نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، رشته جغرافیای طبیعی، گرایش اقلیم شناسی در برنامه‌ریزی محیطی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران
2 عضو هیات علمی و مدیر قطب علمی تحلیل فضایی مخاطرات زیست محیطی، دانشگاه تربیت معلم
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Introduction
Ozone is one of the atmospheric constituents which is very important in warming and pollution of the atmosphere. Its concentrations (above 120 ppb) in the upper atmosphere increase the earth’s temperature and in the lower atmosphere pollute the air and causes damages for human and plant life. It causes some problems such as respiratory diseases in humans. It is more dangerous in urban environments where the presence of moisture and other pollutants increases its polluting function. That is why studying its concentration and variation in the lower atmosphere is very important.
In Iran there is only one surface ozone measuring station which is in Firouzkooh and is a Background Air Pollution Monitoring Station. The station was established in 1993 at the 2986m above sea level. Due to its higher elevation, the measurements reflect general or background of ozone concentration in the country. In this paper we have investigated at first variations of the surface ozone concentration and then studied relations between ozone concentrations and important Meteorological Parameters such as temperature and wind. For the purposes the daily values of Ozone were obtained from the station for the period of 1999-2003; the maximum period of data availability. Weather elements such as temperature, precipitation, wind speed, sunshine duration, sea level and surface pressure, relative humidity, and cloudiness of the station were also extracted for the same period.
Results and discussion
Mean concentration of surface ozone was 54.1 ppb for the period. 20 ppb was the lowest value measured during the study period in November and the highest value was 125 ppb in May. More than 70 percent of ozone concentrations were observed between 46 and 65 ppb. Survey of the monthly mean of the surface ozone shows that it increases from January and reaches its maximum in June, while in the second half of the year it has a decreasing trend until December. The monthly mean ranged from 50ppb in winter months to 60 ppb in summer months, Moreover based on the analysis made on the monthly and seasonal data, variations of the maximum is more than that of the minimum and so the seasonal variations were much less than the monthly values, which shows that it is strongly affected by the sunshine hours and the temperature.
Consideration of surface ozone concentrations and the weather elements showed different positive and negative relations. Sea level pressure (QFF), relative humidity, cloudiness, and precipitation showed negative correlations while wind, temperature, sunshine duration, surface pressure (QFE), and visibility showed positive correlation with ozone concentrations. The Correlations of Ozone concentration with surface pressure, wind velocity, precipitation, and visibility was very low. Sunshine duration and sea level pressure had the highest control on the variations of ozone concentrations. Some weather phenomena such as thunderstorms had remarkable increasing effect on the ozone concentration while fog and haze decreased it effectively. Study results of the monthly and seasonal averages show that except for July, the surface ozone is increasing in the dry periods of the year (which is reconciled on the hot period of the year), and with the exception of March, it decreases in the wet period (the cold period of the year). These exceptions can be interpreted due to higher values of cloudiness, precipitation and relative humidity in July, and higher values of ozone in the upper levels and its transformation from the stratosphere to the troposphere in March. In general, concentrations of surface ozone were higher in warm months and lower in cold period of the year. Warm and sunny days increased the concentration while the cloudy and rainy days showed lower concentrations. Winds blowing from dry and warm regions from the south and southwest increased the concentration and winds from the cold humid northern regions lowered the concentration.
کلیدواژه‌ها [English]
مقدمه
