علي مختاري

 اشاره

اين مطالعه به منظور بررسي گمانه هايي همچون، تاثير کارخانجات توليد يد استان گلستان بر روي ميزان نزولات جوي بويژه باران تهيه شده است. طي چند سال اخير تحقيقات پيشرفته اي در سازمان اروپايي تحقيقات هسته‌اي (CERN) براي تعيين مکانيسم تشکيل و تراکم ابرها تحت عنوان پروژه CLOUD انجام شده است. در اين تحقيقات يد به عنوان يک عامل مهم در فرايند تشکيل و تراکم ابر معرفي شده است.

نحوه تشکيل قطرات مايع در جو

معمولا به بسياري از ما فقط درک ساده اي از فرآيند تشکيل ابر آموزش داده شده است. به عنوان مثال گفته مي‌شود که ابرها زماني تشکيل مي‌شوند که بخار آب به قطرات آب مايع تبديل مي‌شود. اما در واقع اين فرآيند کمي پيچيده‌تر است. براي ايجاد قطرات آب در جو، بخار آب بايد بر روي يک سري ذرات ريز به نام آئروسل (هر ذره ريز جامد يا مايع معلق در هوا است) متراکم شود. يعني بخار آب براي تبديل شدن به مايع نياز به يک ذره با اندازه مناسب دارد. به اين ذرات ريز، بذرهاي تراکم ابر

(CCN: Cloud Condensation Nuclei) گفته مي شود. ذرات آئروسل يا بايد در آب محلول باشند (مانند ذرات نمک)، يا قطر آنها به اندازه کافي بزرگ باشد (شعاع بزرگتر از 100 نانومتر) و سطح خيس‌شونده‌اي داشته باشند يعني آب‌دوست باشند.

براي تشکيل يک قطره آب باران، آئروسل جامد به عنوان يک محل براي تراکم يا همان ميعان ذرات بخار آب عمل مي‌کند. در بارورسازي ابرها نيز ذرات کوچکي (از جنس يديد نقره) به جو اضافه مي‌شوند تا تشکيل ابر و بارش را القا کنند. اين کار از طريق پراکنده کردن املاح نقره يديد در جو با استفاده از روش‌هاي هوايي يا زميني انجام مي شود. آئروسل‌ها به طور طبيعي از گرد و غبار، دوده، کريستال‌هاي نمک يا مولکول‌هاي آزاد شده توسط گياهان تشکيل مي‌شوند. اما مولکول‌هاي اسيد سولفوريک و آمونياک نيز مي‌توانند در جو تجمع يافته و ذرات آئروسل را تشکيل دهند. محاسبات و مدلسازي‌ها نشان مي‌دهد که بيش از نيمي از قطرات ابر از ذرات آئروسل تشکيل شده‌اند که در اتمسفر تشکيل شده‌اند. اين نکته را نيز بايد اضافه نمود که براي تشکيل ابرها، اينکه ذرات آئروسل از چه چيزي ساخته شده‌اند، تعيين‌کننده نيست؛ آنچه بيش از همه اهميت دارد اندازه آنهاست. ذرات آئروسل نهايتا به اندازه اي حدود 100 نانومتر و بالاتر تبديل مي شوند که بذرها يا هسته‌هاي تراکم قطرات ابر (CCN) خواهند بود.

در طبيعت ذرات CCN مي‌توانند از به هم پيوستن مولکولهاي گازهاي آلاينده يا اکسايش آنها در حضور نور خورشيد توليد شوند. تراکم گازهاي آلاينده در هوا و چسبيدن آنها به هم (انعقاد) باعث مي‌شود که آئروسل‌ها به سرعت، به اندازه 10 تا 1000 نانومتر رشد کنند که براي تراکم بخار آب لازم است. بر فراز اقيانوس‌ها، هسته هاي تراکم ابر (CCN) مي‌تواند از جنس ترکيبات گوگردي مانند سولفات و اسيد سولفوريک باشند که از گازهايي مانند دي متيل سولفيد و متان سولفونيک اسيد توليد شده توسط فيتوپلانکتون‌ها آزاد شده‌اند.

