أهداف التعلم

• أن تعرّف الاحتباس الحراري وتذكر الغازات الدفيئة وتفسره بمبدأ الصوبة الزجاجية.
• أن تذكر الآثار السلبية للاحتباس الحراري واستراتيجيات الحد منه.
• أن تشرح أثر أول أكسيد الكربون على نقل الأكسجين في الدم.
• أن تكتب معادلات تكوّن الأمطار الحمضية وتذكر أضرارها.
• أن تبين دور العلم في المراقبة والتنبؤ لحماية الغلاف الجوي.

شرح الدرس

أولًا: الاحتباس الحراري وتغير المناخ

الاحتباس الحراري: الارتفاع المستمر في درجة حرارة الهواء الملاصق لسطح الأرض. ينتج عن حرق الوقود الأحفوري (الفحم والنفط والغاز) انبعاث غازات دفيئة تعمل كغطاء يحيط بالأرض ويحبس الحرارة.

الغازات الدفيئة: ثاني أكسيد الكربون $CO_2$، والميثان $CH_4$، وأكسيد النيتروز $N_2O$، ومركبات الكلوروفلوروكربون $CFCs$، وبخار الماء.

مبدأ الصوبة الزجاجية:

1. يسمح الغلاف الجوي بمرور الإشعاع الشمسي قصير الطول الموجي إلى الأرض.
2. يمتص سطح الأرض هذا الإشعاع، ثم يعيد إشعاعه على هيئة إشعاع حراري (أشعة تحت حمراء) طويل الطول الموجي.
3. تمنع الغازات الدفيئة جزءًا كبيرًا من هذا الإشعاع الحراري من الهروب إلى الفضاء، فترتفع درجة حرارة سطح الأرض تدريجيًّا عامًا بعد عام.

الآثار السلبية للاحتباس الحراري:

• ذوبان الجليد في الأنهار الجليدية وعند القطبين، مما يهدد بغرق السواحل.
• انقراض الكائنات القطبية بسبب تدمير موطنها، فيقل التنوع البيولوجي ويختل التوازن البيئي.
• تغيرات مناخية حادة مثل الأعاصير والفيضانات وموجات الجفاف.

استراتيجيات الحد من الاحتباس الحراري:

1. استخدام وسائل النقل العامة لتقليل عوادم السيارات.
2. تحسين كفاءة الطاقة (مصابيح LED وأجهزة عالية الكفاءة) والتحول إلى مصادر طاقة متجددة كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة المائية.
3. زيادة المساحات الخضراء (التشجير): يزيد البناء الضوئي فيمتص النبات كمية أكبر من $CO_2$.

ثانيًا: تلوث الهواء وأثره على استدامة الغلاف الجوي

من أبرز ملوثات الهواء: أول أكسيد الكربون $CO$، وأكاسيد الكبريت ($SO_2$ و $SO_3$)، وأكاسيد النيتروجين ($NO$ و $NO_2$).

1) أول أكسيد الكربون $CO$: غاز عديم اللون والرائحة، ينتج من الاحتراق غير الكامل للوقود الأحفوري.

• ينفذ بسرعة من الرئتين إلى الدم، وينافس الأكسجين على الارتباط بـالهيموجلوبين، وقوة ارتباطه به أكبر بحوالي 200 إلى 250 مرة من الأكسجين.
• يتكون مركب مستقر نسبيًّا هو الكربوكسي هيموجلوبين $HbCO$ يمنع ارتباط الأكسجين بالهيموجلوبين.
• يقل إمداد الأنسجة بالأكسجين، فتلجأ الخلايا إلى التنفس اللاهوائي فيتراكم حمض اللاكتيك ويشعر الإنسان بالتعب والصداع، ومع زيادة تركيز $HbCO$ قد يحدث دوار وفقدان وعي وتلف في الدماغ.

