مركبات كلوروفلورو الكربون ودرع الأوزون

Chlorofluroearbons and the ozone shield

في ذات مرة، ليس في الماضي البعيد بوشر بمشروع لتصميم وتصنيع غازات تستعمل في البرادات ومكيفات الهواء، وفي عبوات البخاخات.

وكان يجب على هذه الغازات، أن تكون سهلة الانضغاط، وخاملة، بعكس سابقاتها، وغير سامة. ولقد نجح المشروع وتحققت كل هذه الأهداف.

كانت منتجات المشروع مركبات الميثان المهلجنة كلياً، والمعروفة باسم مركبات كلوروفلورو الكربون أو (CFCs).

ولعقود طويلة من الزمن، وجد أن هذه المركبات (CFCs) تعمل بصورة تدعو الى الاعجاب، وعندما ترمى أجهزة التبريد والمكيفات القديمة، وعندما يقوم المزينون باستخدام عبوات مستحضرات البخاخات تتحرر غازات الـ (CFCs) ببطء وتنطلق الى الغلاف الجوي. وقد جعلها الخمول الشديد الذي صممت به لكي تحافظ على بقائها، قادرة على عدم التغير لدى ارتفاعها عالياً في الجو حتى تصل ، أخيراً، الى طبقة الستراتوسفير معرضة مباشرة للأشعة فوق البنفسجية من الشمس.

والآن، فقد تبين أن تلك المركبات التي صنعت بعناية وبإتقان كبيرين وبنوايا طيبة هي وحوش بشعة مخيفة تهدد مبدعها وفي الواقع تهدد كل الحياة على وجه الأرض.

ولمعرفة ما الأمر لنبدأ من لحظة البدء

تستحم الأرض في الاشعاع الكهرطيسي القادم من الشمس. يسخن الأرض مباشرة ويوفر الطاقة لإنتاج الكربوهيدرات في النباتات، تغذي هذه الكربوهيدرات، بشكل مباشر أو غير مباشر، كل أشكال الحياة الحيوانية. ويتألف الإشعاع من الضوء، المرئي وغير المرئي.

يكون الضوء الذي طول موجته بين 400 – 750 نانومتر مرئياً. (النانومتر، nm، واحدة طول تساوي 10^-7 سم) يوجد وراء النهاية الحمراء للضوء المرئي الضوء تحت الأحمر ذوي طول الموجة الأكبر من 750 نانومتر وذو الطاقة الأخفض. ويوجد وراء النهاية البنفسجية للضوء المرئي الضوء فوق البنفسجي ذو الموجة الأقصر (أقل من 400 نانومتر) وذو الطاقة الأعلى.

ونعلم الآن، أن الأشعة فوق البنفسجية الأكثر طاقة تسبب (تحللاً ضوئياً) (تشطر بالضوء)، وهذا ما يؤدي الى حدوث تفاعلات كيميائية – تحطيم جزيء كلور الى ذرتين، مثلاً، كما رأينا سابقاً.

وتستطيع الأطوال الموجية الأقل طاقة، بعض الشيء، حتى 300 نانومتر، أن تلحق الضرر بالجزيئات المتضمنة في العمليات الحيوية: الجزيئات الحيوية اللازمة للحياة.

يأتي جزيء (DNA) على رأس هذه الجزيئات وهو ينظم الوراثة على المستوى الجزيئي، ويوجه عمليات اصطناع الجزيئات الحيوية الأخرى.

يعد النتروجين (N₂) والأكسجين (O₂) المكونات الرئيسة للغلاف الجوي، ويقومان بامتصاص الأطوال الموجية التي تصل حتى 250 نانومتر، وهذا يؤدي الى حماية الأرض من معظم هذا الاشعاع – لكن ليس جميعه: وهذا نالغازان شفافان بالنسبة للأشعة التي طول موجتها بين 250-300 نانومتر ولذلك يسمحان لهذا الضوء بالمرور.

