نضوب طبقة الأوزون

تحمي طبقة الأوزون الموجودة على الأرض جميع أشكال الحياة من إشعاع الشمس الضار، كما ستؤدي حماية طبقة الأوزون الأقل من الأشعة فوق البنفسجية (UV) بمرور الوقت إلى إتلاف المحاصيل وتؤدي إلى ارتفاع معدلات الإصابة بسرطان الجلد وإعتام عدسة العين.

طبقة الأوزون

يتكون الغلاف الجوي للأرض من عدة طبقات، حيث تمتد الطبقة الدنيا وهي طبقة التروبوسفير من سطح الأرض حتى ارتفاع يصل إلى حوالي 6 أميال أو 10 كيلومترات (كم). تحدث جميع الأنشطة البشرية تقريبًا في طبقة التروبوسفير، على سبيل المثال فإن جبل إيفرست هو أعلى جبل على هذا الكوكب، حيث يبلغ ارتفاعه حوالي 5.6 ميل (9 كم) فقط. الطبقة التالية هي الستراتوسفير، والتي تمتد من 6 أميال (10 كم) إلى حوالي 31 ميلاً (50 كم)، كما تحلق معظم الطائرات التجارية في الجزء السفلي من طبقة الستراتوسفير.

يتركز معظم الأوزون في الغلاف الجوي في طبقة في الستراتوسفير، وذلك على ارتفاع حوالي 9 إلى 18 ميلاً (15 إلى 30 كم) فوق سطح الأرض (انظر الشكل أدناه). الأوزون هو جزيء يحتوي على ثلاث ذرات أكسجين، وفي أي وقت من الأوقات تتشكل جزيئات الأوزون وتتلف باستمرار في الستراتوسفير.

إلى جانب ذلك فقد تمتص طبقة الأوزون الموجودة في الستراتوسفير جزءًا من إشعاع الشمس، مما يمنعها من الوصول إلى سطح الكوكب. والأهم من ذلك أنه يمتص جزء من ضوء الأشعة فوق البنفسجية يسمى UVB. حيث تم ربط (UVB) بالعديد من الآثار الضارة، بما في ذلك سرطان الجلد وإعتام عدسة العين وإلحاق الضرر ببعض المحاصيل والحياة البحرية.

إلى جانب ذلك فقد بلغ ثقب الأوزون السنوي ذروته البالغة 6.3 مليون ميل مربع (16. 4 مليون كيلومتر مربع) في 8 سبتمبر، ثم تقلص إلى أقل من 3.9 مليون ميل مربع (10 ملايين كيلومتر مربع) في الفترة المتبقية من سبتمبر وأكتوبر، ووفقًا لقياسات القمر الصناعي (NASA و NOAA). وخلال السنوات ذات الظروف الجوية العادية، ينمو ثقب الأوزون عادةً إلى مساحة قصوى تبلغ حوالي 8 ملايين ميل مربع في أواخر سبتمبر أو أوائل أكتوبر.

هذا وقد أنشأ العلماء سجلات تمتد لعدة عقود توضح بالتفصيل مستويات الأوزون الطبيعية خلال الدورات الطبيعية، إذ تختلف تركيزات الأوزون في الغلاف الجوي بشكل طبيعي حسب البقع الشمسية والمواسم وخط العرض، وهذه العمليات مفهومة جيدًا ويمكن التنبؤ بها، حيث إن كل انخفاض طبيعي في مستويات الأوزون أعقبه انتعاش، ولكن ابتداءً من السبعينيات أظهرت الأدلة العلمية أن درع الأوزون كان يستنفد إلى ما هو أبعد من العمليات الطبيعية.

استنفاد الأوزون

عندما تتلامس ذرات الكلور والبروم مع الأوزون في الستراتوسفير، فإنها تدمر جزيئات الأوزون، حيث يمكن لذرة كلور واحدة تدمير أكثر من 100000 جزيء أوزون قبل إزالتها من الستراتوسفير، كما يمكن تدمير الأوزون بسرعة أكبر، مما يتم تكوينه بشكل طبيعي.

