ترجمه: حمید وثیق زاده انصاری
منبع: راسخون
منبع: راسخون
این فقط گاز کربنیک نیست که مسئول افزایش اثر گُل خانهای است. گاهی فراموش میکنیم که جو زمین هر ساله در حدود بیش از چهار صد میلیون تن گاز متان هم دریافت میکند. علاوه بر این، متخصصان امر هنوز دقیقاً نمیدانند که گسیل گاز متان را که از بیش از دو قرن پیش تا کنون پیوسته در افزایش بوده است چگونه می توان محدود ساخت.
مدتی بود که توجه مردم، به حق، به افزایش اثر گل خانهای جلب شده بود که عمدتاً ناشی از تزریق
به جو زمین است و در اثر استفادههای شدید از سوختهای فسیلی (زغال، نفت، و گاز طبیعی) پدید میآید. اما از یاد نباید برد که گازهای دیگری که به میزان کمتری در هوا وجود دارند در اثر گل خانهای سهیم هستند و افزایش تراکم پارهای از این گازها حتی با سرعت بیشتری به نسبت گاز کربنیک صورت میگیرد.
گاز متان با فرمول نیز به نوبهی خود نقش مهمی در این فرایند پیچیده بر عهده دارد که پارهای از آن از مدتها پیش شناخته شده است. این گاز با نام گاز مردابها، مسئول پیدایی شهابهایی است که در اثر سوختن خود به خودی متانِ حاصل از تجزیهی مواد آلی راکد در مردابها پدید میآیند. نام گاز معادن زغال سنگ یا آتش دمه، مسئول انفجارهای مصیبت باری است که در معادن زغال سنگ به وقوع میپیوندد. وقتی که مقداری از این گاز در دالانهای معادن تخلیه میشود، همراه با هوا مخلوط منفجر شوندهای را تشکیل میدهد. و سرانجام این که متان، یکی از عمده تشکیل دهندگان گاز طبیعی است که از طریق شبکههای عظیم لوله کشی در خانهها به مصرف میرسد که خطرات انفجار آن مشابه گاز معادن است.
اهمیت متان بستگی به دو خاصیت بسیار مهم آن دارد. نخست این که متان میتواند پرتوهای فرو سرخ، یعنی امواج الکترو مغناطیسی بلندی را که از زمین ساطع میشوند، جذب کند و پیش از این که به سوی فضا بتابند، به نوعی آنها را به جو زمین منتقل سازد. این همان چیزی است که اثر گل خانهای نامیده میشود. متان در این خاصیت با گاز کربنیک شریک و سهیم است، اما بسیار مؤثرتر از آن عمل میکند، یعنی بیست و پنج بار بیشتر بر حسب مولکول، و اگر چگالی آنها را در نظر بگیریم، هفتاد بار بیشتر بر حسب واحد جرم.
متان جدا از فعالیتهای انسانی، همواره از طریق منابع مختلف وارد جو زمین میشده است. در آزمایشگاههای یخ شناسی و زمین فیزیک زیست محیطی گرونوبل (در فرانسه) با استفاده از تجزیه و تحلیل حبابهای هوای محبوس در یخهای جنوبگان، پژوهشگران موفق شدند که سیر تکاملی محتوای جو زمین در زمینهی را از صد و پنجاه هزار سال پیش تا کنون بررسی کنند.
نتیجهی این پژوهشها نشان داد که تغییرات دمای قطبی که بر مبنای ترکیبات ایزوتوپی یخ مجدداً شکل گرفته، همراه با تغییرات به هم پیوستهی و بوده است. به ویژه اواخر واپسین دوران یخ بندان که به پانزده هزار سال پیش باز میگردد، کرهی زمین در پدیدهی بزرگی که به جز آثار دیگر، به بالا آمدن سطح آب دریاها در حدود صد متر انجامید، شاهد افزایش از صد و نود به دویست و هشتاد PPmV بوده است در حالی که به دو برابر افزایش یافته است یعنی از سی و پنج صدم به هفت دهم PPmV رسیده است. (یک PPmV، یک میلیونم فشار جو است.)
از قرن نوزدهم میلادی که به تدریج تمدن صنعتی رشد و گسترش مییافت، این دو گاز افزایش چشم گیری یافتند. از اوایل قرن نوزدهم تا سال 1990، از دویست و هشتاد به سی صد و پنجاه PPmV رسید، در حالی که باز هم بیش از دو برابر افزایش یافت، یعنی از هفت دهم به یک و هفت دهم PPmV بالغ شد.
در سال 1990، تراکم میانگین متان در جو، یک و هفتاد و دو صدم PPmV بوده است که مساوی است با چهار هزار نُه صد میلیون تن . در حال حاضر این افزایش با نرخ هشت دهم تا یک در صد در سال انجام میگیرد، یعنی چهل تا چهل و هشت میلیون تن در سال.
متان عمدتاً در اثر تجزیهی باکتریایی مواد آلی در شرایط بی هوا زی (محیط عاری از اکسیژن) تولید میشود. نقش مانع بین مادهی آلی و اکسیژن هوا را، یا آب (مناطق مرطوب)، یا سازوارههای زنده (نشخوار کنندگان، حشرات، و غیره)، و یا پوششی از زبالهها (تخلیهی زباله) بر عهده دارند. منابع دیگر گاز متان عبارتند از آتشهای ناشی از گیاهان، هم چنین تخلیهی گاز و نشت گازها طی بهره برداری از معادن یا توزیع گاز طبیعی.
در مجموع، مطالعات اخیر نشان میدهند که کل گسیلهای از مناطق مرطوب بین صد تا سی صد میلیون تن در سال است که به طور تساوی بین شالیزارها و مناطق رطوبی طبیعی تقسیم شده است.
از منابع دیگر، گسیلهای حیوانی هستند. متانی که از موجودات زنده متصاعد میشود از تجزیهی باکتریایی کربو هیدراتها (عمدتاً سلولز) در دستگاه گوارش به وجود میآید. مقدار به نسبت مقدار غذای بلعیده شده، و بر حسب نوع حیوان و نوع تغذیهی او است. برآورد منبع حیوانی ، مستلزم کسب شناختهای زیر است:
- جمعیت جهانی حیوانات (بر اساس برآورد F A O یا سازمان جهانی خوار و بار و کشاورزی).
- مصرف مواد زندهی حیوانی یا گیاهی (biomasse).
