تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب
عنوان                                                 صفحه

چکیده………………………1

فصل اول            2

1-1    مقدمه      2

1-2    آمارپسماند. 3

1-3    روش­های حذف پسماند. 3

1-3-1   روش دفن زباله. 3

1-3-2   روش سوزاندن پسماند. 4

1-3-3   تبدیل پسماند به کمپوست… 4

1-3-4   بازیافت    4

1-3-5   پیرولیز. 5

فصل دوم :مروری بر مطالعات انجام شده. 6

2-1    طبقه بندی پلیمرها 6

2-1-1   الاستومرها 6

2-1-2   پلاستیک­ها 10

2-1-3     شکست پلی اتیلن.. 13

2-2    انواع تخریب    13

2-3    پیرولیز پلاستیک­ها و رابرها 14

2-4-1     محصولات جانبی پیرولیز. 15

2-5    آزمون­های مورد استفاده در پیرولیز. 16

2-5-1   گرماوزن سنجی حاصل از پیرولیز تایرهای ضایعاتی با سرعت حرارت دهی بالا.. 16

2-5-1   بررسی نمودارهای گرما وزن سنجی.. 17

2-6    کاتالیست­های مورد استفاده در پیرولیز. 21

2-6-1   کاتالیست غربال مولکولی   21

2-6-2   مقدار کاتالیست… 23

2-7    سرعت همزن. 27

2-8      پارامترهای فرآیندی مؤثر بر پدیده پیرولیز پلی الفین ها 28

2-8-1   تأثیر دما برروی فرآیند پیرولیز. 28

2-8-2   تأثیر کاتالیست برروی فرآیند پیرولیز. 32

2-8-3   تأثیر گازهای حامل بر فرآیند پیرولیز. 36

2-8-4   تأثیر سرعت همزن بر روی فرآیند پیرولیز. 38

2-9    چند مثال مختلف از پیرولیز. 40

فصل سوم: مواد و روش­ها 42

3-1    روش­های آزمون. 42

3-1-1  روش انجام آزمون پیرولیز. 42

3-1-2   روش انجام آزمون با بهره گرفتن از دستگاه گرماوزن سنجی 43

3-1-3  دستگاه کروماتوگرافی گازی.. 44

3-2    مواد آزمون. 44

3-2-1   استایرن بوتادین رابر. 44

3-2-2   پلی بوتادین رابر. 45

3-2-5   کاتالیست H-Mordenite. 47

3-2-6   کاتالیست  HZSM-5. 47

3-2-7   پلی اتیلن سنگین.. 48

فصل چهارم: تحلیل نتایج و بحث   ……….. 49

4-1    مقدمه      49

4-2    پیرولیز پلی اتیلن سنگین   49

4-2-1   پیرولیز حرارتی  پلی اتیلن سنگین.. 50

4-2-2   پیرولیز کاتالیستی پلی اتیلن سنگین.. 50

4-3    پیرولیز پلی پروپیلن.. 55

4-3-1   پیرولیز حرارتی پلی پروپیلن.. 55

4-3-2   پیرولیز کاتالیستی پلی پروپیلن.. 56

4-4    پیرولیز پلی بوتادین رابر. 60

4-4-1   پیرولیز حرارتی پلی بوتادین رابر. 60

4-4-2   پیرولیز کاتالیستی پلی بوتادین رابر. 60

4-4-3   تأثیر درصدکاتالیست FCC بر پیرولیز پلی بوتادین رابر. 66

4-4-4   بررسی روند تغییرات دما طی فرآیند پیرولیز پلی بوتادین رابر. 69

4-5    پیرولیز استایرن بوتادین رابر. 71

4-5-1   پیرولیز حرارتی استایرن بوتادین رابر. 71

4-5-2   پیرولیز کاتالیستی استایرن بوتادین رابر. 72

4-5-3   بررسی تأثیر درصد کاتالیست FCC بر پیرولیز استایرن بوتادین رابر. 76

4-7     نتایج آزمون گرما وزن سنجی.. 84

4-7-1   بررسی تخریب پلی بوتادین رابر با بهره گرفتن از گرما وزن سنجی.. 84

4-7-2   بررسی تخریب استایرن بوتادین رابر با بهره گرفتن از گرما وزن سنجی.. 90

فصل 5 : نتیجه گیری و پیشنهادات    93

5-1    نتایج        93

5-2    پیشنهادات    96

ضمائم      97

مراجع    121

فهرست اشکال

شکل ‎1‑1 شکل درصد پسماندهای تولیدی در انگلیس. 3

شکل ‏2‑1 مقایسه­ منحنی­های گرما وزن سنجی برای پیرولیز حرارتی و کاتالیستی پلی پروپیلن با سرعت حرارت دهی K/min10،تحت گاز نیتروژن 17

شکل ‏2‑2 منحنی های کاهش وزن تخریب پلی پروپیلن با کاتالیست FCC در سرعت های حرارت دهی مختلف 18

شکل ‏2‑3 منحنی های کاهش وزن تخریب پلی پروپیلن با کاتالیست FCC و کاتالیست های بازیابی شده 19

شکل ‏2‑4 منحنی های کاهش وزن TG در تخریب پلی پروپیلن با کاتالیست FCC و کاتالیست های کک­دار شده 20

شکل ‏2‑5  منحنی گرما وزن سنجی  در تخریب الاستومرNR/SBR با سرعت حرارت دهی 40 درجه سانتی گراد بر دقیقه 21

شکل ‏2‑6 درصد محصول مایع حاصل از پیرولیز حرارتی و کاتالیستی پلی اتیلن سنگین با کاتالیست FCC (خط ممتد:کاتالیستی، خط­چین: حرارتی و در دمای مربع: 400 درجه­ سانتیگراد، دایره: 430 درجه­ سانتیگراد)…………………………………………………………………………………………………………………………25

شکل ‏2‑7  درصد ترکیبات مختلف در محصول پیرولیز حرارتی پلی اتیلن سنگین در دمای 430 درجه­ سانتیگراد 26

شکل ‏2‑8  درصد ترکیبات مختلف در محصول پیرولیز کاتالیستی پلی اتیلن سنگین با کاتالیست FCC در دمای 430 درجه­ سانتیگراد 27

شکل ‏2‑9 مقایسه هیدروکربن­های حاصل از تخریب کاتالیستی ترکیب پلاستیک­های پرمصرف به عنوان تابعی از زمان در دماهای مختلف و با کاتالیست  FCC. 29

شکل ‏2‑10 تأثیر دما بر روی ترکیب درصد محصولات پیرولیزپلی اتیلن سنگین 32

شکل ‏2‑11 مقایسه هیدروکربن­های حاصل از تخریب کاتالیستی ترکیب پلاستیک­های پرمصرف به عنوان تابعی از زمان در دمای 390 درجه سانتیگراد و با کاتالیست­های مختلف… 35

شکل ‏2‑12 بازده محصول مایع حاصل از تخریب کاتالیستی پسماندهای پلاستیکی مختلف با کاتالیست FCC در دمای 400 درجه سانتیگراد 36

شکل ‏2‑13 فرآیند پیرولیز LDPE(Miskokzi) 40

شکل ‏3‑1 سیستم آزمایشگاهی پیرولیز 43

شکل ‏4‑2  تنوع ترکیبات موجود در محصول مایع حاصل از پیرولیز پلی بوتادین رابر با 15 درصد از کاتالیست­های مختلف. 64

شکل ‏4‑3 توزیع محصول مایع از نظر تعدادکربن، درصد محصولات در گستره­ی بنزین حاصل از پیرولیز پلی بوتادین رابر باکاتالیست­های مختلف. 65

شکل ‏4‑4 توزیع ترکیبات مختلف در محصول مایع حاصل از پیرولیز پلی بوتادین رابر با درصدهای مختلف از کاتالیست FCC. 68

شکل ‏4‑5  مقایسه­ میزان محصول مایع خروجی بر حسب زمان و دما در پیرولیز PBR  با کاتالیست FCC. 71

شکل ‏4‑6  توزیع ترکیبات مختلف در محصول مایع حاصل از پیرولیز استایرن بوتادین رابر با 15 درصد از کاتالیست­های مختلف. 75

شکل ‏4‑7  توزیع محصول مایع از نظر تعدادکربن ودرصد محصولات در گستره­ی بنزین حاصل از پیرولیز استایرن بوتادین رابر با کاتالیست­های مختلف. 76

شکل ‏4‑8 میزان محصول مایع خروجی بر حسب زمان و دما در پیرولیز SBR  با کاتالیست FCC.. 79

شکل ‏4‑9 مقدار محصول مایع خروجی در پیرولیز پلیمرهای مختلف با کاتالیست FCC در شرایط مناسب. 80

شکل ‏4‑10 مقدار محصول مایع خروجی در پیرولیز پلیمرهای مختلف با کاتالیستHZSM-5. 81

شکل ‏4‑11 مقدار محصول مایع  خروجی حاصل از پیرولیز پلیمرهای مختلف با کاتالیست H-Mordenite. 83

شکل ‏4‑12  نمودار کاهش وزن پلی بوتادین رابر در سرعت­های حرارت دهی مختلف. .

