دانلود مقاله بررسی غلظت یون های مختلف اسیدی و برآورد میزان نهشت مرطوب در باران های بهاره و پاییزه مشهد

چکیده

 با پیشرفت فناوری و رشد چشمگیر شهر نشینی در دهه های اخیرشاهد تغییراتی جدی در وضع آب و هوای کره زمین و بخصوص در مناطق شهری بوده و هستیم. یکی از پدیده هایی که در سال های اخیر مورد توجه محققین بوده است، آلودگی های  شهری و اثرات ناشی آز آن بوده است. باران های اسیدی و اثرات مخرب آن  یکی از مسائلی است که خسارات زیادی را متوجه محیط زیست بشر نموده است.   این صدمات بیشتر ناشی از ورود بیش از حد معمول بعضی از گاز های آلاینده به درون جو زمین است. مشهد به عنوان بزرگترین شهر مذهبی ایران نیز از این مشکل دور نمانده است. در مطالعه حاضر، نمونه های بارندگی  پاییزسال 1382 و بهار سال 1383 این شهر مورد تجزیه و تحلیل  شیمیایی قرار گرفته است. نتایج  حاصل مؤید وجود تعداد زیاد چشمه های آلاینده بود که باعث غلظت بالاتر از حد معمول یونهای2 -4SO ، -2NO ، -3 NOو-3NH   در باران گردیده است.  با توجه به غلظت این یون ها و میزان بارندگی متوسط سالانه در مشهد میزان نهشت اسیدی محاسبه و با مقدار نهشت مرطوب در منطقه ولز انگلستان مقایسه گردیده است. نتایج نشان می دهد  که نهشت آلاینده ها در مشهد بسیار بالا بوده و لذا توجه بیشتر به  امور زیست محیطی این شهر مورد تأکید قرار می گیرد.

واژه های کلیدی :  باران اسیدی ، غلظت اسیدی، نهشت مرطوب

 مقدمه

امروزه بحث آلودگی هوا یک بحث تقریبا عمومی است و تمامی اقشار جامعه به نوعی از آن صحبت می کنند ویا در فرایند های کاری خود با آن درگیر می باشند. از نظر علمی به شرایطی از وضع هوا که درآن غلظت مواد موجود در هوا بیش از حد متعارف باشد و بر روی انسان، حیوان، گیاه و یا اشیاء محیط تاثیر قابل توجهی داشته باشد، هوای آلوده یا آلودگی هوا گفته می شود(9). این مواد ممکن است به صورت گاز، قطرات مایع، ذرات جامد و یا خوشه های یونی در هوا وجود داشته باشند (5).

غلظت آلاینده هایی که بطور مستقیم وارد جو می شوند ( آلاینده های اولیه) و موادی که از آنها شکل می گیرند ( الاینده های ثانویه) تابعی از شرایط جوی و فرایندهایی است که در هنگام عبور سیستم های جوی اتفاق می افتد(2). مهمترین آلاینده های موضوع بحث در پژوهش حاضر عبارتند از   2SO ،  NO ،  2 NOو 3NH   که در جریان  فرایند های جوی به یونهای سولفات ، نیترات و آمونیم تبدیل شده و باعث اسیدی شدن باران می گردند.  چشمه های تولید این آلاینده ها و واکنشهای انجام شده در جو به اختصار بیان می گردد.

چشمه اصلی دی اکسید سولفور( 2SO) در جو، فعالیت های انسانی، فعالیت آتش فشان ها و مصرف سوخت های فسیلی است (7). راه دیگر انتقال دی اکسید سولفور به جو محصولات ثانویه ای است که  حاصل انتشار طبیعی دی متیل سولفید (DMS) ،  H2S ، CS2  و COS به درون جو است (11). دی اکسید سولفور پس از رها شدن در جو، یا در اثر گرانش مستقیما و یا در اثر ترکیب با رطوبت جوی به صورت باران اسیدی به سطح زمین باز می گردد.

مهمترین اکسید های آلاینده  نیتروژن ، اکسید نیتریت (NO) و دی اکسید نیتروژن (NO2) هستند که تحت عنوان اکسید های نیتروژن (NOX) بیان می شوند. منبع اصلی NOX ها در جو، فعالیت های انسانی و احتراق سوخت های فسیلی از قبیل مشتقات نفتی، ذغال سنگ ، گاز و سوخت هواپیما ها، فعالیت باکتری ها در خاک، رعد و برق ، آتش سوزی جنگل ها، اکسیداسیون NH3 ، شارش های استراتوسفری حاصل از اندرکنش O1(D) با NO2 و فعالیت های خورشیدی است (11).

تقریبا در تمامی دنیا ، چشمه اصلی آمونیاک (NH3)  موجود در جو، مزارع حیوانی است مگر اینکه در شرایط خاص چشمه های محلی در این مورد نقشی را ایفا کنند که خیلی نمی تواند قابل توجه باشد. آمونیاک پس از حل شدن در رطوبت جو به یون آمونیم تبدیل شده و موجب اسیدی شدن باران می گردد (3 ).