- در صد متصاعد شده بر حسب انرژی (از سه تا ده در صد برای نشخوار کنندگان و دو دهم تا سه دهم برای حیوانات دیگر).
تراز نامهی متصاعد شده از سوی حیوانات چندان دقیق نیست، به ویژه به واسطهی تردیدهایی که در شمار جمعیت منتشره از سوی سازمان جهانی خوار و بار و کشاورزی و میزان گسیلی حیوانات وجود دارد. در نتیجه این تراز نامهی گسیلی به وسیلهی حیوانات این ارقام را به دست میدهد: - هفتاد و چهار میلیون تن در سال (بیش از پانزده در صد) برای حیوانات اهلی (هفتاد در صد به وسیلهی گاوها) – دو تا شش میلیون تن در سال برای حیوانات وحشی.
در سراسر جهان، این منبع مسئول گسیلی بین شصت و پنج تا صد میلیون تن در سال است. طبق توزیع جغرافیایی گسیلی از سوی حیوانات، هفتاد و پنج در صد از این منبع در نیم کُرهی شمالی جای دارد. در دادههای قبلی، گسیل از سوی حشرات به ویژه موریانه محاسبه نشده است. در این زمینه به علت مشکلاتی که در برآورد جمعیت حشرات و مقدار بیوماس جذب شده و اثر دما و به خصوص باز تخریبی در لانهی موریانهها پیش از گسیل وجود دارد، محاسبات چندان دقیق نیستند. بنا بر این مقدار گسیل از سوی حشرات را میتوان بین ده تا سی میلیون تن در سال برآورد کرد.
منبع سوم: آتشهای ناشی از سوختن گیاهان. هر ساله، عمدتاً در نواحی استوایی، دست کم بیست میلیون کیلو متر مربع یا یک تا دو میلیارد تن مواد خشک سوزانده میشوند. اگر سوختن جنگلها پس از وقوع، امری قطعی و تا حدودی جبران ناپذیر باشد، سوختن علف زارها (ساوانها) این چنین نیست، زیرا هر ساله از نو میرویند. این آتش سوزیها گازهای متعددی را روانهی جو میکنند که عمدتاً است. گازهای دیگر ، عبارتند از اکسیدهای ازت NOx، ترکیبات گوگرد دار، گازهای نسوخته و اکسایش نیافته مانند و دیگر هیدرو کربورهای سبک، یعنی دارای دو تا شش اتم کربن، که NMHC نامیده میشوند.
با استفاده از دادههای ماهوارهای میتوان آتشهای شعلهور را در نظامهای ده در ده متر و آتشهای بدون شعله را دست کم در سی در سی متر محاسبه کرد و مقدار ذرات گسیلی از دودهها را برآورد نمود. این توده از ذرات، به لطف رابطههایی که به طور تجربی معین شدهاند، به صورت تودهی گاز محاسبه میشوند. از بررسیهایی که انجام گرفتهاند چنین استنباط میشود که گاز متان گسیلی از آتشها به ویژه در مناطق استوایی طی فصل خشک حدود بیست تا هشتاد میلیون تن در سال است.
گاز متان از تخلیهی زبالهها نیز تولید میشود. مواد آلی موجود در زبالههای صنعتی و خانگی را نخست باکتریهای هوا زی تجزیه میکنند. در این تلاشی، ، آب ()، و حرارت تولید، و اکسیژن مصرف میشود. اکسیژن موجود به سرعت کاهش مییابد و در این صورت متلاشی شدن بی هوا زی مواد آلی آغاز میشود. بیو گاز حاصله، مرکب از پنجاه در صد گاز کربنیک ( ) و پنجاه در صد گاز متان ( ) است.
برای محاسبهی کل مقادیر گسیلی باید بتوان مقدار کربن زیست واپاشنده که هر ساله همراه با زبالهها دور انداخته میشود و نسبت زبالههای ذخیره در محلهای تخلیه را برآورد کرد. بر مبنای این دادهها، میزان تولید از طریق زبالههای تخلیه شده تا بیست به اضافه و منهای پنجاه میلیون تن در سال تخمین زده میشود.
ارزیابی مقدار گسیلهای ناشی از بهره برداری از زغال و گاز طبیعی مشکل است. با این حال در این زمینه یک روش جهانی سنجش بر مبنای نسبت کربن رادیو اکتیو در وجود دارد. اصولاً نباتات دارای نسبتی کم و بیش ثابت از این ایزوتوپ هستند که به طور پیوسته در اثر کنش پرتوهای کیهانی بر روی ازت هوا تولید میشود. در سوختهای فسیلی، زغال، نفت، و گاز طبیعی، از مدتها پیش در اثر رادیو اکتیویته از بین رفته است. ظاهراً از مبنای مواد فسیلی، حدود بیست در صد از منابع را تشکیل میدهد. مجموع گسیلها از کل معادن زغال در جهان، بین ده تا پنجاه میلیون تن در سال برآورد میشود.
طی بهره برداری و یا انتقال گاز طبیعی، این امکان وجود دارد که مقدار معتنا بهی از گاز متان تلف شود. این گسیل به علت بهره برداری هر چه بیشتر از گاز طبیعی، در آینده ممکن است باز هم افزایش پیدا کند. برآورد میزان گاز طبیعی تلف شده به نسبت کل تولید آن مشکل است، زیرا این میزان از کشوری به کشور دیگر بسیار فرق میکند و در این زمینه اطلاعات (عمداً) بسیار اندک هستند. در اروپای غربی، توزیع کنندگان چنین برآورد میکنند که نشت گاز از یک در صد از کل تولیدات تجاوز نمیکند. با این حال در مورد روسیه و هم چنین ذخیرههای زیر زمینی امریکا، رقمهای بسیار بالاتری برآورد میشوند. آخرین برآوردها از این منبع یک نرخ تلف شدهی دو تا چهار در صد است. در این صورت میتوان نتیجه گرفت که گسیل جهانی طی بهره برداری از گاز طبیعی، بین بیست و پنج تا پنجاه میلیون تن در سال است. گاز متانی که در جو زمین تزریق میشود به همان حال در آن جا انباشته نمیگردد، بلکه قسمتی از آن مجدداً توسط زمین جذب میشود و بیشتر در هوا اکسایش مییابد.
