چگونگی کشف و آشکار سازی ونیز آگاه شدن از انواع بخارها، مایعات و ذرات پراکنده در هوا زمینه تلاش شیمیدان‌ها و صنایع دفاع می‌باشد. در میدان جنگ به آشکارسازهایی نیاز است که قابل حمل باشند و نسبت به عوامل شیمیایی در هر شکل و حالتی پاسخ دهند. هر گونه اخطار هشدار در مورد سموم شیمیایی به کار رفت و نوع آنها میتواند از وقوع یک فاجعه جلوگیری کند. در این مقاله تاریخچه جنگهای شیمیایی و روند توسعه سیستم‌های آشکار سازی و هشدار عوامل شیمیایی برای کاربرد در میدان نبرد مورد بحث قرار گرفته است.
مواد شیمیایی در جنگ‌ها از چند قرن پیش استفاده شده‌اند. اما وقوع جنگ شیمیایی تا قرن بیستم به خوبی مستند نیست. برای جلوگیری از تلفات، ضروری است تعیین وجود وشناسایی عوامل شیمیایی به سرعت انجام شود. توانایی آشکار سازی و هشدار دقیق و سریع عوامل شیمیایی راه حل این مسئله است. برای فهم کاملتر مساله آشکارسازی عوامل شیمیایی تحقیق و آزمایش در موارد زیر ضروری است:
1 اثر ورود عوامل جدیدی به میدان جنگ یازراد خانه‌های کشور تا آنجا که به دفاع شیمیایی مربوط است.
2 توسعه تدریجی تجهیزات شیمیایی برای آشکار سازی و شناسایی این عوامل.
3 کاربرد فناوری‌های گوناگون برای مساله آشکار سازی.
دوران معاصر جنگ با مواد شیمیایی سمی، از جنگ جهانی اول و از زمانی که آلمان در 22 آوریل 1915 گاز کلر (یک عامل خفه کننده) را در مقابل فرانسوی‌ها در جبهه غربی دراپیرس بلژیک به کار گرفت، آغاز شد. سربازان بی‌حفاظ فرانسوی از این حمله شیمیایی متحمل حدوداً 15،000 مصدوم و 5،000 کشته شدند.
در دوران جنگ تعداد زیادی «گاز جنگی» جدید به وسیله طرفین درگیر به کار گرفته شد که در نتیجه آن1،205،000 نفر مصدوم و 92،000 نفر کشته شدند. روسها متحمل بیشترین تلفات شدند حدوداً 420،000 مصدوم و 56،000 کشته.
در سال 1918 ایالات متحده براثر حمله شیمیایی متحمل 71،345 مصدوم و 1،462 کشته شد.(1)
اولین «گازهای جنگی» که مورد استفاده قرار گرفتند مواد شیمیایی آزمایشی بودند که سیستم تنفسی را تحت تاثیر قرار می‌دادند. در سال 1917، ماسک گاز به قدری بهبود یافته بود که به طور کامل حفاظت انفرادی در مقابل این عوامل را انجام می‌داد، و تنها قربانیان حملات شیمیایی سربازانی بودند که نمی‌توانستند به موقع از ماسک استفاده کنند یا کسانی که پس از حمله، ماسکهایشان را زودتر از موعود بر می‌داشتند. برای مقابله با این پیشرفت، آلمانها در سال 1917 استفاده از گاز خردل را آغاز کردند که حفاظت در مقابل آن جز با استفاده از ماسک‌های پیشرفته ضد گاز انجام پذیر نیست.