باران اسیدی و نهشت مرطوب (Acid rain and Wet deposition)

برای تشکیل ابر و بارندگی لازم است که هوای مرطوب سرد شود. این عمل باید در حضور ذرات جامد ریزی به نام هواویز یا آئروسل صورت گیرد. ازمایش نشان داده است که در هوای کاملا تمیز ، اگر رطوبت نسبی حتی تا چهار صد در صد بالا برود قطرات آب شکل نمی گیرند( 12) ،  در حالیکه در یک هوای معمولی که تعداد هواویزها در واحد حجم به اندازه قابل قبولی وجود دارد، اگر رطوبت نسبی از صد در صد نیز کمتر باشد، قطرک های ابر شکل می گیرند. بنابراین برای تشکیل ابر وجود هواویزها ضروری هستند. هواویز ها ممکن است به صورت خوشه هایی از یون، ذرات گرد و غبار ، خاکستر و یا سایر مواد طبیعی و یا غیرطبیعی باشند. از جمله موادی که به صورت طبیعی وارد جو می شوند می توان از Na+، Cl- و Mg2+  را نام برد. منشأ موادی که به صورت مصنوعی یا غیر طبیعی در جو وارد می شوند معمولا ناشی از سوخت مواد فسیلی درنیروگاه های برق و خودروها بوده که از آن جمله می توان یونهای SO2  و -NO3 را نام برد. البته بخشی از  SO2 موجود در جو نتیجه تبخیر آب دریاها و اقیانوس ها است. این مواد در آب اقیانوس ها به صورت محلول وجود دارد و تبخیر آب  باعث رها شدن این گاز ها به داخل جو می شود  ( 10). ابرهایی که حامل این یونها هستند، اسیدی بوده و باران هایی که از این ابرها بر زمین می بارند  تحت عنوان  باران  اسیدی

   (Acid rain)  شناخته  می شوند.

اولین بار رابرت انگوس- اسمیت واژه  باران اسیدی را بکار برد. وی در سال 1852 در مراسمی که در دانشکده ادبیات و علوم اجتماعی منچستر برگزار گردید، هنگام سخنرانی در مورد باران هایی که در دوران انقلاب صنعتی در منچستر باریده بود، از واژه باران اسیدی استفاده نمود (4).  اسمیت فعالیت های کارخانه ای و استفاده از سوخت ذغال سنگ را عامل اصلی ورود مقدار متنابهی اسید کلریدریک به داخل جو و اسیدی شدن باران دانست.

قدرت اسیدی مواد محلول در آب ، معمولا بر حسب PH ( لگاریتم منفی غلظت یون های هیدروژن)  اندازه گیری می شود. بر این اساس اگر PH محلول کمتر از 0/7 باشد، محلول اسیدی و اگر بزرگتر از 0/7 باشد به آن قلیایی گفته می شود. معمولا PH باران های غیر اسیدی بین 0/5 و 6/5 است؛ یعنی باران های معمولی به خودی خود کمی اسیدی هستند، علت این امر حل شدن CO2 موجود در جو در آب باران و تولید اسید کربنیک است. با ورود 2 SO و 3 NOبه داخل جو و حل شدن آن در آب باران اسید سولفوریک و اسید نیتریک حاصل می شود و قدرت اسیدی باران افزایش می یابد. البته گاهی اوقات بخشی از این اسید ها در حضور قلیاهایی مانند Mg2+ و Ca2+ که تمایل به افزایش PH را دارند خنثی می گردند.

در حقیقت باران ها  وقتی اسیدی تلقی می شوند که PH آن ها از 6/5 کمتر باشد و چنانچه مقدار PH از 6/4 کمتر شود باران  اسیدی به شدت خطرناک خواهد بود. با ریزش باران اسیدی بر روی زمین از آنجا که  خاک ها معمولا قلیایی هستند، بخشی از اسید موجود در باران خنثی می شو د و به این ترتیب کمی  از قدرت تخریب اسیدی آن کاسته خواهد شد. اما در مناطقی که خاک ها قلیایی نبوده و یا ضخامت لایه قلیایی خاک کم باشد، در نتیجه ریزش باران اسیدی، خاک خاصیت خود را از دست می دهد  و گیاهان در چنین خاکی قادر به ادامه حیات نخواهند بود. همچنین رواناب موجود در چنین مناطقی از قدرت اسیدی بالایی برخوردار بوده و با ورود به تالاب ها و دریاچه ها ممکن است حیات موجودات آبزی را به خطر بیاندازد. باران های اسیدی قبل از آنکه به سطح زمین برسند از قدرت تخریبی زیادی  برخوردار بوده  و می توانند به مناطق با پو شش گیاهی مانند جنگل ها و مزارع خسارات زیادی وارد نماید. در مناطق شهری نیز گاهی تاثیر باران های اسیدی بر روی نمای ساختمان ها و سایر مواد قابل توجه می باشد.

