وارونگی دما چگونه آلودگی هوای کلان‌شهرها را تشدید می‌کند؟

آلودگی هوا، به داستان تکراری فصل‌های سرد سال در ایران تبدیل شده است و بسیاری از کلان‌شهر‌های کشور هرساله دچار آن می‌شوند. البته چند سالی است که با گسترش بیابان‌ها و تغییرات اقلیمی، در فصل‌های گرمتر نیز باد‌هایی که از غرب و جنوب‌شرق به کشور وارد می‌شوند، سوغاتی ناخوشایند ریزگرد‌ها را با خود به همراه می‌آورند.

بسیاری از کشور‌های دنیا، بویژه کشور‌های درحال‌توسعه، با آلودگی هوا دست به گریبانند، ولی این موضوع نباید باعث عادی انگاشتن آن شود.

امروزه تقریبا کسی نیست که از اثرات نامطلوب آلودگی هوا بر سلامتی انسان‌ها آگاه نباشد. بیماری‌های قلبی، سکته مغزی و بیماری‌های دستگاه تنفسی ناشی از آلودگی هوا، هرساله باعث مرگ زودهنگام نزدیک به ۷ میلیون انسان در سراسر جهان می‌شوند. بنابر اظهارات مسئولان کشور، ذرات معلق کوچک‌تر از ۲٫۵ میکرومتر (PM2.5)، سالانه جان ۲۰ هزار ایرانی را می‌گیرند. گزارش بانک جهانی در سال ۲۰۱۹، این عدد را ۴۲ هزار نفر در سال عنوان می‌کند و هزینه آسیب‌های سلامتی ناشی از آن را ۲۳٫۷ میلیارد دلار، معادل ۵ درصد تولید ناخالص داخلی (بر اساس برابری قدرت خرید) کشور برآورد کرده است. علاوه بر این هزینه، هزینه‌های تحمیل شده بر اقتصاد کشور، ناشی از کاهش فعالیت و تعطیلی گاه‌وبی‌گاه بنگاه‌های اقتصادی، مدارس و دانشگاه‌ها، سالانه چند تریلیون تومان برآورد می‌شود.

آلودگی هوا علاوه بر انسان‌ها، به زندگی سایر جانوران و گیاهان نیز آسیب می‌زند. دستگاه تنفسی جانوران نیز مانند انسان‌ها تحت تاثیر آلاینده‌های جوی، دچار بیماری‌هایی مانند آسم می‌شود. آلودگی هوا می‌تواند باعث ایجاد سرطان‌ها، حساسیت‌های پوستی و ضعف دستگاه ایمنی در جانوران شود و نرخ باروری آن‌ها را کاهش دهد. فتوسنتز گیاهان تحت تاثیر آلاینده‌ها کاهش می‌یابد و باران اسیدی ناشی از آلودگی هوا، باعث آسیب به ریشه و برگ گیاهان می‌شود.

با بررسی هر یک از اجزای محیط زیست، به تاثیر مخرب آلودگی هوا بر آن پی می‌بریم. در ادامه، انواع آلاینده‌های جوی و عوامل تشدید آلودگی هوا را معرفی می‌کنیم.

کربن دی اکسید (CO2): این آلاینده از ترکیبات اصلی جو زمین است و گیاهان با استفاده از آن فتوسنتز می‌کنند. ولی افزایش غلظت این گاز در جو به علت سوزاندن سوخت‌های فسیلی، با تشدید اثر گلخانه‌ای، باعث پدیده‌ی گرمایش جهانی شده و بحران تغییر اقلیم را ایجاد کرده است. به همین دلیل، گاز کربن دی اکسید مهمترین آلاینده جو زمین محسوب می‌شود.

