مقاله فارسی بررسی غلظت يون های مختلف اسيدی و برآورد میزان نهشت مرطوب در باران های بهاره و پاییزه مشهد

بررسی غلظت يون های مختلف اسيدی و برآورد میزان نهشت مرطوب
در باران های بهاره و پاییزه مشهد
چکیده
با پيشرفت فناوری و رشد چشمگیر شهر نشينی در دهه های اخیرشاهد تغییراتی جدی در وضع آب و هوای کره زمین و بخصوص در مناطق شهری بوده و هستیم. یکی از پديده هایی که در سال های اخیر مورد توجه محققين 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 کليدی : 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 شرايط مناسب انتخاب گرديد.
نمونه های باران جمع آوری شده از هر بارش،ا در ظروف پلاستیکی مخصوصی که از قبل با آب مقطر کاملا تمیز شده بود، تا قبل از ارسال به آزمايشگاه برای تجزیه شیمیایی در یخچال نگهداری شدند. پس از هر بارندگی نمونه ها ی استحصالی از هر ایستگاه به تفکیک در آزمایشگاه شيمی تجزیه مورد تجزیه شیمیایی قرار گرفته و غلظت یونهای مختلف و PH آن ها تعیین گردید. غلظت يون ها در نمونه های استحصالی با توجه به طول مدت بارندگی، شدت بارندگی و اینکه آيا بارندگی به بارش قبلی متصل بوده است يا نه و نيز فاصله زمانی بین دو بارندگی متفاوت بود. از آنجا که هدف محاسبه ميزان نهشت اسيدی بود ، ميانگین غلظت يون ها در تمامی بارش ها مورد نظر قرار گرفت. جداول شماره 1 و 2 این مقادیر را در دو فصل پاییز و بهار نشان می دهد.
نتایج و بحث
میانگین غلظت یون های مختلف و PH باران در هر ایستگاه و میانگین آن ها در کل شهر مشهد در فصل های پائیز و بهار در حداول 1 و2 ارائه شده است.
نتایح نشان داد که غلظت یون های اسیدی در ده مورد بارندگی شهر مشهد بالا بوده و PH این بارندگی ها نیز عملا از 6/5 یعنی آستانه PH در باران های معمولی کمتر است. به عبارتی دیگر باران های شهر مشهد با خصوصیات فوق مقداری اسیدی هستند. تفاوت در مقدار PH در بارن های مختلف در ارتباط با میزان آلاینده ها در جو می باشد. وقتی که زمان دو بارندگی نسبت هم نزدیک است، معمولا بارندگی اولی آلوده تر و بارندگی دوم کمی تمیزتر است. در چنین شرایطی بارندگی اول باعث شستشوی جو شده و آلاینده ها را در حد وسیعی از جو می زداید. در مقایسه مقاطع مختلفی از یک بارندگی مشاهده گردیده که در اوایل بارندگی PH قطرات آب باران کمتر از مقدار آن در لحظات پایانی بارندگی است، به عبارت دیگر بارندگی ها در ابتدا اسیدی تر هستند.
مقدار متوسط بارندگی سالانه در سال های اخیر در حدود 237 میلی متر در سال است (1) . با توجه به متوسط بارندگی و غلظت یون های موجود در نمونه های باران، مقدار نهشت یون های مختلف در اثر ریزش های جوی ( نهشت مرطوب) محا سبه گردید. جدول شماره 3 مقدار متوسط نهشت اسیدی مرطوب یون های مختلف را نشان می دهد. بطور متوسط در هر سال، صرفا از طریق بارندگی مقدار 5/20 کیلوگرم اسید سولفوریک بر هر هکتار از سطح شهر مشهد فرود می آید که مقدار قابل توجهی است. نهشت اسیدی ناشی از بارش باران ، بطور متوسط مقدار 23/24 کیلو گرم اسید را بر هر هکتار از مساحت شهر مشهد فرود می آورد. اگر به این مسئله توجه کنیم که اگر باران به صورت برف باشد ، از آنجا که ضریب شستشوی مرطوب برف به مراتب از باران بیشتر است ، مقدار بیشتری اسید را با خود به سطح زمین می آورد، آنگاه متوجه می شویم که در طول سال چه حجمی از اسید های مخرب بر دشت مشهد می بارد. علاوه بر این باید به این مطلب نیز توجه داشته باشیم که مقدار زیادی اسید نیز به صورت خشک بر زمین فرود می آید.
با توجه به اینکه در ایران تخمین درستی از نهشت اسیدی در نقاط مختلف وجود ندارد و یا بهتر بگوییم در این زمینه کاری زیادی صورت نگرفته است، بالاجبار مقدار نهشت اسیدی مرطوب شهر مشهد با نتایج مشابه بدست آمده در منطقه اسنودونیا (Snowdonia ) در ولز بریتانیا مورد مقایسه قرار گرفته است . این منطقه در جنوب غربی انگلستان واقع شده است و شدت باران های اسیدی در این منطقه به حدی است که میزان اسید فرودی بر آن تنها در اثر نهشت اسیدی مرطوب از آستانه بحرانی آن به شدت فراتر رفته است ( 8) علت این امر وجود مزارع حیوانی بسیار در این ناحیه است که می تواند منبع تولید یون های مختلف باشد. نمودار شماره 1و2 به ترتیب غلظت یون های مختلف و مقدار نهشت اسیدی متوسط سالانه را در مشهد و منطقه ولز نشان می دهد.