مطالعات ثابت کردهاند که مصرف توسط باکتریهای متان دوست زمین (متانوتروف یا باکتریهایی که از متان تغذیه میشوند)، مسألهای نیست که بتوان نادیده گرفت. میزان مصرف بین هشت صدم و یک و سه دهم گرم در متر مربع است و کنترل آن بیشتر از طریق نوع زمین انجام میگیرد تا نیروی بالقوهی تجزیهی میکروبی. انهدام گاز متان ناشی از ریز سازوارههای خاک با افزایش رطوبت زمین و یا افزودن کودهای ازُته کاهش مییابد. روبر دلماس و دیگر پژوهشگران (در سال 1990 میلادی) ثابت نمودند که هنگامی که خاک جنگل استوایی خشک باشد مانندِ چاهی از گاز متان به میزانی معادل با هشت صدم تا هشت دهم گرم در هر متر مربع در سال عمل میکند.
برآورد مقادیر کل که بدین ترتیب منهدم میشوند، در یک مقیاس نسبتاً وسیع توزیع میشود. اما از گردآوری دادههای موجود چنین بر میآید که این مصرف حدود پانزده به اضافه و منهای سی میلیون تن در سال است.
(1) ، رادیکال هیدروکسیل OH، متناسب با مقدار اکسیدهای ازت هوا، ، با گاز متان، ، واکنش پیدا میکند. چنان چه این نسبت به اندازهی کافی بالا باشد، یک رشته واکنشهایی خواهیم داشت معادل با:
(2) ، در این رشته واکنشها، گاز متان به تولید آب ()، فورمالدئید () و ازن ، و اکسیدهای ازت که نقش کاتالیزور را بر عهده دارند، میانجامد. سپس از طریق تجزیهی نوری (نجزیهی شیمیایی در اثر تابش نور یا تابش اشعهی ماورای بنفش) مونوکسیدهای کربن (CO) همراه با تولیدات جدید ازن و رادیکالهای OH میدهد:
(3) . مونوکسید کربن به نوبهی خود به گاز کربنیک ( ) تبدیل میشود.
با این حال اگر نسبت NO کافی نباشد، واکنشها منجر به تخریب ازن میشوند و نه تشکل آن. این موقعیت در جو پاک و نیالوده در ارتفاع معمولی (از صفر تا شش کیلو متر) عادی است. به عکس، تولید ازن نشان از جو آلودهی شهرها و تا حدودی پوش کُره (استراتوسفر) است، که در آن جا اکسیدهای ازت NO و فراوانند.
وفور NO در پوش کره، ناشی از وجود یک چرخهی واسطهای یا کاتالیزوری انهدام ازن است. از سویی حضور در پوش کره، تعادل را به سود تولید جا به جا میکند و در نتیجه تأثیر این چرخهی کاتالیزوری را تضعیف مینماید.
هم چنین کلر پوش کره نیز باعث انهدام کاتالیزوری ازن میشود. کلر با ترکیب میشود تا ClH را که توان کنشی آن کمتر است به وجود آورد. به این ترتیب ملاحظه میشود که حضور در پوش کره منجر به محافظت از ازن موجود و حتی منجر به تولید آن میشود. افزون بر این، همان گونه که در واکنش (2) دیدیم، وجود به تولید آب میانجامد که در پوش کرهی بسیار خشک، بسیار حائز اهمیت است.
به رغم پیچیدگی واکنشهای شیمیایی ذکر شده، در جو بسیار پایدار است. بنا براین فرصتی برای پراکنده شدن در آن دارد و میزان تراکم آن از محلی به محلی دیگر فقط کمی متغیر است. بنا بر این ارزیابی دقیق مقدار کلی در جو زمین نسبتاً آسان است.
انهدام تقریباً به طور کامل ناشی از واکنش با رادیکالهای OH، با توجه به واکنشها است که ثابتهای سینتیک آنها را توانستهاند در آزمایشگاه مطالعه کنند. بنا بر این در اصول، محاسبهی مقدار انهدام و از بین رفتن امکان پذیر است به شرطی که توزیع فضا – زمان رادیکالهای OH شناخته شده باشند. اما این مورد اخیر درست شناخته نشده است.
جالب است بدانیم که با وجود اهمیت این رادیکالها در تراز نامهی شیمیایی جو زمین، و به رغم فعالیت شدید شیمیایی آن، هنوز دانشمندان نمیدانند چگونه آنها را اندازه گیری کنند. با این حال پژوهشگران از توزیع رادیکالهای OH اطلاعات خوبی بر مبنای ملاحظات نظریهای دارند که میتوان با عطف به آنها مدلهای رقومی خوبی ایجاد نمود.
آسلمن و کروتزن (1989) توانستند میزان کل انهدام را به پنج ضرب در ده به توان یازده کیلو گرم در سال تخمین بزنند. از آن جایی که ذخیرهی ، چهار و نُه دهم ضرب در ده به توان دوازده کیلو گرم و میزان رشد آن نزدیک به یک در صد در سال، یعنی پنج ضرب در ده به توان ده کیلو گرم در سال، است میتوان منبع کل را مجموع این دو دانست یعنی پنج و نیم ضرب در ده به توان یازده کیلو گرم در سال. این رقم مطابق با یک زمان متوسط اقامت در جو در حدود هشت و هفت دهم سال است که از تقسیم ذخیره بر بازده منبع به دست آمده است.
این رقم زیاد به فرصت میدهد که در تمام جو پراکنده شود، حتی اگر منابع آب به طور ناهمگن توزیع شده باشند. در مقابل، پژوهشگران از چاههای ، یعنی از انهدام آن، مطلع هستند در حالی که از منبع کلی آن آگاهی درستی ندارند. بنا بر این تراز نامهی آن کاملاً متعادل نیست، گر چه مطالعات و ملاحظات مربوط به ترکیب به صورت ایزوتوپهای پایدار و ، به طور کلی ارقام قبلی را تأیید میکنند.
تردیدهای عمیقی در مورد درک چرخهی وجود دارد. با این حال هیچ شکی وجود ندارد که تراکم آن طی کمی بیش از یک قرن به دو و نیم برابر افزایش یافته است و اگر به آخرین دورهی یخ بندان توجه کنیم به پنج برابر رسیده است. با آهنگ فعلی رشد که یک در صد در سال و رقم آن بسیار نزدیک به افزایش جمعیت جهان است، طی کمتر از یک فرن آینده به دو برابر افزایش خواهد یافت و در آن زمان به صورت عامل اصلی اثر گُل خانهای ناشی از فعالیت انسانی در خواهد آمد.