گاز ازون نقش کلیدی در اکسیداسیون شیمیایی وردسپهری داشته و یکی از گازهای گلخانهای مهم محسوب میشود. از آنجا که غلظت‌های بالای ازون وردسپهری (سطحی) در لایه مرزی، حیات گیاهان و انسان را به مخاطره میاندازد، تحقیق در مورد آلاینده ازون حائز اهمیت است. غلظت بالای ازون سطحی باعث بیماریهای متعددی از جمله بیماریهای تنفسی میشود. همچنین این گاز بر گیاهان و مواد غیر زنده نیز تأثیر منفی دارد. از جمله آثار نابود کننده آن بر روی مواد غیر زنده، فرسودگی لاستیک در مجاورت آلاینده ازون و نور خورشید است. آلایندههای هوا دو نوع اولیه و ثانویه هستند (Stern, et al., 1984). آلایندههای اولیه از قبیل اکسیدهای نیتروژن (NOx) و مونوکسید کربن (CO)، به طور مستقیم از دود اتومبیلها تولید میشوند ولی آلایندههای ثانویه مانند ازون سطحی در اثر واکنشهای فتوشیمیایی بهوجود میآیند. از طرفی فراوان‌ترین اکسید کننده فتوشیمیایی موجود در جو است و براساس استاندارد ملی کیفیت هوا، حضور ازون با تراکم بیش از ppm 12/0 در سطوح پایینی جوّ خطرناک میباشد. وجود مقادیر بالاتر، بیانگر تولید ازون توسط منابع انسانی است. ازون سطحی (وردسپهری) در سطح زمین به عنوان یک آلاینده ثانویه که خود نقش مؤثری در تبدیل آلایندههای دیگر دارد، محسوب میشود. همچنین ازون به عنوان یک گاز گلخانهای، موجب افزایش دمای سطح زمین میشود .لذا با این توصیفات ازون موجود در وردسپهر بر خلاف ازون موجود در پوشن‌سپهر، مضر و غیر مفید شناخته شده است. به دلیل اهمیت ازون سطحی به عنوان یک آلاینده ثانویه و خطرناک بودن تراکم بیش از حد استاندارد آن در سطوح پایینی جو و تاثیر این گاز بر روی سیستم بیولوژیکی و نیز شناسایی الگوهای زمانی مربوطه به ایامی از سال که میزان ازون سطحی از حد استاندارد تجاوز مینماید و همچنین با توجه به اینکه اندازه گیریهای مربوط به ازون سطحی در کشور از یک شبکه اندازهگیری منسجم برخوردار نبوده و طول دوره آماری اندازهگیری ازون سطحی در کشور نیز کوتاه مدت میباشد به همین دلیل مطالعات عمیق و گستردهای در این رابطه صورت نگرفته است، از طرفی بررسی تغییرات زمانی ازون به رابطه تاثیرگذاری آن بر مکانیسم بدن جانداران، نقش بسیار موثری میتواند داشته باشد. و به واسطه خلا تحقیقاتی در این رابطه، ضرورت رابطه بین این آلاینده با فراسنجهای هواشناسی کاملاً احساس میشود، بنابراین لازم است که با روش‌های مناسب در سطح کشور به بررسی تغییرات ازون پرداخته شود و نتایج آن در اختیار مدیران و تصیم گیرندگان قرار گیرد. دو منبع اصلی برای ازون سطحی (وردسپهری) عبارتند از: ازون طبیعی تولید شده در اثر انتقال و ریزش ازون پوشن سپهری به وردسپهر و واکنشهای فتوشیمیایی ازون در اثر آلودگی هوا.
واکنش فتوشیمیایی وردسپهری به وسیله فتولیز ازون، توسط تابش اشعه فرابنفش UV با طول موج کمتر از nm 310، منجر به تشکیل اتمهای اکسیژن تحریک شده میشود. این اتمهای تحریک شده با بخارآب واکنش داده و رادیکال‌های هیدروکسید (OH) تولید میکنند. واکنش اصلی که باعث تولید ازون میشود؛ عبارت است از :
(1)
جزئیات واکنش بالا به صورت زیر است:
(2)
(3)
(4)
شکل شماره 1- فرآیند فتوشیمیایی تشکیل ازون سطحی
در واکنشهای بالا، ROG گاز آلی فعال است که شامل بخش فعال R و هیدروژن H است؛ همچنین واکنش (4) سریع و گرمازاست. مطابق واکنشهای بالا، ازون همزمان تولید و مصرف میشود و به این طریق باید مقدار آن افزایش نیابد، در صورتی که در عمل، مقدار ازون طی روز افزایش مییابد. علت این امر، واکنش دیگری است که به طور همزمان رخ میدهد و در آن رادیکال آلکیل پروکسی
RO2 با اکسید نیتروژن واکنش داده و در حقیقت در اکسید کردن، با ازون رقابت میکند و قدرت آن بیش از O3 بوده و نقش این گاز را تضعیف میکند. مطابق واکنش
(5)
O3کمتر مصرف میشود بنابراین میزان تولید آن بیشتر از مصرف شده و مقدار آن افزایش مییابد.
شکل شماره 2- زنجیرةواکنشهایمربوطبه تشکیلوتجمعازون (Turco, 1997).
به طور کلی، تغییرات غلظت فتومهدود تحت تأثیر دو عامل اصلی جغرافیایی و فیزیکی قرار دارد. عامل فیزیکی شامل مشخصههای هواشناسی از قبیل ابرناکی، سرعت و سمت باد، شدت تابش آفتاب، ارتفاع لایه آمیخته و موقعیت زمانی و فصلی است. عامل جغرافیایی شامل ارتفاعات، کوه‌ها، موقعیت محلی منبع آلوده ساز و سایر عوامل است. همچنین هر یک از مشخصهها با یکدیگر در ارتباطاند. برای مثال سمت و سرعت باد در نزدیکی محل منبع آلاینده، در مقدار پراکنش آن حائز اهمیت است.
به طور کلی مقدار ازون در هر مکانی تابع دو عامل فتوشیمی محل و انتقال است. این عنصر در ایستگاه سنجش آلودگی زمینه جوّ فیروزکوه که به عنوان تنها ایستگاه سنجش آلودگی زمینه جوّ در کشور و یکی از ایستگاههای مراقبت جهانی جوّ از طرف سازمان هواشناسی جهانی انتخاب گردیده، اندازهگیری شده ولی تاکنون هیچ پژوهش علمی در خصوص چگونگی و روند تغییرات ازون سطحی و ارتباط فراسنجهای هواشناسی با این آلاینده؛ صورت نگرفته است. هدف اصلی این تحقیق بررسی روند تغییرات زمانی کوتاه مدت ازون سطحی در ایستگاه مورد مطالعه و رابطه آن با فراسنجهای هواشناسی میباشد. برای آشکارسازی و دستیابی به اهداف مورد نظر، از دادههای ازون سطحی و سایر فراسنجهای هواشناسی در طی دوره آماری 2003-1999 استفاده شد. دلیل کوتاه بودن دوره آماری وجود آمار ازون فقط در این دوره می باشد.
