![بارانهای اسیدی بارانهای اسیدی](https://rasekhoon.net/_files/thumb_images700/article/0036230.jpg)
تألیف و ترجمه: حمید وثیق زاده انصاری
منبع:راسخون
منبع:راسخون
پیش از این گمان میرفت که بارانهای اسیدی مخصوص جوامع صنعتی است. اما با مطالعاتی که در مناطق استوایی افریقا و مناطق دیگر نیمکرهی جنوبی صورت گرفت معلوم شد که چنین نیست. اصطلاح بارانهای اسیدی نخستین بار در سال 1853 میلادی مورد استفاده قرار گرفت. این نامی بود که اسمیت، شیمیدان انگلیسی به آنچه از آسمان منچستر و اطرافش بر سر این شهر فرو میبارید اطلاق کرد. این شیمیدان توانست با ارائهی دلایلی، علل برخی از پدیدههای ویژهی محلی مثل خوردگی فلزات، رنگ باختگی رخت و لباس بر روی بند، و از بین رفتن پارهای از گیاهان را به بارانهای اسیدی نسبت دهد.
حال انگلستان را پشت سر میگذاریم و حدود صد سال پس از آن وارد سوئد میشویم، سال 1961 میلادی. اسوانت اودن درست دراین تاریخ، یک شبکهی اندازه گیریِ میزان اسیدی بودن هوا و بارانها را نصب کرده است که در سطح اسکاندیناوی شدت و دامنهی پدیدهی بارانهای اسیدی را نشان میدهد. اودن ملاحظه میکند که اسیدی شدن هوا در ناحیهی اسکاندیناوی، منشأ محلی و منطقهای ندارد و از توده هوایی ناشی میشود که در مسیر شمالی پیش میرود و در سر راه خود در آسمان انگلستان یا اروپای شرقی به مواد گوگرددار و نبتروژندار آلوده میشود. مشابه همین مشکل در کانادا هم وجود دارد و آلودگی عمدتاً از مناطق صنعتی سواحل شرقی ایالات متحده به کانادا میرسد.
بیست سال بعد، با توجه به آغاز انقراض مجموعهی گیاهی و جانوریِ دریاچههای اروپای غربی، کشورهای این منطقه به عوارض آلودگیهای صنعتی در زمینهی اسیدی شدن آب و خاک پی بردند. در کشور آلمان، وضع جنگلها نگرانی عمیقی در مردم به وجود آورد در حالی که تردیدی نیست که ریشهی مسأله در جای دیگری است. برآورد شده که آلودگی اروپای شرقی تاکنون منجر به نابودی میلیونها اصله درخت شده است و آلمانیها، تضعیف و تخریب درختان صمغدار (کاجها با برگهای سوزنی) و درختان انبوه و پربرگ کشور خود و فرانسه را مربوط به همین آلودگی میدانند. اما این اندیشه خلاف واقعیت است و در این زمینه، آلمانیها در اشتباه هستند، زیرا دو مسأله در یک مقیاس قرار ندارند. در اروپای شرقی، نابودی جنگلها ناشی از آلودگیهای هوای محلی است که بر اثر استفاده از سوختهای سرشار از گوگرد (لینیت یا زغال سنگ و زغال چوب طبیعی) پدید میآید. اما در اروپای غربی، موقعیت پیچیدهتر است و تضعیف جنگلها حاصل تجمع همزمان چندین عامل است: هوا، همراه با تناوب دورههای خشک و بارانی؛ آلودگی اسیدی؛ آلودگی ناشی از ازُن؛ و نحوهی ادارهی جنگلها.
در زمینهی آلودگیهای اسیدی، اندیشهی دیگری هم وجود داشت مبنی بر این که این پدیده تنها مناطق صنعتی را در بر میگیرد. اما بالاخره این نظریه رد شد. پژوهشگران متعددی در نواحی مختلف استوایی مشاهده کردند که میزان اسیدی بودن بارانهای این مناطق هم، که فاقد هر گونه صنایعی هستند، میتواند در ردیف آلودهترین مناطق نیم کرهی شمالی باشد. پس از توضیحی چند در بارهی بارانهای اسیدی، مجدداً به این مورد خواهیم پرداخت.