علاوه بر گوگرد محققان اکنون عنصر ديگري را مرتبط با جلبک‌هاي دريايي شناسايي کرده‌اند که واکنش‌هاي پيوسته‌اي را در جو دريا نشان مي‌دهد. در اين تحقيقات يد به عنوان ماده‌اي که بسيار مستعد تشکيل ذرات آئروسل است، معرفي شده است. اين ذرات مي‌توانند به مرور زمان به ذرات بزرگتري تبديل شوند و به عنوان هسته‌هاي تراکم ابر عمل کنند و در نتيجه بر تشکيل ابر و بارش تأثير مثبت بگذارند. خوب است بدانيد که همه موجودات زنده مقداري عنصر يد در خود دارند. به عنوان مثال، در انسان، يد باعث ايجاد هورمون‌هايي مي شود که متابوليسم بدن را کنترل مي‌کنند و از رشد استخوان و مغز در دوران بارداري پشتيباني مي‌کنند. پس از حادثه چرنوبيل در سال 1986، قرص‌هاي يديد پتاسيم بين مردم توزيع شد تا شايد بتوانند اثرات منفي تشعشعات بر سلامتي را کنترل کنند.  با اينکه يد صدها سال است که در محلول‌هاي آبي شناخته شده است، دانشمندان تنها از دو دهه قبل شروع به بررسي چگونگي تأثير يد بر رفتار جو زمين نموده اند. مطالعات جديد، واکنشهايي را نشان مي‌دهند که در آنها يد به يک ترکيب شيميايي به نام اسيد يديک تبديل مي‌گردد، و اين ترکيب نقش کاتاليزوري در تشکيل ذرات جوي (آئروسل) دارد. در حال حاضر ثابت شده است که، يد تنها عنصري است که پس از آزاد شدن از سطح زمين، جو را ترک نمي‌کند، و مي‌تواند از طريق واکنش‌هاي اکسايش-کاهش در حالي که هنوز به صورت ذره جامد است، مجددا به فاز گازي بازگردد. اين بدان معناست که يد مي‌تواند به عنوان يک کاتاليزور مهم در تشکيل ابرها عمل کند.

در حالي که اسيد سولفوريک، متان سولفونيک اسيد و اسيد نيتريک همگي براي تشکيل ذرات آئروسل به آمونياک يا دي متيل آمين نياز دارند، يد مي تواند با اکسايش مولکول‌هاي آلي فراوان موجود در جو، ذرات آئروسل را تشکيل دهد. سرعت هسته‌زايي اسيد يديک (HIO3) از اسيد سولفوريک نيز بيشتر است. سطح اسيد سولفوريک در جو به دليل افزايش کنترل آلودگي در حال کاهش است، در حالي که انتشار يد از دهه 1950 سه برابر شده و به دلايل زيادي از جمله افزايش غلظت ازن در هوا و نازک شدن يخ‌هاي قطب شمال همچنان در حال افزايش است.

يافته هاي جديد درباره تاثير مثبت يد بر تراکم ابرها و افزايش بارش

طي سال هاي اخير، يک پروژه تحت عنوان Cosmics Leaving Outdoor Droplets (CLOUD) توسط يک کنسرسيوم بين‌المللي متشکل از 21 موسسه در مرکز شتاب‌دهنده ذرات CERN در ژنو، در حال انجام است. در اين پروژه، چگونگي تشکيل ذرات آئروسل از بخارات حاوي يد و ادامه رشد آنها به دانه‌هاي ميعان (قطرات باران) بررسي مي شود. بدين ترتيب تحقيقات CLOUD باعث ايجاد يک درک جديد از تشکيل ابرها و ذرات معلق بويژه در مناطق اقيانوسي و قطب ها شده است. محفظه اندازه‌گيري CLOUD با دانش موجود در CERN ساخته شده است و يکي از تميزترين اتاق‌هاي آزمايشگاهي در جهان است. تيم CLOUD از ابزارهاي اندازه‌گيري مختلفي براي بررسي فيزيکي و شيميايي ذرات و گازهايي که جو را تشکيل مي‌دهند، استفاده مي‌کند. در اين محل آنها نحوه تشکيل و تکامل ذرات را آزمايش نموده و سپس يافته‌هاي خود را در رصدخانه Maido در جزيره رئونيون، جزيره‌اي دورافتاده در شرق ماداگاسکار، نيز آزمايش کردند. در اين جزيره، اعضاي تيم 10 هفته براي توصيف مولکول‌هاي مختلف در جزيره با استفاده از انواع ابزارهاي علمي وقت صرف نمودند. در نهايت، آنها به اين نتيجه رسيدند که داده‌هاي دنياي واقعي با نتايج آزمايشگاهي آنها مطابقت دارد.

