همه چیز درباره مبرد‌ها (گذشته، حال و آینده)

مقدمه

خانواده گاز های کلروفلوئوروکربن یا مبرد های CFC بیش از 50 سال است که در صنعت تهویه مطبوع و تبرید جهان نقشی اساسی و مهم ایفا می کنند. اما یکی از مهم ترین ویژگی های فیزیکی آنها یعنی پایداری و ماندگاری زیاد مشکلاتی را برای محیط زیست بشر و به طور خاص لایه محافظت کننده ازن در جو کره زمین ایجاد نموده است و به همین دلیل جوامع بین المللی تصمیماتی را در زمینه محدودسازی و ممنوعیت استفاده از آنها اتخاذ کرده اند.

نقش ازن در جو

ازن گازی است که در لایه های استراتوسفر و تروپوسفر جو کره زمین یافت می شود. ازن نوع خاصی از مولکول اکسیژن است که به جای دو اتم حاوی سه اتم اکسیژن می باشد. ازن موجود در لایه استراتوسفر مفید تلقی می گردد چون کره زمین را از تابش های مضر و خطرناک ماوراءبنفش محافظت میکند. این ساختار سه اتمی موجب جذب تابش های خطرناک ماوراءبنفش خورشید در لایه استراتوسفر میشود. اما ازن موجود در لایه تروپوسفر جو کره زمین به هیچ وجه مفید نیست بلکه نامطلوب بوده و یک آلاینده تلقی میگردد. ازن مفید که در لایه استراتوسفر قرار دارد بین هفت تا سی کیلومتر از سطح زمین فاصله داشته و تقریبا 90 درصد کل ازن موجود در کره زمین را تشکیل میدهد اما متاسفانه این گاز بر اثر مواد شیمیایی ساخت بشر که حاوی کلر هستند در حال لز بین رفتن است. ازن تروپوسفری یا ازن نامطلوب از سطح زمین تا ارتفاع هفت کیلومتری یافت میشود و حدود 10 درصد از کل ازن کره زمین را تشکیل میدهد. لایه تروپوسفر تقریبا 90 درصد کل جو در برگیرنده اطراف زمین را تشکیل داده و کاملا از شرایط آب و هوایی متاثر است. ازن لایه تروپوسفر بر اثر واکنش های بین هیدروکربن ها و اکسید های نیتروژن در مجاورت نور خورشید ایجاد شده و رنگی آبی گونه دارد. تنفس این گاز حساسیت های مخاطی در انسان ایجاد میکند.

عبارت مصطلح تری که برای ازن تروپوسفری به کار برده میشود مه دود است. ازن تروپسفری یکی از عوامل اصلی تشدید کننده اثر گاخانه ای یا پدید گرم شدن کره زمین است.

برای اینکه ساز و کار تخریب ازن مفید جو ککره زمین یا ازن استراتوسفری را بررسی نماییم ابتدا لازم است که ارتفاع مختلف تابش های ماوراءبنفش ساطع شونده از خورشید را معرفی کنیم.

انواع تابش های خورشید

خورشید سه نوع تابش ماوراءبنفش به سوی کره زمین ساطع میکند که UV-A، UV-B، UV-C

تابش ماوراءبنفش UV-A هیچ خبری برای حیات در زمین نداشته و از لحاظ بیولوژیکی خنثی است. این تابش توسط ازن استراتوسفری جذب نمیگردد.

تابش های ماوراءبنفش UV-B از لحاظ بیولوژیکی فعال بوده و توسط مولکول های ازن استراتوسفری جذب میشوند. این تابش بر گونه های حیات اثر منفی و مخربی دارد.

طول موج های تابش های ماوراءبنفشUV-B بین 280 تا 320 مانومتر هستند. تابش های ماوراءبنفش UV-C هرگز به زمین نمیرسند. در هنگام ظهر روز های عادی و در آسمانی بدون ابر حدود نیم درصد از کل انرژی که از خورشید به زمین میرسد توسط تابش های UV-B ایجاد میشود. تابش های بیش از حد ماوراءبنفش میتوانند باعث تیرگی عدسی چشم شده و در صورت عدم مداوا منجر به از بین رفتن بینایی شوند. علاوه بر این تابش های ماوراءبنفش سبب سرطان پوست و کاهش ایمنی بدن انسان میشود.

تابش های UV-B جزو خطرناک ترین تابش های ماوراءبنفش بوده و حتی تا چندین متر در زیر سطح اقیانوس ها نفوذ میکنند.

بنابراین مشخص میشود که وجود لایه ازن در استراتوسفر تا چه در برای بقای گونه های مختلف حیات در کره زمین و از جمله انسان ها ضروری است.

