การลดลงของโอโซน

การลดลงของโอโซน (อังกฤษ: ozone depletion) คือปรากฏการณ์การลดลงของชั้นโอโซนบนชั้นบรรยากาศระดับชั้นสตราโตสเฟียร์ โดยทำการศึกษาการลดลงของชั้นโอโซนตั้งแต่ ค.ศ. 1970 และมีอัตราการลดลงในระดับ 4% ต่อทศวรรษ ในช่วงฤดูใบไม้ผลิจะพบว่ามีการลดลงของชั้นโอโซนมากในบริเวณขั้วโลก ลักษณะการเกิดการลดลงของชั้นโอโซน เรียกว่า หลุมโอโซน ซึ่งเป็นสาเหตุของการเกิดปรากฏการณ์โลกร้อน

ภาพของหลุมพร่องโอโซนขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่มีการบันทึกมา ซึ่งเกิดขึ้นในเดือนกันยายน พ.ศ. 2549 บริเวณขั้วโลกใต้

การเกิดหลุมโอโซนจะมีความแตกต่างไปแต่ละพื้นที่ โดยพื้นแถบขั้วโลกพบว่ามีการถูกทำลายของชั้นโอโซนมากที่สุดและแตกต่างกันไปในแต่ละพื้นที่ของค่าละติจูด สาเหตุการทำลายชั้นโอโซน นั้นเกิดจากการทำปฏิกิริยาแฮโลเจนกับแก๊สโอโซน การทำปฏิกิริยาสารทำความเย็นจำพวกแฮโลคาร์บอนหรือสาร CFC กับโอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์ โดยสารทั้งสองชนิดนี้เป็นสาเหตุหลักของการเกิด หลุมโอโซน แต่ก็ยังมีสาเหตุอื่น ๆได้อีก เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน

สาร CFC และสารกลุ่มอื่น ๆ ที่เป็นสาเหตุของการทำลายชั้นโอโซน (ozone-depleting substances, ODS) ที่เป็นชั้นที่ช่วยป้องกันรังสียูวีบี (UVB) ความยาวคลื่นที่เป็นอันตรายมากที่สุด (280-315 นาโนเมตร) ผลของรังสียูวีบีจะส่งผลต่อความหลากหลายทางชีวภาพบนโลก การเกิดโรคมะเร็งผิวหนัง ต่อกระจก และการลดลงของจำนวนแพลงก์ตอนพืชในเขต photic ของมหาสมุทร ทำให้เกิดความกังวลต่อการลดลงของโอโซนในระดับนานาชาตินำไปสู่การร่างพิธีสารมอนทรีออล ในวันที่ 16 กันยายน พ.ศ. 2530 (1987) และเริ่มการบังคับใช้ตั้งแต่วันที่ 1 มกราคม พ.ศ. 2532 (1989) เป็นต้นมา ประเด็นสำคัญในการบังคับใช้พิธีสารมอนทรีออล คือ เพื่อควบคุม ยับยั้ง และรณรงค์ให้ลดการผลิตและการใช้สารทำลายชั้นบรรยากาศโอโซน เพื่อรักษาชั้นบรรยากาศโอโซนที่เริ่มจะสูญสลายไป

วัฏจักรโอโซน

ภาพแสดงวัฏจักรโอโซน

โอโซน คือโมเลกุลของออกซิเจนจำนวนสามอะตอม (O₃) มาทำพันธะต่อกัน แทนที่จะเป็นออกซิเจนสองอะตอม (O₂) ตามปกติที่พบโดยทั่วไปบนพื้นผิวโลก แต่เมื่อโมเลกุลอออกซิเจน (O₂) ได้รับรังสีจากดวงอาทิตย์ในกระบวนการโฟโตไลซิส (Photolysis) จะแตกตัวเป็นออกซิเจนสองอะตอมแล้วกลับไปรวมกันเป็นออกซิเจนสามอะตอมหรือโอโซนอีกครั้งหนึ่ง โอโซนที่เกิดขึ้นนั้นจะอยู่ในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ หลังจากโมเลกุลโอโซนดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตที่ความยาวคลื่นสั้นกว่า 240 นาโนเมตร จะแตกตัวได้โมเลกุลออกซิเจน (O₂) และโมลกุลออกซิเจนที่เป็นอนุมูลอิสระ และโมเลกุลออกซิเจนอนุมูลอิสระจะไปรวมกับโมเลกุลออกซิเจน (O₂) กลับมาเป็นโอโซนดังเดิม กระบวนการดูดซับพลังงานของโอโซนเป็นกระบวนการสำคัญที่ช่วยป้องกันโลกจะรังสีรังสีอัลตราไวโอเลตหรือรังสียูวี แต่เมือโอโซนได้รับโมเลกุลออกซิเจนอิสระก็จะสร้างพันธะเคมีใหม่ได้เป็น โมเลกุลออกซิเจน (O₂) สองโมเลกุล ดังสมการเคมีต่อไปนี้

