توفان رعد و برق و آلودگی هوا

اُزُن (O3) در شیمی جو نقش مهم دارد.، اُزُن موجود در استراتوسفر (تقریباً 15 تا 40 کیلومتر) زندگی جانداران روی زمین را از خطر تابش فرابنفش حفظ می‌کند، ولی ازن موجود در تروپوسفر (ارتفاعات کمتر از 15 کیلومتر) یک عامل آلودگی است. پژوهش‌های اخیر در ایالات متحدۀ آمریکا به ظاهر نشان می‌دهند که نقش توفان‌های رعد و برق در شیمی ازن جو حیرت آور است.
ازن که در فرآیندی به نام «دود – مه لوس آنجلس» در واکنش‌های با شرکت هیدروکربن‌های (انواع HC) کربن منوکسید (CO) و اکسید‌های ازت (Nox=No+No2) به کمک نور خورشید تولید می‌شود، از نظر بهداشتی اثرات زیان باری دارد و خسارت‌هایی بر محصولات کشاورزی و گیاهان دیگر وارد می‌کند. ازن، پرتو‌های فرو سرخ بین نوار‌های CO2 , H2O را جذب می‌کند و بدین ترتیب یکی از پنجره‌های گل خانه جو را می‌بندد، به علاوه ازن مولد بنیانهای OH است که کنترل کلی شیمی جو، از جمله آهنگ تشکیل اسید‌ها را در اختیار دارند.
تراکم کاتالیزورهای Nox عامل مهمی در تولید O3 است. مقدار زیادی Nox در عمل احتراق تولید می‌شود، اما بیشتر آن در همان نزدیکی منبع تولید از بین می‌رود. اگر هوای آلوده به تروپوسفر فوقانی منتقل شود، دامنۀ تأثیرش وسعت خواهد یافت ولی در شرایط عادی، جو زمین در مقابل حرکات تند قائم وضعی پایدار دارد.
اما همرفت عمقی در جو دور رس ، که در توفان‌های رعد و برق روی می‌دهد، از استثنائات است. نظریه‌دان‌ها پیش‌بینی کرده بودند که همرفت صعودی را به ارتفاع km 10 بیشتر ببرد. بنابر پیش‌بینی مدل‌های کامپیوتری، انتقال سریع مقادیر زیادی گاز CO , NOx و انواع HC به تروپوسفر فوقانی می‌تواند اثرات دامنه‌ داری در پی داشته باشد.
چنان چه این نظریه درست باشد توفان همرفتی که از هوای لایه آلوده مرزی تشکیل می‌شود، در ناحیه برون – شارشی ارتفاعات زیاد که به ناحیه سندان موسوم است، حاوی مقادیر زیادی گاز CO و NOx و انواع HC خواهد بود. توفان‌های رعد و برق به طور پراکنده اتفاق می‌افتند و به سرعت ناپدید می‌شوند. پرواز در این توفان‌ها حتی در ناحیه‌ی نسبتاً آرام سندان هم، مستلزم مراقبت زیاد و داشتن اطلاعات دقیق از موقعیت و شدت توفان است. بنابراین، آزمودن نظریه بالا مستلزم تحقیقات عملی وسیعی است.
در چندین سال پیش طرحی با عنوان PRESTORM/PRECP در آمریکا اجرا شد که هدف کلی آن بهتر فهمیدن فرآنید‌های همرفتی جوّ بوده است. پایگاه این طرح در اکلاهما بود، یعنی ناحیه‌ای که منظماً در معرض توفان‌های رعد و برق تابستانی است.
