يمكن لأشعة الشمس تحويل دخان خشب الصنوبر المشتعل إلى زجاج

لماذا يمكن أن يتصرف دخان الحرائق البرية كأنّه زجاج

لا تقتصر الحرائق البرية على تغميق السماء لبضعة أيام ثم الزوال. قطرات دقيقة في الدخان يمكن أن ترتفع إلى طبقات عالية من الغلاف الجوي، حيث تؤثر على جودة الهواء وتكوين السحب وحتى طبقة الأوزون التي تحمينا من الإشعاع الضار. تستعرض هذه الدراسة انعطافة غير متوقعة: تحت ضوء الشمس المستمر، يمكن أن تتصلب بعض جزيئات الدخان الناتجة عن احتراق خشب الصنوبر في حالة تداعٍ جزئي إلى مادة شبيهة بالزجاج، مما يغير طريقة تفاعلها مع الهواء والمواد الكيميائية المحيطة.

من حرائق الغابات إلى الجسيمات المحمولة جواً

عندما تحترق الغابات، تطلق أعدادًا هائلة من الجسيمات المجهرية المعروفة باسم الهباء العضوي الناتج عن حرق الكتلة الحيوية. تشكّل هذه الجسيمات بالفعل جزءًا كبيرًا من الضباب العضوي العالمي ويمكن أن يرفعها اضطراب الجو الناجم عن الحرائق حتى إلى الستراتوسفير، حيث يمكن أن تبقى لعدة أشهر. بينما تطفو، تتعرض الجسيمات للأشعة فوق البنفسجية للشمس. يعرف العلماء أن الحالة الفيزيائية لهذه الجسيمات—سواء كانت سائلة أو نصف صلبة أو زجاجية—يمكن أن تؤثر بشدة على كيفية تأثيرها في المناخ والسحب والأوزون. ومع ذلك، حتى الآن لم يقِس أحد بشكل مباشر كيف يغيّر التعرض البسيط للضوء فوق البنفسجي قوام وبنية جزيئات الدخان الحقيقية الناتجة عن الحرائق.

مراقبة الجسيمات وهي تغير الشكل وتياراتها

أنتج الباحثون دخانًا عن طريق حرق خشب الصنوبر ببطء في المختبر وجمعوا الجسيمات على شرائح زجاجية خاصة. باستخدام ميكروسكوب فلوري قوي، فحصوا الجسيمات قبل وبعد تسليط ضوء فوق بنفسجي بطول موجي 300 نانومتر عليها لفترات تحاكي ما يصل إلى نحو تسعة أيام مشمسة في الطبقات المنخفضة من الغلاف الجوي. أظهرت الجسيمات غير المعرضة منطقَتين رئيسيتين: قلب داخلي أكثر جذبًا للماء وطبقة خارجية أكثر طردًا للماء. بعد عدة أيام من ضوء الشمس المحاكى، ظهر، مع ذلك، غلاف خارجي ساطع جديد يحيط بكل جزيء بطبقة مميزة بسماكة عدة ميكرومترات.

قطرات الدخان التي تتوقف عن التدفق

لاختبار سهولة تدفق هذه الجسيمات، استخدم الفريق أسلوب «الوخز والمراقبة». نقروا برفق جزيئات فردية بإبرة دقيقة وسجلوا السرعة التي يغلق فيها الانبعاج الناتج. تصرفت الجسيمات الطازجة كسوائل كثيفة لكنها متدفقة: اختفى الثقب الموثوق فيه في أقل من ثانية، مما يشير إلى مقاومة منخفضة نسبيًا للتدفق. كانت الجسيمات المعالجة بأشعة الشمس مختلفة بشكل كبير. بعد بضعة أيام من التعرض للأشعة فوق البنفسجية، أُغلِقَت الثقوب ببطء أكبر بكثير، ما يعني أن المادة أصبحت أكثر لزوجة بعدة آلاف إلى عشرات الآلاف مرة. بعد ما يقرب من تسعة أيام مكافئة من ضوء الشمس، تسبب الوخز في تشقق الطبقة الخارجية إلى شظايا لم تُلتئم، حتى عند مراقبتها لساعات. أظهرت الحسابات أن هذا الغلاف المتصدع كان أكثر لزوجة من الماء بمقدار مئة مليون مرة على الأقل—فعليًا زجاج. ومن اللافت أن هذه الشظايا الصلبة حافظت على حواف حادة حتى عند رطوبة نسبية تقارب 60 بالمائة، مما يدل على أن الغلاف الزجاجي يبقى قائمًا حتى في هواء رطب إلى حد ما.

