ازون، دروازه‌بان حیات

بررسی‌های جامع از پدیده کاهش لایه ازون و تاثیرات آن بر محیط‌زیست، نشان‌دهنده یک مشکل جهانی حیاتی است که پیامدهای قابل‌توجهی برای سلامت انسان و اکوسیستم‌ها دارد. لایه ازون، سپری محافظ در استراتوسفر زمین، در ارتفاع تقریبی ۱۲ تا ۵۰ کیلومتری از سطح زمین قرار دارد. این لایه با جذب ۹۷ تا ۹۹ درصد از تابش‌های مضر فرابنفش خورشید، که برای حیات روی زمین خطرناک است، نقشی حیاتی ایفا می‌کند. ضخامت این لایه از نظر فصلی و جغرافیایی متفاوت است.کشف حفره ازون در دهه ۱۹۸۰، یکی از مهم‌ترین کشف‌های علمی چند دهه اخیر بود که تاثیر قابل‌توجهی بر سیستم جوی جهانی، به‌ویژه در قطب جنوب داشت.

اخیرا ناسا و اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات‌متحده (NOAA) اعلام کردند که سوراخ لایه ازون بالای جنوبگان در بزرگ‌ترین حالت خود، در رتبه‌ی هفتم کوچک‌ترین اندازه از زمان آغاز بهبود در سال ۱۹۹۲ قرار دارد. با این حال، حتی در حداکثر وسعت خود، این سوراخ از اندازه‌ی حفره‌ی کوچکتری که در سال ۲۰۱۹ مشاهده شد، کوچک‌تر است.

در سال جاری، میانگین ماهانه‌ی وسعت سوراخ لایه ازون حدود ۲۰ میلیون کیلومتر مربع بوده و در تاریخ ۲۸ سپتامبر، اندازه‌ی این سوراخ به اوج خود رسید و به ۲۲.۴ میلیون کیلومتر مربع رسید. در بدترین حالت، یعنی در سال ۲۰۰۰، سوراخ ازون ۵۰ درصد بزرگ‌تر و به شدت تخریب شده بود.

 پل نیومن، سرپرست تیم پژوهشی ازون ناسا، تاکید کرد که این بهبود تدریجی نشان‌دهنده موثر بودن تلاش‌های بین‌المللی برای محدودسازی مواد شیمیایی تخریبگر ازون است. با این حال، غلظت ازون در این ناحیه هنوز به ۱۰۷ واحد دابسون رسیده که تنها کمی بیشتر از نصف میزان آن در سال ۱۹۷۹ است و لایه ازون همچنان فاصله زیادی با بهبودی کامل دارد. پیش‌بینی می‌شود سوراخ ازون تا سال ۲۰۶۶ به‌طورکامل بسته شود و سطح ازون تا سال ۲۰۴۰ به وضعیت پیش از دهه ۱۹۸۰ بازگردد که این دستاورد به‌لطف پیمان مونترال محقق شده؛ توافقنامه‌ای که استفاده از مواد شیمیایی مضر را ممنوع کرده و نشان‌دهنده تاثیر همکاری جهانی در حل بحران‌های محیط‌زیستی است.

کاهش لایه ازون عمدتا توسط مواد مخرب ازون (ODS) که به جو منتشر می‌شود، اتفاق می‌افتد. این مواد اساسا ساخته دست بشر است و هیچ منبع طبیعی برای آنها شناسایی نشده است. موادی مانند کلروفلوئوروکربن‌ها (CFCs)، هالون‌ها، تتراکلریدکربن، هیدروکلروفلوئوروکربن‌ها (HCFCs) و متیل برومید، که در صنعت و فعالیت‌های کشاورزی استفاده می‌شود، مسئول اصلی این تخریب است. وقتی این مواد به قسمت‌های بالایی جو می‌رسد، با انرژی شدید خورشید برخورد کرده و به اجزای سازونده خود تجزیه می‌شود. کلر و برم آزادشده از این ترکیبات به‌عنوان کاتالیزور عمل کرده و به روند تخریب لایه ازون سرعت می‌بخشد. هر اتم می‌تواند هزاران مولکول ازون را از بین ببرد. تجمع اتم‌های کلر و برم در لایه‌های بالایی، به‌ویژه در مناطق قطبی، فرآیند تخریب ازون را تسریع می‌کند.