اکسید‌های گوگرد (SOx): خانواده‌ای از گاز‌ها هستند که مهمترین آن‌ها دی اکسید گوگرد (SO2) است. این گاز به طور طبیعی از آتشفشان‌ها خارج می‌شود، ولی سوخت‌های فسیلی معمولا حاوی گوگرد هستند که پس از سوزاندن، به دی اکسید گوگرد تبدیل می‌شود. منبع اصلی این آلاینده، سوخت مورد استفاده در نیروگاه‌های برق و سایر صنایع است. در حضور کاتالیزوری مانند نیتروژن دی اکسید (NO2)، به H2SO4 و در نهایت باران اسیدی تبدیل می‌شود.

اکسید‌های نیتروژن (NOx): مهمترین عضو این خانواده از آلاینده‌ها، نیتروژن دی اکسید است. این گاز حاصل سوختن در دمای بالا است و منشأ اصلی آن، فرآیند سوختن بنزین و سایر سوخت‌های فسیلی در خودرو‌ها است. رنگ قهوه‌ای مه‌دودی که در شرایط آلودگی شدید هوا بر فراز شهر‌ها دیده می‌شود، بخاطر دی اکسید نیتروژن است.

کربن مونوکسید (CO): این گاز سمی، حاصل سوخت ناقص سوخت‌های فسیلی، به‌ویژه از خروجی اگزوز خودرو‌ها است.

ترکیبات آلی فرار (VOC): مهمترین گاز در این دسته، گاز متان است. متان یک گاز گلخانه‌ای بسیار قوی است و در گرمایش جهانی نقش مهمی دارد. سایر VOC‌ها نیز از گاز‌های گلخانه‌ای شمرده می‌شوند، زیرا در تشکیل اوزون تروپوسفری و بقای متان نقش دارند.

ذرات معلق: ذرات جامد یا مایع میکروسکوپی معلق در هوا هستند. منشأ طبیعی آن‌ها، آتشفشان‌ها، طوفان‌های شن، آتش‌سوزی جنگل‌ها و ... هستند. فعالیت‌های انسانی مانند سوزاندن سوخت در خودروها، نیروگاه‌ها و بعضی از فعالیت‌های صنعتی نیز باعث تولید این ذرات می‌شوند. این ذرات بر اساس اندازه به دو دسته کوچکتر از ۲٫۵ میکرومتر (PM2.5) و بین ۲٫۵ تا ۱۰ میکرومتر (PM10) تقسیم می‌شوند. ذرات معلق خطرناک‌ترین آلاینده‌های جوی برای سلامتی انسان هستند و می‌توانند به اعماق ریه‌ها و جریان خون وارد شوند.

فلزات سمی: ذرات فلزاتی مانند سرب و جیوه که برای سلامتی انسان مضر هستند. منشأ این آلاینده‌ها، عملیات معدنی، فعالیت‌های صنعتی و سوخت‌های فسیلی هستند.

کلروفلوئوروکربن‌ها (CFC): این گاز‌ها در مصارف خنک‌سازی مانند یخچال‌ها و کولر‌های گازی و اسپری‌ها استفاده می‌شدند. CFC‌ها به لایه اوزون آسیب می‌رساندند و باعث عبور نور فرابنفش از این لایه می‌شدند. تابش شدید فرابنفش عامل ایجاد بیماری‌های پوستی مانند سرطان پوست است. سال‌ها پیش، استفاده از آن‌ها ممنوع شد و امروزه گاز‌های کم‌خطرتری جایگزین آن‌ها شده‌اند.

آمونیاک (NH3): منشا اصلی آن فضولات دامداری و کود‌های شیمیایی کشاورزی است. این گاز در واکنش با اکسید‌های نیتروژن و گوگرد، آلاینده‌های جدیدی تولید می‌کند.

اوزون (O3): گاز اوزون در استاتوسفر، لایه اصلی محافظتی زمین در برابر پرتو‌های فرابنفش است. ولی همین گاز در نزدیکی سطح زمین، یک گاز گلخانه‌ای محسوب شده و باعث بیماری‌های دستگاه تنفسی می‌شود. این گاز در نزدیکی سطح زمین از ترکیب NOx و VOCها، در حضور پرتوی فرابنفش خورشید ایجاد می‌شود.