كيمياء تبني جزيئات أثقل وأكثر لزوجة

لماذا يخلق ضوء الشمس هذا الغلاف الزجاجي؟ أظهر قياس طيف الكتلة عالي الدقة أن التعرض للأشعة فوق البنفسجية يحوّل كيمياء الجسيمات نحو جزيئات أكبر وأكثر غنى بالأكسجين. ارتفع الوزن الجزيئي المتوسط، وكذلك نسبة الأكسجين إلى الكربون. أظهرت أبحاث سابقة أن الجزيئات العضوية الأثقل والأكثر تأكسدًا تميل إلى جعل المواد أكثر لزوجة. يقترح المؤلفون أن ضوء الشمس يحفّز تفاعلات في مجموعات الكربونيل الشائعة ومن خلال مسارات ما يُسمى بالتحفيز الضوئي، مكونًا أنواعًا تفاعلية تربط الشظايا الصغيرة لتكوّن هياكل أكبر وتضيف الأكسجين. ولأن ضوء 300 نانومتر لا يخترق بعمق في الجسيمات الكبيرة المخبريّة، تصلبت فقط الطبقات الخارجية بضخامة قليلة ميكرومترات إلى زجاج. لكن جزيئات الدخان الحقيقية في الغلاف الجوي أصغر بكثير، لذا قد يحول ضوء الشمس غالبية كل جسيم بدلاً من السطح فقط.

ماذا يعني ذلك للمناخ وطبقة الأوزون

بدمج قياساتهم مع بيانات من نماذج المناخ العالمية حول الحرارة والرطوبة، يقدّر المؤلفون أن دخان الحرائق البرية المعالج بالأشعة فوق البنفسجية من المرجح أن يكون زجاجيًا عبر أجزاء كبيرة من الطبقة الحرة للغلاف الجوي والستراتوسفير، غالبًا خلال أقل من أسبوع تقريبًا من التعرض. في العديد من المناطق، يجعل ذلك الجسيمات أكثر لزوجة حتى ثمانية أوامر من الضخامة مقارنةً بعدم حدوث شيخوخة بفعل الأشعة فوق البنفسجية. هذه الصلابة تبطئ حركة الغازات والجزيئات التفاعلية داخل الجسيمات، مما قد يؤخر تلاشي الكربون البني الذي يمتص ضوء الشمس، ويغير كيفية نقل الملوثات، ويعيق التفاعلات الكيميائية الرئيسية التي تتحكم بالأوزون في الطبقات العليا من الغلاف الجوي. ببساطة، تُظهر الدراسة أن ضوء الشمس يمكن أن يحول أجزاء من دخان الحرائق إلى خرز زجاجي ميكروسكوبي، معيدًا تشكيل دورها في مناخ الأرض ودرع الأوزون الواقي بطريقة دقيقة لكن قوية.

الاستشهاد: Golay, Z.M., Vandergrift, G.W., Kamal, S. et al. Sunlight can turn smoldering pine wood smoke into a glass. npj Clean Air 2, 29 (2026). https://doi.org/10.1038/s44407-026-00070-9

الكلمات المفتاحية: دخان الحرائق البرية, الهباء الجوي الجوي, تقدّم بفعل ضوء الشمس, جسيمات زجاجية, الأوزون والمناخ