نتایج نشان داد که آلودگی یونی باران های شهر مشهد تقریبا شبیه آلودگی یونی منطقه ولز است. حتی در مورد اسید سولفوریک این آلودگی بیش از مقدار آن در ولز می باشد. با توجه به اینکه آلودگی منطقه ولز از حد بحرانی آن بیشتر است(8)، به نظر می رسد که آلودگی یونی در شهر مشهد نیز بسیار بالاتر از حدود استاندارد باشد. متاسفانه تا کنون در مشهد حد آستانه ای برای پذیرش اسید در واحد سطح تعریف نشده و دقیقا نمی توانیم در مورد اثرات مخرب نهشت اسید برآب، خاک ، گیاهان و ساختمان ها و میزان خطرناک بودن آن سخنی بگوییم ولی نبود اطلاعات دلیلی بر سهل انگاری نیست و نهاد های مسئول اعم از شهرداری و یا سازمان حفاظت محط زیست بایستی در این مورد چاره اندیشی کنند.
سپاسگزاری
نویسنده مقاله از دانشکده کشاورزی و معاونت پژوهشی دانشگاه فردوسی مشهد به خاطر فراهم نمودن امکانات لازم برای انجام این تحقیق تشکر می نمایند.
مراجع
1- سازمان آب منطقه ای خراسان ، 1382 . گزارش مربوط به وضعیت نزولات جوی در استان خراسان
2- Blas, M., Dore, A.J and Sobik, M 1998 Distribution of precipitation and wet deposition around an island mountain in South-west Poland. Q.J.R. Met. Soc., 125, 253-270
3- Carruthers, D.J. and Choularton, T.W 1984 Acid deposition in rain over hills. Atmos. Environ. 18, 1905-1908
4- Dore A.J. 1990 Ph.D. Thesis, University of Manchester Institute of Science and Technology
5- Dore, A.J, Sobik, M And Migala, K. 1999 Pattern of precipitaion and pollutaion in thewestern Sudete mountains, Poland. Atmospheric Environment, 33, 3301-3312
6- Hill, F.F., Choulartin, T.W, K.A. and Penkett, S.A 1986 A model of sulphate deposition in a cap cloud and subsequent turbulent deposition onto the hill surface, Atmos.Env., 20, 1763-1771
7- Jeremy Colls . 2002 Air pollution, Spon Press
8- Mousavi-Baygi, Mohammad 2001 Ph.D Thesis, University os Manchester , institute of science and technology
9- Parker C. Reist 1984 introduction to aerosol science , Macmillan publishing company
10- Review Group on Acid Rain 1997 Acid Deposition in the United Kingdom fourth Report 1992-1994
11- Rogers, R.R. 1996 A Short Course in Cloud Physics, Pergamon Press
12- Mcilveen R. 1995 Fundamentals of Weather and Climate, Chapman & Hall Press
جدول 1- میانگین غلظت یون های مختلف در هر ایستگاه و در کل شهر مشهد بر حسب(mg/l) در طول فصل بهار
جدول 2- میانگین غلظت یون های مختلف در هر ایستگاه و در کل شهر مشهد بر حسب(mg/l) در طول فصل بهار
The assessment of Acid concentration and Wet deposition
in Spring and Autumn Rainfalls in Mashhad
Acid rain has been a big problem for urban area during recent decades. Acid rain comes from high concentration of air pollutant, including man made or artificial and natural, in the atmosphere. As the biggest religious town in Iran, Mashhad also imposed with this problem. In this investigation the samples of rains during autumn 2002 and spring 2003 are analyzed. The results show that concentration of different ions (SO4-2, NO2- , NO3- and NH4-) is higher than normal. Using the concentration of ions and average precipitation in Mashhad, the amount of wet deposition acid is calculated. Based on this calculation, the rate of acid that comes to the ground due to the rainfall is more than 24 Kg/ha. Unfortunately we haven’t got any critical load map for our terrain of interest to estimate the hazard. Comparing the wet deposition amount in Mashhad and North Wales in the UK shows that the wet deposition of acids in Mashhad are nearly the same
as Wales that is a very pollutant area in UK. If we assume that the amount of dry deposition is something like wet deposition we can get an idea about the amount acid that comes to the ground during each year. According to the results of this research, paying more attention to Mashhad environmental affairs is recommended.
Keywords: Acid rain, Acid concentration, wet deposition
جدول شماره 3- مقدار متوسط نهشت اسیدی مرطوب یون های مختلف
نمودار 1 – مقايسه ميانگين غلظت يون ها و مقدار PH باران در مشهد و منطقه ولز بريتانيا

فایل : 13 صفحه

فرمت : Word