خردل مایعی است که علاوه بر تخریب سیستم تنفسی موجب تاول زایی پوست و سوزش چشم هم می‌شود(2). اولین حمله خردلی در مقیاس وسیع در نیوپورت فرانسه به وسیله آلمانها بین 21 و 26 ژوئیه سال 1917 صورت گرفت نه تنها استفاده از ماسک‌های گاز سربازان را در مقابل خردل حفاظت نکرد بلکه تاول‌های ایجاد شده بر روی پوست و هم چنین جذب سریع از طریق پوتین و لباس، موجب افزایش تلفات گردید. (3)
2ـ روند توسعه سیستم‌های آشکار سازی و هشدار عوامل شیمیایی
روشهای آشکار سازی قدیمی عامل شیمیایی مورد استفاده در جنگ جهانی اول اساساً شامل شناسایی عوامل از طریق دیدن و بو کردن بود. با این وجود در سال 1918 اکثر ارتش‌های اروپایی رنگ‌ها، گچ‌ها و پودرهای آشکار ساز گاز تاول‌زا (شامل مواد رنگی که در حضور مواد تاول زا مانند خردل تغییر رنگ می‌دادند) را توسعه داده بودند. تنها «هشدار دهنده‌های گاز» زنگ‌ها، ناقوس‌ها، سوت‌های خطر و شیپورهای کلاکسون (Klaxon horn) بودند که به وسیله انسان به صدا در می‌آمدند.
در ژوئن 1918، سرویس جنگهای شیمیایی2 (CWS) در ایچ وود آرسنال ام.دی تمام برنامه‌های خود را به تحقیق و توسعه و تهیه مواد شیمیایی اختصاص داده بود. مدت کوتاهی پس از آن، یک دانشگاه آمریکایی رنگ آشکار ساز بهبود یافته‌ای متشکل از یک رنگ توسعه یافته انگلیسی را آماده بهره‌برادری نمود. قطرات خردل بوسیله یک واکنش شیمیایی با رنگ فوق که سبب تغییر رنگ از سبز زیتونی به قرمز می‌شد، آشکار می‌شدند(4).
در سال 1963 آلمانها بدون آگاهی منابع اطلاعاتی امریکایی عامل عصبی تایون (GA) را کشف و آماده استفادهکرده بودند. آلمانها اولین تاسیسات تهیه تابون را در سال 1939 ساخته و تا سال 1945، بالغ بر 12 هزار تن تابون تهیه کردند (5). تابون و دیگر عوامل عصبی هم خانواده آن(عوامل G)، نظیر سارین (GB) و سومان (GD) که توسط آلمانها توسعه یافتند دارای بسیاری خصوصیات ایده‌آل برای استفاده به عنوان عوامل شیمیایی بودند. این مواد مایعاتی بسیار سمی، بی‌رنگ و بی بوهستند، گر چه ناخالصی‌های وارد شده در طی فرآیند ساخت، در آغاز به تابون بوی نامطبوعی مانند بوی میوه تازه یا بوی شکلات می‌دهد. استنشاق عامل عصبی به اندازهای که برای تشخیص بوی آنها کافی باشد موجب ناتوان شدن یا مرگ خواهد شد. تا قبل از 1940 CWS به این مطلب پی برد که اغلب روشهای قابل اعتماد برای تشخیص عوامل شیمیایی براساس حساسیت حواس انسان پایه گذاری شده است.
با درک این موضوع که روشهای فوق غیر قابل اعتماد و خطرناک هستند، این مرکز بلافاصله برنامه تحقیقاتی را آغاز کرد که منجر به توسعه و طبقه بندی، تولید وصادرات تعدادی از آشکار سازهای عوامل شیمیایی تا سال 1942 شد. از جمله اینآشکار سازها رنگ M5 (آشکار ساز مایعات تاول زا) کاغذ M5 (آشکار ساز مایعات تاول زا) ماژیک M7 (آشکار ساز مایعات تاول زا) و کیست M4 H5 (شناساگر خردل)می‌باشند. البته این آشکار سازها تنها برای تشخیص مایعات یا بخارات غلیظ عوامل تاول زا مانند خردل ترکیب شده از استیلن و آرسنیک تری کلرید، خردل‌های نیتروژن دار (NH) و بعضی ترکیبات آرسینکی موثر واقع می‌شوند. (9)
تا سال 1941ایالات متحده زمان زیادی را صرف تحقیقات ویژه و کاربردی برای دست آوردن روشی حساس (کمتر از 4 میلی گرم در متر مکعب)، قابل اعتماد و ساده برای تشخیص بخارات عوامل شیمیایی کرده بود. واکنش‌های شیمیایی براساس تغییر رنگ، تغییر اسیدینه، کدر شدن محلول، تشکیل رسوب و غیره برای این منظور مورد مطالعه قرارگرفته‌اند.
