخر 1970 وهما انخفاض مطرد بنحو أربعة في المئة في إجمالي كمية الأوزون في طبقة الستراتوسفير الأرض (طبقة الأوزون)، وانخفاض الربيع أكبر بكثير في طبقة الأوزون في الغلاف الجوي العلوي حول المناطق القطبية للأرض، ويشار إلى هذه الظاهرة الأخيرة باسم ثقب الأوزون. وهناك أيضًا أحداث استنفاد لطبقة الأوزون في الغلاف الجوي في فصل الربيع، بالإضافة إلى هذه الظواهر الستراتوسفيرية.

السبب الرئيسي لاستنفاد طبقة الأوزون وثقب الأوزون هو مادة كيميائية من صنع الإنسان، وخاصة من صنع المبردات الهالوكربون، والمذيبات والدواسر وعوامل نفخ الرغوة (مركبات الكربون الكلورية الفلورية (مركبات الكربون الكلورية فلورية)، مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية والهالونات)، ويشار إلى المواد المستنفدة للأوزون (ODS). يتم نقل هذه المركبات إلى الستراتوسفير بواسطة الرياح بعد انبعاثها على السطح. وعندما تصل إلى طبقة الستراتوسفير، فإنها تطلق ذرات الهالوجين التي تحفز انهيار الأوزون (O3) إلى الأكسجين (O2). وقد لوحظ أن استنفاد الأوزون يزداد مع زيادة انبعاثات الهالوكربونات.

لقد أثار استنفاد الأوزون وثقب الأوزون قلقًا عالميًا بشأن زيادة مخاطر السرطان والآثار السلبية الأخرى. فطبقة الأوزون تمنع معظم موجات الأشعة فوق البنفسجية الضارة من المرور عبر الغلاف الجوي للأرض. وتتسبب هذه الأطوال الموجية في سرطان الجلد وحروق الشمس وإعتام عدسة العين، التي كان من المتوقع أن تزداد بشكل كبير نتيجة لتخفيف الأوزون، فضلا عن إلحاق الضرر بالنباتات والحيوانات. وأدى هذا القلق إلى اعتماد بروتوكول مونتريال في عام 1987، الذي يحظر إنتاج مركبات الكربون الكلورية فلورية والهالونات وغيرها من المواد الكيميائية المستنفدة للأوزون.

وبدأ سريان الحظر في عام 1989. واستقرت مستويات الأوزون بحلول منتصف التسعينات وبدأت تتعافى في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. ومن المتوقع أن يستمر الانتعاش خلال القرن المقبل، ومن المتوقع أن يصل ثقب الأوزون إلى مستويات ما قبل 1980 بحلول عام 2075. ويعتبر بروتوكول مونتريال أنجح اتفاق بيئي دولي حتى الآن.

ملاحظات على نضوب طبقة الأوزون

عادة ما يقاس انخفاض ثقب الأوزون الكلي للأوزون فوق نقطة على سطح الأرض. وكان الانخفاض الأبرز في الأوزون في طبقة الستراتوسفير السفلى في الربيع في القطب الجنوبي وأوائل الصيف مقارنة مع أوائل 1970 وقد لوحظت باستخدام أدوات مثل مطياف رسم الخرائط الأوزون الكلي.

وفي العادة تستمر التخفيضات التي تصل إلى 70 في المائة في سماكة الأوزون الذي يلاحظ في الربيع الجنوبي (نصف الكرة الجنوبي) فوق القارة القطبية الجنوبية ولأول مرة في عام 1985 (قام فرمان وآخرون). بالكشف أن الأوزون في القطب الجنوبي ظل في شهري سبتمبر وأكتوبر أقل بنسبة 40-50٪ من قيم ما قبل الأوزون منذ التسعينيات. وفيما بعد تم الإبلاغ عن اتجاه تدريجي نحو “الشفاء” في عام 2016. وفي عام 2017، أعلنت وكالة ناسا أن ثقب الأوزون كان الأضعف منذ عام 1988 بسبب الظروف الحارة في الغلاف الجوي. ومن المتوقع أن يتعافى بحلول عام 2070.

الكمية المفقود هي أكثر تغيرًا من سنة إلى أخرى في القطب الشمالي مما هو عليه في القطب الجنوبي. أكبر انخفاضات في القطب الشمالي في فصلي الشتاء والربيع، تصل إلى 30 في المئة عندما تكون طبقة الستراتوسفير أبرد.

وتؤدي التفاعلات التي تحدث على الغيوم القطبية الستراتوسفيرية دورا هاما في تعزيز استنفاد الأوزون.

وقد تبين أن الانفجارات البركانية الكبيرة لها تأثيرات كبيرة مستنفدة للأوزون وإن كانت غير متكافئة

كما يفسر استنزاف الأوزون الكثير من الانخفاض الملحوظ في درجات الحرارة في الغلاف الجوي العلوي والطبقي العلوي. مصدر دفء الستراتوسفير هو امتصاص الأشعة فوق البنفسجية من الأوزون، وبالتالي خفض الأوزون يؤدي إلى التبريد. ويتوقع أيضا بعض التبريد في الغلاف الجوي من الزيادات في غازات الدفيئة مثل غاز ثاني أكسيد الكربون.