مطالعه بر روی تغییرات ازون سطحی اندازهگیری شده در این ایستگاه و رابطه متقابل بین ازون و سایر فراسنجهای هواشناسی از این جهت اهمّیت دارد که این ایستگاه به دور از منابع آلاینده شهری و انسانی بوده و دخالت عوامل آلاینده مؤثر در تولید، افزایش یا کاهش ازون سطحی ناچیز بوده یا به کمترین حدّ ممکن میرسد. به عبارت دیگر تغییرات ازون سطحی در هوای بدون آلایندههای شهری و انسانی و صرفاً تحت تأثیر فراسنجهای هواشناسی مورد بررسی و تحلیل قرار میگیرد. عوامل گوناگونی بر مقدار تراکم ازون سطحی مؤثّر می‌باشند. در این رابطه مطالعات متعددی در سطح دنیا انجام شده است: پژوهشهایی درمورد بررسی نقش دما توسط (Angell and Korshover, 1964) و نیز بررسی نقش رطوبت در مقدار ازون سطحی توسط (Horvath et al., 1985) و همچنین بررسی نقش رطوبت و نسیم دریا در تراکم ازون در ایالت لسآنجلس آمریکا توسط (Turco, 1997)، نقش رطوبت هوا توسط (Kondratyev and Varotsos, 2000) صورت گرفته است، نتایج حاصل از این مطالعات نشان میدهد که افزایش دما در افزایش تراکم ازون مؤثر بوده و همچنین با دور شدن از منبع رطوبت مقدار ازون افزایش مییابد که نشان‌دهنده انتقال آن توسط نسیم دریاست. به عبارت دیگر؛ با افزایش رطوبت نسبی و کاهش دما؛ مقدار ازون سطحی کاهش مییابد، یعنی رطوبت نسبی با دما و ازون سطحی همبستگی منفی دارد. تحقیق مشابهی در مورد ازون سطحی در شهر ساحلی تامبای هند توسط (Nair, et al,. 2002) انجام شده که در آن تغییرات ازون سطحی در دوره یک‌ساله 1998-1997 مورد بررسی قرار گرفته و نتایج حاصل از آن افزایش ازون در فصل تابستان نسبت به فصل زمستان و کاهش قابل ملاحظه آن در فصل مانسون بوده است. از طرفی نتایج حاصل از این تحقیق نشان داده است که مولکول‌های بخار آب با جذب تابش خورشیدی سبب کاهش ازون میشوند. همچنین با افزایش آفتابگیری و دما، واکنش فتوشیمیایی تشکیل ازون که به نور آفتاب نیازمند است بیشتر روی داده و مقدار ازون افزایش مییابد. به بیانی دیگر در ماههای بارش که هوا ابری است، با کاهش آفتابگیری؛ فرآیندهای فتوشیمیایی کاهش یافته و در نتیجه ازون سطحی هم کاهش مییابد[1].
براساس تحقیقی که در آمریکا در مورد تاثیر شاخص‌های هواشناسی بر ازون صورت گرفته، دمای هوا و ارتفاع لایه آمیخته، مهمترین عوامل هواشناسی تعیین شدهاند (, 2005 ise, E. K & Comrie, A. C.). همچنین در تحقیقی که در شهر دایگو کره صورت گرفته است، نتایج تحلیل رگرسیون چندگانه نشان داده است که دما و تابش خورشیدی، مهمترین عوامل هواشناسیاند 2005) Jo, W. K & Park, J. H.). بنابراین بیشتر تحقیقات به طور مشترک دما را عامل مهم و موثر بر ازون می‌دانند.
در سطح کشور ما، بیدختی و شرعی پور (1386) تغییرات ازون سطحی و مقایسه آن با مشخصههای هواشناسی از قبیل سرعت و جهت باد، دما، بارش، رطوبت نسبی و ساعات آفتابی در محدوده ایستگاه سینوپتیک موسسه ژئوفیزیک طی دوره یک‌ساله 2002 را مورد مطالعه قرار دادهاند. که نتایج نشان میدهد مقادیر بالای ازون طـی روز (حدود ppb 72) در بعد از ظهر و مقادیر پایین ازون (ppb 26) طی ساعات اولیه صبح و اواخر شب رخداده است. ازون مشاهده شـده بیشترین مقـدار خود را (حدود ppb 97) در بهار و کمترین مقدار را (حدود ppb 14) در زمستان دارد.