شکل ‏4‑13 نمودار تخریب حرارتی نمونه­ی H26 در سرعت­های 15، 30 و45 درجه­ سانتیگراد بر دقیقه. 88

شکل ‏4‑14 نمودار تخریب حرارتی نمونه­ی H33 در سرعت­های 15، 30 و45 درجه­ سانتیگراد بر دقیقه. 88

شکل ‏4‑15  نمودار تخریب حرارتی نمونه­ی H39 در سرعت­های 15، 30 و45 درجه­ سانتیگراد بر دقیقه. 89

شکل ‏4‑16  نمودار تخریب حرارتی نمونه­ی H47 در سرعت­های 15، 30 و45 درجه­ سانتیگراد بر دقیقه. 89

 

شکل ‏4‑17  نمودار تخریب حرارتی پلی بوتادین رابر و نمونه­های پخت شده­ی آن در سرعت 15 درجه­ سانتیگراد بر دقیقه. 90

شکل ‏4‑18 نمودار تخریب حرارتی نمونه­ی SBR در سرعت­های 15، 30 و45 درجه­ سانتیگراد بر دقیقه. 91

فهرست جداول

جدول ‏2‑1  انواع فرایند تبدیل پلیمرها به کوچک مولکول­ها 14

جدول ‏2‑2  درصد آروماتیک موجود در جزء  مایع حاصل از شکست مخلوط پلی الفینی در ˚C400 تحت کاتالیست HZSM-5 و در نسبت­های متفاوت پلیمر به کاتالیست… 24

جدول ‏2‑3  درصد محصولات حاصل از تخریب پلی اتیلن سنگین در 430 درجهی سانتیگراد. 24

جدول ‏2‑4  محصولات و شرایط پیرولیز پلی الفین­ها. 31

جدول ‏2‑5  اثر کاتالیست FCC روی پیرولیز در پنج درصد متفاوت از صفر تا 60 درصد کاتالیست نسبت به پلیمرپلی اتیلن سنگین در دمای  C˚450 و با سرعت همزن RPM50. 34

جدول ‏2‑6  تأثیر گازهای حامل مختلف بر روی محصولات پیرولیز پلی اتیلن سبک خطی  در دمای 450 درجه سانتی گراد و با کاتالیست FCC. 37

جدول ‏2‑7  جدول تأثیر همزن بر روی محصولات پیرولیز پلی اتیلن سبک خطی 39

جدول ‏3‑1 مشخصات استایرن بوتادین رابر. 45

جدول ‏3‑2 مشخصات پلی بوتادین رابر. 46

جدول ‏3‑3 مشخصات پلی پروپیلن. 46

جدول ‏3‑4  مشخصات کاتالیست FCC مورد استفاده. 47

جدول ‏3‑5  نتایج آزمون  BET كاتالیست­های تجاری استفاده شده. 47

جدول ‏3‑6  مشخصات پلی اتیلن سنگین استفاده شده. 48

جدول ‏4‑1  درصد محصولات پیرولیز حرارتی وکاتالیستی  پلی اتیلن سنگین در آزمایش­های مختلف. 51

جدول ‏4‑2  توزیع ترکیبات مختلف در محصول مایع حاصل از پیرولیز پلی اتیلن سنگین با 15 درصد از کاتالیست FCC و HZSM-5. 53

جدول ‏4‑3  توزیع محصول مایع از نظر تعدادکربن، درصد محصولات در گستره­ی بنزین حاصل از پیرولیز پلی اتیلن سنگین با کاتالیست­های FCC و HZSM-5. 54

جدول ‏4‑4  درصد محصولات پیرولیز حرارتی و کاتالیستی پلی پروپیلن در آزمایش­های مختلف. 56

جدول ‏4‑5 توزیع ترکیبات مختلف در محصول مایع حاصل از پیرولیز پلی پروپیلن با 15 درصد از کاتالیست­های FCC وHZSM-5. 58

جدول ‏4‑6 توزیع محصول مایع از نظر تعدادکربن، درصد محصولات در گستره­ی بنزین حاصل از پیرولیز پلی پروپیلن با کاتالیست­های FCC و HZSM-5. 59

جدول ‏4‑7  درصد محصولات پیرولیز حرارتی و کاتالیستی پلی بوتادین رابر در آزمایش­های مختلف. 61

جدول ‏4‑8  تنوع ترکیبات موجود در محصول مایع حاصل از پیرولیز پلی بوتادین رابر با 15 درصد از کاتالیست­های مختلف. 63

جدول ‏4‑9 توزیع محصول مایع از نظر تعدادکربن، درصد محصولات در گستره­ی بنزین حاصل از پیرولیز پلی بوتادین رابر باکاتالیست­های مختلف. 65

جدول ‏4‑10 تأثیر مقدار کاتالیست  FCC بر پیرولیز پلی بوتادین رابر. 66

جدول ‏4‑11 توزیع ترکیبات مختلف در محصول مایع حاصل از پیرولیز پلی بوتادین رابر با درصدهای مختلف از کاتالیست FCC. 67

جدول ‏4‑12 توزیع محصول مایع از نظر تعدادکربن ودرصد محصولات در گستره­ی بنزین حاصل از پیرولیز پلی بوتادین رابر با درصدهای مختلف از کاتالیست FCC. 68

جدول ‏4‑13 روند تغییرات دما و میزان محصول مایع خروجی طی فرآیند پیرولیز پلی بوتادین رابر. 69

جدول ‏4‑14  درصد محصولات پیرولیز حرارتی و کاتالیستی استایرن بوتادین رابر در آزمایش­های مختلف. 72

جدول ‏4‑15 توزیع ترکیبات مختلف در محصول مایع حاصل از پیرولیز استایرن بوتادین رابر با 15 درصد از کاتالیست­های مختلف. 74

جدول ‏4‑16 توزیع محصول مایع از نظر تعدادکربن ودرصد محصولات در گستره­ی بنزین حاصل از پیرولیز استایرن بوتادین رابر با کاتالیست­های مختلف. 76

جدول ‏4‑17 تأثیر درصد کاتالیست FCC بر پیرولیز استایرن بوتادین رابر. 77

جدول ‏4‑18 روند تغییرات دما و میزان محصول مایع طی فرآیند پیرولیز استایرن بوتادین رابر. 78

جدول ‏4‑19  اختلاف دمای T3 و T97 در تخریب پلی بوتادین رابر با سرعت­های حرارت دهی مختلف. 86

جدول ‏4‑20 مکانیسم­های شکست پلی بوتادین رابر در سه مرحله­ی شروع، رشد و اختتام برای سرعت­های مختلف. 86

جدول ‏4‑21 سیستم پخت نمونه­های پلی­بوتادین رابر با درصدهای مختلف شتاب دهنده­یTMTD. 8

 

چکیده
در این پژوهش پیرولیز حرارتی و کاتالیستی چهار نوع پلیمر از قبیل دو پلاستیک پلی اتیلن سنگین و پلی پروپیلن و دو لاستیک استایرن بوتادین رابر و پلی بوتادین رابر در راکتور نیمه پیوسته­ی همزن­دار و تحت گاز نیتروژن و با بهره گرفتن از کاتالیست­های HZSM-5 ، FCC و H-Mordenite بررسی شده است. در این مطالعه تنها بررسی میزان محصول مایع حاصل از پیرولیز و ترکیب آن مدنظر بوده است و از ارزیابی اجزای محصول گازی و کک صرفنظر شده است. درصد کاتالیست انتخابی برای پیرولیز پلاستیک­ها، با توجه به مقدار بهینه­ بدست آمده در کارهای قبلی، 15 درصد انتخاب شده است. در انجام پیرولیز هر کدام از پلیمرها با انجام چندین مرحله بهینه­سازی روی راکتور، میزان محصول مایع افزایش یافت. با توجه به بررسی­های انجام شده، در میان سه کاتالیست استفاده شده، کاتالیست FCC بیشترین محصول مایع را تولید می­ کند و کاتالیست HZSM-5 به دلیل اندازه حفرات ریز، عمده­ی محصول را به صورت گاز آزاد ­می­ کند. با انجام آزمون کروماتوگرافی گازی، درصد اجزای محصول مایع، آروماتیک، الفین، پارافین و نفتن موجود در محصول بدست آمد و همچنین اجزای محصول مایع بر اساس تعداد کربن نیز حاصل گردید. نتایج آزمون کروماتوگرافی گازی نشان می­دهد که درصد قابل توجهی از محصول در پیرولیز با کاتالیست FCC را الفین­ها تشکیل می­دهند.

با بررسی پیرولیز حرارتی و کاتالیستی پلی بوتادین رابر با بهره گرفتن از سه کاتالیست مذکور، این نتیجه حاصل شد که پیرولیز کاتالیستی با 45 درصد کاتالیست FCC بیشترین محصول مایع را می­دهد. همچنین با توجه به داده­های آزمون کروماتوگرافی گازی، با افزایش میزان کاتالیست به دلیل احتمال بیشتر وقوع واکنش­های دیلز آلدر، جزء آروماتیکی محصول مایع نسبت به اجزای دیگر نفتن، پارافین و الفین، افزایش می­یابد و از طرف دیگر نیز به دلیل شکست بیشتر، از نظر تعداد کربن به سمت اجزای سبک­تر میل می­ کند.

با ارزیابی روند خروج محصول مایع با دما و رسم نمودار آن، این مطلب منتج گردید که در پیرولیز لاستیک­ها (پلی بوتادین رابر و استایرن بوتادین رابر) به دلیل وجود پیوندهای

پلیمریزاسیون امولسیونی ویژگی­های متعددی دارد که عمدتاً از فقدان حلال­های آلی و قسمت به قسمت کردن واکنش (یعنی انجام گرفتن واکنش در ذرات جدا از هم) ناشی می­شود. آب که فاز پیوستۀ بی اثر و بی ضرری می‎باشد باعث می‎شود که گرانروی محصولات نهایی در حد نسبتاً پایینی حفظ شود و انتقال حرارت را نیز تسهیل می‎کند. پلیمریزاسیون در اصل در ذرات لاتکس که به عنوان ریزراکتورهای متعدد برای پلیمریزاسیون توده­ای عمل می‎کنند، اتفاق می­افتد.