ولحسن الحظ، يوجد في الجو الأعلى الستراتوسفير وما بعده مكون آخر بنسبة ضئيلة هو الأوزون (O₃).

إن طبقة الأوزون، هذه، ذات انتشارية كبيرة جداً وتمتد من ارتفاع نحو 90 كم هبوطاً الى 30 كم. (إذا ضغطت طبقة الأوزون الى الضغط الجوي عند مستوى البحر تصبح ذات ثخانة تساوي بضع سنتيمترات فقط!).

يمتص الأوزون الأطوال الموجية الواقعة بين 250 نانومتر و300 نانومتر، ويمنح بذلك، الأرض وقاية ضد هذا الاشعاع الضار يبولوجياً. وبدون هذا الدرع – الهش, وكما سنرى، السريع العطب لما كانت الحياة قد زحفت من البحر الموقى وثبتت نفسها على اليابسة.

ويجب عدم الخلط بين الاوزون الطيب الموجود في طبقات الجو العميكانيكية، وبين الأوزون الشرير الموجود في طبقة الجو المنخفضة والذي هو مكون خطير في طبقة الدخان الدكناء التي تصادف فوق المدن الصناعية (smog) فالاوزون عالي الفعالية بحيث لا يتمكن من المحافظة على تركيبه لدى الصعود من الأرض الى الستراتوسفير.

يتشكل أوزون الارتفاعات العميكانيكية بفعل الأشعة فوق البنفسجية على O₂ كما تبين من المعادلات (1) – (5).

ثم (2)، (3)، (2)، (3)، الى أن نحصل في النهاية على:

نلاحظ هنا وجود المكونات المألوفة لتفاعل الجذور الحرة المتسلسل. ففي خطوة مبادرة السلسلة يتحطم جزيء أكسجين (O₂) متحولاً الى ذرتي أكسجين (O). تقدم الطاقة اللازمة لهذا التفارق (وتمثل بـ hv) من امتصاص الأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي الأقل من 250 نانومتر. (من خلال هذا الامتصاص بقي الاكسجين (O₂) الأرض من هذه الاشعة). ثم يحدث طور انتشار السلسلة بالتالي، أي (2) و(3) يعاد الأمر مراراً وتكراراً.

يصطدم جذر أكسجين (O) مع الأنواع المتوافرة (O₂) ثم يتحد معها مشكلاً الأوزون (O₃) ونصادف هنا شيئاً لم نناقشه من قبل.

إذ تتشكل الرابطة (O-O₂) محررة طاقة ولا تتكسر هنا أي رابطة وقد نتوقع، بسذاجة أن يستمر التفاعل دون أي مشكلة إلا أن الأمور ليست بهذه البساطة. فماذا يترتب على تحرر الطاقة بنتيجة تشكل الروابط؟ إذا هي بقيت مدة طويلة في جزيء الأوزن المتشكل حديثاً فإنها سوف تحطم جزيء الأوزون الى شظاياه.

وإذا أريد لناتج مستقر أن يحصل، يجب فوراً بعد تشكل الرابطة – أن يحدث اصطدام مع جسيم ثالث أي جسيم آخر (O₂ أو N₂) يستطيع بالفعل أن يبدد الطاقة الزائدة على شكل طاقة حركية.

لا يستطيع الطاقة أن تتحول، ببساطة، الى طاقة حركية للأوزون (O₃)، لأن ذلك يخالف قانون انحفاظ العزم، فبعد التصادم مع (M)، تتحرك (O₃) و(M) متباعدتين، وتتحرك كل منهما أسرع من ذي قبل لكن وفق اتجاهات تفي بمتطلبات انحافظ العزم الاجمالي.