ولا تزال التنبؤات بمستويات الأوزون صعبة، إلا أن دقة تنبؤات النماذج للقيم الملاحظة والاتفاق بين مختلف تقنيات النمذجة قد ازدادت باطراد. ويظهر التقرير العالمي لمشروع رصد الأوزون العالمي رقم 44 تأييدا قويا لبروتوكول مونتريال، ولكنه يلاحظ أن التقييم الذي أجراه برنامج الأمم المتحدة للبيئة في عام 1994 بالغ في تقدير خسارة الأوزون للفترة 1994-1997.

تأثير المواد الكيميائية في الغلاف الجوي

الكلوروفلوروكربون والمركبات ذات الصلة في الغلاف الجوي

تعتبر مركبات الكلوروفلوروكربون وغيرها من المواد المستنفدة للأوزون مسؤولة أساسًا عن استنفاد الأوزون الكيميائي من صنع الإنسان. ويمكن حساب إجمالي كمية الهالوجينات الفعالة (الكلور والبروم) في طبقة الستراتوسفير ويعرف باسم الكلور الستراتوسفيري الفعال المكافئ.

تم اختراع مركبات الكربون الكلورية فلورية من قبل توماس ميدجلي الابن في عام 1920. وكانت تستخدم في وحدات تكييف الهواء والتبريد، وفي عمليات التنظيف من المعدات الإلكترونية الحساسة. وهي تحدث أيضًا كمنتجات ثانوية لبعض العمليات الكيميائية. لم يتم تحديد أي مصادر طبيعية هامة لهذه المركبات – فإن وجودها في الغلاف الجوي يرجع كليا تقريبا إلى صنع الإنسان. وكما ذكر أعلاه، عندما تصل هذه المواد الكيميائية المستنفدة للأوزون إلى طبقة الستراتوسفير، تنفصل عن طريق الأشعة فوق البنفسجية للإفراج عن ذرات الكلور. وتعمل ذرات الكلور كمحفز، ويمكن لكل منها كسر عشرات الآلاف من جزيئات الأوزون قبل إزالتها من طبقة الستراتوسفير. ونظرًا لطول عمر جزيئات الكلوروفلوروآربون، تقاس أوقات الانتعاش بعقود. ويحسب أن جزيء من الكلوروفلوروكربون يستغرق ما متوسطه حوالي خمس إلى سبع سنوات للانتقال من مستوى سطح الأرض حتى الغلاف الجوي العلوي، ويمكن أن يبقى هناك لمدة قرن من الزمن، وتدمير ما يصل إلى مائة ألف جزيء الأوزون خلال ذلك الوقت.

المحاكاة الحاسوبية

عزا العلماء استنزاف الأوزون إلى زيادة مركبات الهالوجين البشرية المصنوعة من مركبات الكربون الكلورية فلورية عن طريق الجمع بين بيانات الرصد ونماذج الحاسوب. هذه النماذج المعقدة للنقل الكيميائي تعمل من خلال الجمع بين قياسات المواد الكيميائية ومجالات الأرصاد الجوية مع ثوابت معدل التفاعل الكيميائي. وهي تحدد التفاعلات الكيميائية الرئيسية وعمليات النقل التي تجلب منتجات تحلل ضوئي من مركبات الكربون الكلورية فلورية إلى الأوزون.

أسباب ثقب الأوزون

يعد ثقب الأوزون في أنتاركتيكا منطقة من طبقات الستراتوسفير في أنتاركتيكا التي انخفضت فيها مستويات الأوزون الأخيرة إلى 33 في المائة من قيمها قبل عام 1975. ويحدث ثقب الأوزون خلال ربيع أنتاركتيكا، من أيلول / سبتمبر إلى أوائل كانون الأول / ديسمبر، حيث تبدأ الرياح الغربية القوية في الدوران في جميع أنحاء القارة وتخلق حاوية في الغلاف الجوي. وضمن هذه الدوامة القطبية، يتم تدمير أكثر من 50 في المائة من الأوزون السفلي من الستراتوسفير خلال ربيع أنتاركتيكا.

السبب الرئيسي لاستنفاد الأوزون هو وجود غازات مصدر تحتوي على الكلور (أساسا مركبات الكربون الكلورية فلورية والهالوكربونات ذات الصلة). في ضوء الأشعة فوق البنفسجية، تنفصل هذه الغازات، وتفرج عن ذرات الكلور، والتي تستمر بعد ذلك في تحفيز تدمير الأوزون.

معظم الأوزون الذي يتم تدميره هو في طبقة الستراتوسفير السفلى، على النقيض من استنزاف الأوزون أصغر بكثير من خلال تفاعلات الطور الغازية المتجانسة، والتي تحدث في المقام الأول في طبقة الستراتوسفير العليا.