حال ببینیم که به تدریج که آب و هوای زمین تحت تأثیر اثر گل خانهایِ روز افزون، و به ویژه در پی بالا آمدن تدریجی سطح آب دریاها و تغییرات احتمالی در میزان ریزش باران، دگرگون خواهد شد، تحول منابع مختلف به چه منوال خواهد بود. در کنار این پرسش باید پرسش دیگری را هم مطرح کنیم: با چه سرعتی از اتمسفر خارج خواهد شد، یعنی با در نظر گرفتن واکنشهایی که تولید و انهدام این اکسایندهی عظیم را بر عهده دارند، میزان رادیکالهای OH در اتمسفر چگونه تغییر و تحول خواهد یافت؟
معمولاً آن چه که در این زمینه در اذهان عمومی وجود دارد، مجموع دو عامل آلودگی و صنایع است. مسلماً تا جایی که مربوط به گاز خروجی اتوموبیلها و دودهای کارخانجات و یا به طور کلی آلودگیهای شهری میشود، یعنی آثار بومی و منطقهای، این اندیشه یک واقعیت است. هم چنین در مورد سوانح بزرگ، از ریزش یک ساختمان گرفته تا انفجار یک مخزن تولیدات شیمیایی خطرناک و یا آتش سوزی یک رآکتور هستهای، صدق میکند. باز هم حقیقتی است – اما این بار نسبتاً کمتر – که آلودگی در سطح تمامی جو کرهی زمین در اثر پارهای از گازهای دارندهی اثر گُل خانهای مانند ، وجود دارد، اگر چه در این مورد اخیر تغییرات عملی در نحوهی کشاورزی و آتش سوزی جنگلها سهم بسیار زیادی در افزایش این گاز دارند.
در مورد ، به عکس، در خارج از منابع طبیعی آن مانند زمینهای پر آب و زیر سیلابها، منبع اصلی این گاز در رابطه با فعالیتهای کشاورزی است (مانند شالیزارها).
بر خلاف آن چه که معمولاً پذیرفته شده است، آلودگیهای ناشی از فعالیتهای کشاورزی در نهایت به اندازهی آن چه که از رشد صنایع پدید میآید نگران کننده هستند. این مسأله برای آیندهی کرهی زمین و جمعیت آن بسیار پر اهمیت است، زیرا اگر میبینیم که پژوهشگران در صدد هستند که به راه حلهایی فنی بیاندیشند که از میزان گسیلهای صنعتی بکاهند، چنین راه حلی برای کشاورزی بسیار مشکل است به خصوص که اگر راه حلی هم پیدا شود عملی ساختن آن به علت پراکندگی کشاورزان و زمینها بسیار دشوار خواهد بود. از سویی باید جمعیت کرهی زمین که در حال افزایش سریع است تغذیه شود. بنا بر این باید بر باز دهی محصولات کشاورزی و افزایش سطوح کشاورزی، و هم چنین تودهی دامها افزود.
بنا بر این وجود آلودگی کلی در جو زمین به واسطهی گاز متان در کوتاه مدت مسائل بسیار وحشتناکی را مطرح خواهد ساخت، حتی اگر فراموش نکرده باشیم که این گاز میتواند در پوش کُره نوعی نقش پالاینده بازی کند.
مدتی بود که توجه مردم، به حق، به افزایش اثر گل خانهای جلب شده بود که عمدتاً ناشی از تزریق
به جو زمین است و در اثر استفادههای شدید از سوختهای فسیلی (زغال، نفت، و گاز طبیعی) پدید میآید. اما از یاد نباید برد که گازهای دیگری که به میزان کمتری در هوا وجود دارند در اثر گل خانهای سهیم هستند و افزایش تراکم پارهای از این گازها حتی با سرعت بیشتری به نسبت گاز کربنیک صورت میگیرد.
گاز متان با فرمول نیز به نوبهی خود نقش مهمی در این فرایند پیچیده بر عهده دارد که پارهای از آن از مدتها پیش شناخته شده است. این گاز با نام گاز مردابها، مسئول پیدایی شهابهایی است که در اثر سوختن خود به خودی متانِ حاصل از تجزیهی مواد آلی راکد در مردابها پدید میآیند. نام گاز معادن زغال سنگ یا آتش دمه، مسئول انفجارهای مصیبت باری است که در معادن زغال سنگ به وقوع میپیوندد. وقتی که مقداری از این گاز در دالانهای معادن تخلیه میشود، همراه با هوا مخلوط منفجر شوندهای را تشکیل میدهد. و سرانجام این که متان، یکی از عمده تشکیل دهندگان گاز طبیعی است که از طریق شبکههای عظیم لوله کشی در خانهها به مصرف میرسد که خطرات انفجار آن مشابه گاز معادن است.
اهمیت متان بستگی به دو خاصیت بسیار مهم آن دارد. نخست این که متان میتواند پرتوهای فرو سرخ، یعنی امواج الکترو مغناطیسی بلندی را که از زمین ساطع میشوند، جذب کند و پیش از این که به سوی فضا بتابند، به نوعی آنها را به جو زمین منتقل سازد. این همان چیزی است که اثر گل خانهای نامیده میشود. متان در این خاصیت با گاز کربنیک شریک و سهیم است، اما بسیار مؤثرتر از آن عمل میکند، یعنی بیست و پنج بار بیشتر بر حسب مولکول، و اگر چگالی آنها را در نظر بگیریم، هفتاد بار بیشتر بر حسب واحد جرم.
توضیح تصویر: محصول شالیزارها فقط برنج نیست. در زیرِ زمینهای پُر آب برنج زارها، در نبود هوا، باکتریها متان تولید میکنند که در سراسر دنیا بالغ بر یک صد میلیون تُن میشود.
متان، در کنار این ظرفیت جذب تشعشعات فرو سرخ، دارای خاصیت واکنش با اکسایندههای عمدهی موجود در جو است که منجر به پیدایی زنجیرهای طولانی از واکنشهای شیمیایی میشود و در نهایت به تشکیل مونوکسید کربن، CO، و گاز کربنیک، ، بسته به مورد، همراه با تولید یا انهدام اُزُن میانجامد.متان جدا از فعالیتهای انسانی، همواره از طریق منابع مختلف وارد جو زمین میشده است. در آزمایشگاههای یخ شناسی و زمین فیزیک زیست محیطی گرونوبل (در فرانسه) با استفاده از تجزیه و تحلیل حبابهای هوای محبوس در یخهای جنوبگان، پژوهشگران موفق شدند که سیر تکاملی محتوای جو زمین در زمینهی را از صد و پنجاه هزار سال پیش تا کنون بررسی کنند.