إلى جانب ذلك فقد تطلق بعض المركبات الكلور أو البروم عندما تتعرض لأشعة فوق البنفسجية الشديدة في الستراتوسفير، كما تساهم هذه المركبات في استنفاد طبقة الأوزون، وتسمى المواد المستنفدة للأوزون (ODS)، كما تشتمل المواد المستنفدة للأوزون التي تطلق الكلور على مركبات الكربون الكلورية فلورية ومركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية ورابع كلوريد الكربون وكلوروفورم الميثيل. وتشتمل المواد المستنفدة للأوزون التي تطلق البروم على الهالونات وبروميد الميثيل. على الرغم من انبعاث المواد المستنفدة للأوزون على سطح الأرض، فإنه يتم نقلها في نهاية المطاف إلى طبقة الستراتوسفير في عملية قد تستغرق ما يصل من سنتين إلى خمس سنوات.

وفي السبعينيات دفعت المخاوف بشأن تأثيرات المواد المستنفدة للأوزون (ODS) على طبقة الأوزون الستراتوسفير العديد من البلدان، بما في ذلك الولايات المتحدة، إلى حظر استخدام مركبات الكربون الكلورية فلورية (CFCs) كوقود دفع للهباء الجوي. ومع ذلك، فقد استمر الإنتاج العالمي لمركبات الكربون الكلورية فلورية والمواد المستنفدة للأوزون الأخرى في النمو بسرعة، حيث تم العثور على استخدامات جديدة لهذه المواد الكيميائية في التبريد وإخماد الحرائق وعزل الرغوة والتطبيقات الأخرى.

يمكن أن يكون لبعض العمليات الطبيعية مثل الانفجارات البركانية الكبيرة تأثير غير مباشر على مستويات الأوزون، على سبيل المثال لم يؤد ثوران جبل بيناتوبو عام 1991 إلى زيادة تركيزات الكلور في الستراتوسفير، ولكنه أنتج كميات كبيرة من الجسيمات الدقيقة التي تسمى الهباء الجوي (تختلف عن المنتجات الاستهلاكية المعروفة أيضًا باسم الهباء الجوي)، والتي تزيد من فعالية الكلور في تدمير الأوزون. كما يخلق الهباء الجوي الموجود في الستراتوسفير سطحًا يمكن للكلور المحتوي على مركبات الكربون الكلورية فلورية أن يدمر طبقة الأوزون، ومع ذلك فإن تأثير البراكين قصير العمر.

لا تساهم جميع مصادر الكلور والبروم في استنفاد طبقة الأوزون. على سبيل المثال وجد الباحثون أن الكلور من حمامات السباحة والمنشآت الصناعية وملح البحر والبراكين لا يصل إلى طبقة الستراتوسفير. وعلى النقيض من ذلك، فإن المواد المستنفدة للأوزون مستقرة للغاية ولا تذوب في المطر. وبالتالي لا توجد عمليات طبيعية تزيل المواد المستنفدة للأوزون من الغلاف الجوي السفلي.

أحد الأمثلة على استنفاد الأوزون هو “ثقب” الأوزون السنوي فوق القارة القطبية الجنوبية الذي حدث خلال ربيع أنتاركتيكا منذ أوائل الثمانينيات. هذا ليس ثقبًا في طبقة الأوزون، ولكنه مساحة كبيرة من الستراتوسفير بكميات منخفضة للغاية من الأوزون، حيث لا يقتصر استنفاد الأوزون على المنطقة الواقعة فوق القطب الجنوبي، إذ أظهرت الأبحاث أن نضوب طبقة الأوزون يحدث على خطوط العرض التي تشمل أمريكا الشمالية وأوروبا وآسيا والكثير من أفريقيا وأستراليا وأمريكا الجنوبية.

ما هو ثقب الأوزون

لا يعتبر ثقب الأوزون من الناحية الفنية “ثقبًا” حيث لا يوجد أي أوزون، ولكنه في الواقع منطقة من الأوزون المستنفد بشكل استثنائي في الستراتوسفير فوق القطب الجنوبي، والذي يحدث في بداية ربيع نصف الكرة الجنوبي (أغسطس – أكتوبر).

حيث تزودنا أجهزة الأقمار الصناعية بصور يومية للأوزون فوق منطقة القطب الجنوبي. حيث إنه ومن السجل التاريخي نعلم أن قيم عمود الأوزون الإجمالية التي تقل عن 220 وحدة دوبسون لم يتم ملاحظتها قبل عام 1979، كما نعلم أيضًا أن مستوى الأوزون الكلي للعمود أقل من 220 وحدة دوبسون، وهو نتيجة لفقدان الأوزون المحفز من مركبات الكلور والبروم، ولهذا الأسباب نستخدم 220 وحدة دوبسون كحدود للمنطقة التي تمثل فقدان الأوزون. باستخدام اللقطات اليومية لعمود الأوزون الكلي، حيث يمكننا حساب المنطقة المحاطة بخط على الأرض بقيم 220 وحدة دوبسون.