بارانهای اسیدی را چگونه باید تعریف کرد؟ میزان اسیدی بودن بارانها بستگی به غلظت یونهای H+ دارد. از آنجا که H+ متغیر است، میزان اسیدی شدن به وسیلهی مقیاسی از pH لگاریتمی از صفر تا چهارده اندازه گیری میشود. برای pH هفت، محلول یک محلول خنثی است. در زیر هفت، محلول اسیدی، و در بالای هفت، قلیایی است. هر واحد pH مساوی با تغییراتی از تراکم pH با یک ضریب ده است. بنا بر این pHِ باران ِ خنثی(که نه اسیدی و نه قلیایی است) باید هفت باشد. البته این نتیجهگیری مبنی بر مفروضاتی هست زیرا در حالت طبیعی، یعنی در حالت فقدان هر گونه آلودگی ناشی از فعالیت انسانی، جو دارای گازها و ذراتی است. از سویی گاز کربنیک که تراکم متوسط آن معادل سیصد و پنجاه مولکول در میلیون مولکول هواست، دارای pHی برابر با 6ر5 در یک محلول آبکی است. معمولاً این مقدار به عنوان حدی پذیرفته میشود که در زیر آن، باران شروع به اسیدی شدن میکند.
در تمامی اروپا، pH بارانها در زیر 6ر5 قرار دارد. در اروپا، منطقهای که میزان اسیدی بودن بارانهای آن بسیار شدید است (pH متوسط، 2ر4) اروپای شرقی است. در همین منطقه، تراکم سولفاتها و نیتراتها هم بیشتر از سایر نواحی اروپاست. این همبستگی حاکی از آن است که اسیدهای سولفوریک و نیتریک، عمده عوامل اسیدی شدن بارانها به نظر میرسند. اما باید دید از کدام طُرُق؟ آب جو که در ابرها و بعد در بارانها موجود است، با جذب ترکیبات گازی و ذرهای اسیدی، اسیدی میشود. در مناطق صنعتی نیمکرهی شمالی، عمده پیشاهنگان اسیدی کردن باران، اکسیدهای گوگرد و نیتروژن هستند. در اینجا با ذکر مثالی به چند عدد اشاره میکنیم. در بررسیای سالیانهای که بهطور نمونهای چندی پیش در کشور فرانسه به عمل آمد معلوم شد که مراکز گرمایی، تأسیسات گرمایی خانگی، و صنایعی که از مازوت یا ذغال استفاده میکردند بر روی هم 8ر1 میلیون تن اکسید گوگرد (SO2) وارد جو زمین کردند. در مورد اکسیدهای نیتروژن (NOX=NO+NO2)، در همان سال و باز هم در فرانسه رقم 4ر2 میلیون تن برآورد شد. این اکسیدها، طی احتراق در مراکز صنعتی، کانونهای خانگی، و موتورهای اتوموبیل تشکیل میشوند.
حال ببینیم این آلوده کنندهها پس از ورود به جو چه میشوند؟ واکنشهای عمدهی شیمیایی که اکسیدهای گوگرد نیتروژن را به اسیدهای سولفوریک و نیتریک مبدل میکنند، به بنیانهای OH جوی وابستهاند:
H2SO4(پس از چندین مرحله)→OH+SO2
HNO3→OH+NO2
بنیانهای OH از تجزیهی ازن به وسیلهی نور و ترکیب اتم اکسیژنِ حاصل از تجزیهی ازن با بخار آب جوی پدید میآید. بنا بر این، تراکم آنها که با شدت نور خورشید متغیر است، در تابستانها افزایش مییابد. نتیجه این که نسبت اسید سولفوریک از طریق تبدیل OH-SO2، فصلی است. این نسبت، هفت دهم درصد در ساعت در تابستان و دوازده صدم درصد در ساعت در زمستان است. تبدیل اکسیدهای نیتروژن بسیار سریعتر انجام میگیرد و از شصت و دو صدم درصد در ساعت در فصل تابستان به یک و یک دهم درصد در ساعت در فصل زمستان میرسد. اسید سولفوریکی که در فاز گازی تشکیل شده، با مولکولهای آب ترکیب میشود و تشکیل آئروسل (ذرات ریزی که به صورت معلق در هوا در میآیند) میدهد. همچنین SO2 به طور مستقیم به وسیلهی آب ابرها جذب و در فاز مرطوب به سولفات تبدیل میشود. اسید نیتریک به صورت گازی باقی میماند تا این که به وسیلهی قطرات ابر یا باران جذب شود. اصولاً وقتی قطرههای ابری تشکیل میشوند، ذرات و گازهایی با خواص شیمیایی متفاوت در همان قسمت هوا توأماً وجود دارند. برخی از آنها، مانند گاز کربنیک، اکسیدهای نیتروژن و ترکیبات گوگرد، اسیدی هستند. پارهای دیگر مانند ذرات نمک دریاها، خنثی هستند. و بالاخره بعضی دیگر مانند گاز امونیاک NH3 یا ذرات کربنات کلسیم قلیاییاند. در فاز مرطوب جوی، تمامی این مواد به طور همزمان وجود دارند و میزان کم یا زیاد اسیدیتهی بارانها بستگی به وفور نسبی هر یک از این مواد دارد.
