مقاله انرژی گرمایی در نواحی قطبی



مقاله:
انرژی گرمایی در نواحی قطبی

فهرست:
مقدمه
تولید انرژی گرمایی در سرزمینهای اطراف قطب
قطب شمال و امکان ناپذیر بودن تولید انرژی
انرژی گرمایی ساخته دست انسان منتقل شده به نواحی قطبی
کشف انرژی در قطب شمال
قطب جنوب، انرژی گرمایی ، سوراخی لایه اوزون
منبع

منبع:
www.daneshnameh.com

مقدمه
برای انسان انرژی گرمایی محسوس ترین انرژی است که از دیرباز در زندگی روز مره با آن سروکار داشته است. حس گرما و سرما، مزایا و مضرات گرمی و سردی انسان را کنجکاو کرد که ماهیت آن را بشناسد. اما تا معادلات تابش الکترومغناطیسی و نحوه ی تولید آنها فرمول بندی نشد، شناخت ماهیت انرژی گرمایی مقدور نشد. با این وجود از نظر فیزیکی، گرما چیزی بیشتر از یک نوع انرژی محسوب نمی شود. اما همه ی انواع دیگر انرژی ها با انرژی گرمایی ارتباط تنگاتنگی دارند.
تولید انرژی گرمایی در سرزمینهای اطراف قطب
بهره گیری از منابع عظیم طبیعی (انرژیهای نو) در جهت تامین نیازهایی از قبیل گرما، سرما، تهویه و آسایش فضاها سالهاست که مورد توجه معماران بوده و مهمترین اصول معماری پایدار نیز بر همین امر استوار است. در حقیقت ساخت و ساز پایدار، خلق محیطی سالم برپایه کارآیی منابع و اصول اقلیمی است و هدف آن کاهش تاثیر ساخت و ساز بر محیط پیرامون است. از میان این نوع منابع تجدید پذیر، میتوان انرژی ژئو ترمال یا زمین گرمایی را عنوان نمود . چشمه های آب گرم جهنده و فواره های بخار ، صور نمایشی این منبع انرژی هستند که در هر زمان مورد استفاده مردمان بوده و امروزه سعی در بهره برداری از این انرژی بصورت مدرن و در اندازه های بیشتر است. در حقیقت آنچه آن را انرژی پاک اعماق خاک نامیده اند، حرارت درون زمین است که در طول عمر زمین در هسته آن، ذخیره شده است. در ایران امکان استفاده از منابع انرژی زمین گرمایی بصورت مستقیم در مناطق دماوند، سبلان، ماکو، خوی و سهند وجود دارد. پیشروان استفاده از انرژی ژئوترمال ایتالیا، زلاندنو، آمریکا، فرانسه، ژاپن، ایسلند و مجارستان هستند. در سال ۱۹۰۴، نخستین بار در ایتالیا از انرژی زمین گرمایی برای تولید برق استفاده شد و در حال حاضر، میزان تولید برق از انرژی ژئوترمال ۱/۰ درصد کل انرژی جهان است. در سال ۱۹۹۶ کل ظرفیت نصب شده انرژی زمین گرمایی در ۵۲ کشور جهان به ۶۵۰۰ مگاوات برق (Mwe) رسید و جمع برق تولیدی، افزون بر ۳۸ هزار گیگاوات ساعت (GWH) شد. امروزه استفاده از این منبع رو به افزایش و علاوه بر مصارف صنعتی و تولید برق برای گرمایش مکان ها و محله های مسکونی نیز کاربرد دارد. انرژی ژئوترمال یا زمین گرمایی مانند انرژی خورشید، بی پایان است و شامل:
1- مخازن هیدروترمالی یا آب گرم (تقریبا دو برابر انرژی مخازن نفت جهان)
2- سنگهای گرم (حدود 6000 برابر انرژی مخازن نفت جهان)
3- مخازن ماگمایی (حدود 80 برابر انرژی مخازن نفت جهان) است.