تخریب ازن

حال که انواع مختلف تابش های ماوراءبنفش خورشیدمعرفی شدند به بررسی مکانیسم و سازوکار تخریب ازن استراتوسفری می پردازیم. مولکول های اکسیژن در طی میلیون ها سال از طریق فرآیند فتوسنتز که در اقیانوس ها و سطح کره زمین صورت میگیرد تولید شده اند. مولکول های اکسیژن در حین حرکت خود به سمت لایه استراتوسفر جو در معرض تابش های ماوراءبنفش خورشید قرار گرفته و به صورت اتم های آزاد اکسیژنشکسته میشوند.

اتم های آزاد اکسیژن بسیار ناپایدار بوده و با اتم ها یا مولکول های دیگر پیوند تشکیل می دهند. برخی از این اتم های آزاد با مولکول های اکسیژن پیوند داده و ازن تولید میکنند. همین ازن در لایه استراتوسفر ما را از خطرات تابش های ماوراءبنفش UV-B خورشید مصون نگه میدارد. اما ازن پس از تشکیل به آسانی توسط تابش های ماوراءبنفش خورشید از بین میرود. تابش های خورشید مولکول ازن را به مولکول دو اتمی اکسیژن و اتم آذاد اکسیژن تجزیه میکنند.

ازن در لایه استراتوسفر دائما در حال تولید و تجزیه است و این فرایند تعادل گرا میلیون ها سال است که در جریان می باشد اما مواد شیمیایی ساخت بشر مانند گروه CFC ها و HCFC ها که حاوی کلر هستند در چند دهه اخیر این فرایند به غایت ظرفیت را از تعادل خارج ساخته اند.

فوران های آتشفشانی و سایر مواد شیمیایی ساخت بشر نیز حاوی کلر هستند اما دخالت آنها بر روند تخریب ازن به هیچ وجه با شدت تخریب ناشی از CFC ها و یا HCFC ها قابل مقایسه نیست.

نتیجه این است که ازن با سرعتی بیشتر از آنچه تولید و تجدید میگردد در حال نابودی است و تابش های ماوراءبنفش UV-B هر روز پیش از پیش به لایه های کم ارتفاع تر جو کره زمین نفوذ کرده و انسان ها و سایر موجودات را در معرض خطر قرار میدهند.

مولکول های مواد CFC و برخی HCFC ها که در لایه تروپوسفر آزاد میشوند همراه با باد های تروپسفری به لایه استراتوسفر میرسند.

مولکول های مواد CFC پایداری بسیار زیادی دارند و شاید تا بیش از 100 سال عمر کنند. واقعیت این است که حتی اگر تولید و استفاده از مبردهای CFC همین امروز خاتمه یابد اثرات مضر آنها بر لایه ازن تا سال 2050میلادی و یا حتی پس از آن ادامه خواهند داشت. مولکول های مواد HCFC به لایه استراتوسفر می رسند توسط تابش های ماوراءبنفش تجزیه شده و اتم کلر از آنها جدا میگردد. این اتم های آزاد کلر به شدت ناپایدار بوده و به سرعت با مولکول های دیگر پیوند تشکیل میدهند. اتم آزاد کلر به محض برخورد با مولکول ازن آن را به اکسیژن دو اتمی یا مولکول عادی اکسیژن و مونوکسیدکلر تجزیه میکند.

در حین این فرآیند ازن مفید استراتوسفری از بین میرد. مولکول های عادی دو اتمی اکسیژن پایدار بوده و میلی به ترکیب و واکنش دادن با سایر اتم ها و مولکول ها ندارند اما اتم های آزاد اکسیژن بسیار ناپایدارند و با اتم های ناپایدار کلر تشکیل پیوند میدهند.

همانطور که عنوان شد دو مولکول مونوکسید کلر و اکسیژن دو اتمی در نتیجه شکست ازن ایجاد میشوند. در ادامه تابش های ماوراءبنفش خورشید اکسیژن دو اتمی را به اتم های تکی و ناپایدار اکسیژن تجزیه میکنند و اتم های اکسیژن در لایه استراتوسفر در پی مولکول یا اتمی خواهند گشت که با آن ترکیب شوند.

این اتم ها به محض برخورد با مولکول مونوکسیدکلر با آن ترکیب شده در ضمن جدا ساختن یک اتم آزاد کلر از آن یک اتم آزاد اکسیژن ایجاد کرده و با آن تشکیل مولکول پایدار اکسیژن دو اتمی را میدهند که دیگر میل به واکنش با سایر اتم ها و مولکول ها ندارد.