در اسیدی شدن بارانها، پارامتر دیگری هم دخالت دارد و آن مقدار آب در هر متر مکعب ابر است. این امر به کیفیت و نوع ابر بستگی پیدا میکند که خود بسیار متغیر است. این مقدار از یک دهم گرم در متر مکعب (مه) تا چند گرم در متر مکعب (ابرهای رگبار و بارانهای سیلآسا) متغیر است. مقدار کمِ آب موجود در مه، و این مسأله که مه در مجاورت زمین، یعنی در جایی که تراکم آلوده کنندهها در بیشترین حد خود قرار دارد، تشکیل میشود، بیان کنندهی این واقعیت هستند که میزان اسیدی بودن مه بسیار زیاد است (pH بین 2 تا 3). در یک مورد استثنایی در کالیفرنیای جنوبی، کارشناسان توانستند در مهِ در حالِ تشکیل، pHِ معادل 7ر1 را ردیابی کنند.
حال با توجه به مطالبی که ذکر شد مختصری به نحوهی پیدایش این مسأله در مناطق استوایی میپردازیم. در ابتدا یادآور میشویم که در تمامی مناطق مورد بررسی (که در ابتدای مقاله به آنها اشاره شد)، میزان اسیدی بودن بارانها ممکن است بسیار زیاد باشد. نمونههای بررسی شده، ارقام مختلفی از pH را به دست میدهند: 3ر5 در آمازون، و 3ر4 در جنگلهای کنگوی شمالی یا در استرالیا. با این حال، در مقایسه با آنچه در کشورهای صنعتی میگذرد این پدیده تفاوتهایی دارد. قبل از همه باید به این مسأله اشاره کنیم که پدیدهی اسیدی شدن در این دو منطقه دارای منشأ مشابهی نیست. در مناطق استوایی به میزان وسیعی از اسیدهای آلی (اسید فرمیک و آستیک) که در جو شکل میگیرند، تولید میشوند. و بعد، بارانهای اسیدی مناطق استوایی «شکننده»تر هستند، بدین معنی که میکروارگانیسمهای موجود در این بارانها، طی چند ساعت خاصیت اسیدی را از بین میبرند. این پدیده به قدری سریع انجام میگیرد که برای حفظ محتوای شیمیایی بارانهای افریقایی، ضرورت پیدا کرد که زنجیرهای از محافظهای سرمایی برپا کنند. با استفاده از وسایل ضروری، ذخیرهی باران به محض بارش منجمد شده و سپس به صورت قطعات یخ با هواپیما به آزمایشگاه منتقل میشدند. اسیدهای آلی، پیشاهنگانی دارند که عبارتند از هیدروکربورهایی که از پوشش گیاهی جنگلهای استوایی گسیل میشوند و به تدریج در جو اکسایش پیدا میکنند.