سان برناردنیو (San Bernardina) واقع در جنوب کالیفرنیا، از آب گرم زیرزمینی برای گرم نمودن ساختمان ها در زمستان استفاده می شود. آب گرم از طریق لوله های روکش دار به صدها ساختمان عمومی منتقل می شود. ساختمان شهرداری، پناهگاه حیوانات، خانه سالمندان، آژانسهای املاک، هتل ها و مراکز همایش، بعضی از ساختمانهایی هستند که نظیر گرمایش انستیتو تکنولوزیOregon توسط گرمای منطقه ای ژئوترمال (تصویر4) بدین طریق گرم می شوند. در زندگی کنونی Beppuژاپن نیز، آب و حرارت ژئوترمال را در ساختمان و کارخانجات استفاده می کنند. این منطقه با داشتن 4000 چشمه آب گرم و تسهیلات استحمام سالانه 12 میلیون توریست جذب می کند (تصویر5). بیشتر ساختمان ها و حتی استخرهای شنا در شهر ریکجاویک به کمک آبهای زمین گرمایی گرم می شوند. در کشور ایسلند حداقل 25 آتشفشان فعال و تعداد زیادی چشمه آب گرم و آبفشان وجود دارد.
سیستم های خانه سازی Enertia ، اسکاندیناوی
شرکت Enertia سیستمی از ساخت و ساز را ارائه می کند که در آن جداره ها از جنس دیواره های چوبی قاب بندی شده می باشند. محفظه ای نیز دور تا دور ساختمان را فرا گرفته است. هوای گرم شده توسط انرژی حرارتی زمین از سطح زیرین به گردش درآمده و در دیواره های حجیم چوبی ذخیره می شود(تصویر12). این سبک ساختمان سازی بیشتر در کشورهای اسکاندیناوی رایج است و شایان ذکر است که این گونه بناها پایداری بسیاری دارند.عمل استخراج گرمای مفید در این گونه بناها از طریق ذخایر حرارت زمینی یا هوای بیرونی توسط پمپ گرمایی برقی انجام می شود.( نکته قابل ملاحظه در مورد کف حرارتی این ساختمان ها است، چرا که وقتی پای ما گرم می شود تمام نقاط بدن ما احساس گرما می کند).
قطب شمال و امکان ناپذیر بودن تولید انرژی

درحال حاضر قطب شمال جزء قلمرو سرزمینی هیچ کشوری نیست و تحت نظارت یک کمیسیون سازمان ملل قرار دارد. پنج کشوری که با قطب شمال دارای مرز آبی هستند- یعنی روسیه، امریکا، کانادا، نروژ و دانمارک- هر یک 200 مایل از آب هایی را که میان خط ساحلی خود و قطب شمال قرار دارد، تحت کنترل خود دارند. اما هیچ یک از این نواحی 200 مایلی به قطب شمال و منابع انرژی آن نمی رسد.بر اساس کنوانسیون 1982 دریاهای آزاد سازمان ملل متحد، محدوده آب های ساحلی هر کشور تنها در صورتی می تواند گسترش پیدا کند که آن کشور بتواند ثابت کند فلات قاره ای بستر دریایی که در امتداد خط ساحلی آن کشور قرار دارد، امتداد طبیعی خاک و قلمرو آن کشور است. این ادعا از طریق مطالعات زمین شناسی و شناسایی ساختارهای زمین قابل اثبات است.به دلیل امکان پذیر نبودن سکونت در قطب شمال و نبود هیچ گونه سیستم گرمایشی و امکان ناپذیر بودن چنین انرژی سکونت در این قطب غیرقابل امکان بوده و دانشمندان در پی تلاش برای دستیابی به دانشی مبنی بر تولید این انرژی در این ناحیه قطبی هستند.