امکان تولید پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا و سرعت پلیمریزاسیون به مراتب بیشتر از سرعت مشاهده شده در سیستم­های همگن از مشخصه‎های این فرآیند می‎باشد، به علاوه، وزن مولکولی پلیمر را با افزودن عامل انتقال زنجیر می‎توان کنترل کرد. معمولاً پلیمریزاسیون تا تبدیل بالایی انجام می­گیرد و لذا مقدار مونومر باقیمانده حداقل می­باشد.

معایب پلیمریزاسیون امولسیونی هم از قسمت به قسمت بودن واکنش ناشی می­شود. محلول واکنش معمولاً دارای مقداری افزودنی مثل سورفکتانت و اجزای آغازگر می­باشد و حذف این مواد مشکل بوده و می ­تواند کیفیت محصولات لاتکس نهایی را تحت تأثیر قرار دهد (شكل شماره 1-1)، همچنین در مواردی که خود پلیمر مورد نیاز باشد حذف فاز پیوستۀ آبی ضرورت دارد و هزینه‎های اضافی را تحمیل می‎کند.

شکل شماره1-1 . شمای کلی از روندانجام واکنش پلیمریزاسیون امولسیونی]2[

محصولات پلیمریزاسیون امولسیونی به صورت لاتکس یا به صورت مادۀ خام بعد از حذف فاز پیوسته قابل استفاده می­باشند. از جملۀ مشهودترین کاربردهای این محصولات که بخشی از زندگی روزمرۀ ما را تشکیل می­دهد می­توان به رنگ‎های لاتکس، روکش‎های کاغذ، روکش­های منسوجات و چسب‎ها اشاره کرد ودراین میان پلیمرهای امولسیونی ویژه که از اهمیت صنعتی بالایی برخوردار هستند در مواردخاصی مانند افزودنی­های سیمان، اصلاح کننده­ های رئولوژی و لاتکس‎های زیست پزشکی نیز استفاده می‎شوند.

پلیمریزاسیون امولسیونی یک فرآیند پیچیده می­باشد و درکنار اهمیت صنعتی­اش، بحث علمی وسیعی در مورد آن صورت گرفته است.

کارهای وسیعی به منظور درک بهتر و توضیح کمّی مکانیسم­هایی که طی فرآیند اتفاق می‎افتد انجام گرفته است‎، لذا کنترل واکنش­های پلیمریزاسیون امولسیونی از مسائل کلیدی بوده ودر بررسی‎های علمی از اهمیت زیادی برخوردار میباشد.]1-2[

1-2 پلیمریزاسیون امولسیونی وینیل استات
اگرچه حدود یک سوم از منومر وینیل استات برای تولید لاتکس‎ها به صورت رنگ‎ها و چسب‎ها مورد استفاده قرار می‎گیردولی اطلاعات منتشره در خصوص پلیمر شدن امولسیونی وینیل استات محدود می‎باشد. پلیمر شدن امولسیونی وینیل استات شاید در میان روش‎های پلیمر شدن با توجه به اینکه لاتکس‎های واقعی با سطح فعالهای آنیونی و یا کاتیونی و یا سطح فعالهای غیر یونی یا کلوئیدی حفاظتی و همراه با ترکیب دو یا بیشتر از این مواد و همچنین بدون امولسیون کننده‎ای به وجود می‎آید منحصر به فرد است.

از نگاه صنعتی‎، پلیمر شدن تعلیقی وینیل استات برای تولید گرانول پلی وینیل استات بالاترین اهمیت را داردو اغلب این گرانول‎ها به پلی وینیل الکل با تنوع درجه آبکافت و با وزن مولکولی متفاوت تبدیل می‎گردند. در مقیاس آزمایشگاهی کوپلیمر شدن وینیل استات با منومرهای دیگر شاید با توجه به راحتی عمل و راحتی به وجود آوردن محیط تعلیقی مناسب مزیت داشته باشد.گفتنی است پلیمریزاسیون صنعتی امولسیونی این منومربه صورت همو یا کوپلیمر شدن از اهمیت فراوانی برخوردار است علی الخصوص در توسعه چسب ها، رنگ ها، پوشش دهی کاغذ و تکمیل در نساجی.

این پلیمر از سالهای 1940 به دلیل داشتن خواصی چون چسبندگی سریع، مقاومت مكانیكی خوب و قابلیت چسبندگی به سطوح صاف و صیقلی، كاربردهای وسیعی پیداكرد ولی باید توجه داشت كه این پلیمر، رزینی سخت [1] و شكننده‏[2] ا‏ست. برای بر‏طرف كردن چنین نقیصه‏ای ابتدا از نرم‏كننده‏ها [3] استفاده شد. نرم‏كننده‏ها معمولاً یك مولكول بزرگ مانند دی‏اكتیل‏فتالات[4] یا دی‏متیل‏فتالات[5] هستند كه با كاهش تماس زنجیرهای پلیمری به‏هم، تحرك بیشتری به آنها می‏دهند. نکتة منفی استفاده از نرم‏كننده‏ها این است كه مولكولها به‏طور شیمیایی به‏هم وابسته نیستند و احتمال اینكه این مواد از پلیمر جداشده و به طرف سطح مهاجرت كنند، وجود دارد و نهایتاً بازهم پلیمر سخت ‏شده و چسبندگی كاهش خواهد یافت]3-4[.

درکل نقاط ضعفی که گاها متوجه محصولات برگرفته از پلی وینیل استات (چسب چوب،لاتکس‎های مورد استفاده درکاربردها‎ی پوشش دهی سطح و…) می‎شود را می‎توان درموارد ذیل خلاصه کرد:

1- مقاومت ضعیف دربرابر آب ورطوبت

 

2- عملکرد نسبتاً ضعیف دردمای بالا

3- حساسیت زیاد نسبت به خزش

تمامی مواردمطرح شده را می‎توان مرتبط باساختارفیزیکی پلی وینیل استات دانست چراکه این پلیمر دارای ساختاری قطبی با جاذبه‎های نسبتا ضعیف واندروالسی میان زنجیره هایش بوده وهمین امر منجربه کاهش دمای انتقال شیشه‎ای این پلیمر شده است، دراین میان برخی تحقیقات صورت گرفته درسالیان اخیر باهدف بهبود واصلاح خواص پلی وینیل استات باتوجه به کاربری این پلیمر به کمک اصلاح کننده‎های موجودرا می‎توان در 2 گروه اصلی زیر خلاصه کرد:

1-کوپلیمریزاسیون وینیل استات بابرخی منومرهای آب گریز و یا دارای عوامل فعال

2-آمیزه سازی پلی وینیل استات باافزودنی‎هایی که می‎تواند منجربه ارتقای خواص آن شود.

قابل توجه است که باانجام استراتژی‎های مطرح شده می‎توان در ازای کاهش برخی خواص این پلیمر به اصلاح خواص مدنظر پرداخت که البته دراین میان لزوم استفاده از دستورالعمل خاصی برای حفظ وبهینه سازی تمامی خواص لازم غیرقابل انکاراست.

برای مثال افزودن برخی فیلرها و یامواداسیدی به چسب چوب برپایه پلی وینیل استات (علی رغم اینکه باعث تقویت عملکرد مکانیکی واستحکام فیلم و یاچسب پلی وینیل استات دردمای بالا می‎شود) به زیرلایه چوبی[6] که چسب برآن اعمال می‎شود ضربه زده وکاربری پلی وینیل استات راتحت تاثیرقرار می‎دهد، ازطرفی کوپلیمریزاسیون وینیل استات بامنومرهایی نظیربوتیل آکریلات واتیلن منجر به افزایش نرمی ومقاومت دربرابر آب شده ولی باعث کاهش چشمگیر مدول یانگ، سختی واستحکام برشی محصول نهایی خصوصادردمای بالا می‎شود. درکل می‎توان نتیجه گرفت که بمنظور ایجاد وحفظ تمامی خواص دلخواه درپلی وینیل استات میبایست ترکیبی ازاصلاح کننده‎های مربوطه رابکارگرفت، بعبارتی ضمن لزوم وجود خواص مکانیکی واستحکام مناسب به کمک آمیزه سازی پلی وینیل استات باافزودنی‎های مناسب وتشکیل نوعی کامپوزیت، به کمک کوپلیمریزاسیون منومر وینیل استات بامنومرهایی با دمای انتقال شیشه ای[7] کمتر باهدف کاهش دمای انتقال شیشه‎ای پلیمر حاصله ورهایی ازنقیصه شکنندگی وضعف دربرابر رطوبت منسوب به پلی وینیل استات به ترکیبی ازخواص مطلوب برای این پلیمر دست یافت]5[.

1-2-1 پلیمریزاسیون امولسیونی وینیل استات – α الفین

مونومرهایی كه برای تركیب با وینیل‏استات مورد استفاده ‏قرار می‏گیرند عبارت‏است از: دی‏بوتیل‏مالئات، دی‏بوتیل فومارات، بوتیل اكریلات، وینیل لائورات، وینیل‏استئارات، اتیل‏آكریلات و اتیلن. مهمترین امتیاز اتیلن علاوه بر غیر سمی بودن، ارزانی آن است .

پلیمریزاسیون آلکن‎ها به دلیل خواص شیمیایی ومکانیکی مطلوب پلیمرهای حاصل‎، بسیار رایج بوده است ولی زمانی که نیاز به وجود گروه های قطبی و یا گروه های عاملی خاص بمنظورایجاد چسبندگی به سطح وجود دارد، این دسته از پلیمرهادارای نقاط ضعفی میباشند‎، لذا زمانی که منومرهای اولفینی در مجاورت منومرهای قطبی قرارگیرند شاهد بهبود خواص فیزیکی‎، مکانیکی‎، نوری و همچنین بهبود چسبندگی به سطح می‎باشیم که این فرآیند، پلیمرهای حاصل را درکاربردهای پوشش دهی سطح‎، نوری و پزشکی مستعد میسازد ] 6 [.