مركبات الكلوروفلوروكربون والأوزون

لقد سمع الكثير من الناس أن ثقب الأوزون ناتج عن مواد كيميائية تسمى مركبات الكربون الكلورية فلورية، وهي اختصار لمركبات الكلوروفلوروكربون، إذ أن تسرب مركبات الكربون الكلورية فلورية إلى الغلاف الجوي من أجهزة وعمليات التبريد والوقود الدافع. في الغلاف الجوي السفلي، تكون مستقرة جدًا لدرجة أنها تستمر لسنوات بل حتى عقود.

كما يسمح هذا العمر الطويل لبعض مركبات الكربون الكلورية فلورية بالوصول في النهاية إلى الستراتوسفير. حيث إنه في الستراتوسفير تكسر الأشعة فوق البنفسجية الرابطة التي تحمل ذرات الكلور (Cl) بجزيء الكلوروفلوروكربون. تستمر ذرة الكلور الحرة في المشاركة في سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تدمر الأوزون وتعيد ذرة الكلور الحرة إلى الغلاف الجوي دون تغيير، حيث يمكنها تدمير المزيد من جزيئات الأوزون، وبالنسبة لأولئك الذين يعرفون قصة مركبات الكربون الكلورية فلورية والأوزون.

في حين أن ذرات الكلور المحررة من مركبات الكربون الكلورية فلورية تدمر الأوزون في النهاية، فإن التدمير لا يحدث على الفور، حيث إن معظم الكلور المتجول الذي ينفصل عن مركبات الكلوروفلوروكربون يصبح في الواقع جزءً من مادتين كيميائيتين، في ظل ظروف الغلاف الجوي العادية مستقرتان جدًا لدرجة أن العلماء يعتبرهما مستودعات طويلة الأجل للكلور.

السحب الستراتوسفيرية القطبية (PSCs) والأوزون

في ظل الظروف الجوية العادية تكون المادتان الكيميائيتان اللتان تخزنان معظم الكلور الموجود في الغلاف الجوي (حمض الهيدروكلوريك ونترات الكلور) مستقرتين. لكن في الأشهر الطويلة من الظلام القطبي فوق القارة القطبية الجنوبية في الشتاء، تكون الظروف الجوية غير عادية.

دوامة لا نهاية لها من رياح الستراتوسفير تسمى الدوامة القطبية تعزل الهواء في المركز، نظرًا لكونها مظلمة تمامًا، حيث يصبح الهواء في الدوامة باردًا جدًا بحيث تتشكل السحب، على الرغم من أن هواء القطب الجنوبي رقيق للغاية وجاف، كما تحدث تفاعلات كيميائية لا يمكن أن تحدث في أي مكان آخر في الغلاف الجوي. يمكن أن تحدث هذه التفاعلات غير العادية فقط على سطح جزيئات الغيوم الستراتوسفيرية القطبية، والتي قد تكون الماء أو الجليد أو حمض النيتريك اعتمادًا على درجة الحرارة.

تعمل هذه التفاعلات على تحويل المواد الكيميائية في خزان الكلور غير النشط إلى أشكال أكثر نشاطًا، وخاصة غاز الكلور (Cl2). عندما يعود ضوء الشمس إلى القطب الجنوبي في أكتوبر، فإنه يكسر ضوء الأشعة فوق البنفسجية بسرعة الرابطة بين ذرتي الكلور، ويطلق الكلور الحر في طبقة الستراتوسفير، حيث يشارك في التفاعلات التي تدمر جزيئات الأوزون أثناء تجديد الكلور (المعروف باسم التفاعل التحفيزي) ).

كما يسمح التفاعل التحفيزي لذرة كلور واحدة بتدمير آلاف جزيئات الأوزون. يشارك البروم في تفاعل تحفيزي ثانٍ مع الكلور الذي يساهم بجزء كبير من فقدان الأوزون، كما ينمو ثقب الأوزون طوال أوائل الربيع حتى ترتفع درجات الحرارة وتضعف الدوامة القطبية، مما ينهي عزل الهواء في الدوامة القطبية. عندما يختلط الهواء من خطوط العرض المحيطة بالمنطقة القطبية، تتشتت أشكال الكلور المدمرة للأوزون، حيث تستقر طبقة الأوزون حتى الربيع التالي.