انرژی گرمایی ساخته دست انسان منتقل شده به نواحی قطبی
زمانی در قطب شمال برودت هوا به حدی بود که کسی نمی توانست زمستان ها در هوای آزاد نفس بکشد و یخ ها در تمام طول سال به اندازه ای قطور بود که سوراخ کردن و نفوذ به آب های زیر آن غیرممکن بود، چه برسد به اینکه کسی به فکر علم کردن دکل حفاری و استخراج نفت بیفتد. اما در این چند دهه اخیر روند گرمایش زمین هر سال چند درجه به درجه حرارت قطب اضافه کرده و چند سانتی متر از قطر یخ های آن کم کرده است.در واقع تمام فعالیت های صنعتی انسان از قرن نوزدهم به بعد، موجب تولید میزان فراوانی از گاز دی اکسیدکربن و دیگر گازهایی شده است که اکنون چون یک عایق حرارتی، از خروج گرمای کره زمین جلوگیری می کنند و هر سال چند درجه بر متوسط درجه حرارت کره زمین اضافه می کنند. الکسی مالشنکو مدیر مرکز تحقیقاتی کارنگی در مسکو می گوید؛ "نخستین دلیل این اقدام روسیه، روند گرمایش زمین است که به احتمال قوی طی چند دهه آینده باعث خواهد شد تا بخش های وسیعی از قطب شمال به لحاظ اقتصادی و بهره برداری از انرژی قابل بهره برداری شود."
آناتولی ساگلویچ یکی از دانشمندانی که برای جمع آوری شواهد علمی در جریان سفر تحقیقاتی 45 روزه دانشمندان روس سوار بر زیردریایی های میر 1 و میر 2 به اعماق آب های قطب جنوب رفت، می گوید این نخستین سفر زیردریایی های حامل سرنشین به زیر کلاهک یخی قطب شمال بوده است. اما به گفته ساگلویچ هدف نهایی و بلندمدت، عادت کردن به کار دائم در محیط قطب شمال است. ساگلویچ می گوید؛ "منطقه قطب شمال به لحاظ منابع طبیعی بسیار غنی است، اما تا به حال شیوه ای برای بهره برداری از این منابع پیدا نشده است. ما سعی می کنیم تا این مشکل را حل کنیم." با وجود تمام فعالیت های صنعتی انسان و گرمایش زمین در حال حاضر نیز مجمع الجزایر قطب شمال که به وسیله دریاهای یخ زده به هم متصل شده اند، دارای زمستان های طولانی و بسیار سرد است و برودت هوا گاه تا 70 درجه زیر صفر هم می رسد. اما چرا جایی مانند قطب شمال که هیچ گاه محل سکونت انسان (به رغم وسعت این منطقه، ساکنان قطب شمال بین 2 تا 4 میلیون نفر تخمین زده می شوند) و دیگر جانوران نبوده است، این همه منابع نفتی را در بستر خود جای داده است؟ مگر نه اینکه نفت حاصل تجزیه و ترکیب مواد آلی موجود در بدن جانوران و گیاهان است؟ هر چند از قبل تصور می شد که در بستر دریاهای قطب شمال منابع انرژی نهفته باشد، اما نخستین بار در سال 2004 بود که دانشمندان به مدارک و اسناد علمی در این زمینه دست یافتند. در نوامبر سال 2004 یک گروه دانشمند بین المللی از چند کشور جهان با سفر به قطب شمال و حفاری و لایه برداری از رسوبات بستر آن تا عمق 55 متری، به مدارک جدیدی دست یافتند که همه تصورات قدیمی در مورد قطب شمال را ابطال می کرد. با بررسی رسوبات جمع آوری شده در جریان این سفر که در اصل برای بررسی تاثیر گرمایش زمین و تغییرات آب و هوایی در چند میلیون سال گذشته در قطب جنوب صورت گرفته بود، دانشمندان متوجه شدند قطب شمال میلیون ها سال پیش دریایی گرم و به لحاظ بیولوژیکی غنی بوده است. غنای مواد ارگانیک و پلانکتون هایی که در میان رسوبات جمع آوری شده از بستر قطب شمال به دست آمد، دانشمندان را شگفت زده کرد و بیش از همه مورد توجه متخصصان فعال در حوزه های نفت و انرژی قرار گرفت. به این ترتیب سفری که با نیت خیر بررسی تغییرات آب و هوایی در قطب شمال آغاز شده بود، به لبخند آزمندانه کمپانی های نفتی ختم شد.
کشف انرژی در قطب شمال
گروهی از دانشمندان دوباره رصدخانه فضایی چاندرا را به سمت زمین بازگرداند تا مطالعات خود برروی قطب شمال را تکمیل نمایند.