برای مثال كوپلیمر وینیل‏استات-اتیلن در برابر اشعة ماوراء بنفش [8] و مواد آلكانی مقاوم است و به همین علت كوپلیمر اتیلن وینیل استات[9] به‏‏طور گسترده‏ای در صنایع مختلف به‏كار‏گرفته‏شده‏اند و بسته به مقدار مونومرهای اتیلن و وینیل‏استات كوپلیمر حاصل خواص متفاوتی خواهد داشت و به همین دلیل كاربردهای متنوعی دارد [3-4].

فهرست

چکیده…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..1

مقدمه  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 2

 

فصل اول

مفاهیم بنیادی ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 4

اختلال………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4

پذیرفتاری …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 8

ماتریس چگالی ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 10

اختلال و معادله حرکت ماتریس چگالی…………………………………………………………………………………………………………………..16

رابطه بین پذیرفتاری ، ضریب شکست غیر خطی و شدت …………………………………………………………………………………….22

فصل دوم

تعریف دوپایایی …………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 25

ابزار نوری و شرایط مرزی………………………………………………………………………………………………………………………………………..25

دوپایایی جذبی ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….27

دوپایایی شکست …………………………………………………………………………………………………………………………………………………….32

 

فصل سوم

دوپایایی در سیستم اتمی دو ترازی ………………………………………………………………………………………………………………………35

ابزار نوری و شرایط ورزی………………………………………………………………………………………………………………………………………..43

فصل چهارم

دوپایایی در سیستم اتمی سه ترازی ……………………………………………………………………………………………………………….. 50

سیستم اتمی سه ترازی آبشاری………………………………………………………………………………………………………………………….50

سیستم اتمی – شکل……………………………………………………………………………………………………………………………………….56

اثر پدیده دوپلر بر روی دوپایایی اتمهای – شکل ………………………………………………………………………………………….61

تغییر معادلات لیوویل در سیستم اتمی سه­ترازی – شکل……………………………………………………………………………..65

کنترل دوپایایی در سیستم اتمی – شکل……………………………………………………………………………………………………….66

فصل پنجم

دوپایایی در سیستم اتمی پنج ترازی ………………………………………………………………………………………………………………. 72

سیستم اتمی کوبراک- رایس……………………………………………………………………………………………………………………………..72

کنترل دوپایایی نوری در سیستم اتمی – شکل……………………………………………………………………………………………80

نقش تغییر فاز در دوپایایی سیستم اتمی – شکل…………………………………………………………………………………………87

نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….89

مراجع…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………91

چکیده

در بعضی از سیستمهای اپتیکی غیر خطی اگر نور لیزر با شدت بالایی اعمال شود، به ازای یک شدت ورودی، سیستم دارای دو شدت خروجی خواهد بود. جمله دوپایداری نوری بخاطر این خاصیت از سیستم برای این پدیده استفاده می شود. سیستم هایی با چند پایایی نوری نیز وجود دارند كه در این سیستم ها به ازاء یك شدت ورودی معین چندین شدت خروجی می ­تواند وجود داشته باشد. در این پایان نامه هدف بررسی چندپایایی نوری است، اما بخاطر اهمیت و کاربرد فراوان دوپایداری نوری در سوئیچ زنی به این موضوع نیز پرداخته میشود.

در این تحقیق رفتار دوپایایی نوری یك سیستم پنج ترازی М-  شکل در حضور میدان های همدوس لیزری بررسی شده است.  نشان داده شده که آستانه دوپایایی به شدت میدان های اعمالی بر سیستم وابسته است، همچنین با تغییر در شدت میدانها ی جفت کننده چند پایایی را نیز میتوان مشاهده كرد. در آخر، منحنیهای جذب و پاشندگی با تغییر در شدت میدانها ی جفت کننده بررسی شده است. و به بررسی اثر فاز میدانهای کنترلی بر روی دوپایایی پرداخته شده است.

مقدمه

 

در سالهای اخیر، تعداد زیادی از پدیده های اپتیك كوانتومی برپایه همدوسی و تداخل كوانتومی، مورد توجه محققان این رشته بوده است.[1] از جمله آنها میتوان به لیزرزایی بدون وارونی جمعیت، شفافیت القایی الكترومغناطیسی،  حذف جذب، دوپایایی نوری و غیر خطیت كر اشاره كرد.[2-4] یكی از این پدیده ها دوپایایی نوری در اتم های چند ترازی است كه درون یك كاواك قرار داده شده است. دوپایایی نوری به علت كاربردهای گسترده آن، مثل کاربرد آن در ترانزیستورهای نوری، المان های حافظه سیستم و سوئیچ های تمام نوری مورد مطالعه قرار گرفته است.[5-7]

در این پایان نامه ابتدا به تعریف پدیده دوپایایی نوری با بهره گرفتن از روابط شدتها پرداخته می­شود. و سعی می­شود به یک دید کلی از دوپایداری نوری برسیم. البته برای بررسی این پدیده در سیستمهای اتمی مختلف به روابطی از مکانیک کوانتومی و اپتیک غیر خطی نیاز خواهیم داشت که به بررسی اجمالی این روابط در فصل دوم نیز پرداخته می­شود. مزیت دیگر این فصل آن است که دارای یک پیوستگی بین روابط کوانتومی که از قبل با آنها آشنا هستیم و روابط اپتیک غیر خطی خواهد بود.

سپس به بررسی روابط اپتیک غیر خطی که در پدیده دوپایایی کاربرد دارند پرداخته می­شود وسپس رفتار دوپایایی نوری سیستمهای اتمی مختلف مورد بررسی قرار می­گیرد. ابتدا در فصل سوم از یك سیستم دوترازی استفاده می­شود. در سیستم دو ترازی با محدودیتهای از قبیل اختلاف فاز محدود برای ایجاد دوپایایی، روبرو هستیم. و سپس در فصل سوم سیستم سه ترازی مطالعه میشود كه با بهره گرفتن از كنترل فاز بین دو میدان كاوشگر و كنترلی، در حضور اثر تداخل كوانتومی، میتوان سیستم را از حالت دوپایا به حالت چندپایا برد.

در فصل چهارم دوپایایی نوری در سیستمهای اتمی سه ترازی درون مشددهای نوری بطور تئوریكی مطالعه شده است .یكی از فواید بكارگیری سیستم اتمی سه ترازی بجای دوترازی این است كه اتم ها بصورت یك محیط غیرخطی در یك مشدد نوری، بكارگیری همدوسی اتمی ایجاد شده در سیستم اتمی سه ترازی را كه جذب، پاشندگی و غیرخطیت سیستم را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد ممكن می سازد و بخوبی معلوم شده است كه همدوسی ناشی از گسیل خودبخودی می تواند با گسیل یك تراز تحریكی به دو تراز اتمی نزدیك به هم یا دو تراز نزدیك به هم به یك تراز تحریكی ایجاد شود. این همدوسی در یك سیستم اتمی نوع آبشاری می ­تواند در مورد ترازهای اتمی تقریباً هم فاصله اتفاق بیافتد. ترازهای نزدیك تبهگن، یك جمله همدوسی ناشی از اندركنش با خلاء میدان تابشی دارند.

در فصل پنج رفتار دوپایایی نوری را در سیستمهای اتمی پنج ترازی در حضور میدان های همدوس لیزری بررسی می کنیم. سیستم پنج تراز ی که تا کنون دوپایایی آن بررسی شده است سیستم کوبراک- رایس[1] است. علاوه بر آن در این فصل پدیده دو پایایی نوری در یک سیستم اتمی پنج ترازی –  شکل با سه میدان جفت کننده و یک میدان کاوشگر را در یک کاواک حلقوی یکسویه بررسی میکنیم سیستم اتمی پنج ترازی   شکل بیشتر از جنبه­ های نشر خودبخودی ترازها و فوتو آشکار ساز با طول موج پایین مورد توجه بوده است. نشان می دهیم که آستانه دوپایایی به شدت میدان های اعمالی بر سیستم وابسته است، همچنین با تغییر در شدت میدانها ی جفت کننده به چند پایایی نیز میرسیم.

با توجه به تشابه بسیاری از روابط و نتایج رفتار دوپایایی نوری در سیستم چهار ترازی و سایر سیستم های اتمی بررسی شده، بخاطر اختصار و جلوگیری از تکرار، از نوشتن بخشی با عنوان رفتار دوپایایی سیستم­های چهار­ترازی خودداری کرده­ایم. اما بخاطر جدید بودن و مطالعه سیستم های پنج­ترازی در ماه­های اخیر، این سیستم­ها نیز بررسی شده است.

در بررسی دوپایایی نوری در انواع سیستم های نوری، در مورد جذب و پاشندگی اتمها بحث خواهد شد و منحنی­های جذب و پاشندگی را با تغییر در شدت میدانهای جفت کننده بررسی می­شود

مقدمه

 

این فصل را به مفاهیمی از مکانیک کوانتومی اختصاص می دهیم که در محاسبات مورد نیاز هستند. هدف از این کار آشنایی با مسیری مشخص برای مطالعه پدیده دوپایایی نوری است، نه مطالعه قوانین کوانتومی، لذا در بعضی موارد به ذکر مختصری از قوانین مکانیک کوانتومی اکتفا می­شود. سعی می­شود آنجایی که نقش مهمی در محاسبات بعدی را دارد، بیشتر توضیح داده می­شود.

1-1 اختلال

یکی از قوانین اسا سی مکانیک کوانتومی اینست که می توان تمام ویژگیهای یک سیستم اتمی را بر اساس تابع موج اتمی توصیف کرد که از معادله شرودینگر بصورت زیر بدست می­آیند:

(1-1)

ویژه حالتهای یک سیستم اتمی و همچنین ویژه مقادیر یک سیستم اتمی را می توان از معادله شرودینگر بدست آورد.