فعالیت دیدبانی از ترکیبات شیمیایی جو و اندازهگیری روزانه میزان تراکم گازهای گلخانهای از جمله انیدرید کربنیک، ازون، متان، کربن سیاه و مونوکسیدکربن و ... از زمانی اهمیّت یافت که بحث تغییر اقلیم به علت آلودگی جوّ زمین در سالهای اخیر به اوج خود رسید. در این راستا در سال 1989 توسط سازمان هواشناسی جهانی (1WMO)، سامانه دیدبانی جدیدی با عملکرد و فعالیتهای وسیع و گسترده تحت عنوان "مراقبت جهانی جوّ" (GAW[2]) تأسیس و شروع به کار نمود. چارچوب فعالیتهای این سامانه؛ اندازهگیری تغییرات در غلظت گازهای گلخانهای جوّ، تغییرات در لایه ازون، انتقال آلودگی‌ها از مسافت دور شامل بارانهای اسیدی و سمی و ذرات ریز آلوده به نام آئروسلها در جوّ و نتیجه‌گیریهای علمی از این تغییرات بود. به عبارتی؛ GAW یک سامانه جهانی است که مراقبت و دیدبانی جوّ زمین را از نظر آلودگی‌های جوّی که منشأ انسانی دارند به عهده دارد. در منطقه خاورمیانه و آفریقا سه ایستگاه مهم GAW در کشورهای پاکستان، مصر و جمهوری اسلامی ایران تأسیس شده است. پس از بازدید کارشناسان سازمان جهانی هواشناسی و کارشناسان سازمان هواشناسی کشور و تعدادی از پژوهش‌گران و اعضای هیات علمی دانشگاهها از نقاط مختلف کشور، با توجه به ارتفاع زیاد و دور بودن از منابع آلودگی شهری؛ مکان ایستگاه GAW فیروزکوه را در بلندترین نقطه ارتفاعات امینآباد فیروزکوه از سلسله ارتفاعات قره داغ البرز مرکزی با ارتفاع حدود 3000 متر از سطح دریا انتخاب نمودند و در مأموریت‌های مختلف بهتدریج دستگاهها توسط کارشناسان اعزامی از WMO نصب و از سال 1993 میلادی (1372 هجری شمسی) مورد بهره‌برداری قرار گرفت و دانشمندان متخصص آلودگی جو از مراکز علوم جوی و کنترل کیفی ایستگاههای جهانی مراقبت جو کشورهای آلمان و کانادا برای نصب، راه‌اندازی، کالیبراسیون، بازرسی و کنترل دستگاهها و نحوه اندازهگیری و دیدبانی جوی، در این مرکز حضور یافتهاند.
در این ایستگاه؛ فراسنجهای زیر اندازهگیری میشود:
- کلیه فراسنجهای جوی در شرایط کوهستان
- اندازهگیری ازون وردسپهری (Surface Ozone)
- نمونه‌برداری آئروسلها هم از طریق هوای خشک و هم از طریق ریزشهای جوی
- نمونه‌برداری باران و برف و تجزیه شیمیایی و اندازهگیری PH و نیز تعیین مواد سمی و مواد آلوده‌کننده در ریزشهای جوی
- اندازهگیری کربن سیاه (انتقال آلودگی صنعتی از مناطق دور به تهران)
- اندازهگیری CO و PM10 نیز اخیراً شروع شده است.
ایستگاه سینوپتیک تکمیلی هواشناسی سنجش آلودگی زمینه جو فیروزکوه نیز در سال1372 (1993 میلادی) به منظور دیدبانی و ثبت کلیه فراسنجهای هواشناسی فعّالیت خود را به طور رسمی آغاز کرد. فعالیت سینوپتیکی آن شامل اندازهگیری، ثبت و گزارش فراسنجهای مختلف جوی نظیر سمت و سرعت باد، دما، رطوبت نسبی، فشار، وضعیت ابرناکی، تشخیص پدیدههای مختلف جوی و ... در شرایط کوهستان؛ به صورت 12 ساعته (از ساعت 1UTC 03.00 تا15.00)2 میباشد.
موقعیت جغرافیایی ایستگاه سنجش آلودگی زمینه جو فیروزکوه به طول (E´34 °52) و عرض (N´43 °35) با ارتفاع 2986 متر از سطح متوسط دریا واقع در جاده تهران فیروزکوه -20 کیلومتر مانده به فیروزکوه- راه فرعی به طول 8 کیلومتر در ارتفاعات روستای امینآباد قرار دارد.