این گروه از دانشمندان 10 بار در دوره های چهار ماهه بوسیله این تلسکوپ فضایی به مشاهده قطب شمال مغناطیسی زمین پرداختند و موفق به کشف اشعه های ایکس کم انرژی در این ناحیه شدند.همانطور که در تصویر مشاهده می شود این قوس از اشعه ای ایکس در طول پدیده شفق قطبی تولید می شوند و انرژی بسیار پایینی در سطح 1/0 الی 10 کیلو ولت دارند.این درحالی است که دیگر ماهواره فقط توانسته بودند اشعه های ایکس تولید شده با انرژی بالا را در شفق قطبی آشکار نمایند.هر کدام از این عکس ها در مدت زمان 20 دقیقه و در هنگام بروز شفق از قطب شمال گرفته شده است و در آن ها رنگ قرمز نشان دهنده ماکزیمم روشنایی در هر قوس از اشعه ایکس می باشد.شفق های قطبی در اثر برخورد ذرات پر انرژی با جو زمین صورت می گیرد . این ذرات پر انرژیِ معمولا الکترون هایی هستند که در اثر فعالیت های خورشید به سمت زمین می آیند و سپس بوسیله میدان های مغناطیسی زمین به دو قطب منحرف می شوند.

قطب جنوب، انرژی گرمایی ، سوراخی لایه اوزون
خورشید تنها ستاره منظومه شمسى مى باشد که کرات وسیارات در اطراف آن مى چرخند و از انرژى آن استفاده مى کنند.زمین نیز یکى از کراتى است که در اطراف خورشید در حال حرکت است .فاصله میان زمین و خورشید حدود 149.800.000کیلومتر مى باشد ، که در این فاصله،زمین حدود 9^10×95/1 وات انرژى ازخورشید دریافت مى کند که ما تنها کسرى از آن (0000002/0) را استفاده مى کنیم . نور خورشید 27/8 دقیقه طول مى کشد که به زمین برسد.از صد در صد نورى که به زمین مى تابد تنها 30% آن بر اثر ذرات و مولکول هاى موجود در لایه هاى بالایى منعکس مى شوند بقیّه آن ها از لایه ها زمین عبور مى کنند و به زمین مى رسند.در واقع مى توان به جرات گفت که حدود99%انرژى که به زمین مى رسد از خورشید وبقیه آن از ماه و کرات دیگر مى باشد. نور سفید خورشید از میلیاردها میلیارد رنگ تشکیل شده است که هر کدام از این رنگ ها داراى طول موج و انرژى مخصوص به خود مى باشند، وما هنگامى که این نور را تفکیک مى کنیم به هفت رنگ تجزیه مى شوند که هر کدام از این رنگ ها از میلیاردها رنگ تشکیل شده اند…
پرتوهاى فوق بنفش داراى طول موج کوتاه و انرژى زیاد مى باشند .پرتوهاى فوق بنفش با انرژى زیادى که دارند براى تمام موجودات زنده خطرناک مى باشند وموجب سرطان پوست یا آفتاب سوختگى مى شوند .خوشبختانه زمین در برابر این پرتوى خطرناک، محافظى بنام لایه اوزون دارد که از ورود پرتوهاى خطرناک به سطح زمین جلوگیرى مى کند. مولکول اوزون (o3)از یک مولکول اکسیژن و یک اتم اکسیژن که ناپایدار و واکنش پذیر مى باشد، تشکیل شده است . پیوند میان مولکول اکسیژن و اتم اکسیژن در مولکول اوزون بسیار ضعیف مى باشد و ممکن است با کوچکترین برخورد از هم جدا ویا با دریافت کوچکترین انرژى به حالت اولیه خود برگردند . لایه اوزون در لایه استراتوسفر زمین قرار دارد .در شب ها به دلیل عدم دسترسى به انرژى تابشى خورشید، ضخامت لایه اوزون کمتر از ضخامت آن در روز ها مى باشد. هنگامى که پرتوهاى فوق بنفش به مولکول ها اوزون برخورد مى کنند، پرتو هاى فوق ـ بنفش مقدار زیادى از انرژى خود را از دست مى دهند وبه پرتو هاى فرو سرخ تبدیل مى شوند ، و همچنین بر اثر این برخورد ، مولکول اوزون به مولکول اکسیژن واتم اکسیژن تبدیل مى شود و با تابش مجدد نور خورشید ، مولکول اوزون دوباره پدیدار مى شود. مولکول هاى اوزون هرچند که براى ما مفید هستند اما وجود آن ها در لایه تروپوسفر (لایه اى که ما در آن زندگى مى کنیم) بسیار