کاهش ازون یک مسئله جهانی است و تاثیرات مخربی بر سلامت انسان و اکوسیستم‌ها دارد. قرار گرفتن در معرض تابش UV به‌دلیل کاهش لایه ازون، خطرات بیولوژیکی مانند تغییر در فرآیندهای رشد، کاهش رشد و بهره‌وری گیاهان را در پی دارد. مطالعات اخیر نشان داده که ۵۰ درصد محصولات گیاهی در کشورهای اروپایی در نتیجه تابش UV به سطح زمین از دست رفته است. این تابش اثر نامطلوبی بر نرخ فتوسنتز گیاهان دارد و در نتیجه باعث کاهش تولیدات کشاورزی می‌شود. محصولات کشاورزی مانند سویا، لوبیا، نخود، کدو، هندوانه، خربزه و کلم به‌راحتی تحت‌تاثیر تابش فرابنفش قرار می‌گیرد. این تاثیرات شامل کاهش اندازه برگ، رشد و کیفیت بذر و افزایش حساسیت به علف‌های هرز، بیماری‌ها و آفات است.

تاثیرات تخریب لایه ازون بر سلامت انسان

قرار گرفتن در معرض تابش UV منجر به تشکیل لکه‌های پوستی و تضعیف سیستم ایمنی بدن می‌شود. این تابش با آسیب رساندن به سلول‌های ملانوسیت یا ایجاد آفتاب‌سوختگی به پوست آسیب می‌رساند. ملانوم بدخیم، نوعی سرطان پوست است که با قرار گرفتن در معرض تابش فرابنفش شکل می‌گیرد. مطالعات نشان می‌دهد ۱۰درصد افزایش در UV-B باعث افزایش ۱۹درصدی ملانوما در مردان و ۱۶درصدی در زنان می‌شود. تابش UV همچنین باعث لوسمی، سرطان پستان و آسیب به قرنیه و عدسی چشم می‌شود که می‌تواند منجر به آب مروارید یا حتی کوری شود. برونشیت، آسم و انسداد ریه‌ها نیز از جمله بیماری‌هایی است که در اثر قرار گرفتن انسان در معرض تابش UV ایجاد می‌شود. دانشمندان تخمین زده‌اند که هر یک درصد کاهش در ازون استراتوسفری، باعث افزایش ۲ درصدی وقوع هر یک از این سرطان‌ها خواهد شد.

تاثیرات کاهش لایه ازون بر اکوسیستم‌های دریایی

بزرگ‌ترین تاثیرات کاهش لایه ازون در اقیانوس‌ها مشاهده می‌شود. با بالا رفتن میانگین دما به‌دلیل افزایش دی‌اکسید کربن، یخ‌های قطبی شروع به ذوب شدن می‌کنند و سطح آب دریاها بالا می‌آیند. افزایش سطح آب، مانع از رسیدن نور خورشید کافی برای فتوسنتز گیاهان دریایی می‌شود و آنها را از بین می‌برد. فیتوپلانکتون‌ها که پایه و اساس شبکه‌های غذایی آبزیان هستند، به‌ویژه در برابر تابش UV-B آسیب‌پذیرند. کاهش در تولید فیتوپلانکتون‌ها، به‌دلیل تابش UV-B ناشی از کاهش لایه ازون، به‌صورت مستقیم ثابت شده است. این تابش همچنین بر مراحل رشد و نمو ماهی، میگو، خرچنگ، دوزیستان و سایر حیوانات تاثیر می‌گذارد و باعث کاهش ظرفیت تولید مثل و تخریب مراحل لاروی آنها می‌شود.