تاريخ ثقب الأوزون

خلال القرن العشرين تقاطرت الاكتشافات والملاحظات التي من شأنها أن تسمح للعلماء بفهم كيف تخلق المواد الكيميائية التي يصنعها الإنسان مثل مركبات الكربون الكلورية فلورية ثقبًا في طبقة الأوزون فوق القارة القطبية الجنوبية كل ربيع.

في وقت مبكر من عام 1912 للميلاد، حيث سجل المستكشفون في القطب الجنوبي ملاحظات لسحب غير عادية من نوع الحجاب في الستراتوسفير القطبي، وعلى الرغم من أنهم لم يكونوا يعرفون في ذلك الوقت مدى أهمية هذه السحب. في عام 1956 للميلاد أنشأ المسح البريطاني للقارة القطبية الجنوبية مرصد خليج هالي في أنتاركتيكا استعدادًا للسنة الجيوفيزيائية الدولية (IGY) لعام 1957. في ذلك العام بدأت قياسات الأوزون باستخدام مقياس دوبسون الطيفي.

أعطت هذه القياسات الدلائل الأولى على وجود مشكلة في طبقة الأوزون. في عام 1985 نشرت مجموعة من العلماء (J.C. Farman ، و B.G Gardiner ، و J.D.Shanklin) في مجلة (Nature) أول ورقة بحثية عن ملاحظات خسائر فصل الربيع للأوزون فوق القارة القطبية الجنوبية. وفي عام 1986 استخدم علماء ناسا بيانات الأقمار الصناعية من مطياف رسم خرائط الأوزون الكلي (TOMS) وأداة التبعثر الشمسي فوق البنفسجي (SBUV)؛ لإثبات أن ثقب الأوزون هو ظاهرة إقليمية في القطب الجنوبي.

استمرت أدلة الرصد على دور الكلور في فقدان الأوزون في الظهور خلال نفس الفترة، على سبيل المثال قامت بعثة الأوزون الوطنية (NOZE) بقياس المستويات المرتفعة من ثاني أكسيد الكلور الكيميائي (OClO) أثناء ثقب الأوزون في فصل الربيع من محطة أبحاث (McMurdo) ثم في عام 1987 طارت بعثة الأوزون المحمولة جواً في أنتاركتيكا بطائرتَي الأبحاث ER-2 و DC-8 من بونتا أريناس تشيلي إلى دوامة أنتاركتيكا.

ثقب الأوزون في القطب الجنوبي

تم توثيق أشد حالات استنفاد الأوزون شدة لأول مرة في عام 1985 في ورقة أعدها علماء هيئة المسح البريطاني للقطب الجنوبي (BAS) جوزيف سي. فارمان وبريان ج.جاردينر وجوناثان د. شانكلين. وبدءً من أواخر السبعينيات لوحظ انخفاض كبير وسريع في إجمالي الأوزون، غالبًا بأكثر من 60 في المائة مقارنة بالمتوسط ​​العالمي، وفي فصل الربيع (سبتمبر إلى نوفمبر) فوق القارة القطبية الجنوبية.

قام فارمان وزملاؤه بتوثيق هذه الظاهرة لأول مرة على محطة BAS في خليج هالي أنتاركتيكا. جذبت تحليلاتهم انتباه المجتمع العلمي، الذي وجد أن هذه الانخفاضات في عمود الأوزون الكلي كانت أكبر من 50 في المائة مقارنة بالقيم التاريخية التي لوحظتها كل من التقنيات الأرضية والأقمار الصناعية.

استعادة طبقة الأوزون

أدى التعرف على الأخطار التي يمثلها الكلور والبروم على طبقة الأوزون إلى ظهور جهود دولية لتقييد إنتاج واستخدام مركبات الكربون الكلورية فلورية وغيرها من مركبات الكربون الهالوكربونية. بدأ بروتوكول مونتريال بشأن المواد المستنفدة لطبقة الأوزون لعام 1987 التخلص التدريجي من مركبات الكربون الكلورية فلورية في عام 1993 وسعى إلى تحقيق خفض بنسبة 50 في المائة في الاستهلاك العالمي من مستويات 1986 بحلول عام 1998.