نتیجهی این پژوهشها نشان داد که تغییرات دمای قطبی که بر مبنای ترکیبات ایزوتوپی یخ مجدداً شکل گرفته، همراه با تغییرات به هم پیوستهی و بوده است. به ویژه اواخر واپسین دوران یخ بندان که به پانزده هزار سال پیش باز میگردد، کرهی زمین در پدیدهی بزرگی که به جز آثار دیگر، به بالا آمدن سطح آب دریاها در حدود صد متر انجامید، شاهد افزایش از صد و نود به دویست و هشتاد PPmV بوده است در حالی که به دو برابر افزایش یافته است یعنی از سی و پنج صدم به هفت دهم PPmV رسیده است. (یک PPmV، یک میلیونم فشار جو است.)
از قرن نوزدهم میلادی که به تدریج تمدن صنعتی رشد و گسترش مییافت، این دو گاز افزایش چشم گیری یافتند. از اوایل قرن نوزدهم تا سال 1990، از دویست و هشتاد به سی صد و پنجاه PPmV رسید، در حالی که باز هم بیش از دو برابر افزایش یافت، یعنی از هفت دهم به یک و هفت دهم PPmV بالغ شد.
در سال 1990، تراکم میانگین متان در جو، یک و هفتاد و دو صدم PPmV بوده است که مساوی است با چهار هزار نُه صد میلیون تن . در حال حاضر این افزایش با نرخ هشت دهم تا یک در صد در سال انجام میگیرد، یعنی چهل تا چهل و هشت میلیون تن در سال.
متان عمدتاً در اثر تجزیهی باکتریایی مواد آلی در شرایط بی هوا زی (محیط عاری از اکسیژن) تولید میشود. نقش مانع بین مادهی آلی و اکسیژن هوا را، یا آب (مناطق مرطوب)، یا سازوارههای زنده (نشخوار کنندگان، حشرات، و غیره)، و یا پوششی از زبالهها (تخلیهی زباله) بر عهده دارند. منابع دیگر گاز متان عبارتند از آتشهای ناشی از گیاهان، هم چنین تخلیهی گاز و نشت گازها طی بهره برداری از معادن یا توزیع گاز طبیعی.
توضیح تصویر: به رغم پیش رفتهای صورت گرفتهی پیوسته و مداوم در صنایع، تولید و توزیع گاز طبیعی بدون نشت انجام نمیگیرد. چنان چه بتوان به طور کامل از نشت گاز طبیعی جلو گیری به عمل آورد، این مسأله میتواند افزایش گاز متان در جو زمین را جبران نماید
عبارت مناطق مرطوب شامل دو گروه از زمینها میشود: شالیزارها و مناطق مرطوب طبیعی مانند مردابها، تورب زارها (tourbiere)، دریاچههای کم عمق، مناطقی که به طور دورهای به زیر آب و سیلابها میروند و جنگلهای استوایی. (تورب زار محلی است که در آن تورب به وجود میآید. تورب عبارت است از مواد گیاهی پوسیدهای به رنگ قهوهای یا سیاه که در زیر زمین مرطوبی انباشته شده و تحت تأثیر عوامل شیمیایی، اسیدی، قلیایی، یا خنثی قرار گرفته باشد. نوع اسیدی این مواد برای مصارف سوختی به کار میرود. تورب که اولین مراحل تبدیل زغال را طی میکند در شرایط معینی از خزههایی به نام اسفاگنوم در آبهای شیرین پدید میآید. هم چنین میتوان گفت که تورب یا زغال نارس از بقایای گیاهان نیمه تجزیه شدهای که در طول مدتی زیاد در دریاچهها و باتلاقها جمع شدهاند تشکیل یافته است. تجزیهی این بقایای گیاهی در آب با دخالت باکتریهای گوناگون انجام میگیرد. ستبرای لایههای آن ممکن است به چندین متر برسد. تورب محتوی بیست و هشت تا سی و پنج در صد کربن، سی تا سی و هشت در صد اکسیژن، و تقریباً پنج و نیم در صد هیدروژن است.) برآورد این منابع متان به علت تغییر پذیری جریان (یک تا هزار میلی گرم در متر مربع در روز) به طور تقریبی انجام میگیرد، حتی برای اکوسیستمهای مشابه. برآورد دقیق میزان گسیل از شالیزارها که در حدود شصت تا صد و چهل میلیون تُن در سال تخمین زده میشود نیز مشکل است، به ویژه به علت نبود اطلاعات از وسعت سطح زیر کشت برنج در آسیا که نود در صد از شالیزارها را در بر میگیرد.در مجموع، مطالعات اخیر نشان میدهند که کل گسیلهای از مناطق مرطوب بین صد تا سی صد میلیون تن در سال است که به طور تساوی بین شالیزارها و مناطق رطوبی طبیعی تقسیم شده است.
از منابع دیگر، گسیلهای حیوانی هستند. متانی که از موجودات زنده متصاعد میشود از تجزیهی باکتریایی کربو هیدراتها (عمدتاً سلولز) در دستگاه گوارش به وجود میآید. مقدار به نسبت مقدار غذای بلعیده شده، و بر حسب نوع حیوان و نوع تغذیهی او است. برآورد منبع حیوانی ، مستلزم کسب شناختهای زیر است:
- جمعیت جهانی حیوانات (بر اساس برآورد F A O یا سازمان جهانی خوار و بار و کشاورزی).
- مصرف مواد زندهی حیوانی یا گیاهی (biomasse).
- در صد متصاعد شده بر حسب انرژی (از سه تا ده در صد برای نشخوار کنندگان و دو دهم تا سه دهم برای حیوانات دیگر).
تراز نامهی متصاعد شده از سوی حیوانات چندان دقیق نیست، به ویژه به واسطهی تردیدهایی که در شمار جمعیت منتشره از سوی سازمان جهانی خوار و بار و کشاورزی و میزان گسیلی حیوانات وجود دارد. در نتیجه این تراز نامهی گسیلی به وسیلهی حیوانات این ارقام را به دست میدهد: - هفتاد و چهار میلیون تن در سال (بیش از پانزده در صد) برای حیوانات اهلی (هفتاد در صد به وسیلهی گاوها) – دو تا شش میلیون تن در سال برای حیوانات وحشی.