با در دست داشتن مقدار متوسط غلظت یون های مختلف در بارندگی ها و نیز  میانگین بارندگی سالانه  می توان با استفاده از رابطه زیر مقدار نهشت اسیدی مرطوب را محاسبه نمود.

DM (g M m-2) = [M] (mg l-1) × Rainfall (mm) ×10-3

در این رابطه DM مقدار نهشت یون مورد نظر و [M] غلظت آن یون است. مثلا اگرغلظت اسید سولفوریک در طول سال0/8 میلی گرم در لیتر و بارندگی سالانه 400 میلی متر باشد، مقدار نهشت مرطوب اسید سولفوریک برابر خواهد بود با:

DSO4 (g M m-2) = [00/8] (mg l-1) × 400 (mm) ×3-10 =2/3 gm-2 = 0/32 kg ha-1

نهشت خشک (Dry deposition)

در فرایند نهشت خشک ذرات الاینده اسیدی کننده مانند 2SO و NOxها، بطور مستقیم و تحت تاثیر نیروی گرانش بر سطح زمین فرود  می آیند. در این حالت اگر سطح مرطوب باشد، فرآیند تشکیل اسید مانند ردون ابر انجام شده  و اسید شکل می گیرد. نقش نهشت خشک بیشتر در مورد ساختمانها و سایر وسایل در مناطق شهری اهمیت دارد. دی اکسید سولفور می تواند در حضور رطوبت جوی با آهک موجود در ساختمانها ترکیب شده و سولفات کلسیم تولید نماید ، این نوع سولفات پس از حل شدن در آب می تواند موجبات آسیب به بنا ها، پیکره های مرمری، نقاشی ها و افت کیفیت منسوجات، وسایل چرمی وکاغذی را فراهم کند( 6).

اهداف

از آنجا که شهر مشهد یکی از آلوده ترین شهر های کشور به حساب می آید و معمولا چشمه های  آلودگی در این شهر  چشمه های مصنوعی است ، به منظور تخمیین غلظت آلاینده های اسیدی کننده باران های پائیزه و بهاره شهر مشهد این پژوهش صورت گرفته است. هدف دیگر این تحقیق محاسبه مقدار نهشت اسیدی حاصل از باران های اسیدی بوده است که می تواند شاخص خوبی برای برنامه ریزان محیط زیست باشد. در پایان ، نتایج حاصل از این تحقیق با نتایج تحقیق مشابهی که در یکی از آلوده ترین نقاط اروپا از این نظر ، یعنی منطقه  شمالی ولز در بریتانیا بعمل در آمده است، مقایسه گردید تا وضعیت و میزان آلودگی مشهد در مقایسه با یک شاخص معلوم مشخص گردد.

مواد و روشها

پنج نقطه در سطح شهر مشهد انتخاب و باران سنج های تجمعی خاصی دراین نقاط نصب گردید. این نقاط که تحت عنوان ایستگاه های 1 تا 5 نامگذاری شدند طوری انتخاب گردیدند که حتی الامکان در سطح شهر گسترده بوده و در نزدیکی نقاطی با شرایط ویژه قرار نداشته باشند. یعنی سعی شده است که ایستگاه ها در مناطقی که معرف شرایط عمومی شهر باشد نصب گردند.

در دوره های سه ماهه پاییز سال 1382 و بهار سال 1383 از باران های مختلف نمونه برداری گردید. از بین نمونه های جمع آوری شده آنهایی که دارای ویژگی های خاص بودند، جهت بررسیهای بعدی انتخاب گردیدند. این میژگی ها عبارت بودند از : (الف) مدت بارندگی کمتر از 6 ساعت و بیشتر از 24 ساعت نباشد. (ب) حد اقل 24 ساعت قبل از بارندگی، بارندگی دیگری وجود نداشته است. (ج) در قبل و یا در حین بارندگی، توفان و گرد وخاک غیر طبیعی وجود نداشته است. (د) بارندگی فقط به صورت باران بوده و سایر انواع بارندگی وجود نداشته است.

بارندگی های کمتر از 6 ساعت از حجم قابل توجهی برخوردار نبوده و نمونه های برداشتی قابلیت تجزیه شیمیایی را نداشته اند. نمونه هایی که مدت بارندگی آن ها بیش از 24 ساعت بوده ، اگرچه تعدادشان اندک بوده است ولی چون بیم آن می رفت که به لحاظ غلظت کم نتواند معرف شرایط عمومی وضع هوا باشند، حذف گردیدند. به این ترتیب از میان بارندگی های متعدد ، در هر فصل پنج بارندگی و در مجموع ده بارندگی با شرایط مناسب  انتخاب گردید. 

ن