پاسخ‌های بین‌المللی و اقدامات ملی

پس از هشدارهای دانشمندان، جامعه جهانی گرد هم آمد و کنوانسیون وین را در سال ۱۹۸۵ برای حفاظت از لایه ازون تاسیس کرد. باتوجه به شواهد واضح، پروتکل مونترال در سال ۱۹۸۷ پیشنهاداتی برای کنترل موادی که تاثیر قابل‌توجهی بر کاهش لایه ازون دارد، ارائه داد. تعهدات این پروتکل شامل ممنوعیت استفاده از ترکیبات ODS و تشویق به استفاده از جایگزین‌های سازگار با محیط‌زیست است. ایران یکی از نخستین کشورهایی بود که اقدامات لازم را در راستای مفاد کنوانسیون وین و پروتکل مونترال آغاز کرد. ایران در سال ۱۹۹۰ به عضویت کنوانسیون وین و پروتکل مونترال پیوست و فعالیت‌های خود را در زمینه حفاظت از لایه ازون از سال ۱۹۹۴ با تاسیس دفتر حفاظت از لایه ازون آغاز کرد.

تهدید فعالیت‌های فضایی برای لایه ازون

حفاظت از لایه ازون با همکاری‌های بین‌المللی کمک می‌کند تا زمین قابل‌سکونت باشد و تمام جهان از این موضوع سود خواهند برد. راه‌هایی برای حفاظت از لایه ازون وجود دارد، از جمله محدود کردن استفاده از وسایل نقلیه شخصی، استفاده از مواد شیمیایی سازگار با محیط‌زیست، اجتناب از استفاده بیش از حد از سموم دفع آفات و علف‌کش‌ها، اجرای قوانین جدید، کنترل قانونی استفاده از اکسید نیتروس و استفاده از مواد کشاورزی ارگانیک. با این وجود امروز پدیده دیگری تبدیل به تهدید لایه ازون شده است.

در دهه‌های اخیر، افزایش بی‌سابقه و شتابان فعالیت‌های فضایی، به‌ویژه با ورود بازیگران خصوصی و تقاضای روزافزون برای ایجاد و جایگزینی صورت‌های ماهواره‌ای در مدار نزدیک زمین (LEO)، تهدیدی جدید و فزاینده برای بازسازی لایه ازون ایجاد کرده است. این پدیده، برخلاف آلاینده‌های صنعتی گذشته، محصولات احتراق موشک‌های فضایی را وارد استراتوسفر می‌کند که به‌طورمستقیم و غیرمستقیم به ساختار حیاتی ازون آسیب می‌رساند.

یک پژوهش علمی با عنوان «پرتاب موشک‌ها در آینده نزدیک می‌تواند بهبود لایه ازون را کند کند» که در مجله‌ای با عنوان «علوم اقلیم و جو» منشر شده است؛ به بررسی این موضوع می‌پردازد که چگونه رشد فزاینده پرتاب موشک‌ها، با انتشار موادی مانند کلر و کربن سیاه در جو، می‌تواند روند ترمیم لایه ازون را که در نتیجه پیمان مونترال آغاز شده است، به‌تاخیر بیندازد.

بر اساس این پژوهش علمی، پیشرانه‌های موشکی، ترکیبات متنوعی از گازها و ذرات را در طول پرتاب به جو منتشر می‌کند. این آلاینده‌ها شامل دی‌اکسیدکربن‌، بخار آب،‌ آلومینا، کربن سیاه و گونه‌های حاوی کلر و اکسیدهای نیتروژن (NOx‌) است. این مواد در ارتفاعات مختلف، به‌ویژه در استراتوسفر، جایی که لایه ازون قرار دارد، رها می‌شود. هر یک از این ترکیبات به شیوه‌ای خاص به تخریب ازون یا کند کردن فرآیند بازیابی آن کمک می‌کند.