فقدان «ردیاب‌های پایدار» باعث از بین رفتن امکان مشاهده مستقیم دینامیک کومولوس شد. کربن مونوکسید و ازن اساساً نامحول‌اند و زمان ماندگاری متوسط آن‌ها در جو یک ماه یا بیشتر است (خیلی بیشتر از عمر توفان‌های رعد و برق) ، به همین مناسبت این مواد به عنوان رد یاب‌های پایدار جدید اختیار شدند. هر دو گاز دارای نمایه‌های ارتفاعی تروپوسفری مشخصی هستند و می‌توان هر گونه تغییری را که در خلال توفان رعد و برق در این نمایه‌ها پدید می‌آید ناشی از همرفت دانست. کربن منوکسید معمولاً مقدارش با افزایش ارتفاع، کاهش می‌یابد. زیرا عمدتاً در سطح زمین تولید می‌شود و در تروپوسفر از بین می‌رود. مقدار ازن معمولاً با افزایش ارتفاع زیاد می‌شود زیرا در استرا توسفر تولید می‌شود و با نشست به سطح زمین نابود می‌شود، هر چند که هوای آلوده تروپوسفر می‌تواند لایه‌های مشخصی از ازن متراکم داشته باشد. اکسید‌های ازت ردیاب‌های مناسبی نیستند، زیرا تراکم آن‌ها ممکن است در طول عمر یک توفان تغییر کند. به علاوه برق خود مولد NO است.
در آزمایشی که دیکرسون و همکارانش (از دانشگاه مریلند) گزارش کردند، برای اندازه ‌گیری تراکم گاز‌های ردیاب و پارامتر‌های هوا شناختی، سه هواپیمای تحقیقاتی با دستگاه‌های سنجش حساس مجهز شده بودند. در ساعت 3 بامداد روز 15 ژوئن 1985 دیدبانان رادار در مرکز عملیات طرح PRESTORM متوجه شدند که یک توفان چند سلولی در نزدیکی مرز اکلاها/ ارکانزاس در شرف تکوین است. خدمۀ هواپیما و دانشمندان فراخوانده شدند، و در سپیده دم همان روز هواپیماها آماده پرواز بودند و کامپیوتر‌هایشان علامت‌هایی را ثبت می‌کردند که از سنسور‌های متعدد دریافت می‌شد. اندازه‌گیر‌های یکی از این هواپیماها، که در هوای صاف و در خلاف جهت باد اوج گرفت، نشان می‌داد که تراکم CO به آهستگی کاهش می‌یابد و وقتی که هواپیما در ارتفاع 10 کیلومتری و درست در خارج سندان به حالت افقی درآمد، تراکم CO به حدود ppb80 (80 قسمت CO در هر 109 قسمت حجم هوا ) رسید. هنگامی که هواپیما وارد ابر شد، تراکم CO ناگهان افزایش یافت و از ppb160 بیشتر شد که نشانه‌ی بارزی از هوای آلودۀ تروپوسفر تحتانی بود.
دو هواپیمای دیگر، ناحیه درون – شارشی کومولونیمبوس را در تروپوسفر تحتانی به طور همزمان بررسی کردند. اندازه‌گیری این هواپیماها، تراکم CO را در حدود ppb 210 برآورد کرد که نشان می‌داد هوای سندان از تروپوسفر تحتانی آمده و در طول مسیر تا اندازه‌ای با هوای تروپوسفر میانی و فوقانی مخلوط شده بود.
تراکم NOX در تروپوسفر تحتانی در حدود ppb 0/1 بود. همین کمیت در ارتفاع 10 کیلومتری و خارج از ابر، کمتر از ppb5/0 بود. ولی در داخلی ابر، مقدار Nox به حدود ppb 00/3 می‌رسید. منشأ این تراکم زیاد احتمالاً ترکیبی است از انتقال NOX از سطح زمین و تولید آن در محل از طریق آذرخش‌های مکرر.
نتایج به دست آمده مؤید این فرضیه است که اکسید‌های ازت حاصل از احتراق، هرگاه از طریق فعالیت‌های همرفتی به تروپوسفر فوقانی انتقال یابند ممکن است تراکم ازن را در قسمت بزرگی ازتروپوسفر افزایش دهند. تراکم زیاد ازن می‌تواند فوتوشیمی تروپوسفر و توازن تابشی زمین را به طور محسوسی تغییر بدهد. به عبارت دیگر توفان‌های رعد و برق ممکن است عواملی باشند که از طریق آنها مسائل محل آلودگی هوا به مسائل جهانی شیمی جو تبدیل شوند.