عملگر هامیلتونی است که برای یک سیستم اتمی دارای برهمکنش، شامل دو جمله خواهدبود.

(1-2)

هامیلتونی اتم آزاد و  هامیلتونی برهمکنش اتم است.  پارامتر اختلال نامیده می شود که بیانگر شدت اختلال است و عددی بین صفر تا یک را دارد.  برای یک بر همکنش کامل در نظر گرفته می شود.

درصورتی که اتم بدون برهمکنش در نظرگرفته شود، جوابهای معادله شرودینگر بصورت زیر هستند:

(1-3)

که شامل دو قسمت زمانی و فضایی است. قسمت فضایی در معادله ویژه مقداری زیر که معادله مستقل از زمان شرودینگر نامیده می شود، صدق می کند

(1-4)

و  ویژه مقادیر معین انرژی اتم هستند.

جوابهای قسمت فضایی یک مجموعه متعامد کاملی را تشکیل می دهند و شرط تعامد زیر را ارضاء می­ کنند

(1-5)

برای یک اتم در برهمکنش با میدان الکتریکی، هامیلتونی برهمکنشی بصورت زیر می باشد:

(1-6)

که  گشتاور دوقطبی اتم است و بصورت زیر تعریف می­شود:

(1-7)

جوابهای معادله شرودینگر با در نظر گرفتن اختلال بصورت زیر است:

(1-8)

قسمتی از جواب معادله شرودینگر است که در انرژی بر همکنش  از مرتبه  ام است.

برای بدست آوردن مرتبه های مختلف جواب معادله شرودینگر معادله ( 1- 8) را در معادله ( 1- 1) قرار می دهیم و تمام جملات متناسب با توان یکسان از   را مساوی هم قرار می دهیم، برای    ی با توان صفر داریم:

(1-9)

که جواب معادله شرودینگر  برای اتم بدون برهمکنش است. برای سایر مرتبه های اختلال، یک جواب کلی به صورت زیر بدست می آید:

(1-10)

فرض می کنیم جواب معادله شرودینگر در غیاب جمله برهمکنشی بصورت زیر است:

(1-11)

که در اینجا  و  ویژه مقدار انرژی و ویژه تابع فضایی اتم در حالت پایه می باشند. با توجه به اینکه ویژه توابع انرژی اتم بدون برهمکنش مجموعه کامل و متعامدی را تشکیل می دهند و می توان هرتابعی را بر حسب آنها بسط داد، تابع موج مرتبه  ام از برهم کنش را به وسیله آنها می­توان بصورت زیر بسط داد.

(1-12)

که ضریب  ، دامنه احتمال آن است که اتم در مرتبه  ام اختلال، در لحظه  و در ویژه حالت  باشد.

با قرار دادن معادله ( 1- 12) در معادله ( 1- 10) ، دستگاه معادلاتی بر حسب دامنه های احتمال بدست می آید:

(1-13)

این معادله دامنه های احتمال مرتبه  ام را به دامنه های احتمال مرتبه  ام مرتبط می سازد.

با ضرب دوطرف معادله( 1-13) در  و انتگرال روی تمام فضا و با بهره گرفتن از شرط تعامد توابع پایه معادلات زیر بدست می­آیند:

(1-14)

که در آن  و  به شکل زیر تعریف می­شود:

(1-15)

که در واقع عناصر ماتریسی هامیلتونی اختلال هستند.

برای مشخص کردن دامنه های مرتبه اول  فرض می کنیم سیستم اتمی در مرتبه صفرم ( بدون اختلال) در حالت پایه،   باشد، در نتیجه  می باشد.

با بهره گرفتن از معادلات (1- 3) و ( 1- 15) عناصر ماتریسی هامیلتونی اختلال را بصورت زیر می­توان نوشت:

(1-16)

که در آن عبارت  به شکل زیر نوشته می­شود:

(1-17)

و گشتاور دو قطبی گذار نامیده می شود.

حال با جایگذاری روابط اخیر در معادله (1- 14)، دامنه احتمال با بهره گرفتن از انتگرال گیری بدست می­آید، با فرض اینکه حد پایین انتگرال صفر است.

 

(1-18- الف)

(1-18- ب)

دوباره از معادله (1- 14) استفاده می کنیم و با بهره گرفتن از دامنه احتمال مرتبه اول، دامنه احتمال مرتبه دوم به دست می­آید:

(1-19)

این عمل را تکرار می کنیم و دامنه احتمال مرتبه سوم را حساب می کنیم

(1-20)

و این عمل برای بدست آوردن دامنه احتمال مرتبه های بالاتر، تکرار می­شود.

 

1-2 پذیرفتاری

نتایج به دست آمده از بخش قبل برای محاسبه پذیرفتاری یا همان ویژگیهای نوری یک سیستم مادی به کار برده می­شود.

مقدار چشمداشتی گشتاور دو قطبی الکتریکی عبارت است از:

(1-21)

توسط بسط اختلال با  ، بیان می شود، قسمتی از  که رابطه خطی با میدان دارد، با رابطه زیر بیان می­شود:

(1-22)

با جایگذاری  و  از روابط (1- 11) ، (1- 12) ، (1- 18)  مقدار چشمداشتی مرتبه اول گشتاور دو قطبی الکتریکی بصورت زیر می شود:

(1-23)

 

بسامد گذار   بصورت موهومی در نظر گرفته شده است و روی تمام قسمتهای مثبت ومنفی بسامد  جمع بسته شده است.

اگر در جمله دوم  را به  تغیر دهیم، نتیجه ساده تر خواهد شد.

(1-24)

 

…………………………..1

مقدمه  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 2

 

فصل اول

مفاهیم بنیادی ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 4

اختلال………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4

پذیرفتاری …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 8

ماتریس چگالی ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 10

اختلال و معادله حرکت ماتریس چگالی…………………………………………………………………………………………………………………..16

رابطه بین پذیرفتاری ، ضریب شکست غیر خطی و شدت …………………………………………………………………………………….22

فصل دوم

تعریف دوپایایی …………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 25

ابزار نوری و شرایط مرزی………………………………………………………………………………………………………………………………………..25

دوپایایی جذبی ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….27

دوپایایی شکست …………………………………………………………………………………………………………………………………………………….32

 

فصل سوم

دوپایایی در سیستم اتمی دو ترازی ………………………………………………………………………………………………………………………35

ابزار نوری و شرایط ورزی………………………………………………………………………………………………………………………………………..43

فصل چهارم

دوپایایی در سیستم اتمی سه ترازی ……………………………………………………………………………………………………………….. 50

سیستم اتمی سه ترازی آبشاری………………………………………………………………………………………………………………………….50

سیستم اتمی – شکل……………………………………………………………………………………………………………………………………….56

اثر پدیده دوپلر بر روی دوپایایی اتمهای – شکل ………………………………………………………………………………………….61

تغییر معادلات لیوویل در سیستم اتمی سه­ترازی – شکل……………………………………………………………………………..65

کنترل دوپایایی در سیستم اتمی – شکل……………………………………………………………………………………………………….66

فصل پنجم

دوپایایی در سیستم اتمی پنج ترازی ………………………………………………………………………………………………………………. 72

سیستم اتمی کوبراک- رایس……………………………………………………………………………………………………………………………..72

کنترل دوپایایی نوری در سیستم اتمی – شکل……………………………………………………………………………………………80

نقش تغییر فاز در دوپایایی سیستم اتمی – شکل…………………………………………………………………………………………87

نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….89

مراجع…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………91

 

 

 

 

 

 

چکیده

در بعضی از سیستمهای اپتیکی غیر خطی اگر نور لیزر با شدت بالایی اعمال شود، به ازای یک شدت ورودی، سیستم دارای دو شدت خروجی خواهد بود. جمله دوپایداری نوری بخاطر این خاصیت از سیستم برای این پدیده استفاده می شود. سیستم هایی با چند پایایی نوری نیز وجود دارند كه در این سیستم ها به ازاء یك شدت ورودی معین چندین شدت خروجی می ­تواند وجود داشته باشد. در این پایان نامه هدف بررسی چندپایایی نوری است، اما بخاطر اهمیت و کاربرد فراوان دوپایداری نوری در سوئیچ زنی به این موضوع نیز پرداخته میشود.

در این تحقیق رفتار دوپایایی نوری یك سیستم پنج ترازی М-  شکل در حضور میدان های همدوس لیزری بررسی شده است.  نشان داده شده که آستانه دوپایایی به شدت میدان های اعمالی بر سیستم وابسته است، همچنین با تغییر در شدت میدانها ی جفت کننده چند پایایی را نیز میتوان مشاهده كرد. در آخر، منحنیهای جذب و پاشندگی با تغییر در شدت میدانها ی جفت کننده بررسی شده است. و به بررسی اثر فاز میدانهای کنترلی بر روی دوپایایی پرداخته شده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه

 

در سالهای اخیر، تعداد زیادی از پدیده های اپتیك كوانتومی برپایه همدوسی و تداخل كوانتومی، مورد توجه محققان این رشته بوده است.[1] از جمله آنها میتوان به لیزرزایی بدون وارونی جمعیت، شفافیت القایی الكترومغناطیسی،  حذف جذب، دوپایایی نوری و غیر خطیت كر اشاره كرد.[2-4] یكی از این پدیده ها دوپایایی نوری در اتم های چند ترازی است كه درون یك كاواك قرار داده شده است. دوپایایی نوری به علت كاربردهای گسترده آن، مثل کاربرد آن در ترانزیستورهای نوری، المان های حافظه سیستم و سوئیچ های تمام نوری مورد مطالعه قرار گرفته است.[5-7]

در این پایان نامه ابتدا به تعریف پدیده دوپایایی نوری با بهره گرفتن از روابط شدتها پرداخته می­شود. و سعی می­شود به یک دید کلی از دوپایداری نوری برسیم. البته برای بررسی این پدیده در سیستمهای اتمی مختلف به روابطی از مکانیک کوانتومی و اپتیک غیر خطی نیاز خواهیم داشت که به بررسی اجمالی این روابط در فصل دوم نیز پرداخته می­شود. مزیت دیگر این فصل آن است که دارای یک پیوستگی بین روابط کوانتومی که از قبل با آنها آشنا هستیم و روابط اپتیک غیر خطی خواهد بود.