در سراسر جهان، این منبع مسئول گسیلی بین شصت و پنج تا صد میلیون تن در سال است. طبق توزیع جغرافیایی گسیلی از سوی حیوانات، هفتاد و پنج در صد از این منبع در نیم کُرهی شمالی جای دارد. در دادههای قبلی، گسیل از سوی حشرات به ویژه موریانه محاسبه نشده است. در این زمینه به علت مشکلاتی که در برآورد جمعیت حشرات و مقدار بیوماس جذب شده و اثر دما و به خصوص باز تخریبی در لانهی موریانهها پیش از گسیل وجود دارد، محاسبات چندان دقیق نیستند. بنا بر این مقدار گسیل از سوی حشرات را میتوان بین ده تا سی میلیون تن در سال برآورد کرد.
منبع سوم: آتشهای ناشی از سوختن گیاهان. هر ساله، عمدتاً در نواحی استوایی، دست کم بیست میلیون کیلو متر مربع یا یک تا دو میلیارد تن مواد خشک سوزانده میشوند. اگر سوختن جنگلها پس از وقوع، امری قطعی و تا حدودی جبران ناپذیر باشد، سوختن علف زارها (ساوانها) این چنین نیست، زیرا هر ساله از نو میرویند. این آتش سوزیها گازهای متعددی را روانهی جو میکنند که عمدتاً است. گازهای دیگر ، عبارتند از اکسیدهای ازت NOx، ترکیبات گوگرد دار، گازهای نسوخته و اکسایش نیافته مانند و دیگر هیدرو کربورهای سبک، یعنی دارای دو تا شش اتم کربن، که NMHC نامیده میشوند.
توضیح تصویر: با تجزیه و تحلیل حبابهای موجود در مغزهی یخهایی که از جنوبگان برداشت شده است میتوان خواص جو زمین را از یک صد و پنجاه هزار سال پیش به این سو بررسی کرد. در این دورهی بسیار دور، آب و هوای کرهی زمین نزدیک به وضع امروزی بود. دورهی طولانی یخ بندان که در حدود پانزده هزار سال پیش پایان یافته است هوایی داشت که گاز کربنیک و گاز متان آن بسیار کاهش یافته بود. در پایان این دورهی یخ بندان، سطح گاز متان و گاز کربنیک مجدداً به حال پیشین خود باز گشته است. سپس از قرن نوزدهم به بعد، با گسترش و رشد صنایع و کشاورزی، این میزان به طور تأسف باری بالا رفته است. در مقیاس گرافیکی، این رشد بسیار سرگیجه آور است و هیچ تناسبی با تغییرات طبیعی گذشته ندارد. طی چند هزار سال، در آخر دوران یخ بندان، بر ارتفاع سطح دریاها یک صد متر افزوده شده است. در آیندهی نزدیک در انتظار افزایشی محدودتر هستیم.
محاسبات غیر دقیق و تردیدهایی که در این زمینه وجود دارند به این موارد مربوط میشوند: - سطوح سوخته در هر سال و محتوای تغییر پذیر مواد گیاهی آنها (نوع و رطوبت). – نوع آتشها، که نسبت گازهای گسیلی متان به آنها بستگی پیدا میکند. همچنین CO و NMHC که نیروی اکسایندگی جو را تغییر میدهند.با استفاده از دادههای ماهوارهای میتوان آتشهای شعلهور را در نظامهای ده در ده متر و آتشهای بدون شعله را دست کم در سی در سی متر محاسبه کرد و مقدار ذرات گسیلی از دودهها را برآورد نمود. این توده از ذرات، به لطف رابطههایی که به طور تجربی معین شدهاند، به صورت تودهی گاز محاسبه میشوند. از بررسیهایی که انجام گرفتهاند چنین استنباط میشود که گاز متان گسیلی از آتشها به ویژه در مناطق استوایی طی فصل خشک حدود بیست تا هشتاد میلیون تن در سال است.
گاز متان از تخلیهی زبالهها نیز تولید میشود. مواد آلی موجود در زبالههای صنعتی و خانگی را نخست باکتریهای هوا زی تجزیه میکنند. در این تلاشی، ، آب ()، و حرارت تولید، و اکسیژن مصرف میشود. اکسیژن موجود به سرعت کاهش مییابد و در این صورت متلاشی شدن بی هوا زی مواد آلی آغاز میشود. بیو گاز حاصله، مرکب از پنجاه در صد گاز کربنیک ( ) و پنجاه در صد گاز متان ( ) است.
برای محاسبهی کل مقادیر گسیلی باید بتوان مقدار کربن زیست واپاشنده که هر ساله همراه با زبالهها دور انداخته میشود و نسبت زبالههای ذخیره در محلهای تخلیه را برآورد کرد. بر مبنای این دادهها، میزان تولید از طریق زبالههای تخلیه شده تا بیست به اضافه و منهای پنجاه میلیون تن در سال تخمین زده میشود.
ارزیابی مقدار گسیلهای ناشی از بهره برداری از زغال و گاز طبیعی مشکل است. با این حال در این زمینه یک روش جهانی سنجش بر مبنای نسبت کربن رادیو اکتیو در وجود دارد. اصولاً نباتات دارای نسبتی کم و بیش ثابت از این ایزوتوپ هستند که به طور پیوسته در اثر کنش پرتوهای کیهانی بر روی ازت هوا تولید میشود. در سوختهای فسیلی، زغال، نفت، و گاز طبیعی، از مدتها پیش در اثر رادیو اکتیویته از بین رفته است. ظاهراً از مبنای مواد فسیلی، حدود بیست در صد از منابع را تشکیل میدهد. مجموع گسیلها از کل معادن زغال در جهان، بین ده تا پنجاه میلیون تن در سال برآورد میشود.