خطرناک مى باشند. نیتروژن هاى پراکسید خارج شده از اگزوز موتورهاى دیزلى بر اثر تابش نور خورشید (عمل فتو شیمیایى) با مولکول هاى اکسیژن واکنش مى دهند و مولکول هاى اوزون را پدیدار مى کنند . چون در مولکول هاى اوزون اتم هاى اکسیژن فعال (رادیکالى) وجود دارد ، تنفس آن ،موجب اختلال در دستگاه تنفسى مى شود . حفره اوزون تا سال 1980میلادى از سوراخى لایه اوزون خبرى نبود ؛ اما در سال 1985م ، دانشمندان از نازک شدن لایه اوزون در قطب جنوب خبر دادند. در آن زمان با تحقیقات انجام شده علت نابودى مولکول هاى اوزون را ،گاز هاى cfc (کلر و فلوئور و کربن) مى دانستند. گاز هاى cfc بعنوان گاز هاى خنک کننده در یخچال ها ،کولرها و همچنین در مواد پلاستیکى مورد استفاده قرار مى گیرند . در cfc ها اتم هاى کلر ناپایدار و واکنش پذیر مى باشند و هنگامى که گاز هاى cfc به لایه هاى بالا مى روند ، در لایه هاى بالا بر اثر برخورد با نور خورشید ،گاز هاى کلر آزاد مى شوند. اتم هاى کلر در لایه استراتوسفر با مولکول هاى اوزون واکنش مى دهند. هر اتم کلر به تنهایى مى تواند 100.000 مولکول اوزون را از بین ببرد . به همین دلیل در گستره جهانى ،در سازمان ملل متحد ،در معاهده اى بنام معاهده مونترال کشورها متعهد شدند که از تولید و فروش گاز هاى cfc خوددارى کنند ،و همچنین به کشور هاى فقیر این امکان را بدهند که بجاى استفاده از گاز هاى cfc ، از گاز هاى خنک کننده دیگرى استفاده کنند. ما مى دانیم که بیشترین کشور هاى صنعتى در نیم کره شمالى قرار دارند ، پس چرا در قطب جنوب لایه اوزون سوراخ شده است ؟! برای پاسخ به این سوال ، پژوهش های زیادی انجام شده است که بعضی از این پژوهش ها تاکنون در دست تحقیق است .
اخیراً دانشمندان علت ایجاد حفره در لایه اوزون را گرداب های سنگین ، که در قطب جنوب جریان دارند ، می دانند . در زمستان در طول شبهای قطبی، نور خورشید درتمام سطح قطب جنوب در دسترس نیست ، به همین دلیل در این قطب در لایه استراتوسفر طوفان هاى سنگینی گسترش مى یابند که به آن ها "گرداب قطبی"(polar vortex) مى گویند . گرداب قطبی می تواند ذرات سازنده هوا را تجزیه کند .این گرداب ها باعث ایجاد ابرهاى سردی می شوند که بر فراز قطب جنوب جریان می یابند. که به این ابرها "ابر استراتوسفر قطبی" (polar stratosphere cloud) می گویند.اختصار آن psc است. Ps cها بسیار سرد هستند و دمای آن ها حدود 80- سیلسیوس است.* Ps c از نیتریک اسید تری هیدرات (nitric acid trihydrate) تشکیل شده است و با ابرهایی که ما آن ها را در آسمان می بینیم کاملاً متفاوتند. پس این ابرهای اسیدی می توانند لایه اوزون را تخریب کنند. "بنایراین با استناد به تحقیقات انجام یافته ،موارد زیر را می توان از عوامل موثر در تخریب لایه اوزون دانست:
1) محور زمین به گونه اى مى باشد که نور خورشید به قطب شمال بیشتر از قطب جنوب مى تابد به همین دلیل ضخامت لایه اوزون در قطب شمال بیشتراز ضخامت آن در قطب جنوب مى باشد ( زیرا ما گفتیم که پیوند میان مولکول اکسیژن و اتم اکسیژن در مولکول اوزون بسیار ضعیف مى باشد و ممکن است با کوچکترین برخورد از هم جدا ویا با دریافت کوچکترین انرژى(مانند انرژى تابشى خورشید ) به حالت اولیه خود برگردند)
2)از مورد دوم نتیجه مى گیریم که هواى قطب جنوب سردتر از هواى قطب شمال مى باشد ، بنابراین هواى گرم هنگامى که بر اثر جریان هایى به قطب جنوب مى روند ، چون سبک مى باشند ،به سمت بالا مى روند و موجب نابودى لایه هاى اوزون برفراز قطب جنوب مىشوند.