سپس به بررسی روابط اپتیک غیر خطی که در پدیده دوپایایی کاربرد دارند پرداخته می­شود وسپس رفتار دوپایایی نوری سیستمهای اتمی مختلف مورد بررسی قرار می­گیرد. ابتدا در فصل سوم از یك سیستم دوترازی استفاده می­شود. در سیستم دو ترازی با محدودیتهای از قبیل اختلاف فاز محدود برای ایجاد دوپایایی، روبرو هستیم. و سپس در فصل سوم سیستم سه ترازی مطالعه میشود كه با بهره گرفتن از كنترل فاز بین دو میدان كاوشگر و كنترلی، در حضور اثر تداخل كوانتومی، میتوان سیستم را از حالت دوپایا به حالت چندپایا برد.

در فصل چهارم دوپایایی نوری در سیستمهای اتمی سه ترازی درون مشددهای نوری بطور تئوریكی مطالعه شده است .یكی از فواید بكارگیری سیستم اتمی سه ترازی بجای دوترازی این است كه اتم ها بصورت یك محیط غیرخطی در یك مشدد نوری، بكارگیری همدوسی اتمی ایجاد شده در سیستم اتمی سه ترازی را كه جذب، پاشندگی و غیرخطیت سیستم را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد ممكن می سازد و بخوبی معلوم شده است كه همدوسی ناشی از گسیل خودبخودی می تواند با گسیل یك تراز تحریكی به دو تراز اتمی نزدیك به هم یا دو تراز نزدیك به هم به یك تراز تحریكی ایجاد شود. این همدوسی در یك سیستم اتمی نوع آبشاری می ­تواند در مورد ترازهای اتمی تقریباً هم فاصله اتفاق بیافتد. ترازهای نزدیك تبهگن، یك جمله همدوسی ناشی از اندركنش با خلاء میدان تابشی دارند.

در فصل پنج رفتار دوپایایی نوری را در سیستمهای اتمی پنج ترازی در حضور میدان های همدوس لیزری بررسی می کنیم. سیستم پنج تراز ی که تا کنون دوپایایی آن بررسی شده است سیستم کوبراک- رایس[1] است. علاوه بر آن در این فصل پدیده دو پایایی نوری در یک سیستم اتمی پنج ترازی –  شکل با سه میدان جفت کننده و یک میدان کاوشگر را در یک کاواک حلقوی یکسویه بررسی میکنیم سیستم اتمی پنج ترازی   شکل بیشتر از جنبه­ های نشر خودبخودی ترازها و فوتو آشکار ساز با طول موج پایین مورد توجه بوده است. نشان می دهیم که آستانه دوپایایی به شدت میدان های اعمالی بر سیستم وابسته است، همچنین با تغییر در شدت میدانها ی جفت کننده به چند پایایی نیز میرسیم.

فهرست شکل­ها  .. چهارده

چکیده…….. 1

فصل اول:  مقدمه

1-1- گیاه برنج. 2

1-2- نیتروژن.. 2

1-3- گاز دی اکسید کربن.. 3

1-4- اهداف انجام تحقیق.. 3

فصل دوم: بررسی منابع

2-1- اهمیت گیاه برنج.. 4

2-2- ویژگی های گیاه شناسی.. 5

2-3- ویژگی های اکولوژیکی.. 6

2-4- اهمیت کود نیتروژن.. 6

2-5- تغییر اقلیم و نقش فعالیت های بشری.. 7

2-6- گازهای گلخانه ای.. 8

2-7- سناریوهای اقلیمی آینده جهان.. 9

2-8- تغییر اقلیم و تولید محصولات زراعی.. 12

2-9- تثبیت دی اکسید کربن.. 12

2-9-1- نقش غلظت دی اکسید کربن در تثبیت کربن توسط گیاه. 12

2-9-2- نقش نیتروژن در تثبیت کربن توسط گیاه. 14

2-10- غلظت نیتروژن بافت گیاهی.. 14

2-10-1- تاثیر غلظت دی اکسید کربن.. 14

2-10-2- نقش نیتروژن………..15

2-11- رنگدانه های فتوسنتزی.. 15

2-11-1- تاثیر غلظت دی اکسید کربن.. 15

2-11-2- نقش نیتروژن.. 16

هشت
2-12- پیامدهای تغییرات بیوشیمیایی و سلولی ناشی از افزایش غلظت دی اکسید کربن.. 16

2-13- سطح برگ…. 18

2-13-1- تاثیر غلظت دی اکسید کربن.. 18

2-13-2- نقش نیتروژن.. 19

2-14- تولید ماده خشک و عملکرد دانه. 20

2-14-1- تاثیر غلظت دی اکسید کربن.. 20

2-14-2- نقش نیتروژن.. 20

2-15- ویژگی های فیزیولوژیکی.. 21

2-15-1- نقش غلظت دی اکسید کربن.. 21

2-15-2- نقش نیتروژن.. 21

2-16- تنوع ژنتیکی.. 22

2-16-1- پاسخ به دی اکسید کربن.. 22

2-16-2- پاسخ به نیتروژن.. 23

2-17- برهمکنش دی اکسید کربن و نیتروژن.. 23

فصل سوم: مواد و روش­ها

3-1- مواد ژنتیکی و نحوه تهیه. 24

3-2- محلول غذایی مورد استفاده و نحوه کشت… 24

3-3- نحوه اجرای طرح.. 25

3-3-1- آزمایش اول.. 25

3-3-2- آزمایش دوم. 26

3-4- صفات مورد بررسی و نحوه­ی اندازه گیری.. 26

3-4-1 ارتفاع گیاهچه. 26

3-4-2- طول ریشه. 26

3-4-3- تعداد پنجه. 26

3-4-4- حجم ریشه. 27

3-4-5- سطح برگ…. 27

3-4-6- وزن خشک گیاه. 27

3-4-7- سهم ریشه از وزن خشک کل.. 27

3-4-8- شاخص سبزینگی (عدد کلروفیل). 27

3-4-9- غلظت کلروفیل و کاروتنویید.. 27

3-4-10- غلظت نیتروژن بافت گیاهی.. 28

نه
3-4-11- کارایی نیتروژن.. 31

3-4-12- محتوای نیتروژن.. 31

3-4-13- کارایی مصرف نیتروژن.. 31

3-4-14- نسبت غلظت نیتروژن ریشه به اندام هوایی.. 31

3-5 تجزیه و تحلیل آماری.. 31

3-5-1- آزمایش اول.. 31

3-5-2- آزمایش دوم. 31

فصل چهارم: نتایج و بحث

4-1- آزمایش اول: بررسی پاسخ ژنوتیپ‌های برنج به سطوح معمول و کاهش یافته غلظت نیتروژن محلول غذایی یوشیدا در مرحله رشد رویشی   32

4-1-1- ارتفاع گیاه. 32

4-1-2- تعداد پنجه در بوته. 33

4-1-3- شاخص سبزینگی.. 33

4-1-4- سطح برگ…. 34

4-1-5- طول و حجم ریشه. 34

4-1-6- وزن خشک گیاه. 35

4-1-8- گروه بندی ژنوتیپ­ها 37

آزمایش دوم: ارزیابی پاسخ ژنوتیپ‌هایی با پاسخ متفاوت به کمبود نیتروژن، نسبت به افزایش غلظت دی اکسید کربن هوا 42