2) أكاسيد الكبريت والنيتروجين:

• أكاسيد الكبريت $SO_x$ (أهمها $SO_2$): تنبعث من احتراق الفحم والنفط في محطات الكهرباء والمصانع، ومن تكرير النفط وصهر المعادن.
• أكاسيد النيتروجين $NO_x$: تتكون أثناء الاحتراق في درجات حرارة مرتفعة (محركات السيارات ومحطات الطاقة والأفران الصناعية)، وتتكون طبيعيًّا بفعل البرق.

ثالثًا: تكوّن الأمطار الحمضية

تكوين حمض الكبريتيك: يتأكسد $SO_2$ إلى $SO_3$ بمساعدة عوامل مثل ضوء الشمس، ثم يتفاعل مع قطرات الماء في السحب:

$2SO_{2(g)} + O_{2(g)} \rightarrow 2SO_{3(g)}$

$SO_{3(g)} + H_2O_{(l)} \rightarrow H_2SO_{4(aq)}$

تكوين حمض النيتريك: يتفاعل $NO_2$ مع الماء فيتكون حمضا النيتريك والنيتروز، ويمكن اختصار التفاعل الكلي في وجود الأكسجين:

$2NO_{2(g)} + H_2O_{(l)} \rightarrow HNO_{2(aq)} + HNO_{3(aq)}$

$4NO_{2(g)} + O_{2(g)} + 2H_2O_{(l)} \rightarrow 4HNO_{3(aq)}$

أضرار الأمطار الحمضية وملوثاتها:

$H_2SO_4 + CaCO_3 \rightarrow CaSO_4 + CO_2 + H_2O$

وكل ذلك يهدد استدامة النظم البيئية: تتراجع الإنتاجية البيولوجية، ويُفقد التنوع الحيوي، وتقل جودة الهواء والماء، ويزيد العبء الصحي والاقتصادي على المجتمعات.

رابعًا: دور العلم والتكنولوجيا في الحماية والمراقبة والتنبؤ

• أجهزة تنقية الغازات (Scrubbers): تُركب في مداخن المصانع ومحطات الطاقة لإزالة أكاسيد الكبريت والنيتروجين قبل انبعاثها، مع التشجيع على مصادر الطاقة النظيفة.
• الأقمار الصناعية والاستشعار عن بعد: تقيس تركيز $CO_2$ و $CH_4$، وتراقب طبقة الأوزون وتعافيها، وتتابع حركة السحب وأنماط الرياح.
• محطات الرصد الجوي: تقيس درجة الحرارة والضغط والرطوبة وسرعة الرياح وتركيز الملوثات، فتكشف مبكرًا عن التلوث والظواهر الخطيرة كالعواصف الترابية والموجات الحارة. ففي عام 1985 كشفت محطة رصد بريطانية في القارة القطبية الجنوبية عن ثقب الأوزون، فأُطلق بروتوكول مونتريال عام 1987 للحد من المواد المستنفدة للأوزون، فبدأت الطبقة تتعافى تدريجيًّا.
• النماذج المناخية: برامج حاسوبية تعتمد على معادلات فيزيائية وكيميائية وبيولوجية، تُغذى ببيانات الأقمار ومحطات الرصد للتنبؤ بارتفاع درجات الحرارة وتغير أنماط الأمطار وزيادة الظواهر المتطرفة.

الأهمية البيولوجية للتنبؤ: في الصحة (التحذير من التلوث وزيادة الأشعة فوق البنفسجية)، وفي الزراعة (اختيار مواعيد الزراعة والحصاد)، وفي النظم البيئية (حماية الكائنات الحساسة).

أسئلة للتدريب

1. علّل: تسبب زيادة الغازات الدفيئة ارتفاع درجة حرارة سطح الأرض.
2. اذكر ثلاثة آثار سلبية للاحتباس الحراري وثلاث طرق للحد منه.
3. فسّر خطورة استنشاق غاز أول أكسيد الكربون.
4. اكتب معادلات تكوّن حمض الكبريتيك في الغلاف الجوي.
5. لماذا تتآكل التماثيل والمباني المصنوعة من الحجر الجيري في المناطق الصناعية؟
6. كيف أسهم الرصد الجوي في حماية طبقة الأوزون؟