علت بروز این واکنش آن است که مولکول دو اتمی اکسیژن به نسبت مونوکسیدکلر از پایداری بسیار بیشتری برخوردار است. حال اتم آزاد کلر در لایه استراتوسفر به دنبال مولکول های ازن خواهد بود تا به آنها حمله ور شده و آنها را تجزیه نماید و این تکرار مجدد در واقع چرخه تخریب لایه ازن است.

اتم کلر معمولا در این واکنش های تخریب کننده ازن نقش یک کاتالیزور را ایفا میکند. اتم کلر وارد واکنش شده و سر آخر بدون هیچگونه تغییری از آن بیرون آمده و مجددا فرآیند را تکرار مینماید. دانشمندان معتقدند که تنها یک اتم کلر قادر است تا یک میلیون مولکول ازن را طی فرآیند های فوق از بین ببرد و به همین دلیل کلر در تخریب ازن در جو بالای قطب جنوب روی میدهد چون گردبادهای هوای قطبی یا توده های چرخان هوا در طول زمان گاز های CFC را از فضای گشور های صنعتی جهان جمع آوری نموده اند. این گردبادهای منطقه ای جو قطب جنوب کره زمین را به نوعی از سایر نقاط جهان جدا ساخته اند.

قطب جنوب هوای بسیار سردی دارد و حتی در شرایطی که رطوبت پایین است ابرهای کوچکی از کریستال های یخ در استراتوسفر آن تشکیل میشوند. هنگامی که تابش های ماورائبنفش مولکول های CFC را تجزیه میکنند مونوکسیدکلر و سایر انواع غیرآلی کلر به داخل این کریستال های یخ راه می یابند.

با فرا رسیدن بهار نورخورشید یخ ها را ذوب کرده و مونوکسید کلر و سایر ترکیبات کلر آزاد میشوند و در مقیاسی غیرقابل تصور به تخریب ازن میپردازند. این حجم خطرناک از هوا همراه با بادهایی که در لایه استراتوسفر جریان دارند به بخش های سالم استراتوسفر که از ازن غنی هستند رسیده و در آنجا نیز موجب تخریب ازن میشوند و این همان مسئله ای است که اینک ابعادی جهانی پیدا کرده است.

اطلاعات منتشر شده از سوی آژانس ملی فضایی آمریکا حاکی از آن است که لایه ازن پوشش دهنده بخش های شمالی آمریکا اروپا روسیه و کانادا در بهار برخی از سال ها تا 35 درصد تخریب میشود. مقیاسی تحت عنوان OPD یا پتانسیل تخریب لایه ازن توسط سازمان ملل به منظور اعمال روال های محدودسازی تحت برنامه محیط زیستی پروتکل مونرال تعریف شده است. OPD هر ماده بیانگر توان و قدرت آن برای تخریب مولکول های ازن است.

پدیده گلخانه ای

گرم شدن کره زمین یا پدیده گلخانه ای با ازن تفاوت های بنیادین دارد. گرم شدن کره زمین معرف پدیده های فیزیکی خاصی است که به گرم شدن کلی جو کره زمین منتهی میشود. اما با این که تخریب لایه ازن و گرم شدن جو کره زمین دو موضوع کاملا مجزا هستند عامل ایجاد و یا تشدید کننده آنها همان گازها و مبردهای شیمیایی ساخته شده توسط انسان میباشند. میدانیم که بخش اعظم انرژی خورشید به صورت تابش ها و انوار مرئی به زمین میرسد. قسمتی از این انرژی پس از عبور از لایه های جو توسط سطح زمین جذب شده و به گرما تبدیل میشود. در این حالت زمین گرم شده و توسط خورشید انرژی گرمایی دریافتی را در جو و به سمت فضا بازپس میتابند.

گاز های طبیعی و آلاینده های سطوح پایین جو مانند CFCها وHCFC ها HFC ها دی اکسیدکربن، مونوکسیدکربن، بخارات آب و سایر مواد شیمیایی موجب جذب، بازتابش و یا متفرق ساختن تابش های حرارتی یا مادون قرمز زمین شده و اجازه نمیدهند این گرما از لایه های پایین جو فرار کند. این فرآیند سرعت بازپس دادن گرما توسط سطح کرده زمین را آهسته ساخته و فضای آن را گرم تر میکند. سطح گرم تر زمین در این حالت تابش های حرارتی بیشتری از خود ساطع میکند تا تعادلی بین انرژی ورودی و خروجی ایجاد نماید. این فرآیند تولید و تشدید گرما که بر اثر جذب انرژی حرارتی تابش شده از زمین توسط گاز های موجود در جو ایجاد میشود پدیده گلخانه ای یا گرم شدن کره زمین نام دارد.

منبع: مجله صنعت تاسیسات شماره 57

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره کارگاه عملی ساختمان، تعمیر عیب‌یابی چیلر‌های تراکمی شرکت کنید.