طی بهره برداری و یا انتقال گاز طبیعی، این امکان وجود دارد که مقدار معتنا بهی از گاز متان تلف شود. این گسیل به علت بهره برداری هر چه بیشتر از گاز طبیعی، در آینده ممکن است باز هم افزایش پیدا کند. برآورد میزان گاز طبیعی تلف شده به نسبت کل تولید آن مشکل است، زیرا این میزان از کشوری به کشور دیگر بسیار فرق میکند و در این زمینه اطلاعات (عمداً) بسیار اندک هستند. در اروپای غربی، توزیع کنندگان چنین برآورد میکنند که نشت گاز از یک در صد از کل تولیدات تجاوز نمیکند. با این حال در مورد روسیه و هم چنین ذخیرههای زیر زمینی امریکا، رقمهای بسیار بالاتری برآورد میشوند. آخرین برآوردها از این منبع یک نرخ تلف شدهی دو تا چهار در صد است. در این صورت میتوان نتیجه گرفت که گسیل جهانی طی بهره برداری از گاز طبیعی، بین بیست و پنج تا پنجاه میلیون تن در سال است. گاز متانی که در جو زمین تزریق میشود به همان حال در آن جا انباشته نمیگردد، بلکه قسمتی از آن مجدداً توسط زمین جذب میشود و بیشتر در هوا اکسایش مییابد.
مطالعات ثابت کردهاند که مصرف توسط باکتریهای متان دوست زمین (متانوتروف یا باکتریهایی که از متان تغذیه میشوند)، مسألهای نیست که بتوان نادیده گرفت. میزان مصرف بین هشت صدم و یک و سه دهم گرم در متر مربع است و کنترل آن بیشتر از طریق نوع زمین انجام میگیرد تا نیروی بالقوهی تجزیهی میکروبی. انهدام گاز متان ناشی از ریز سازوارههای خاک با افزایش رطوبت زمین و یا افزودن کودهای ازُته کاهش مییابد. روبر دلماس و دیگر پژوهشگران (در سال 1990 میلادی) ثابت نمودند که هنگامی که خاک جنگل استوایی خشک باشد مانندِ چاهی از گاز متان به میزانی معادل با هشت صدم تا هشت دهم گرم در هر متر مربع در سال عمل میکند.
برآورد مقادیر کل که بدین ترتیب منهدم میشوند، در یک مقیاس نسبتاً وسیع توزیع میشود. اما از گردآوری دادههای موجود چنین بر میآید که این مصرف حدود پانزده به اضافه و منهای سی میلیون تن در سال است.
توضیح تصویر: عمدهی منابع گاز متان در نیم کُرهی شمالی قرار دارند، در جایی که قارهها واقع شدهاند و انسانها، زندگی و کار میکنند. به همین دلیل است که افزایش سالانهی گاز متانِ جو زمین، بیشتر در این نیم کُره احساس میشود. هم چنین ملاحظه میشود که تولید گاز متان در هر یک از دو نیم کُره، در تابستان بیشتر از زمستان است.
جای شگفتی نخواهد بود که در جو اکسایندهای که در پیرامون ما قرار دارد هم اکسایش یابد و به این ترتیب به مونوکسید کربن (CO) و بعد به گاز کربنیک تبدیل شود. با این حال ساز و کار این اکسایش بسیار بسیار پیچیده است. اصولاً در نبود وفور اکسیژن آزاد در هوا (بیست و یک در صد در حجم)، آن چه که مستقیماً را اکسیده میکند اکسیژن آزاد نیست بلکه مادهای است بسیار ناپایدار که به آن رادیکال آزاد، یعنی رادیکال اکسید ریل با فرمول OH میگویند که به نوعی یک مولکول ناقص است. این رادیکال از اُزُن جوی (O3-) که توسط پرتو فرا بنفش تجزیه شده تولید میشود و هر کدام از Oها با آب ترکیب شده، رادیکال OH میدهد:(1) ، رادیکال هیدروکسیل OH، متناسب با مقدار اکسیدهای ازت هوا، ، با گاز متان، ، واکنش پیدا میکند. چنان چه این نسبت به اندازهی کافی بالا باشد، یک رشته واکنشهایی خواهیم داشت معادل با:
(2) ، در این رشته واکنشها، گاز متان به تولید آب ()، فورمالدئید () و ازن ، و اکسیدهای ازت که نقش کاتالیزور را بر عهده دارند، میانجامد. سپس از طریق تجزیهی نوری (نجزیهی شیمیایی در اثر تابش نور یا تابش اشعهی ماورای بنفش) مونوکسیدهای کربن (CO) همراه با تولیدات جدید ازن و رادیکالهای OH میدهد:
(3) . مونوکسید کربن به نوبهی خود به گاز کربنیک ( ) تبدیل میشود.
با این حال اگر نسبت NO کافی نباشد، واکنشها منجر به تخریب ازن میشوند و نه تشکل آن. این موقعیت در جو پاک و نیالوده در ارتفاع معمولی (از صفر تا شش کیلو متر) عادی است. به عکس، تولید ازن نشان از جو آلودهی شهرها و تا حدودی پوش کُره (استراتوسفر) است، که در آن جا اکسیدهای ازت NO و فراوانند.
وفور NO در پوش کره، ناشی از وجود یک چرخهی واسطهای یا کاتالیزوری انهدام ازن است. از سویی حضور در پوش کره، تعادل را به سود تولید جا به جا میکند و در نتیجه تأثیر این چرخهی کاتالیزوری را تضعیف مینماید.
هم چنین کلر پوش کره نیز باعث انهدام کاتالیزوری ازن میشود. کلر با ترکیب میشود تا ClH را که توان کنشی آن کمتر است به وجود آورد. به این ترتیب ملاحظه میشود که حضور در پوش کره منجر به محافظت از ازن موجود و حتی منجر به تولید آن میشود. افزون بر این، همان گونه که در واکنش (2) دیدیم، وجود به تولید آب میانجامد که در پوش کرهی بسیار خشک، بسیار حائز اهمیت است.
به رغم پیچیدگی واکنشهای شیمیایی ذکر شده، در جو بسیار پایدار است. بنا براین فرصتی برای پراکنده شدن در آن دارد و میزان تراکم آن از محلی به محلی دیگر فقط کمی متغیر است. بنا بر این ارزیابی دقیق مقدار کلی در جو زمین نسبتاً آسان است.
انهدام تقریباً به طور کامل ناشی از واکنش با رادیکالهای OH، با توجه به واکنشها است که ثابتهای سینتیک آنها را توانستهاند در آزمایشگاه مطالعه کنند. بنا بر این در اصول، محاسبهی مقدار انهدام و از بین رفتن امکان پذیر است به شرطی که توزیع فضا – زمان رادیکالهای OH شناخته شده باشند. اما این مورد اخیر درست شناخته نشده است.