4-2- برداشت اول (مرحله رشد رویشی). 42

4-2-1- شاخص سبزینگی (عدد کلروفیل متر). 42

4-2-2- سطح برگ…. 44

4-2-3- غلظت کلروفیل.. 46

4-2-4- غلظت کاروتنوئید.. 48

4-2-5- حجم ریشه. 51

4-2-6- سهم ریشه از وزن خشک کل گیاه. 52

4-2-7- وزن خشک گیاه. 52

4-3- برداشت دوم (مرحله رشد زایشی). 62

4-3-1- شاخص سبزینگی (عدد کلروفیل متر). 62

4-3-2- سطح برگ…. 62

4-3-3- غلظت کلروفیل.. 66

4-3-4- غلظت کاروتنوئید.. 68

ده
4-3-5- غلظت نیتروژن اندام هوایی.. 70

4-3-6- محتوای نیتروژن اندام هوایی.. 71

4-3-7- غلظت نیتروژن ریشه. 71

4-3-8- نسبت غلظت نیتروژن ریشه به اندام هوایی.. 71

4-3-9- سهم ریشه از وزن خشک کل.. 72

4-3-10- کارایی مصرف نیتروژن.. 72

4-3-11- وزن خشک گیاه. 74

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها

4-1- نتیجه­گیری.. 84

4-2- پیشنهادها 86

منابع. 88

چکیده

برنج نقش مهمی در تغذیه نیمی از مردم جهان که بیشتر آنها در کشورهای در حال توسعه از جمله ایران زندگی می‌کنند، دارد. این محصول یک سوم سطح زیرکشت غلات دنیا را اشغال کرده است و 35 تا 60 درصد کالری مورد نیاز 7/2 میلیارد نفر از جمعیت جهان را تامین می‌کند. براساس گزارش مجمع بین دول تغییراقلیم، تا پایان قرن 21 غلظت دی اکسید کربن جو به 700 میکرومول در مول خواهد رسید. تحقیقات مختلف نشان داده است که پاسخ برنج به افزایش غلظت دی اکسید کربن وابسته به برهمکنش دی اکسید کربن با ژنوتیپ و کود نیتروژن است. بنابراین در این تحقیق ابتدا آزمایشی جهت ارزیابی 28 ژنوتیپ برنج منتخب اصلاحی شمال، محلی شمال و مرکزی ایران در دو سطح نیتروژن شامل 85/2 (غلظت نیتروژن محلول یوشیدا) و 42/1 (نصف غلظت نیتروژن محلول یوشیدا) میلی‌مولار از منبع آمونیوم نیترات به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملا تصادفی اجرا گردید. در این آزمایش تعداد پنجه، سطح برگ، شاخص سبزینگی، ارتفاع گیاه، طول ریشه و وزن خشک ریشه، اندام هوایی و کل، به طور معنی‌داری تحت تاثیر ژنوتیپ، غلظت نیتروژن محلول غذایی و نیز برهمکنش بین آنها قرار گرفت. تنوع ژنتیکی قابل توجهی از نظر پاسخ به غلظت کاهش یافته نیتروژن محلول غذایی در بین ژنوتیپ­ها مشاهده شد. در بین ارقام اصلاح شده شمال، بالاترین کارایی نیتروژن به ارقام فجر و خزر و کمترین آن به ارقام نعمت و شیرودی تعلق داشت. در حالی که در بین ارقام محلی شمال ارقام حسنی و کاظمی بیشترین و ارقام طارم منطقه و اهلمی طارم کمترین کارایی نیتروژن را به خود اختصاص دادند. ارقام زاینده رود و لاین 2 فیروزان نیز کمترین و بیشترین کارایی را در بین ارقام مرکزی دارا بودند. در آزمایش دوم چهار ژنوتیپ انتخاب شده بر اساس نتایج آزمایش اول (فجر، حسنی، شیرودی و طارم منطقه) در چهار سطح غلظت نیتروژن محلول غذایی شامل 712/0، 42/1، 85/2 (شاهد) و 79/3 میلی‌مولار از منبع آمونیم نیترات محلول یوشیدا و در دو محیط با غلظت معمول (حدود 360 میکرومول) و غنی‌شده (حدود 700 میکرومول برمول) دی اکسیدکربن هوا به صورت آزمایش فاکتوریل در قالب طرح کاملا تصادفی با سه تکرار ارزیابی شدند. در آزمایش دوم برداشت گیاهان در طی دو مرحله انجام گرفت. در برداشت اول 30 روز بعد از اعمال تیمار، افزایش غلظت دی اکسید کربن باعث افزایش غلظت کلروفیل، سطح برگ و سهم ریشه از وزن خشک کل شد. برهمکنش اثر دی اکسید کربن و ژنوتیپ بر وزن خشک اندام هوایی،  غلظت کلروفیل و غلظت کاروتنوئید معنی­دار بود. وزن خشک اندام هوایی در ژنوتیپ­های شیرودی، حسنی و فجر افزایش یافت، گرچه افزایش وزن خشک اندام هوایی ژنوتیپ فجر از لحاظ آماری معنی دار نبود. در حالی که ژنوتیپ طارم منطقه کاهش معنی داری در وزن خشک اندام هوایی نشان داد. در برداشت دوم 60 روز بعد از اعمال تیمار، افزایش غلظت دی اکسید کربن باعث کاهش سطح برگ، غلظت و محتوای نیتروژن اندام هوایی و باعث افزایش کارایی مصرف نیتروژن و غلظت نیتروژن ریشه شد که با افزایش نسبت غلظت نیتروژن ریشه به اندام هوایی همراه بود. اثر برهمکنش غلظت دی اکسید کربن و ژنوتیپ نشان داد که کاهش سطح برگ در اثر افزایش غلظت دی اکسید کربن فقط در ژنوتیپ­های شیرودی و طارم منطقه معنی‌دار بود. همچنین، در اثر افزایش غلظت دی اکسید کربن غلظت کلروفیل در ژنوتیپ­های حسنی و فجر افزایش و در ژنوتیپ­های طارم و شیرودی کاهش یافت. بیشترین کارایی مصرف نیتروژن به رقم فجر تعلق داشت. در برداشت دوم وزن خشک گیاه تحت تاثیر افزایش غلظت دی اکسید کربن قرار نگرفت. همبستگی بین وزن خشک اندام هوایی با غلظت نیتروژن اندام هوایی مثبت ولی با کارایی مصرف نیتروژن منفی بود. از تنوع ژنتیکی مشاهده شده در بین ارقام برنج از نظر پاسخ به سطوح مختلف نیتروژن و دی‌اکسید کربن  می‌توان در برنامه‌های اصلاحی جهت افزایش تولید نظام‌های زراعی متاثر از تغییر اقلیم بهره برداری کرد.

کلمات کلیدی: برنج، تنوع ژنتیکی، دی اکسید کربن، نیتروژن، کارایی مصرف نیتروژن.

1-1- گیاه برنج

برنج یکی از سه محصول غذایی اصلی جهان و جز اصلی رژیم غذایی نیمی از جمعیت جهان محسوب می­شود [11]. سالانه حدود 730 میلیون تن شلتوک از 163 میلیون هکتار زمین برنج کاری در جهان برداشت می­شود. بیش از 90% تولید و مصرف برنج جهان در آسیا صورت می­گیرد. در آینده با افزایش جمعیت، تقاضا برای برنج نیز افزایش می­یابد و این امر برنج را از لحاظ امنیت غذایی در آسیا حایز اهمیت می­ کند [4]. کشت برنج در ایران از 2000 سال پیش متداول بوده است [17]. هم اکنون استان­های گیلان و مازندران از مناطق مهم تولید برنج در کشور هستند و استان­های خوزستان، گلستان و فارس در رتبه­های بعدی قرار دارند. در ایران سالانه در حدود 7/2 میلیون تن شلتوک از   574 هزار هکتار زمین برنج کاری برداشت می­شود [23]. برنج از عمده ترین منابع غذایی در کشور است [4]، و در حال حاضر برای تامین نیاز مصرف کنندگان سالانه 5/1 میلیون تن برنج وارد کشور می­شود [40].

1-2- نیتروژن

نیتروژن یک عنصر ضروری برای رشد گیاه و تولید محصول است. با افزایش مصرف نیتروژن افزایشی خطی در عملکرد دانه دیده می­شود. کاهش و یا افزایش مصرف نیتروژن هر دو می­توانند مسایل مهمی در سطح جهانی به وجود بیاورند. کاهش این عنصر موجب به خطر انداختن امنیت غذایی شده و افزایش مصرف آن آلودگی­های زیست محیطی را به همراه دارد [45]. نیتروژن یکی از عناصر بسیار مهم برای برنج بوده و در صورت کمبود مانع رشد شده و عملکرد کاهش می­یابد. همچنین مصرف بیش از اندازه سبب رشد بی­ رویه و در نتیجه خوابیدگی، بیماری بلاست، شیت بلایت و افزایش شیوع آفات را به دنبال دارد [11]. معمولا به ازای هر یک تن محصول برنج نزدیک به 20 کیلوگرم نیتروژن در هکتار نیاز است [4].

1-3- گاز دی اکسید کربن

 پیامدهای اقلیمی مرتبط با افزایش مداوم غلظت دی اکسید کربن و سایر گازهای فعال جو در دهه­های اخیر، نگرانی­هایی را به همراه داشته و توجه دانشمندان و سیاست گذاران را به خود جلب کرده است. تغییراتی که در مقیاس جهانی انتظار آن می­رود، به صورت تغییر شرایط آب و هوایی و فصل رشد در مقیاس منطقه­ ای و محلی بروز کرده و مستقیما بر کشاورزی و پوشش­های طبیعی تاثیر می­گذارد [24]. براساس گزارش مجمع بین دول تغییر اقلیم، تا پایان قرن 21 غلظت دی اکسید کربن جو به 800-700 میکرومول در مول خواهد رسید ]6.[ این افزایش غلظت دی اکسید کربن می ­تواند باعث بهبود فتوسنتز و کارایی مصرف آب و نیتروژن شود. همچنین افزایش عملکرد ناشی از غلظت دی اکسید کربن می ­تواند برای پاسخ به افزایش جهانی تقاضا برای غذا در آینده مهم باشد [70].

1-4- اهداف انجام تحقیق

دی اکسید کربن یکی از الزامات غیر زنده و ضروری برای رشد گیاه مانند نور، آب و مواد غذایی است. هرگونه تغییر در دسترسی به این پارامتر به ویژه در مقیاس جهانی علاوه بر بیولوژی گیاه بر تمامی سیستم­های زنده تاثیر می­گذارد. داده­های مبتنی بر افزایش غلظت دی اکسید کربن نشان دهنده نیاز مبرم برای تحقیق در درک اساسی ما از چگونگی پاسخ بیولوژیک گیاهی به افزایش دی اکسید کربن محیط است [59]. برنج با توجه به سیستم فتوسنتزی سه کربنه پاسخ مثبتی به افزایش دی اکسید کربن می­دهد [71]. تحقیقات مختلف نشان داده است که پاسخ برنج به افزایش غلظت دی اکسید کربن وابسته به برهمکنش دی اکسید کربن با ژنوتیپ و کود نیتروژن است . در این تحقیق ابتدا پاسخ ژنوتیپ‌های مختلف گیاه برنج نسبت به نیتروژن مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس واکنش ژنوتیپ‌هایی با پاسخ­های متفاوت به کمبود نیتروژن، نسبت به افزایش غلظت دی اکسید کربن هوا مورد شناسایی قرار گرفت.