روشهای فیزیکی آشکار سازی ، براساس طیف سنجی تداخل وتجزیه امواج نور، قانون نفوذ مولکولی گراهام و هم چنین اندازه‌گیری ثابت‌های فیزیکی، مورد بررسی واقع شده است. روشهای شیمیایی، ـ فیزیکی نظیر تشخیص تغییرات اسیدینه و اسکالیته (PH) قابلیت هدایت، تولید گرما در یک واکنش گرمازا و فعالیت کاتالیتیکی نیز مطالعه شده‌اند. محققین هم چنین روشهای تشخیص بیولوژیکی (علاوه بر روشهای تشخیص انسانی) شامل واکنش‌های قابل رویت خود در زیر میکروسکوپ و تاثیر واکنش‌ها بر روی حیوانات کوچک، پرندگان و ماهی‌ها را بررسی کرده‌اند
بسیاری از روشهای امتحان شده در آزمایشگاه از حساسیت بسیار بالایی برخوردار بودند، اما نمی‌توانستند در زمینه رفع نیازهای موجود مورد استفاده قرارگیرند. ضربه، تکان و ارتعاش اصلی ترین دلائل برای ضعف مکانیکی آشکارسازی آزمایشی بودند.
شرایط جوی، بسیاری از ثابت‌های فیزیکی را تحت تاثیر قرار می‌دهد و روشهای شیمیایی در غلظت‌های زیاد عوامل سمی یا در حضور مخلوط چندین عامل یا گاز متفاوت، گرد و غبار و گازهایی که ممکن است در جنک به حساب آورده نشوند مانع از ارائه پاسخ‌های صحیح می‌شوند. هم چنین،بسیاری از وسایل سازمانی برای استفاده سربازانی که تعلیمات فنی محدودی را دیده‌‌اند خیلی پیچیده بودند.
در طول جنگ جهانی دوم، تعلیمات و اصول آموزشی ایالات متحده برای تشخیص عوامل شیمیایی وثبت برچسب روی ماسک‌های حفاظتی و چگونگی استفاده از حس بویایی برای تشخیص گازها به وسیله سربازان اجباری شد. این روش علیرغم تلاش مداوم دانشمندان برای توسعه عوامل شیمیایی جدید سمی، بدون رنگ وبو و با تاثیر فوری، مورد تاکید قرار گرفت. علاوه بر این، عوامل شیمیایی با غلظت زیاد می‌توانند باعث ناتوانی حس بویایی شوند ودر نتیجه از شناسایی عوامل جلوگیری کنند و احتمال آسیب رساندن را نیز افزایش دهند.
هیچ گزارشی مبنی بر استفاده از عوامل شیمیایی در طی جنگ جهانی دوم منتشر نشده است. گر چه آلمانها بیش از 104 هزار تن مهمات شیمیایی ذخیره کرده بودند. بخش عمده عوامل عصبی تابون آنها به صورت بمب ذخیره شده بود. «لوفت وافه (نیروی هوایی آلمان)» بیش از چهل هزار بمب 250 کیلوگرمی تابون در اختیار داشت که این مهمات در ایالت باواریا نگهداری می‌شد.
تا اوایل 1945 که ارتش ایالات متحده انبار مهمات عوامل عصبی آلمان در باواریا را تسخیر کرد این سلاح برای نیروهای متفقین هنوز ناشناخته بود. در این اثنا، روس ها وسایل تهیه تابون در سیلیا و اطلاعات مربوط به نحوه تولید عوامل عصبی مانند GB و GD را تحت کنترل خود گرفتند. بسیاری از مهمات و آشکار سازهای عوامل شیمیایی اتحاد جماهیر شوروی پس از تسخیر انبار مهمات آلمان توسعه و تکامل یافت.