و اما در بارهی اسیدی شدن معدنی نیز باید بگوییم که عمدتاً به صورت اسید نیتریک نمودار میشوند و از گسیل اکسیدهای نیتروژن به توسط زمین و خاک جنگلها و آتش حاصل از سوزاندن خار و خاشاک و بوته زارهای استوایی پدید میآیند. هر ساله هفتاد درصد از ده میلیون کیلومتر مربع از بوته زارهای افریقایی یا دو هزار تا دو هزار و پانصد میلیون تن گیاه، سوزانده میشوند. تناوب فصول خشک نیمکرهی شمالی و نیمکرهی جنوبی، و جا به جایی تودههای هوا، عملاً در طی تمام طول سال، بر فراز جنگلهای استوایی، پیشاهنگان بارانهای اسیدی را به همراه میآورند.
حال انگلستان را پشت سر میگذاریم و حدود صد سال پس از آن وارد سوئد میشویم، سال 1961 میلادی. اسوانت اودن درست دراین تاریخ، یک شبکهی اندازه گیریِ میزان اسیدی بودن هوا و بارانها را نصب کرده است که در سطح اسکاندیناوی شدت و دامنهی پدیدهی بارانهای اسیدی را نشان میدهد. اودن ملاحظه میکند که اسیدی شدن هوا در ناحیهی اسکاندیناوی، منشأ محلی و منطقهای ندارد و از توده هوایی ناشی میشود که در مسیر شمالی پیش میرود و در سر راه خود در آسمان انگلستان یا اروپای شرقی به مواد گوگرددار و نبتروژندار آلوده میشود. مشابه همین مشکل در کانادا هم وجود دارد و آلودگی عمدتاً از مناطق صنعتی سواحل شرقی ایالات متحده به کانادا میرسد.
بیست سال بعد، با توجه به آغاز انقراض مجموعهی گیاهی و جانوریِ دریاچههای اروپای غربی، کشورهای این منطقه به عوارض آلودگیهای صنعتی در زمینهی اسیدی شدن آب و خاک پی بردند. در کشور آلمان، وضع جنگلها نگرانی عمیقی در مردم به وجود آورد در حالی که تردیدی نیست که ریشهی مسأله در جای دیگری است. برآورد شده که آلودگی اروپای شرقی تاکنون منجر به نابودی میلیونها اصله درخت شده است و آلمانیها، تضعیف و تخریب درختان صمغدار (کاجها با برگهای سوزنی) و درختان انبوه و پربرگ کشور خود و فرانسه را مربوط به همین آلودگی میدانند. اما این اندیشه خلاف واقعیت است و در این زمینه، آلمانیها در اشتباه هستند، زیرا دو مسأله در یک مقیاس قرار ندارند. در اروپای شرقی، نابودی جنگلها ناشی از آلودگیهای هوای محلی است که بر اثر استفاده از سوختهای سرشار از گوگرد (لینیت یا زغال سنگ و زغال چوب طبیعی) پدید میآید. اما در اروپای غربی، موقعیت پیچیدهتر است و تضعیف جنگلها حاصل تجمع همزمان چندین عامل است: هوا، همراه با تناوب دورههای خشک و بارانی؛ آلودگی اسیدی؛ آلودگی ناشی از ازُن؛ و نحوهی ادارهی جنگلها.
در زمینهی آلودگیهای اسیدی، اندیشهی دیگری هم وجود داشت مبنی بر این که این پدیده تنها مناطق صنعتی را در بر میگیرد. اما بالاخره این نظریه رد شد. پژوهشگران متعددی در نواحی مختلف استوایی مشاهده کردند که میزان اسیدی بودن بارانهای این مناطق هم، که فاقد هر گونه صنایعی هستند، میتواند در ردیف آلودهترین مناطق نیم کرهی شمالی باشد. پس از توضیحی چند در بارهی بارانهای اسیدی، مجدداً به این مورد خواهیم پرداخت.
