كيف يتكون غاز الأوزون في طبقات الغلاف الجوي؟

الخلاصة السريعة

يتكون الأوزون في الستراتوسفير عندما تفكك الأشعة فوق البنفسجية جزيئات الأكسجين، ثم تتحد ذرة أكسجين مع جزيء O2. قرب الأرض تسهم تفاعلات أكاسيد النيتروجين والمركبات العضوية المتطايرة بوجود الشمس في تكوّنه. ^{[5] [3]}

• صيغة الأوزون O3 في الطبقتين؛ الذي يختلف هو طريق التكوّن وأثر وجوده. ^[2]
• التفاعل O + O2 + M → O3 + M يحتاج جسمًا ثالثًا M لاستقرار الناتج؛ لا يُستهلك M في المعادلة. ^[1]
• الأوزون الأرضي ملوث ثانوي يتشكل من تفاعلات في الهواء، وليس انبعاثًا مباشرًا معتادًا من عادم السيارة. ^[2]
• انشطار NO2 بالضوء ثم تفاعل NO مع O3 يشكل دورة لا تعطي وحدها تراكمًا صافيًا للأوزون. ^[3]
• كمية الأوزون تتأثر بتوازن الإنتاج والفقد والنقل الجوي، فلا تنمو لمجرد استمرار الشمس. ^[4]

تكوين الأوزون في الستراتوسفير

يبدأ المسار بتفاعل O2 + ضوء فوق بنفسجي → 2O. كل ذرة ناتجة يمكن أن ترتبط بجزيء أكسجين ثنائي، فتتكون وحدة من الأوزون. الرمز O يمثل ذرة منفردة، بينما O2 و O3 يمثلان جزيئين مختلفين. ^[5]

في خطوة الارتباط يوجد جسيم ثالث يحمل الرمز M، وقد يكون جزيئًا من الهواء. يساعد التصادم معه على انتقال الطاقة اللازمة لاستقرار O3، ويظهر في جانبي المعادلة. الرسم مبسط لمسار التكوين، وليس وصفًا لكل تفاعلات الغلاف الجوي. ^[1]

لماذا يتكون الأوزون قرب الأرض؟

تطلق مصادر مثل المركبات والمنشآت الصناعية مواد أولية تشارك في تفاعلات الهواء. تدخل أكاسيد النيتروجين NOx والمركبات العضوية المتطايرة VOCs في شبكة تفاعلات تبدأها أشعة الشمس؛ لذلك يختلف الغاز الناتج عن الملوث الذي خرج مباشرة من المصدر. ^[2]

يمكن تلخيص إحدى الدورات في ثلاث خطوات: NO2 + ضوء → NO + O، ثم ارتباط O بالأكسجين، ثم NO + O3 → NO2 + O2. يعود NO2 في النهاية، ويُستهلك الأوزون الذي تكون؛ لذا لا تكفي هذه الدورة وحدها لتفسير تراكمه. ^[3]

تسهم تفاعلات أخرى مرتبطة بالمواد العضوية في تغيير هذا التوازن. تكثر حالات الارتفاع في أيام مشمسة حارة، لكنها قد تقع في أشهر أبرد أيضًا، ويمكن للرياح نقل الأوزون إلى مناطق بعيدة عن مصدر مواده الأولية. الحرارة وحدها ليست مادة تفاعل تصنع O3. ^{[2] [3]}

كيف يستمر التكوين مع التفكك؟

يمكن للضوء أن يفكك O3 إلى O2 و O، وتوجد كذلك مسارات كيميائية أخرى تفقد الأوزون. تنشأ الكمية الموجودة من منافسة هذه المسارات للإنتاج، مع انتقال الهواء واختلاطه. ليست «طبقة الأوزون» مخزونًا ثابتًا من جزيئات لا تتبدل. ^{[1] [4]}

في الأعلى يمتص الأوزون جزءًا من الأشعة فوق البنفسجية الضارة؛ أما قرب سطح الأرض فهو ملوث يؤثر في الهواء والأنظمة البيئية. تسمية الأوزون «نافعًا» أو «ضارًا» مرتبطة بموقعه، ولا تعني أن O3 أصبح مادة ذات صيغة أخرى. ^[2]

للقراءة المتصلة بهذا الموضوع: تأثير تلوث الهواء على النباتات: الأوزون والأوراق.