ارتش ایالات متحده وسایل مختلف آشکار سازی گاز از قبیل کیت‌ها، لوله‌ها، پمپ‌های دستی، پودر، کاغذها، مدادها، کارت‌های اسپری و خودروی تشخیص خودکار گاز را که متعلق به آلمانها بود تصاحب کرد. لوله‌ها هنگامی که در معرض عوامل شیمیایی قرار می‌گرفتند براساس واکنش Schoenemann تغییر رنگ می‌دادند و قادر به تشخیص خردل (H) مواد آرسینکی، CG, HN دی فسژن کلروپیکرین (PS) سیانید کلرید (CK) فسژن اکسایم (CX) و هیدروژن سیانید (AC) بودند.
لوله‌های دارای نوارهای رنگی برای مشخص کردن نوع یا طبقه عوامل، علامتگذاری شده بودند. دیگر عوامل شیمیایی آلمانها که شناسایی شدند عبارت بودند ازاتیل دی کلرو آرسین (ED) ، آدامزیت (DM) ، دی فنیل کلرو آرسین (DA) و دی فنیل سیانو آرسین (DC). تصرف عوامل شیمیایی آلمان و افشاء اطلاعات فنی مربوط به آنها دارای اثرات زیر بودند:
1ـ تغییراساسی در مبانی روشهای آشکار سازی وشناسایی از طریق حس بویایی.
2ـ تدارک نیازمندیهای فوری برای تهیه دستگاههای آشکارسازی و شناسایی عوامل عصبی.
3ـ تهیه یک سیستم اعلام خطر خودکار عوامل شیمیایی با توانایی پاسخ گویی سریع برای تشخیص عوامل عصبی در اتمسفر.
هشدار دهنده‌های خود کار E 43 R 3 و E 21 نمونه‌هایی از تلاش‌های گذشته در زمینه سیستم‌های اعلام خطر و نمونه برداری میدانی عوامل عصبی برای استفاده ارتش هستند که کاربرد جهانی دارند، حسگرهای موجود در این سیستم‌های اعلام خطر از نوع نوار رنگ سنجی (O- DIANISIDINE) است که وقتی با یک معرف مرطوب شوند و در معرض عامل عصبی موجود در هوار قرارگیرند تغییر رنگ می‌دهند. اعلام خطر E21 به صورت سیستم‌های M6 و M6 A1 برای اعلام خطر کار عامل G در میدان اصلاح شده است چون استفاده از آن به این دلیل که نمی‌توانست تمام ویژگی‌های فنی مورد نیاز را برآورده سازد محدود بود.
سیستم اعلام خطر خودکار عامل شیمیایی M8 (ACAA) در سال 1969 به عنوان یک وسیله استاندار طبقه بندی شده سیستم M8 قابل حمل و نقل است ودارای یک واحد آشکار ساز و نمونه بردار نقطه‌ای الکترو شیمیایی M43 و یک سیستم اعلام خطر M42 می‌باشد که هر دو با باتری عمل می‌کنند استفاده از سیستم M8 بهصورت واحدهای گروهانی در سراسر ارتش مجاز شمرده شده ملزومات مختلف، نظیر کین یدکی تجهیزات M229 منبع تغذیه M10، کیت مخصوص زمستان M253 باتری BA3317/U و کیت پایه M228 و M182 برای تقویت و پشتیبانی سیستم اعلام خطر M8 در میدان لازم هستند. برای کاهش هزینه‌های اولیه میدانی شدن برای یگانهای خارج از کشور، ده مدل مختلف از آن براساس ترکیب‌های گوناگون این ملزومات طبقه بندی و مجاز شمرده شد. از آنجایی که این کار منجر به ایجاد مشکلات بسیاری در اداره این سیستم با تراکم بالا می‌شد، در نهایت ده مدل اولیه به یک مدل کاهش داده شد. آشکار ساز M43 از الکترولیت مرطوب کننده کیست M229 استفاده می‌کند که با عبور از یک سلول الکترو شیمیایی عوامل AC,CG, CK, CX, GA, GB, VX را در هوا تشخیص می‌دهد. یک دستگاه تست M64 برای تست الکترونیک استفاده شده است. سیستم اعلام خطر M8 و منبع تغذیه M10 در سال 1981 پس از اصلاح به ترتیب با عناوین سیستم اعلام خطر M841 و منبع تغذیه M10 A1 براساس LCC-B دوباره طبقه بندی شدند.