بارانهای اسیدی را چگونه باید تعریف کرد؟ میزان اسیدی بودن بارانها بستگی به غلظت یونهای H+ دارد. از آنجا که H+ متغیر است، میزان اسیدی شدن به وسیلهی مقیاسی از pH لگاریتمی از صفر تا چهارده اندازه گیری میشود. برای pH هفت، محلول یک محلول خنثی است. در زیر هفت، محلول اسیدی، و در بالای هفت، قلیایی است. هر واحد pH مساوی با تغییراتی از تراکم pH با یک ضریب ده است. بنا بر این pHِ باران ِ خنثی(که نه اسیدی و نه قلیایی است) باید هفت باشد. البته این نتیجهگیری مبنی بر مفروضاتی هست زیرا در حالت طبیعی، یعنی در حالت فقدان هر گونه آلودگی ناشی از فعالیت انسانی، جو دارای گازها و ذراتی است. از سویی گاز کربنیک که تراکم متوسط آن معادل سیصد و پنجاه مولکول در میلیون مولکول هواست، دارای pHی برابر با 6ر5 در یک محلول آبکی است. معمولاً این مقدار به عنوان حدی پذیرفته میشود که در زیر آن، باران شروع به اسیدی شدن میکند.
در تمامی اروپا، pH بارانها در زیر 6ر5 قرار دارد. در اروپا، منطقهای که میزان اسیدی بودن بارانهای آن بسیار شدید است (pH متوسط، 2ر4) اروپای شرقی است. در همین منطقه، تراکم سولفاتها و نیتراتها هم بیشتر از سایر نواحی اروپاست. این همبستگی حاکی از آن است که اسیدهای سولفوریک و نیتریک، عمده عوامل اسیدی شدن بارانها به نظر میرسند. اما باید دید از کدام طُرُق؟ آب جو که در ابرها و بعد در بارانها موجود است، با جذب ترکیبات گازی و ذرهای اسیدی، اسیدی میشود. در مناطق صنعتی نیمکرهی شمالی، عمده پیشاهنگان اسیدی کردن باران، اکسیدهای گوگرد و نیتروژن هستند. در اینجا با ذکر مثالی به چند عدد اشاره میکنیم. در بررسیای سالیانهای که بهطور نمونهای چندی پیش در کشور فرانسه به عمل آمد معلوم شد که مراکز گرمایی، تأسیسات گرمایی خانگی، و صنایعی که از مازوت یا ذغال استفاده میکردند بر روی هم 8ر1 میلیون تن اکسید گوگرد (SO2) وارد جو زمین کردند. در مورد اکسیدهای نیتروژن (NOX=NO+NO2)، در همان سال و باز هم در فرانسه رقم 4ر2 میلیون تن برآورد شد. این اکسیدها، طی احتراق در مراکز صنعتی، کانونهای خانگی، و موتورهای اتوموبیل تشکیل میشوند.
حال ببینیم این آلوده کنندهها پس از ورود به جو چه میشوند؟ واکنشهای عمدهی شیمیایی که اکسیدهای گوگرد نیتروژن را به اسیدهای سولفوریک و نیتریک مبدل میکنند، به بنیانهای OH جوی وابستهاند:
H2SO4(پس از چندین مرحله)→OH+SO2
HNO3→OH+NO2
بنیانهای OH از تجزیهی ازن به وسیلهی نور و ترکیب اتم اکسیژنِ حاصل از تجزیهی ازن با بخار آب جوی پدید میآید. بنا بر این، تراکم آنها که با شدت نور خورشید متغیر است، در تابستانها افزایش مییابد. نتیجه این که نسبت اسید سولفوریک از طریق تبدیل OH-SO2، فصلی است. این نسبت، هفت دهم درصد در ساعت در تابستان و دوازده صدم درصد در ساعت در زمستان است. تبدیل اکسیدهای نیتروژن بسیار سریعتر انجام میگیرد و از شصت و دو صدم درصد در ساعت در فصل تابستان به یک و یک دهم درصد در ساعت در فصل زمستان میرسد. اسید سولفوریکی که در فاز گازی تشکیل شده، با مولکولهای آب ترکیب میشود و تشکیل آئروسل (ذرات ریزی که به صورت معلق در هوا در میآیند) میدهد. همچنین SO2 به طور مستقیم به وسیلهی آب ابرها جذب و در فاز مرطوب به سولفات تبدیل میشود. اسید نیتریک به صورت گازی باقی میماند تا این که به وسیلهی قطرات ابر یا باران جذب شود. اصولاً وقتی قطرههای ابری تشکیل میشوند، ذرات و گازهایی با خواص شیمیایی متفاوت در همان قسمت هوا توأماً وجود دارند. برخی از آنها، مانند گاز کربنیک، اکسیدهای نیتروژن و ترکیبات گوگرد، اسیدی هستند. پارهای دیگر مانند ذرات نمک دریاها، خنثی هستند. و بالاخره بعضی دیگر مانند گاز امونیاک NH3 یا ذرات کربنات کلسیم قلیاییاند. در فاز مرطوب جوی، تمامی این مواد به طور همزمان وجود دارند و میزان کم یا زیاد اسیدیتهی بارانها بستگی به وفور نسبی هر یک از این مواد دارد.