شکل شماره 3- نقشه تقسیمات کشوری استان جو فیروزکوه تهران شکل شماره 4- نمایی از ایستگاه سنجش آلودگی زمینه
ویژگیهای اقلیمی ایستگاه در مقیاس کلی همانند سایر بخشهای استان تهران در فصول سرد سال متأثر از سامانههای شمالی و شمال غربی و غربی بهویژه جنوب غربی بوده و ریزشهای جوی آن که از ماههای آبان و آذر آغاز و تا اواسط اردیبهشت ماه ادامه دارد، تابعی از فعّالیت سامانههای فوق میباشد[3]. البته به علت ارتفاع زیاد شروع فصل سرد و بارشها تقریباً یک ماه زودتر آغاز و یک ماه دیرتر پایان میپذیرد و همانطور که در شکل (5) دیده میشود دوره مرطوب از مهر تا اواخر اردیبهشت و دوره خشک از خرداد تا پایان شهریور ادامه دارد. این منطقه در ماههای تابستان به طور متوسط هر ماه حدود 20 میلی متر بارندگی دارد[4].
برخی از مشخصههای اقلیمی ایستگاه سینوپتیک امین آباد فیروزکوه (سنجش آلودگی زمینه جو) در دوره آماری 1370 تا 1390 در جدول (1) درج شده است.
شکل شماره 5- نمودار آمبروترمیک ایستگاه سینوپتیک امین آباد فیروزکوه (سنجش آلودگی زمینه جو)
جدول شماره 1- مشخصههای اقلیمی ایستگاه سینوپتیک امین آباد فیروزکوه در دوره آماری 1370 تا 1390
|
میانگین بارش سالانه (mm) |
بیشینه بارش سالانه (mm) |
کمینه بارش سالانه (mm) |
میانگین دمای سالانه c)°( |
بیشینه مطلق دما c)°( |
کمینه مطلق دما c)°( |
میانگین نم نسبی سالانه (%) |
میانگین ساعت آفتابی سالانه |
جمع تبخیر سالانه (mm) |
میانگین سرعت باد m/s |
جهت باد غالب (درجه) |
تعداد روزهای یخبندان |
بیشینه ارتفاع برف (cm) |
|
4/416 |
7/599 |
9/226 |
1/5 |
6/27 |
23- |
51 |
3110 |
1200 |
3/9 |
225 |
162 |
112 |
دادهها و روش انجام تحقیق
در این تحقیق به منظور بررسی نوسان ماهانه و فصلی ازون سطحی و همچنین رابطه بین فراسنجهای هواشناسی با ازون سطحی، از دادههای ازون سطحی و فراسنجهای هواشناسی، طی دوره آماری 5 ساله (2003- 1999) که براساس استانداردهای دیدبانی هواشناسی توسط کارشناسان بخش دیدبانی و با استفاده از تجهیزات اندازهگیری ازون سطحی و سنجندههای هواشناسی مستقر در ایستگاه مورد مطالعه جمعآوری گردیده؛ استفاده شده است. دادههای ازون سطحی از ایستگاه سنجش آلودگی زمینه جوّ فیروزکوه و آمارهای هواشناسی از اداره کل آمار و فنآوری اطلاعات سازمان هواشناسی کشور اخذ گردیده است. متغیر ازون سطحی مورد بررسی در این تحقیق توسط دستگاه Ozone Analyzer و براساس مقایسه و سنجش "هوای بدون ازون" و "هوای دارای ازون" با سنجه اشعه ماورای بنفش ((UV و با یکای[5]ppb اندازهگیری شده است. فراسنجهای هواشناسی مورد مطالعه شامل: دمای هوا با یکای اندازهگیری درجه سلسیوس (c°)، رطوبت نسبی (%)، سرعت باد (نات)، بارش (میلیمتر)، فشارQFE و QFF (هکتوپاسکال)، میزان ابرناکی (Octa) و ساعت آفتابی با استفاده از سنجندههای هواشناسی مستقر در ایستگاه مذکور و براساس استانداردهای جهانی هواشناسی اندازهگیری شدهاند و در مواردی نیز از پدیدههای جوی قابل ملاحظه و مؤثر در میزان ازون سطحی نظیر نوع بارش، مه، رعد و برق و ... استفاده شده است. برای انجام پژوهش ابتدا دادههای آماری تولید شده و پس از چک نمودن و اطمینان از صحّت دادهها، عملیات محاسباتی انجام شد و سپس به منظور تجمیع دادهها در یک فضا و رسم نمودارهای هم زمان و امکان انجام تحلیلهای آماری، سطح معنیداری، محاسبه همبستگی، رگرسیون و تهیه بانک اطلاعاتی برای کلیه دادههای مورد مطالعه، از ماکروهای Excel و ابزارPivot Table استفاده گردید.
نتایج حاصل از بررسی نوسان ماهانه وفصلی ازون سطحی
در این پژوهش در مجموع برای هر فراسنج به ازای هر ساعت 1808 رکورد (در مجموع 9040 رکورد ثبت شده) مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت. مطابق نتایج به دست آمده میانگین ازون سطحی در ایستگاه PPb 1/54 با دامنه PPb 105 و انحراف معیار 2/10 میباشد. بیشینه ازون سطحی در این ایستگاه به میزان PPb 125 مربوط به ساعتUTC 15 روز 27 می 2002 بوده و کمینه آن نیز با مقدار PPb 20 در ساعتUTC 06 روز 15 نوامبر 2003 ثبت شده است.