همانطور که گفته شد، بعضی از آلاینده‌های هوا، از گاز‌های تشکیل‌دهنده جو هستند یا منشأ طبیعی دارند. بنابراین سطوحی از غلظت آن‌ها همواره در هوا وجود دارد. دانشمندان با بررسی اثر هر یک از آلاینده‌ها بر بدن انسان در مدت زمان مشخص، میزان غلظت خطرناک آن‌ها برای سلامت عمومی را دسته‌بندی کرده‌اند. برای ساده‌سازی توصیف کیفیت هوا توسط سازمان‌های دولتی برای مردم، از شاخصی به نام «شاخص کیفیت هوا» (AQI) برای یکسان‌سازی تاثیر آلاینده‌های مختلف استفاده می‌شود. این شاخص در هر کشور بر اساس استاندارد ملی کیفیت هوا تعریف می‌شود.

ایران از شاخص یکسانی با کشورهای ایالات متحده و چین استفاده می‌کند. این شاخص، خطر ۶ نوع آلاینده هوا برای سلامت عمومی را به ۶ سطح دسته‌بندی می‌کند.

جدول زیر آلاینده‌های مورد بررسی در شاخص AQI و سطوح خطر غلظت‌های مختلف آن‌ها را نشان می‌دهد.

با استفاده از فرمول زیر می‌توانید غلظت هر یک از آلاینده‌ها را به شاخص AQI تبدیل کنید.

در نهایت، بزرگترین عدد بدست‌آمده از مقایسه AQI همه آلاینده‌ها، شاخص کیفیت هوا را مشخص می‌کند.

همانطور که در معرفی آلاینده‌ها گفته شد، منشأ بسیاری از آن‌ها فعالیت‌های انسانی، به‌ویژه سوزاندن سوخت‌های فسیلی است. این فعالیت‌ها تقریبا همیشه وجود دارند و تغییر زیادی در میزان آن‌ها اتفاق نمی‌افتد. با این‌حال، بعضی از روز‌های سال آلوده‌تر از روز‌های دیگرند. عوامل مختلفی در تشدید آلودگی هوا نقش دارند که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم.

تابش خورشید سطح زمین را گرم می‌کند و هوای نزدیک به سطح زمین هم در تبادل دمایی با سطح، گرم می‌شود. با افزایش دما، تراکم هوا در این لایه که «لایه مرزی سیاره» نامیده می‌شود، کاهش پیدا می‌کند و سبک‌تر می‌شود؛ در نتیجه هوای بالای آن که سرد‌تر و متراکم‌تر است توسط گرانش به سمت پایین حرکت می‌کند و هوای گرم به بالا منتقل می‌شود. این فرایند که «همرفت» نامیده می‌شود تا زمانی که دما در تمام بخش‌ها یکسان شود ادامه دارد؛ بنابراین هرگز متوقف نمی‌شود.

سرعت باد در نزدیکی سطح زمین به دلیل اصطکاک با عوارض سطحی (توپوگرافی)، کمینه است و نمی‌تواند آلاینده‌ها را تا فواصل طولانی منتقل کند. همزمان با فرایند همرفت، گاز‌ها و ذرات آلاینده نیز از لایه مرزی به قسمت‌های فوقانی منتقل می‌شوند و می‌توانند توسط جریان باد به دوردست‌ها منتقل شوند. این فرایند باعث کاهش غلظت آلاینده‌ها می‌شود.

ارتفاع لایه مرزی در طول روز با دریافت تابش خورشید افزایش پیدا می‌کند و شب‌ها پس از سرد و متراکم شدن هوا، به کمترین میزان خود می‌رسد. با افزایش ارتفاع لایه مرزی و در نتیجه افزایش حجم آن، غلظت آلاینده‌ها کاهش پیدا می‌کند؛ بنابراین غلظت آلاینده‌ها تا میانه روز کاهش و شب‌ها تا پیش از طلوع خورشید، افزایش می‌یابد.