یکی از مهم‌ترین عوامل تخریب ازون، کلر است که از پیشرانه‌های موشک‌های سوخت جامد (SRMs) منتشر می‌شود. این کلر پس از ورود به استراتوسفر، به‌سرعت وارد واکنش‌های شیمیایی زنجیره‌ای و منجر به تخریب مولکول‌های ازون می‌شود. این تاثیر به‌ویژه در مناطق قطبی، که شرایط دمایی و گرداب‌های جوی، واکنش‌های شیمیایی را تسریع می‌کنند، بسیار محسوس است. نکته‌ای که اهمیت این پدیده را دوچندان می‌کند، این است که حتی اگر پرتاب‌های موشکی عمدتا در نیمکره شمالی انجام گیرد، تاثیرات کلر از طریق گردش جوی برور-دابسون به نیم‌کره جنوبی نیز منتقل می‌شود. گردش جوی برور-دابسون باعث انتقال مواد از استوا به مناطق قطبی می‌شود و به‌همین‌دلیل، کاهش ازون بر فراز قطب جنوب، که از قبل نیز با آسیب‌های جدی مواجه بود، تشدید می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد که انتقال کلر از طریق این شاخه گردش جوی به‌قدری عمیق است که شیب عرض جغرافیایی کلر در نیم‌کره جنوبی تندتر از نیم‌کره شمالی است و این امر به کاهش کارآیی اختلاط جانبی توده‌های هوای استوایی و قطبی منجر می‌شود.

کربن سیاه، محصول دیگری که تقریبا از تمامی پیشرانه‌ها منتشر می‌شود نیز، نقشی دوگانه و مخرب ایفا می‌کند. این ذرات میکروسکوپی در استراتوسفر باقی مانده‌اند و با جذب تابش خورشید، باعث گرم شدن لایه‌های بالایی جو می‌شوند. این گرمایش، به‌نوبه خود، دینامیک جو را تغییر داده و نرخ تخریب ازون را از طریق واکنش‌های شیمیایی مرتبط با اکسیدهای نیتروژن و اکسیدهای هیدروژن افزایش می‌دهد. تاثیرات کربن سیاه به‌ویژه در فصل تابستان نیم‌کره شمالی، زمانی که تابش خورشیدی به حداکثر می‌رسد، به اوج خود می‌رسد و به‌شدت به لایه ازون فشار می‌آورد.

سناریوهای آینده و پیش‌بینی‌های علمی

برای درک بهتر تاثیرات احتمالی این پدیده، دانشمندان دو سناریوی کلیدی را مدل‌سازی کرده‌اند که نرخ رشد صنعت پرتاب موشک را تا سال ۲۰۳۰ پیش‌بینی می‌کنند. سناریوی اول، یک مدل «محتاطانه» با ۸۸۴ پرتاب در سال است. در این سناریو، پیش‌بینی می‌شود که میانگین سالانه ازون در سطح جهانی تا ۰.۱۷ درصد کاهش یابد. سناریوی دوم، یک مدل «جاه‌طلبانه» با ۲۰۴۰ پرتاب در سال است که در آن، کاهش میانگین ازون جهانی به ۰.۲۹ درصد می‌رسد. این کاهش‌ها، هرچند ممکن است در نگاه اول کوچک به‌نظر برسند، از نظر آماری بسیار معنی‌دار هستند و می‌توانند روند بهبود لایه ازون را که به‌سختی پس از اجرای پروتکل مونترال آغاز شده، به‌تاخیر اندازوند. در این سناریوها، کاهش ازون به‌ویژه در لایه‌های بالایی استراتوسفر چشمگیرتر است، به‌طوری‌که در برخی مناطق، کاهش ازون تا ۳ درصد نیز پیش‌بینی شده است. علاوه بر این، مدل‌سازی‌ها نشان می‌دهد که در سناریوی جاه‌طلبانه، از دست دادن ازون در فصل بهار در قطب جنوب، به‌دلیل افزایش واکنش‌های ازون‌سوز ناشی از کلر، تا ۳.۹ درصد نیز افزایش خواهد یافت. این ارقام نشان‌دهنده یک تهدید واقعی و قابل‌اندازه‌گیری است که می‌تواند دستاوردهای چندین دهه گذشته را در معرض خطر قرار دهد.