در پژوهشي که توسط تيم CLOUD در سال 2022 منتشر شد، دو مکانيسم شيميايي براي تاثير يد بر تشکيل ابر کشف شد. در يک مکانيسم يد بدون کمک اسيد سولفوريک ذرات آئروسل را تشکيل مي‌دهد. در اين مکانيسم شواهدي ارائه شده است که نشان مي‌دهد فيتوپلانکتون‌هاي دريايي، يدات موجود در اقيانوس‌ها را به يديد تبديل مي‌کنند، احتمالاً به اين دليل که بتوانند از اين يديد به عنوان يک آنتي‌اکسيدان معدني ساده براي محافظت از ديواره‌هاي سلولي خود استفاده کنند. يديد موجود در سطح آب نيز با ازن جوي واکنش مي‌دهد و يد مولکولي يا ترکيبات آلي فرار يد دار (I2, HOI, VOI) توليد مي‌کند که از سطح دريا به جو آزاد مي‌شوند، سپس اين ترکيبات فتوليز شده و اکسيد مي‌شوند تا اکسيدهاي يد (IxOy) يا اکسواسيدهاي يد (HIO3 و HIO2) را تشکيل دهند. تبديل يد مولکولي به اسيدهاي حاوي يد بسيار راحت انجام مي‌شود و حتي به تابش فرابنفش و يا نور روز هم نيازي ندارد؛ به اين ترتيب، مقادير بسيار زيادي آئروسل مي‌توانند خيلي سريع تشکيل شوند. ذرات ريز تشکيل شده از  اکسيد و اکسواسيد يد، مکاني مناسب را براي تجمع سريع ترکيبات آلي غير فرار فراهم مي‌کنند. در اين مکان ها، ترکيبات آلي فرار C1-C5 توليد شده توسط فيتوپلانکتونها، اکسيد شده و الکل‌هاي پلي‌هيدريک يا کربونيل‌هاي چند عاملي، اسيدهاي آلي با فراريت کم و نمک‌هاي آلکيل‌آمينيوم بسيار جاذب رطوبت را تشکيل مي‌دهند. تجمع اين مولکول‌هاي غير فرار باعث رشد اوليه ذرات اکسيدي و اکسواسيدي يد و افزايش اندازه آنها تا 1000 نانومتر مي‌گردد که همان ذرات CCN هستند و براي تراکم (ميعان) بخار آب و بارش نياز هستند. بخش قابل توجهي از يد مرتبط با اين ذرات در حال رشد، دوباره به فاز گازي بازيافت مي‌شود و به عنوان يک «کاتاليزور» براي هسته‌زايي و متعاقباً توليد ذرات جديد در جو دريا عمل مي‌کند.

در تحقيقي ديگر در همين ارتباط، مشاهدات ميداني اين تيم نقش پررنگ HIO3 را بر هسته زايي و تشکيل ذرات CCN ثابت نمود. تاکنون HIO3 در هواي سواحل دريا، مرز قطب شمال و جنوب، مکان‌هاي مختلف قاره‌اي و در تروپوسفر آزاد پاييني، شناسايي شده است. چندين ماده پيش‌ساز براي HIO3 پيشنهاد شده است که شامل اتم‌هاي يد هيدراته، راديکال‌هاي IO هيدراته، راديکال‌هاي دي اکسيد يد(OIO)  و اکسيدهاي يد بزرگتر مانند I2O3، I2O4 و I2O5 است. اما مکانيسم تشکيل HIO3 در سال 2023 کشف شد. اين محققان در تحقيقي که در مجله نيچر-شيمي چاپ شد، حلقه مفقوده بين يد و ذرات CCN را کشف کردند و نقش کاتاليزوري يد در تشکيل آئروسل را نشان دادند. آنها نشان دادند که يدوکسي هيپويديت، IOIO، از طريق واکنش‌هاي زير به طور موثر به HIO3 تبديل مي‌شود.

 IOIO + O3 → IOIO4 (R1)

 (R2)

IOIO4 + H2O → HIO3 + HOI + (1)O2

مکانيسم ديگر شامل برهمکنش بخارات اکسي‌اسيد يد و اسيد سولفوريک براي تشکيل CCN و ايجاد قطرات آب است. براي توليد CCN، اسيد سولفوريک به يک تثبيت‌کننده نياز دارد که در مناطق شهري معمولاً آمونياک اين کار را انجام مي‌دهد اما در محيط‌هاي بکر، مانند اقيانوس، آمونياک بسيار کمياب‌تر است. محققان در پروژه CLOUD در CERN کشف کردند که اسيد يُديک (HIO3) حتي مي‌تواند هسته‌زايي ناشي از يون اسيد سولفوريک را افزايش دهد. عجيب‌تر اينکه، اسيد يُدوس مي‌تواند جايگزين آمونياک شود و به عنوان يک باز رفتار کند و يک پروتون از اسيد سولفوريک بپذيرد تا يک ديمر خنثي تشکيل دهد. در واقع، يک جايگزيني بسيار مؤثرتر اتفاق مي‌افتد. يعني يد مي تواند کارايي توليد ذرات از اسيد سولفوريک را در مقايسه با آمونياک 10 تا 10000 برابر افزايش ‌دهد و در توليد ذرات CCN نقش داشته باشد.