همین پدیده درباره فصل‌های مختلف سال نیز برقرار است و به همین دلیل، کیفیت هوا در تابستان بهتر از فصل‌های سرد است.

گاهی به دلایلی، هوای نزدیک سطح زمین از هوای بالای خود سرد‌تر می‌شود. این شرایط باعث پایداری هوا شده و فرایند همرفت را متوقف می‌کند. به این وضعیت، «وارونگی دمایی» گفته می‌شود.

آلاینده‌ها در غیاب همرفت، در مکان خود باقی می‌مانند و با ادامه فعالیت منابع آلاینده، شرایط آلودگی تشدید می‌شود.

فرایند‌های مختلفی ممکن است باعث رخ دادن وارونگی دمایی شوند که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم.

در این نوع وارونگی، پس از غروب خورشید، سطح زمین، گرمای جذب شده در طول روز را از طریق فرایند تابش گرمایی، در طول موج فروسرخ به فضا منتشر می‌کند و به سرعت سرد می‌شود. هوای نزدیک به سطح نیز در تبادل گرمایی با زمینِ سرد شده، به سرعت سرد می‌شود؛ در حالی که هوای بالای آن هنوز گرمای خود را از دست نداده است. در نتیجه، وارونگی دمایی اتفاق می‌افتد و شرایطی پایدار از نظر گرمایی ایجاد می‌شود که همرفت در آن متوقف شده است.

این نوع وارونگی معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که آسمان، صاف و بدون ابر باشد و گرمای تابش شده از زمین بتواند بدون مانع از جو خارج شود. ابر‌ها با بازتاب امواج فروسرخ منتشر شده از زمین، دوباره زمین را گرم می‌کنند و با شروع فرایند همرفت، وارونگی دمایی از بین می‌رود. رطوبت بالای هوا نیز مانند ابر‌ها عمل می‌کند و می‌تواند مانع ایجاد وارونگی شود.

باد‌های نسبتاً شدید نیز می‌توانند با ترکیب لایه‌های هوای سرد و گرم، شروع‌کننده همرفت باشند و وارونگی را از بین ببرند.

هر چه ساعات شب طولانی‌تر باشد، شرایط برای ایجاد وارونگی دمایی تابشی مناسب‌تر است. به همین دلیل است که این نوع وارونگی در پاییز و زمستان بیشتر رخ می‌دهد.

در طول روز، تابش خورشید، قله و دامنه کوه را بیشتر از پایین دره گرم می‌کند. هوای گرم دامنه، تراکم خود را از دست می‌دهد و ایجاد منطقه کم‌فشار می‌کند؛ در نتیجه هوای سرد دره که متراکم‌تر و پرفشار‌تر است، به سمت بالای دامنه حرکت می‌کند. این جریان به باد بالارو یا «نسیم دره» مشهور است.

پس از غروب خورشید، سطح دامنه، دمای خود را به سرعت از طریق تابش از دست می‌دهد و متراکم می‌شود. این هوای متراکم و پرفشار، بر اثر گرانش به سمت پایین دره که هنوز هوای گرمتری دارد حرکت می‌کند. به این جریان، باد پایین‌رو یا «نسیم کوه» می‌گویند. این جریان، در فصول سرد سال که نور کمتری از خورشید به زمین می‌تابد، بیشتر دیده می‌شود. همچنین، پوشش برف بالای قله‌ها در این فصل‌ها، باد پایین‌رو را تقویت می‌کند.

هوای سرد قله، مانند جریان آب، چاله‌ها و مناطق پایین دره را پر می‌کند و زیر لایه هوای گرم قرار می‌گیرد. در نتیجه شرایط پایداری گرمایی ایجاد شده و وارونگی دمایی رخ می‌دهد.