تفاوت پرتاب موشک با رویدادهای طبیعی

ممکن است این سوال پیش بیاید که آیا تاثیرات پرتاب موشک‌ها با رویدادهای طبیعی بزرگ مانند آتش‌سوزی‌های گسترده جنگل‌ها قابل‌مقایسه است؟ برای پاسخ به این سوال، می‌توان به آتش‌سوزی‌های جنگل‌های استرالیا در سال‌های ۲۰۱۹ و ۲۰۲۰ اشاره کرد که منجر به کاهش ۳ تا ۵ درصدی ازون در عرض‌های جغرافیایی میانه جنوبی شد. این آتش‌سوزی‌ها مقادیر عظیمی از بخار آب و دود را وارد استراتوسفر کرد که به واکنش‌های تخریب‌کننده ازون کمک کرد. تفاوت کلیدی در اینجا است که رویدادهایی مانند آتش‌سوزی‌های بزرگ، مقطعی و موقت است و پس از چند ماه، ازون به سطح قبلی خود باز می‌گردد. در مقابل، پرتاب‌های موشکی یک منبع پایدار و مداوم از آلاینده‌های مخرب ازون در استراتوسفر ایجاد می‌کند. با رشد پیش‌بینی‌شده در صنعت فضایی، این منابع آلاینده نه‌تنها قطع نمی‌شود، بلکه به‌طورفزاینده‌ای افزایش می‌یابند و به‌صورت‌پیوسته بر روند بازیابی لایه ازون فشار می‌آورند.

آینده‌ای پایدار در فضا و روی زمین

نتایج تحقیقات این پژوهش، زنگ خطری جدی برای جامعه جهانی است. سازمان‌های بین‌المللی مانند سازمان جهانی هواشناسی/برنامه محیط‌زیست سازمان ملل متحد (WMO/UNEP) نگرانی‌هایی را درباره تاثیر پرتاب‌های موشک‌های غیرنظامی در قرن ۲۱ بر ازون استراتوسفری مطرح کرده‌اند. با این حال، هنوز شکاف‌های دانشی قابل‌توجهی در این زمینه وجود دارد و تحقیقات بیشتری برای درک کامل این موضوع در حال ظهور ضروری است.

سخن پایانی

برای تضمین آینده‌ای پایدار و حفاظت از لایه ازون، اقدامات فوری لازم است. صنعت هوافضا باید به‌طورجدی به‌دنبال کاهش انتشار مواد مخرب، به‌ویژه کلر و کربن سیاه، باشد. توسعه استراتژی‌هایی برای اندازه‌گیری و کاهش این انتشارات در مراحل طراحی و آزمایش موشک‌ها، از جمله اقدامات حیاتی است. همچنین، شفافیت و ارائه داده‌های دقیق انتشار به جامعه علمی می‌تواند به مدل‌سازی دقیق‌تر و توسعه راهکارهای موثر کمک کند. اجتناب از رشد پرتاب موشک‌های سوخت جامد (SRMs) در سطوحی که در سناریوهای مدل‌سازی‌شده نشان داده شده، از جمله اقدامات حیاتی برای حمایت از حفاظت از لایه ازون است. به‌طورخلاصه، رشد صنعت فضایی و حفاظت از لایه ازون باید به‌گونه‌ای با هم پیش روند که به‌طورمتقابل پایدار باشند تا دستاوردهای گذشته برای نسل‌های آینده حفظ شوند.