در اسیدی شدن بارانها، پارامتر دیگری هم دخالت دارد و آن مقدار آب در هر متر مکعب ابر است. این امر به کیفیت و نوع ابر بستگی پیدا میکند که خود بسیار متغیر است. این مقدار از یک دهم گرم در متر مکعب (مه) تا چند گرم در متر مکعب (ابرهای رگبار و بارانهای سیلآسا) متغیر است. مقدار کمِ آب موجود در مه، و این مسأله که مه در مجاورت زمین، یعنی در جایی که تراکم آلوده کنندهها در بیشترین حد خود قرار دارد، تشکیل میشود، بیان کنندهی این واقعیت هستند که میزان اسیدی بودن مه بسیار زیاد است (pH بین 2 تا 3). در یک مورد استثنایی در کالیفرنیای جنوبی، کارشناسان توانستند در مهِ در حالِ تشکیل، pHِ معادل 7ر1 را ردیابی کنند.
حال با توجه به مطالبی که ذکر شد مختصری به نحوهی پیدایش این مسأله در مناطق استوایی میپردازیم. در ابتدا یادآور میشویم که در تمامی مناطق مورد بررسی (که در ابتدای مقاله به آنها اشاره شد)، میزان اسیدی بودن بارانها ممکن است بسیار زیاد باشد. نمونههای بررسی شده، ارقام مختلفی از pH را به دست میدهند: 3ر5 در آمازون، و 3ر4 در جنگلهای کنگوی شمالی یا در استرالیا. با این حال، در مقایسه با آنچه در کشورهای صنعتی میگذرد این پدیده تفاوتهایی دارد. قبل از همه باید به این مسأله اشاره کنیم که پدیدهی اسیدی شدن در این دو منطقه دارای منشأ مشابهی نیست. در مناطق استوایی به میزان وسیعی از اسیدهای آلی (اسید فرمیک و آستیک) که در جو شکل میگیرند، تولید میشوند. و بعد، بارانهای اسیدی مناطق استوایی «شکننده»تر هستند، بدین معنی که میکروارگانیسمهای موجود در این بارانها، طی چند ساعت خاصیت اسیدی را از بین میبرند. این پدیده به قدری سریع انجام میگیرد که برای حفظ محتوای شیمیایی بارانهای افریقایی، ضرورت پیدا کرد که زنجیرهای از محافظهای سرمایی برپا کنند. با استفاده از وسایل ضروری، ذخیرهی باران به محض بارش منجمد شده و سپس به صورت قطعات یخ با هواپیما به آزمایشگاه منتقل میشدند. اسیدهای آلی، پیشاهنگانی دارند که عبارتند از هیدروکربورهایی که از پوشش گیاهی جنگلهای استوایی گسیل میشوند و به تدریج در جو اکسایش پیدا میکنند.
و اما در بارهی اسیدی شدن معدنی نیز باید بگوییم که عمدتاً به صورت اسید نیتریک نمودار میشوند و از گسیل اکسیدهای نیتروژن به توسط زمین و خاک جنگلها و آتش حاصل از سوزاندن خار و خاشاک و بوته زارهای استوایی پدید میآیند. هر ساله هفتاد درصد از ده میلیون کیلومتر مربع از بوته زارهای افریقایی یا دو هزار تا دو هزار و پانصد میلیون تن گیاه، سوزانده میشوند. تناوب فصول خشک نیمکرهی شمالی و نیمکرهی جنوبی، و جا به جایی تودههای هوا، عملاً در طی تمام طول سال، بر فراز جنگلهای استوایی، پیشاهنگان بارانهای اسیدی را به همراه میآورند.
/ج