سیستم اعلام خطر خودکار عوامل شیمیایی M8A1 در سال 1981 از نظر نوع طبقه بندی شده هشدار دهنده M8A1 شامل یک واحد آشکار ساز M43A1 یک حسگر الکترونیکی، نمونه بردار نقطه‌ای براساس یونیزاسیون و یک واحد اعلام خطر M42 می‌باشد. آشکار ساز M43A1 از یک منبع تابش آلفا (خشک) برای تشخیص عوامل عصبی سود می‌برد. مزیت اصلی سیستم اعلام خطر M8A1 حذف قسمت پر هزینه کیت یدیک M229 و سرویس وقت گیر مورد نیاز برای سیستم اعلام خطر M8 می‌باشد منبع تغذیه
M10 A1 یک محصول پیشرفته است که نیروی ذخیره کوچکتر و بسیار سازگار (از نظر شکل و اندازه) برای تبدیل نیروی AC به DC به منظور به کار انداختن سیستم‌های اعلام خطر M8 و M8A1 در تاسیسات ثابت در اختیار می‌گذارد. برخلاف واحد آشکارساز M43 واحد آشکار ساز M43A1 نمی‌تواند عوامل تاول زا، خون و خفه کننده را تشخیص دهد. طرح اصلاح شده دستگاه M43A1 شامل توسعه توانایی آشکار سازی این عوامل و توکسین‌های استفاده شده به عنوان عوامل شیمیایی می‌باشد.
سیستم‌های خودکار بهبود یافته دیگر برای آشکار سازی در مراحل مختلف اصلاح و توسعه هستند. این سیستم‌ها شامل آشکار سازها و XM21 یک سیستم اعلام خطر از راه دور عوامل شیمیایی و اولین سیستم حسگر اسکن کننده خودکار است که فناوری مادون قرمز غیر فعال را برای آشکار سازی از راه دور بخار است عوامل شیمیایی به کار گرفته است. سیتسم حسگر از راه دور از فناوری مادون قرمز مسیر بلند (LOPAIR)1 بهره گرفته است که در سال 1956 مورد بررسی قرار گرفت. حسگر XM21 جذب یا نشر انرژی مادون قرمز به وسیله بخارات عوامل شیمیایی را در دامنه دید (FOV)2 بابرد تقریبا 5 کیلومتر نشان می‌دهد. سیستم اعلام خطر XM21 شامل یک آشکار ساز، سه پایه و یک منبع تغذیه می‌باشد.
فناوری اعلام خطر XM21 براساس روشی است که از طیف سنجی تبدیل فوریه و الگوریتم‌های متمایز برای مقایسه طرح IR ابر عامل یا طرحهای IR مواد زمینه‌ای که به طور طبیعی حضور دارند بهره می‌برند. سیستم اعلام خطر XM21 به طور کامل و در سال 1986 توسعه داده شده است.
از موارد قابل ذکر، توجه خاص طراحان سیستم‌های آشکار سازی و هشدار دهنده عوامل شیمیایی برای توسعه سریع فناوری مادون قرمز فعال در طی دهه گذشته می‌باشد برای فراهم شدن قابلیت آشکار سازی (بخار یا آئروسل) عوامل شیمیایی و مسافت سنجی (فاصله ابر) از راه دور CRDEC در حال توسعه ترکیب روش تفریق تقاضلی (DISC) و فناوری آشکار سازی و مسافت سنجی تقاضلی جذب نور 4 می‌باشد تا از این طریق، فناوری حسگر از راه دور (DISC/DIAL) (DIAL) و (LIDAR) امکانپذیر شود. از سال 1984 تا سال 1987 آزمایش‌هایی انجام گرفته که در آنها از طریق DISC/DIAL برای بخارات و آئروسل عوامل شیمیایی غلظت‌های آستانه در فواصل 5ـ 3 کیلومتر و آلودگی نسبت به عوامل شیمیایی در فواصل 600 ـ 150 متر اندازه گیری شده است.