إلى جانب ذلك فقد تم تصميم سلسلة من التعديلات على بروتوكول مونتريال في السنوات التالية من أجل تعزيز الضوابط على مركبات الكربون الكلورية فلورية وغيرها من المركبات الكربونية الهالوكربونية. وبحلول عام 2005 انخفض استهلاك المواد الكيميائية المستنفدة للأوزون الخاضعة للاتفاقية بنسبة 90-95 في المائة في البلدان التي كانت أطرافًا في البروتوكول.

قُدر تقرير للأمم المتحدة صدر عام 2018 أن ثقب الأوزون في القطب الجنوبي سينغلق ببطء، وأن تركيزات الأوزون في الستراتوسفير ستعود إلى قيم 1980 بحلول ستينيات القرن العشرين. حيث إن الزيادات المتوقعة في الأوزون ستكون تدريجية في المقام الأول؛ بسبب فترات بقاء مركبات الكربون الكلورية فلورية وغيرها من مركبات الكربون الهالوكربونية الطويلة في الغلاف الجوي.

إن مستويات الأوزون الإجمالية وكذلك توزيع الأوزون في التروبوسفير والستراتوسفير، سيعتمد أيضًا على التغيرات الأخرى في تكوين الغلاف الجوي – على سبيل المثال: التغيرات في مستويات ثاني أكسيد الكربون (الذي يؤثر على درجات الحرارة في كل من طبقة التروبوسفير والستراتوسفير) والميثان (الذي يؤثر على مستويات أكاسيد الهيدروجين التفاعلية في التروبوسفير والستراتوسفير التي يمكن أن تتفاعل مع الأوزون) وأكسيد النيتروز (الذي يؤثر على مستويات أكاسيد النيتروجين في الستراتوسفير التي يمكن أن تتفاعل مع الأوزون).

لاحظ العلماء في عام 2014 زيادة طفيفة في أوزون الستراتوسفير الأولى كما اعتقدوا منذ أكثر من 20 عامًا، والتي نسبوها إلى الامتثال العالمي للمعاهدات الدولية المتعلقة بالتخلص التدريجي من المواد الكيميائية المستنفدة للأوزون وتبريد طبقة الستراتوسفير العليا بسبب زيادة ثاني أكسيد الكربون.

ومع ذلك وبعد إجراء دراسة أكثر شمولاً أعلن العلماء في عام 2016 أن تركيزات الأوزون الستراتوسفير كانت تتزايد بالفعل في الجزء العلوي من الستراتوسفير منذ عام 2000، بينما كان حجم ثقب الأوزون في القطب الجنوبي يتناقص، استمرت تركيزات الأوزون الكلية البعيدة عن القطبين في الانخفاض منذ عام 1998، ومع ذلك أظهرت دراسة أجريت عام 2018 أن الانخفاضات في تركيزات الأوزون في طبقة الستراتوسفير السفلى تتناقض مع المكاسب التي تحققت في طبقة الستراتوسفير العليا بين 60 درجة شمالًا و 60 درجة مئوية. حفرة منذ عام 1982 (حوالي 16.3 مليون كيلومتر مربع [6.3 مليون ميل مربع] في ذروة انتشارها) فوق القارة القطبية الجنوبية. (في عام 1982 كان مدى ذروة ثقب الأوزون أقل بقليل من 16.1 مليون كيلومتر مربع 6.2 مليون ميل مربع.

نظرًا لأن الأوزون من غازات الدفيئة، فإن الانهيار والاستعادة المتوقعة لطبقة الأوزون تؤثر على مناخ الأرض. تظهر التحليلات العلمية أن الانخفاض في أوزون الستراتوسفير الذي لوحظ منذ سبعينيات القرن الماضي قد أحدث تأثيرًا تبريدًا، أو بشكل أكثر دقة أنه واجه جزءًا صغيرًا من الاحترار الناتج عن ارتفاع تركيزات ثاني أكسيد الكربون وغازات الاحتباس الحراري الأخرى خلال هذه الفترة، مع تعافي طبقة الأوزون ببطء في العقود القادمة، ومن المتوقع أن يتراجع تأثير التبريد هذا.

ومنذ الحظر المفروض على ما يسمى بمركبات الكربون الهالوكربونية، كانت طبقة الأوزون قد أظهرت علامات الانتعاش، لكنها عملية بطيئة وستستغرق حتى 2060 أو 70 من القرن الماضي للتخلص التدريجي الكامل من المواد المستنفدة. وخلال السنوات الأخيرة في ظل الظروف الجوية العادية، نما ثقب الأوزون إلى حد أقصى يبلغ 20 مليون كيلومتر مربع (8 ملايين ميل مربع).