يتحطم الأوزون (O₃) في الخطوة (3) مؤديا الى توليد (O₂) و(O). تقدم الطاقة اللازمة من الاشعاع فوق البنفسجي – لكن ذي الطول الموجي المختلف عن المستخدم في الخطوة (1). هنا تمتص الأطوال الموجية الواقعة بين 250 نانومتر و300 نانومتر؛ وهكذا وبواسطة هذا الامتصاص، يستطيع الأوزون وقاية الأرض من هذا الاشعاع المخرب. وأخيراً، وفي أحيان كثيرة، تحدث خطوة انتهاء السلسلة مثل (4) او (5)، حيث تستهلك الجسيمات الفعالة دون أن تتولد.

وهكذا، يتحول O₂ الى أوزون في الخطوة (2)، ويتحول الأوزن الى (O₂) في الخطوة (3). إن هذا التحول البيني هو الذي يبقي تركيز الأوزن في مستوى ثابت؛ والتوازن بين (O₂) و(O₃) يحفظ درع الأوزون سليماً.

بينت الدراسات المخبرية في عام 1970 أن ذرات الكلور يمكن أن تحطم السلسلة (2)، (3) وتخفض سرعة تشكل الأوزن. وتبين بعد ذلك حالاً، وجود مصدر لذرات الكلور في الطبقة العليا من الغلاف الجوي: وهو التحلل الضوئي للمركبات (CFCs) بوساطة الضوء فوق البنفسجي والتي تحطم السلسلة المنتجة للأوزون، كما هو مبين في المعادلات من (6) – (8)، التي استخدم فيها (CF3CI) مثالاً.

تصادف هنا تفاعلاً جذرياً متسلسلاً آخر. يتشطر مركب كلوروفلورو الكربون، في خطوة المبادرة السلسلة (6)، بفعل الضوء فوق البنفسجي معطياً ذرة كلور سيصادف هذا التشطير لدى متعدد هالوجين الميثان، ثانية في الفقرة . ويتبع ذلك خطوة انتشار سلسلة. ففي (7) تهاجم ذرة الكلور الأوزون لتعطي (O₂) و(CIO). وفي (8) الأكسجين الذري (O) اللازم للخطوة (2).

إن لهذا التأثير مظهراً مألوفاً. فقد ناقشنا في الفقرة 14.2 التفاعل المثبط: فعند تحطيم السلسلة، تمنع بعض الجزيئات نسبياً تشكيل العديد من جزيئات المنتج إلا أن يستهلك المثبط بأكمله.

لكن في حالتنا هذه لا يستهلك محطم السلسلة لأن الخطوتين (7) و(8) تعيدان توليد (CI) الأصلية، التي تكون جاهزة لتحطيم سلسلة أخرى تولد الاوزون، ويعاد التوليد من جديد، وتستمر الحلقة وتعاد مراراً وتكراراً.

ويضاعف عامل تحطيم السلسلة بوساطة (CI) ويكون معامل التوليد وبالتالي الأثر الاجمالي هائلاً إذ يؤدي التحليل الضوئي لكل (CFCs) وفق الخطوة (6)، الى منع تشكل نحو 100000 من جزيئات الأوزون.

ورغم الاجماع الدولي على منع مركبات الـ CFCs، يستمر تركيزها في الازدياد، في الغلاف الجوي، ويستمر تركيز الأوزون في التناقص. يستمر ثقب الأوزون، فوق القطب الجنوبي بالنمو، وهنالك دلائل على حدوث استنزاف شديد للأوزون فوق منطقة القطب الشمالي أيضاً.

ربما يكون المفهوم الاكثر هولاً لتأثير مركبات الـ CFCs هو التأثير الزمني فهذه المركبات يرتفع تركيزها المنخفض. إن استنزاف الأوزون الذي لوحظ حتى الآن يعود الى جزء صغير فقط من المركبات CFCs الموجودة حاليا في الجو.

وحتى عندما يتوقف انتاج الـ CFCs تماماً، فإن تأثيرها الأعظمي سيستمر في المستقبل عقوداً من الزمن. إنها تنتظر فوقنا مثل قنبلة موقوتة.