جالب است بدانیم که با وجود اهمیت این رادیکالها در تراز نامهی شیمیایی جو زمین، و به رغم فعالیت شدید شیمیایی آن، هنوز دانشمندان نمیدانند چگونه آنها را اندازه گیری کنند. با این حال پژوهشگران از توزیع رادیکالهای OH اطلاعات خوبی بر مبنای ملاحظات نظریهای دارند که میتوان با عطف به آنها مدلهای رقومی خوبی ایجاد نمود.
آسلمن و کروتزن (1989) توانستند میزان کل انهدام را به پنج ضرب در ده به توان یازده کیلو گرم در سال تخمین بزنند. از آن جایی که ذخیرهی ، چهار و نُه دهم ضرب در ده به توان دوازده کیلو گرم و میزان رشد آن نزدیک به یک در صد در سال، یعنی پنج ضرب در ده به توان ده کیلو گرم در سال، است میتوان منبع کل را مجموع این دو دانست یعنی پنج و نیم ضرب در ده به توان یازده کیلو گرم در سال. این رقم مطابق با یک زمان متوسط اقامت در جو در حدود هشت و هفت دهم سال است که از تقسیم ذخیره بر بازده منبع به دست آمده است.
این رقم زیاد به فرصت میدهد که در تمام جو پراکنده شود، حتی اگر منابع آب به طور ناهمگن توزیع شده باشند. در مقابل، پژوهشگران از چاههای ، یعنی از انهدام آن، مطلع هستند در حالی که از منبع کلی آن آگاهی درستی ندارند. بنا بر این تراز نامهی آن کاملاً متعادل نیست، گر چه مطالعات و ملاحظات مربوط به ترکیب به صورت ایزوتوپهای پایدار و ، به طور کلی ارقام قبلی را تأیید میکنند.
تردیدهای عمیقی در مورد درک چرخهی وجود دارد. با این حال هیچ شکی وجود ندارد که تراکم آن طی کمی بیش از یک قرن به دو و نیم برابر افزایش یافته است و اگر به آخرین دورهی یخ بندان توجه کنیم به پنج برابر رسیده است. با آهنگ فعلی رشد که یک در صد در سال و رقم آن بسیار نزدیک به افزایش جمعیت جهان است، طی کمتر از یک فرن آینده به دو برابر افزایش خواهد یافت و در آن زمان به صورت عامل اصلی اثر گُل خانهای ناشی از فعالیت انسانی در خواهد آمد.
حال ببینیم که به تدریج که آب و هوای زمین تحت تأثیر اثر گل خانهایِ روز افزون، و به ویژه در پی بالا آمدن تدریجی سطح آب دریاها و تغییرات احتمالی در میزان ریزش باران، دگرگون خواهد شد، تحول منابع مختلف به چه منوال خواهد بود. در کنار این پرسش باید پرسش دیگری را هم مطرح کنیم: با چه سرعتی از اتمسفر خارج خواهد شد، یعنی با در نظر گرفتن واکنشهایی که تولید و انهدام این اکسایندهی عظیم را بر عهده دارند، میزان رادیکالهای OH در اتمسفر چگونه تغییر و تحول خواهد یافت؟
معمولاً آن چه که در این زمینه در اذهان عمومی وجود دارد، مجموع دو عامل آلودگی و صنایع است. مسلماً تا جایی که مربوط به گاز خروجی اتوموبیلها و دودهای کارخانجات و یا به طور کلی آلودگیهای شهری میشود، یعنی آثار بومی و منطقهای، این اندیشه یک واقعیت است. هم چنین در مورد سوانح بزرگ، از ریزش یک ساختمان گرفته تا انفجار یک مخزن تولیدات شیمیایی خطرناک و یا آتش سوزی یک رآکتور هستهای، صدق میکند. باز هم حقیقتی است – اما این بار نسبتاً کمتر – که آلودگی در سطح تمامی جو کرهی زمین در اثر پارهای از گازهای دارندهی اثر گُل خانهای مانند ، وجود دارد، اگر چه در این مورد اخیر تغییرات عملی در نحوهی کشاورزی و آتش سوزی جنگلها سهم بسیار زیادی در افزایش این گاز دارند.
در مورد ، به عکس، در خارج از منابع طبیعی آن مانند زمینهای پر آب و زیر سیلابها، منبع اصلی این گاز در رابطه با فعالیتهای کشاورزی است (مانند شالیزارها).
بر خلاف آن چه که معمولاً پذیرفته شده است، آلودگیهای ناشی از فعالیتهای کشاورزی در نهایت به اندازهی آن چه که از رشد صنایع پدید میآید نگران کننده هستند. این مسأله برای آیندهی کرهی زمین و جمعیت آن بسیار پر اهمیت است، زیرا اگر میبینیم که پژوهشگران در صدد هستند که به راه حلهایی فنی بیاندیشند که از میزان گسیلهای صنعتی بکاهند، چنین راه حلی برای کشاورزی بسیار مشکل است به خصوص که اگر راه حلی هم پیدا شود عملی ساختن آن به علت پراکندگی کشاورزان و زمینها بسیار دشوار خواهد بود. از سویی باید جمعیت کرهی زمین که در حال افزایش سریع است تغذیه شود. بنا بر این باید بر باز دهی محصولات کشاورزی و افزایش سطوح کشاورزی، و هم چنین تودهی دامها افزود.
بنا بر این وجود آلودگی کلی در جو زمین به واسطهی گاز متان در کوتاه مدت مسائل بسیار وحشتناکی را مطرح خواهد ساخت، حتی اگر فراموش نکرده باشیم که این گاز میتواند در پوش کُره نوعی نقش پالاینده بازی کند.
توضیح تصویر: هر ساله در قارهی افریقا، ده میلیون کیلو متر مربع علف زار (بیست برابر سطح کل فرانسه) سوزانده میشود. این آتش سوزیها که کم و بیش عمدی صورت میگیرند، فقط به گسیل دوده که مناطق وسیعی را در فصل خشک در بر میگیرند اکتفا نمیکنند، بلکه گاز کربنیک و هیدرو کربورهای مختلف (از جمله گاز متان) و اکسیدهای گوگرد و ازت هم متصاعد میکنند
/م