جمع بندي

ابرها مجموعه‌اي از گاز نيستند بلکه مجموعه‌اي از قطرات ريز آب مايع و/يا بلورهاي يخ هستند. ابرهاي بارش‌زا معمولاً فقط در پايين‌ترين لايه جو، تروپوسفر، وجود دارند. وقتي ابري از قطرات آب بزرگ تشکيل شده باشد، خاکستري‌تر به نظر مي‌رسد و احتمال بارندگي آن بيشتر است. قطرات آب و بلورهاي يخي که اين ابرها را تشکيل مي‌دهند از بخار آبي تشکيل شده‌اند که متراکم شده يا رسوب پيدا کرده‌ است (تا قطرات باران يا ذرات يخ تشکيل شود). براي تشکيل قطرات آب بايد رطوبت، فشار و دما مناسب باشد و هسته يا دانه‌اي براي جمع‌آوري مولکول هاي بخار وجود داشته باشد (هسته هاي تراکم ابر، CCN). به عبارتي بخار آب بايد در شرايط اشباع باشد تا بتواند بر روي يک هسته يا ذره ميعان کند. با بالا رفتن توده‌هاي مرطوب هوا و کاهش دما در ارتفاعات، هوا از بخارات آب اشباع شده و مقداري از بخار آب بر روي هسته‌هاي تراکم ابر ميعان پيدا مي‌کند. اين موضوع باعث ايجاد، رشد ابرها و نهايتا بارش مي شود. بررسي تحقيقات جديد در خصوص تاثير يد مولکولي (I2) بر ميزان بارش، نشان مي‌دهد که مولکول‌هاي يد با ايجاد هسته‌هاي تراکم ابر به بارورسازي ابرها و ايجاد باران کمک مي‌کنند. يد مولکولي از مکانيسم‌هاي مختلف به ايجاد ذرات آئروسل اوليه، رشد آنها و تبديل شدن آنها به هسته‌هاي تراکم ابر کمک مي‌کند و بدين ترتيب همانند ذرات يديد نقره که امروزه براي بارورسازي ابرها استفاده مي‌شوند، باعث تراکم ابرها و ايجاد باران مي‌شود. از طرفي با توجه به اينکه يد مانند اسيد سولفوريک براي ايجاد ذرات آئروسل، به آمونياک نياز ندارد، سرعت هسته زايي و رشد هسته هاي تراکم ابر را به شدت افزايش مي‌دهد. بنابراين يد در فاز گازي نه تنها تاثير منفي بر بارش نمي‌گذارند، بلکه تاثير مثبت آن بر تشکيل ابر و تراکم ابر و کمک به بارش اثبات شده است. حال اين سوال مطرح است که آيا يد آزاد شده از کارخانجات توليد يد استان بر افزايش بارش در اين منطقه موثر بوده است؟ براي پاسخ به اين سوال نه تنها بايد ميزان يد آزاد شده توسط اين کارخانجات مد نظر قرار گيرد، بلکه بايد به وسعت پراکندگي يد با توجه به بادهاي مختلف در منطقه و يد آزاد شده از ساير منابع مانند کارخانجات مشابه در کشور همجوار (ترکمنستان) و همچنين تغييرات اقليمي که در سراسر جهان وجود دارد نيز توجه نمود. همانگونه که در اين گزارش ذکر شد، نقش مثبت يد به تازگي در تشکيل ابرها و بارش کشف شده است و انتظار مي رود پس از تعيين نقشه پراکندگي يد در جو، مدل هاي هواشناسي جديد با درنظر گرفتن نقش يد بويژه در مناطق اقيانوسي و قطب ها اصلاح شده و پيش بيني هاي دقيق تري از تغييرات آب و هوايي مناطق مختلف در آينده بدست آيد.

عضو هيات علمي و دانشيار گروه شيمي دانشگاه گلستان