شکل شماره 6- نمودار فراوانی مشاهدات ازون سطحی
همان‌گونه که در شکل (6) مشاهده میشود بیشترین فراوانی ازون سطحی مربوط به محدوده ppb 55-46 با 65/40 درصد میباشد. علیرغم ثبت 79 رکورد بالاتر از ppb 85، این مقادیر در مجموع کمتر از یک درصد فراوانی را شامل شده است. همچنین نمودار فراوانی رسم شده نشانگر چولگی این فراسنج به سمت راست میباشد. اینک به منظور سنجش تغییرات ازون سطحی، به بررسی نوسانات ماهانه و فصلی این فراسنج میپردازیم:
تغییرات ماهانه
بررسی میانگین ماهانه ازون سطحی نشان میدهد که کمینه این فراسنج در ماه دسامبر به میزان PPb 2/45 و بیشینه آن در ماه جون به میزان PPb 8/60 به دست آمده است که دامنهای در حد PPb 6/15 را نشان میدهد. همانطور که در شکل (7) مشخص است؛ دامنه تغییرات در ماه دسامبر با PPb 49 کمترین و در ماه مارس با PPb 87 بیشترین مقدار را به خود اختصاص داده است. همچنین انحراف معیار ازن سطحی در ماههای فوریه و دسامبر با PPb 8/5 کمترین و در ماه اکتبر با PPb 6/8 بیشترین مقدار است و نوسان بیشینه این فراسنج در ماههای مختلف زیاد میباشد.
تغییرات فصلی
برای بهار: ماههای آوریل، می و جون (AMJ)، تابستان: ماههای جولای، اگوست و سپتامبر (JAS)، پاییز: ماههای، اکتبر، نوامبر و دسامبر(OND) ، و زمستان: ماههای ژانویه، فوریه و مارس (JFM)، در نظر گرفته شدهاند.
بررسی میانگین فصلی ازون سطحی نشان میدهد که کمینه این فراسنج در فصل پاییز به میزان PPb 3/47 و بیشینه آن در فصل بهار به میزان PPb 0/59 به دست آمده است که دامنهای در حد PPb 3/14 را نشان میدهد. همان‌گونه که در شکل (8) مشخص است؛ دامنه تغییرات در فصل تابستان با PPb 0/68 کمترین و در فصل زمستان با PPb 99 بیشترین مقدار را به خود اختصاص داده است. همچنین انحراف معیار ازون سطحی در فصل تابستان با PPb 2/8 کمترین و در فصل پاییز با PPb 5/10 بیشترین مقدار است و نوسان بیشینه این فراسنج در فصلهای مختلف بیش از نوسان کمینه میباشد که نشان دهنده تأثیرپذیری شدید این فراسنج از دما میباشد.
شکل شماره 7- نمودار تغییرات ماهانه میانگین ازون سطحی طی دوره آماری 2003-1999
شکل شماره 8- نمودار تغییرات فصلی میانگین ازون سطحی طی دوره آماری 2003-1999
رابطه ازونسطحی با فراسنجهای هواشناسی
در این قسمت ابتدا به بررسی میزان همبستگی میانگین ازون سطحی با میانگین ماهانه فراسنجهای هواشناسی پرداخته میشود و سپس به بررسی رابطه تغییرات میانگین ازون سطحی با میانگین فراسنجها در مقیاس ماهانه پرداخته میشود.
جهت بررسی بهتر میزان همبستگی میانگین ازون سطحی با میانگین روزانه فراسنجهای هواشناسی روابط همبستگی مربوطه با مربع ضریب همبستگی و تعداد رکورد هر فراسنج در جدول (2) آورده شده است.
رابطه تغییرات ازون با میانگین ماهانه فراسنجهای هواشناسی در شکلهای (9) تا (17) ترسیم شده است.
مطابق شکلهای (9) و (10) تغییرات ماهانه ازون با مقدار بارش ماهانه و میزان نم نسبی رابطه معکوس دارد. در صورتی که براساس شکلهای (11) و (12) تغییرات دما و تندی باد تاثیری مثبت بر افزایش ازون ماهانه دارند.