مراکز پرفشار هوا، مناطقی از جو هستند که فشار هوا بیشتر از نواحی پیرامون است. این مراکز حاصل حرکت پایین‌رونده توده‌های هوا در تروپوسفر (پایین‌ترین لایه جو زمین) هستند. قدرتمند‌ترین سامانه‌های پرفشار در نواحی سرد قطبی زمین حضور دارند. نوع دیگری از مراکز پرفشار، در کمربند‌های پرفشار جنب‌حاره دیده می‌شوند. هوای مرطوب در مناطق استوایی در سطح زمین گرم شده، تراکم خود را از دست می‌دهد و بالا می‌رود. همزمان، فرایند مشابهی بصورت قرینه در سوی دیگر استوا طی می‌شود و در نتیجه، هر دو توده هوای گرم، مجبور به حرکت به سمت قطب‌ها می‌شوند. با حرکت به سمت مناطق سرد قطبی، این توده‌ها سرد و متراکم می‌شوند و رطوبت خود را از دست می‌دهند. در نهایت در عرض‌های جغرافیایی ۳۰ تا ۳۵ درجه شمالی و جنوبی، پایین می‌آیند و سامانه‌های پرفشار گرم را ایجاد می‌کنند.

فرایند مشابهی از نزدیکی نواحی قطبی آغاز می‌شود و در عرض ۳۰ تا ۳۵ درجه جغرافیایی، سامانه‌های پرفشار سرد را ایجاد می‌کند.

سامانه‌های پرفشار باعث باد‌های ضعیف و فرونشست توده‌های هوا در تروپوسفر هستند. پدیده فرونشست، باعث گرم و خشک شدن توده هوا در فرایندی بی‌دررو می‌شود. رطوبت پایین هوا، آسمانی بدون ابر را به دنبال دارد که شرایط مناسب برای وارونگی تابشی است.

از سوی دیگر، در نبود باد‌های قدرتمند سطحی، فرونشست باعث قرار گرفتن لایه هوای گرم در بالای هوای سرد می‌شود که «وارونگی فرونشست» نامیده می‌شود.

فرونشست هوا معمولا تا سطح زمین ادامه نمی‌یابد و در ارتفاع ۲ هزار تا ۴ هزار متری از سطح، متوقف می‌شود. از این رو، وارونگی فرونشست می‌تواند همزمان با انواع دیگر وارونگی‌ها وجود داشته باشد.

جبهه‌های هوایی، مرز بین دو توده هوایی با ویژگی‌های متفاوت از نظر دما، رطوبت، تراکم و باد هستند. تفاوت بین این ویژگی‌ها، شرایطی آشفته و ناپایدار را در امتداد مرز توده‌های هوایی ایجاد می‌کند که باعث پدیده‌هایی مانند طوفان، بارش و باد‌های شدید می‌شود.

با ورود جبهه هوای جدید به یک منطقه، مستقل از نوع آن، همواره توده هوای گرم به خاطر تراکم کمتر، به سمت بالای توده هوای سرد حرکت می‌کند و هوای سرد در زیر آن قرار می‌گیرد. این همان شرایط مورد نیاز برای ایجاد وارونگی دمایی است.

برخلاف انواع دیگر وارونگی دمایی که معمولا لایه وارونگی دمایی در آن‌ها موازی با سطح زمین و افقی است، در وارونگی جبهه هوایی، این لایه شیب قابل توجهی دارد.

با توجه به آشفتگی شرایط جوی در اطراف جبهه‌های هوایی، این نوع وارونگی پایدار نیست و با جایگزینی توده هوای جدید، به سرعت از بین می‌رود.

در نهایت باید در نظر داشت که این وارونگی دمایی نیست که منجر به آلودگی هوا می‌شود. وارونگی دمایی فقط امکان انتقال آلاینده‌ها را از بین می‌برد و باعث تشدید آلودگی موجود می‌شود. اگر به جای آلاینده‌ها، عطر گل‌ها در هوا پیچیده باشد، این عطر گل‌ها است که در هوا باقی می‌ماند.

تنها راهکار کاهش آلودگی هوا، کاهش و توقفِ سازوکار‌های آلاینده و حرکت در مسیر گسترش سبک زندگی سازگار با محیط زیست است.

عکس کاور مقاله متعلق به خبرگزاری فرارو است.