2-1- اهمیت گیاه برنج

برنج نقش مهمی در تغذیه نیمی از مردم جهان که بیشتر آنها در کشورهای در حال توسعه مانند ایران زندگی می‌کنند، دارد. این محصول یک سوم سطح زیر کشت غلات دنیا را اشغال کرده است و 35 تا 60 درصد کالری مورد نیاز 7/2 میلیارد نفر از جمعیت جهان را تامین می‌کند. [81]. مصرف سرانه برنج در جهان 7/56 کیلو گرم در سال می­باشد [40]. سطح زیر کشت برنج در جهان 163 میلیون هکتار است که با متوسط عملکرد 48/4 تن در هکتار 2/730 میلیون تن شلتوک در سال 2012 از آن برداشت شد [40]. در بسیاری از کشورها امنیت غذایی وابستگی زیادی به بوم نظام­های کشت آبی و بارانی برنج دارد [81]. بر آورد می­شود که تولید برنج باید سالانه یک درصد افزایش یابد تا بتواند جوابگوی تقاضای غذای جمعیت در حال رشد باشد [40]. این گیاه منبع اصلی پروتئین در رژیم غذایی مردم بیشتر کشورهای آسیایی به شمار می­رود [79]. حدود 90 درصد برنج جهان در آسیا تولید و مصرف می­شود که 96 درصد آن در کشورهای در حال توسعه است [81].

شکل2-1 میزان تولید و سطح زیر کشت جهانی شلتوک [40]

کشت برنج در ایران به دوره هخامنشیان بر می­گردد [17]. مصرف سرانه برنج در ایران 37 کیلوگرم در سال تخمین زده می­شود. سطح زیر کشت برنج کشور 574 هزار هکتار است که استان مازندران با دارا بودن سهم 5/38 درصدی رتبه نخست كشور را به­خود اختصاص داده است و استان گیلان با 2/31 درصد در جایگاه دوم قرار گرفته است. استان­های خوزستان با سهم 1/10 درصد، گلستان با سهم 5/8 درصد و فارس با سهم 5/5 درصد از  کل سطح برداشت اراضی شالی­کاری كشور به ترتیب رتبه‌های سوم تا پنجم را دارا هستند. همچنین از لحاظ تولید شلتوک  به همین ترتیب این استان­ها از مهمترین مراکز تامین برنج داخلی می­باشند. با متوسط عملکرد 2/4784 کیلوگرم در هکتار میزان تولید سالانه شلتوک کشور در حدود 7/2 میلیون تن می­باشد [23]. با این حال سالانه بر اساس آمار رسمی سازمان خوار و بار کشاورزی جهان 5/1 میلیون تن برنج در کشور وارد می­شود [40].

از برنج علاوه بر مصارف غذایی، در تهیه الکل، کاغذ و در صنایع پارچه بافی استفاده می­گردد. همچنین با توجه به این که دانه­ برنج حاوی مقدار زیادی نشاسته است، از آن برای تهیه­ نشاسته نیز استفاده می­گردد. از کاه آن برای تغذیه دام و از پوست دانه برنج (سبوس) برای تقویت مزارع، باغات و خوراک دام و طیور استفاده می­شود [11].

2-2- ویژگی های گیاه شناسی

برنج با نام علمی Oryza sativa L. متعلق به خانواده گرامینه (Poaceae) است. این گیاه دارای ژنوتیپ­های زودرس (طول دوره رشد 130 تا 145 روز)، متوسط رس (150 تا 160 روز) و دیررس (170 تا 180 روز) می­باشد. ریشه برنج سطحی و افشان بوده و حداکثر تا عمق 20 تا 25 سانتیمتری خاک نفوذ می­نماید. ساقه آن بند بند و توخالی است. برگ­ ها کشیده با رگبرگ­های موازی و بدون دمبرگ در دو طرف ساقه به صورت متناوب قرار گرفته­اند. دارای قدرت پنجه زنی مناسب بوده به طوری که هر بوته برنج معمولا 4 تا 5 پنجه تولید می­ کند. گل آذین برنج پانیکول بوده و گیاهی خودگشن است [11].

2-3- ویژگی­های اکولوژیکی

برنج گیاهی است ویژه کشت در مناطق گرم و به طور کلی گیاهی نیمه گرمسیری است. این گیاه از 53 درجه شمالی تا 35 درجه جنوبی کشت می­شود. این گیاه دارای سه تیپ زراعی ایندیکا از تیپ­های گرمسیری، ژاپونیکا تیپ معتدل و جاوانیکا تیپ حدواسط برنج است. عمده سطح زیر کشت برنج در ایران از ارقام ایندیکا تشکیل شده است و فقط 20 درصد سطح زیر کشت به ارقام ژاپونیکا اختصاص دارد. ارقام ایندیکا نسبت به طول دوره­ی روشنایی حساس بوده و گیاهانی روز کوتاه می­باشند، در حالی که ارقام ژاپونیکا حساسیتی به طول دوره­ی روشنایی ندارند [4]. دمای مورد نیاز برنج برای رشد و نمو مطلوب بین 27 تا 32 درجه سانتی­گراد می­باشد [69]. درجه حرارت­های پایین­تر از 20 درجه سانتی­گراد طی ابتدای مرحله میکروسپور مانع از نمو گرده می­شود. همچنین در هنگام گل­دهی دمای پایین تر از 20 و بالاتر از 35 درجه باعث افزایش عقیمی سنبله می­شود [21].

2-4- اهمیت کود نیتروژن

در چند دهه گذشته، افزایش عملکرد محصولات کشاورزی در واحد سطح زمین و در واحد زمان به دلیل مدیریت بهتر تولید، بهبود ژرم پلاسم و مصرف بیشتر کودها بوده است. تا حدود 50 درصد تولید جهانی محصولات مربوط به استفاده از کود های تجاری است. رشد محصولات، تا حد زیادی وابسته به عرضه نیتروژن، چه از خاک و یا اضافه کردن به عنوان کود است. اگر عرضه نیتروژن ناکافی باشد رشد مطلوب حاصل نمی­شود. میزان نیتروژن مورد نیاز به نوع گیاه، غلظت و توزیع نیتروژن در بافت گیاه، عملکرد مورد انتظار، نیتروژن خاک، آبشویی و… بستگی دارد [12]. در زراعت برنج معمولا به ازای هر یک تن محصول برنج حدود 20 کیلوگرم نیتروژن در هکتار نیاز است [4].

با توجه به این که نیتروژن نقش قابل ملاحظه ای در افزایش عملکرد گیاهان دارند، سالانه میلیون‌ها تن از کودهای نیتروژنی برای تولید محصولات مختلف کشاورزی در سراسر جهان مصرف می‌شود [44]. از طرف دیگر مصرف بیش از حد نیتروژن موجب آسیب‌های زیست محیطی، افزایش گرمایش جهانی و نهایتا آسیب به سلامتی انسان می‌شود. در واقع فقط 30 تا 40 درصد نیتروژن اضافه شده به خاک به مصرف گیاه می‌رسد و مابقی از طریق رواناب و آبشویی، تصعید آمونیومی و دنیتریفیکاسیون از دسترس گیاه خارج شده و محیط زیست را آلوده می­ کند . کارایی مصرف نیتروژن در کشت برنج در آسیا 40 درصد و در ایران 34 درصد می­باشد [ 67].

2-5- تغییر اقلیم و نقش فعالیت­های بشری

میانگین بلند مدت آمار جوی، سطح زمین و آب در طی فصول مختلف و سال­های طولانی در یک منطقه معرف اقلیم آن منطقه است [6]. تغییر اقلیم به نوسانات ویژه­ای که در مقیاس زمانی طولانی رخ می­دهد و منجر به بی ثباتی قابل ملاحظه­ متوالی در میانگین­های 30 ساله می­شود اطلاق می­گردد [16]. هر چند تغییرات اقلیمی در محدوده­ جهانی صورت می­پذیرد، اما قطعا با توجه به اقلیم هر ناحیه میزان اثر گذاری پدیده­ تغییر اقلیم بر آن متفاوت خواهد بود [6].

بسیاری از تغییرات اقلیمی مشاهده شده در چند دهه گذشته از سال 1950، در طی هزاران سال گذشته بی سابقه بوده است [48]. رشد صنایع و کارخانه­ها از یک طرف و جنگل زدایی و تخریب محیط زیست از طرف دیگر باعث افزایش روز افزون تخریب طبیعت و افزایش گازهای گلخانه­ای در سطح کره زمین شده است. این پیامد منفی باعث ایجاد تغییرات قابل ملاحظه­ای در وضعیت آب و هوایی کره زمین بوده؛ به طوری که در سال های اخیر شدت خشکسالی و سیلاب­ها و پدیده­های حدی در بخش­های مختلف کره زمین به نحو چشمگیری افزایش داشته است. به منظور بررسی دقیق تر مساله، در سال 1988 موسسه­ای با نام هیات بین دول تغییر اقلیم (IPCC[1]) توسط سازمان جهانی هواشناسی و برنامه محیط زیست سازمان ملل تاسیس شد. هدف اصلی این موسسه، شناختن جنبه­ های مختلف تغییر اقلیم و به­خصوص چگونگی تاثیر فعالیت­های انسانی بر آن بود [15].

ابزارهای دقیق زمینی و دریایی هواشناسی نشان داده­اند که میانگین دمای جهانی طی قرن بیستم در حدود 4/0 تا 8/0 درجه سانتی­گراد افزایش داشته است [6]. پیش بینی می­شود تا پایان قرن 21 بین 1/1 تا 4/6 درجه سانتیگراد افزایش یابد که در نتیجه­ی افزایش غلظت گازهای گلخانه­ای دی اکسید کربن (CO2)، متان (CH4) و اکسید نیتروژن