جدول شماره 2- روابط همبستگی میانگین ماهانه ازون سطحی با میانگین ماهانه فراسنجهای هواشناسی و ضرایب مربوطه
|
فراسنج |
رابطه |
مربع ضریب همبستگی r2 |
تعداد رکورد N |
|
میانگین ساعات آفتابی(hr) |
y = 0.3022x - 7.7585 |
0.5181 |
60 |
|
میانگین دما (c) |
y = 0.8845x - 42.327 |
0.3289 |
60 |
|
میانگین دید افقی (m) |
y = 94.671x + 6378.3 |
0.1177 |
60 |
|
میانگین فشار سطح ایستگاه (QFE) |
y = 0.1576x + 703.15 |
0.072 |
60 |
|
میانگین تندی باد (Knot) |
y = 0.0106x + 9.6771 |
0.0006 |
60 |
|
میانگین فشار تبدیل شده به سطح دریا (QFF) |
y = -0.8735x + 1061.1 |
0.4936 |
60 |
|
میانگین رطوبت نسبی (%) |
y = -1.4625x + 129.69 |
0.3424 |
60 |
|
میانگین ابرناکی (octa) |
y = -0.0908x + 7.7716 |
0.2082 |
60 |
|
جمع بارندگی (mm) |
y = -1.079x + 87.128 |
0.0454 |
60 |
شکل شماره 9- نمودار تغییرات میانگین ازون سطحی با رطوبت نسبی شکل شماره 10- نمودار تغییرات میانگین ازون سطحی با جمع بارش
شکل شماره 11- نمودار تغییرات میانگین ازون سطحی با تندی باد شکل شماره 12- نمودار تغییرات میانگین ازون سطحی با دما
شکل شماره 13- نمودار تغییرات میانگین ازون سطحی با ساعات آفتابی شکل شماره 14- نمودار تغییرات میانگین ازون سطحی با ابرناکی
براساس شکل (13) مقادیر میانگین ماهانه ازون سطحی در مقابل میانگین ساعات آفتابی ماهانه بطور مستقیم نسبت به ماه قبل تغییر نموده است. این نمودار نقش مستقیم ساعات آفتابی را در افزایش ازون به وضوح نشان میدهد. در حالی که شکل (14) کاهش ازون را با افزایش ابرناکی نشان میدهد.
شکل (15) رابطه مستقیم بین تغییرات ازون سطحی با مقادیر میانگین فشار QFE ماهانه را نشان میدهد ولی براساس شکل (16) با تغییرات فشار QFF ماهانه رابطه معکوس دارد.
شکل شماره 15- نمودار تغییرات ماهانه میانگین ازون سطحی با فشار QFF شکل شماره 16- نمودار تغییرات ماهانه میانگین ازون سطحی با فشار QFE
شکل شماره 17- نمودار تغییرات ماهانه میانگین ازون سطحی با دید افقی
براساس شکل (17) تغییرات ازون با مقادیر میانگین دید افقی ماهانه هم رابطه مستقیم دارد.
در مجموع؛ تغییرات ماهانه ازون با تغییرات دما، ساعات آفتابی، فشار QFE، دید افقی و تندی باد رابطه مستقیم دارد ولی با تغییرات فشار QFF، بارش، نم نسبی و ابرناکی رابطه معکوس دارد.
نتایج و بحث
مطابق نتایج بدست آمده، میانگین ازون سطحی در ایستگاه PPb 1/54 میباشد و نمودار فراوانی نشان میدهد که 70 درصد فراوانی ازون سطحی ایستگاه در محدوده ppb (65-46) قرار دارد و فراوانی رکوردهای بالاتر از ppb 66 کمتر از 12 درصد میباشد، به طوری که علیرغم ثبت 79 رکورد بالاتر از ppb 85، این مقادیر در مجموع کمتر از یک درصد فراوانی را شامل شده است.
از بررسی نوسان ماهانه و فصلی ازون سطحی چنین نتیجه میشود که میانگین ماهانه ازون سطحی از ماه ژانویه شروع به افزایش نموده و در ماه جون به بیشینه خود میرسد. در نیمه دوم سال روند کاهشی تا دسامبر ادامه دارد. نکته قابل ذکر مربوط به کاهش بیش از روند میزان ازون سطحی در ماه جولای میباشد که با بررسی به عمل آمده این کاهش ناشی از غلبه تأثیر فراسنجهای رطوبت نسبی، بارش و ابرناکی نسبت به ماههای قبل و بعد می باشد. ضمن آنکه شکل (13) نیز کاهش میزان ساعت آفتابی ماه جولای (به دلیل افزایش ابرناکی) و در نتیجه کاهش ازون سطحی را تأیید میکند.
بررسی همبستگی بین فراسنجهای هواشناسی با ازون سطحی (جدول 2) بیانگر آن است که فراسنجهای: تندی باد، دما، فشار سطح ایستگاه (QFE) و ساعات آفتابی و دید افقی دارای رابطه مثبت بودند که بهترین رابطه به ساعات آفتابی تعلق گرفت و فراسنجهای بارش، رطوبت نسبی، ابرناکی و میانگین فشار تبدیل شده به سطح دریا (QFF) دارای رابطه منفی بودند که بهترین رابطه به فشار QFF و رطوبت نسبی تعلق گرفت.