3) در زمستان نور خورشید کاملاً در تمام سطح قطب جنوب در دسترس نمی باشد، واین امر باعث کاهش دما و تشکیل ابرهای psc می شود .
4) ابرهای psc اسیدی هستند و به همین دلیل آن ها به لایه اوزون آسیب می رسانند" لایه اوزون قسمتی از استراتوسفر است که حاوی اوزون است. اوزون توانایی جالب توجهی در جذب برخی از فرکانس های اشعه فرابنفش دارد. لایه اوزون زیاد چگال نیست. اگر آنرا درتراپوسفر متراکم شود ضخامت آن تنها در حد چند میلی متر می شود.اوزون در جو زمین عموما توسط شکستن مولکول دو اتمی اکسیژن به دو اتم تنها بوسیله نور فرابنفش بوجود می آید. اکسیژن تک اتمی با اکسیژن نشکسته ترکیب می شود و اوزون را بوجود می آورند. مولکول اوزون ناپایدار است و هنگامی که نور فرابنفش به آن برخورد می کند به یک مولکول اکسیژن و یک اکسیژن اتمی شکسته می شود. به این فرآیند مداوم واکنش زنجیره ای اوزون اکسیژن نامیده می شود. بدین ترتیب لایه اوزون در استراتوسفر بوجود می آید.
بر اساس تحقیقات دانشمندان لایه اوزون بر فراز قطب جنوب ، در میانه دهه 60 تا حد زیادی رقیق شده است. دانشمندان میزان مواد "محافظ در برابر نور" را که گیاهان را از آسیب نور مصون میدارند ، اندازه گیری کردهاند. مطالعه این مواد راه تازهای را برای بازسازی چگونگی نوسان اوزون موجود در استراتوسفر پدید آورده است. این کار ممکن است مشخص کند که آیا رقیق شدن لایه اوزون فرآیندی دوره ای است و آیا کلرو فلئورو کربنها ، تنها عاملی هستند که سبب ایجاد حفره در لایه اوزون می شوند یا نه. فلاوونوئیدها در برابر اندک افزایشی در تابش نور فرابنفش بسیار حساس اند. بنابرین ، غلظت آنها با میزان نور فرابنفش به صورت خطی تغییر می یابد ، بدین معنی که دو برابر شدن غلظت نور فرابنفش باعث دو برابر شدن غلظت فلاوونوئید می شود. کنت مارکهام مقدار فلاوونوئید را در نمونه های خزهای که در اختیار داشت، اندازه گیری کرد. نتیجه های به دست آمده وجود حفره اوزون را که در دهه 80 اعلام شده بود ، تایید کردند. آنگاه مارکهام ، مقدار اوزون رسیده به زمین بین سالهای 1964 و 1986 را در قطب جنوب اندازه گیری کرد. او این اندازه گیری را با مقدار فلاوونوئید نمودار خود در همان مدت مقایسه کرد و بدین نتیجه رسید که این مقدارها تقریباً تصویر آیینه ای یکدیگرند. فلاوونوئیدها ، ترکیباتی هستند که گیاهان را از آسیب نور خورشید محفوظ می دارند. غلظت آنها در خزه ، هنگامی که اوزون رقیق باشد ، زیاد و هنگامی که اوزون به مقدار کافی باشد کم است. بنابر نظریه مارکهام ، حتی مقدار زیاد و غیر منتظره تابش نور فرابنفش در میانه دهه 60 ، که داده های مربوط به فلاوونوئیدها نشان می دادند ، به صورت کاهش میزان اوزون و در همان موقع مشاهده می شود.

8