1- long path infra-red
2- field of view
3- differential scqtlered
4- differential absorpiont light dete ction and ransing
کاربرد این روش هم چنین نشان داده است که فناوری مادون قرمز فعال میتواند قابلیت‌های بی‌نظیر دیگری مانند بررسی مقدماتی آشکار سازی شناسایی را فراهم کند که از طریق فناوری IR غیر فعال به تنهایی امکانپذیر نیست.
براساس این یافته‌ها و نیازمندیهای نیروی هوایی CRDEC در حال توسعه سیستم‌های ثانویه آشکار سازی از راه دور عوامل شیمیایی می‌باشد.
این سیستم دستگاهی مجهز به کنترل کامپیوتری و خودکار خواهد بود که فناوری حسگرهای مادون قرمز غیر فعال را برای آشکار سازی از راه دور و تمایز عوامل، ترسیم، اعلام خطر و انتقال اطلاعات مسافت سنجی (فاصله، محل، محتوا و غلظت) در مورد بخارات، آئروسل و آلودگی سطحی محدود عوامل شیمیایی بایکدیگر ترکیب می‌کند. این مدل برای برآورده کردن نیازهای تاسیسات ثابت توسعه داده می‌شود. همگام با توسعه این سیستم نیروی زمینی نیز سیستم نیروی هوایی رابرای رفع نیازمندیهای تاسیسات ثابت به آشکار سازی و اعلام خطر (FSDWS)1 و سیستم فناوری اطلاعات اولیه شیمیایی، بیولوژیکی و هسته‌ای (NVCRS)2 اصلاح نمود. برنامه تحقیقاتی به طور همزمان افزایش توانایی آشکارسازی برای عوامل سمی و بیولوژیک و استفاده از چرخبال، هواپیمای بدون خلبان (RPV)3 و قمرهای مصنوعی را دنبال می‌کند.
1- Fixed Site Detdction and Warning System (FSDWS).
2- Nuclear, Biological and Chemical Reconnaissiance System (NBC)
3- Remotely Vehicles.
منابع:
1- A. prientiss, Chemicals in war, McGraw-Hill Book CO., Inc, NEW York NY, 1937.
2- PAM 14-50, Chemical Corps Training Information Pamphlet, US Army Chemical Center and School, Fort Mc Clellan AL, US Army Chemical Warfare School. Edgewood Arsenal, MD, 1931.
3- A Handbook of Chemical Warfare Agents, US Army Chemical Ware School. Edgewood Arsenal, ME 1931.
4- Report of Activities of the Technical Divion During World War II, Office of the Chief Chmical Warfar Service, Army Service Forces, Washington. DC, January 1946.
5- Report of Chmical Warfare Review Commission, Chmical Warfar Review Commission, Washington. DC, 11 June 1985.
6- E. Hoshall, Odor Udentification of Chemical Warfarc Agents, Chemical Warfare Service Bulletin 27, no.3, Washington DC, July 1941.
7- The History of Captured Enemy Toxic Munitions in the Amreican Zone, Europran Theater/Command May 1945 To August 1948, Office of the Chief Chemical Officer. Headquarters, European Command, August 1948.
8- Data Book on Type-Classified/standard Chemical Agents, Weapons, and Defense Materiel. Report No. CRDC-SP-85009. US Army Chemical Research and Development Center. Aberdeen proving Ground, MD,September 1985.08.22AR
9- 70-1 System Acquisition policy and proce dures, 10 October 1988.
10- G.G. Outterson R J.Norstrom, and RE. Wyant, Summary Stud of Detection and Warning, Draft Contractor Report, Battelle Columbus Laboratories, US Army Chemical Research and Development Center, Aberdeen proving GAROUND, MD APRIL 1981.
11- R. Show, J Hoffland, and J. Carrio, Remote Sensing for Chemical Defense,US Army Research Office. Research Triangle park, NC. 26 November 1985
12- TM 43-0001 26- Army Equipment Data Sheets Chemical Defense Equipment, Department of the Army, 12 may 1982.
13- Assessment of – Chemical and Biological Senaor Technologies, Board on Army Science and Technology. National Research Council, National Academy Press, Washington DC, 1984.
14- TM3-6665-319-10, Operators Manual-Water Testing Kil, Chemical Agents: M272, Department of Army, 30 November 1983.
پایان