نتایج بدست آمده نشان میدهد که فراسنجهای هواشناسی مورد مطالعه؛ روابط معنیداری با تغییرات ازون سطحی دارند و تأثیر نقش هر یک از آنها در میزان ازون سطحی (کاهشی یا افزایشی) به طور جداگانه قابل ملاحظه است. علاوه بر آن؛ گاهی تأثیر توأم دو یا چند فراسنج هم‌سو و یا معکوس؛ در میزان ازون سطحی برجستهتر میشود. به عنوان مثال: تأثیر توأمان بارش و رطوبت نسبی با نقش کاهشی در میزان ازون سطحی، بر نقش افزایشی دمای هوا غلبه میکند. (Angell, J. K., and Korshover, J., 1964, Horvath, M., Bilitzky, L., & Huttner, J. 1985, Kondratyev, K. Y., and Varotsos, C. A., 2000 Nair, P. R., et. Al. 2002)
بررسی تأثیر پدیدههای هواشناسی بر ازون سطحی نشان میدهد که پدیدههای مؤثر بر کدری آسمان و گرد و خاک کاملاً گسترده در افزایش ازون سطحی تأثیر قابل ملاحظهای دارند. از سوی دیگر پدیدههای: دمه، مه و مه یخی و انواع بارشها به ویژه برف با توجه به شرایط ایستگاه، نقش کاهشی خود را به وضوح نشان میدهند.
نتیجهگیری
با توجه به نمودار آمبروترمیک ایستگاه: دوره گرم سال (منظور ماههای با میانگین دمای ماهانه بیش از 10 درجه سلسیوس)، یعنی ماههای خرداد تا شهریور (جون تا سپتامبر)، به جز ماه تیر (جولای)؛ با افزایش ازون سطحی، و دوره سرد سال (منظور ماههای با میانگین دمای ماهانه کمتر از 10 درجه سلسیوس) یعنی بقیه ماههای سال به جز ماه فروردین (آوریل)؛ با کاهش ازون سطحی همراه است که نشان میدهد تغییرات ازون سطحی در طی دورههای گرم و سرد سال معنیدار میباشد.
دوره خشک سال مطابق با ماههای خرداد تا شهریور (جون تا سپتامبر)، با میانگین بارش ماهانه کمتر از 20 میلیمتر که منطبق بر دوره گرم سال نیز میباشد؛ با افزایش ازون سطحی (به جز ماه جولای)، و دوره مرطوب (بقیه ماههای سال) با میانگین بارش ماهانه بیش از20 میلیمتر و منطبق بر دوره سرد سال؛ با کاهش ازون سطحی (به جز ماه مارس) همراه است که نشان میدهد تغییرات ازون سطحی در طی دورههای خشک و مرطوب سال معنیدار میباشد.
کاهش نسبی ازون سطحی در ماههای آوریل و جولای (علیرغم افزایش دما) ناشی از افزایش بارش، افزایش ابرناکی آسمان (کاهش ساعت آفتابی) و افزایش رطوبت نسبی است (Nair, P. R., et al. 2002). از طرفی؛ عامل اصلی افزایش ازون سطحی در ماه مارس علی رغم افزایش بارش به عنوان عامل کاهنده ازون سطحی، ناشی از افزایش ازون جو بالا در فصل بهار و انتقال آن از پوشن سپهر به وردسپهر میتواند باشد (بیدختی و شرعیپور، 1386).
از دیگر یافتههای این تحقیق میتوان به تأثیر نقش شدت تندی باد اشاره کرد که در ایستگاه مذکور شدت تندی باد با جهت جنوب و جنوب غرب نقش فزاینده و شدت تندی باد با جهت شمال شمال شرق به دلیل تزریق رطوبت به منطقه نقش کاهنده در تراکم ازون سطحی دارد. همبستگی مثبت بین تندی باد و ازون سطحی نشان میدهد که هر چه تندی باد بیشتر باشد مقدار ازون افزایش مییابد. به بیانی دیگر باد میتواند هوایی را که دارای ازون و یا سایر آلایندههای بیشتری است؛ از منابع تولید کنندة آنها منتقل کند (.(Nair, P. R., et al., 2002
در مقیاس فصلی بیشترین مقدار میانگین ازون سطحی مربوط به فصل بهار و کمترین مقدار مربوط به فصل پاییز میباشد. همچنین بالاترین بیشینه در فصل بهار و پایین‌ترین کمینه در فصل پاییز رخ داده است. همچنین نمودار نشان میدهد که نوسان بیشینه این فراسنج در فصول مختلف بیش از نوسان کمینه میباشد که نشان‌دهنده تأثیرپذیری شدید این فراسنج از دما میباشد (KLEY et al., 1988)، (بیدختی و شرعی پور، 1386). علت این امر را نیز باید ابتدا در نقش محوری و اصلی ساعات آفتابی (نور خورشید) و دما در واکنشهای فتوشیمیایی تشکیل ازون که به نور خورشید نیازمند است، دانست (Jo, W. K & Park, J. H. 2005). از طرف دیگر با توجه به اینکه یکی دیگر از منابع تولید ازون سطحی، در اثر انتقال و ریزش ازون طبیعی تولید شده در پوشن سپهر به وردسپهر میباشد و ازون جو بالا (پوشن سپهری) در فصل بهار افزایش مییابد؛ میتوان دلیل افزایش ازون سطحی در فصل بهار را به آن نسبت داد
)