$\mathrm {O+O_{3}\longrightarrow 2\ O_{2}}$

ความสมดุลของโอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์จะถูกกำหนดโดยอัตราการเกิดโอโซนในธรรมชาติและอัตราการทำลายโอโซน โอโซนสามารถถูกทำลายได้โดยการเกิดปฏิกิริยากับสารจำพวกอนุมูลอิสระเช่น กลุ่มไฮดรอกซิลที่รุนแรง (HO_x) กลุ่มไนตริก (NO_x) กลุ่มคลอรีน (Cl_x) และกลุ่มโบรมีน (Br_x) ซึ่งสารทั้งหมดที่กล่าวมาเป็นสารเคมีที่มนุษย์สร้างขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ ที่ส่งผลต่อโอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์ แต่การเพิ่มขึ้นของอุตสาหกรรมต่าง ๆ ในโลกทำให้มีการใช้สารเคมีกลุ่มที่ทำลายโอโซนมากขึ้นโดยเฉพาะสารคลอรีน (Cl) และโบรมีน (Br) ที่จะเป็นองค์ประกอบของสารคลอโรฟลูออโรคาร์บอน หรือที่เรียกสั้น ๆ ว่า “CFCs” เป็นสารที่มีคุณสมบัติในการดูดความเย็นและมีอายุยืนยาวสลายตัวยาก CFCs เป็นสารที่มนุษย์สังเคราะห์ขึ้นเพื่อใช้งานในโรงงานอุตสาหกรรมและอุปกรณ์ทำความเย็น เช่น ตู้เย็น เครื่องปรับอากาศ และสเปรย์

อะตอมคลอรีนและโบรมีนสามารถเข้าทำลายโมเลกุลโอโซนได้โดยง่ายที่อาศัยปัจจัยในสิ่งแวลล้อมเข้าช่วยนั้นคือ รังสียูวี รังสียูวีจะทำให้โมเลกุลของคลอรีนแตกตัวเป็นคลอรีนอิสระซึ่งสามารถทำลายโมลเลกุลของโอโซนได้ดีมาก โดยหนึ่งโมเลกุลคลอรีนสารมาทำลายโมเลกุลโอโซนได้หลายพันโมเลกุล ดังสมการต่อไปนี้แค่นี้นะคะ

$\mathrm {1)\ Cl+O_{3}\longrightarrow ClO+O_{2}}$

$\mathrm {2)\ ClO+O_{3}\longrightarrow Cl+2\ O_{2}}$

1. อะตอมของคลอรีนเปลี่ยนแปลงโมเลกุลโอโซนได้แก๊สออกซิเจนและคลอรีนออกไซด์
2. คลอรีนออกไซด์จากสมการด้านบนจะเข้าทำลายโมเลกุลโอโซนที่สองและเกิดแก๊สออกซิเจน และอะตอมของคลอรีนจะสามารถเข้าทำลายโมเลกุลโอโซนได้อีกหลายโมเลกุล

หน่วยของการวัดโอโซน

การลดลงของโอโซนที่สามารถเห็นได้ชัดเจนที่ชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ระดับต่ำ อย่างไรก็ตามการวัดการเกิดหลุมโอโซนไม่ใช้การวัดในแง่ของความเข้มข้นของโมเลกุลโอโซนที่อยู่บริเวณนั้น (ซึ่งโดยทั่วไปแล้วโมเลกุลของโอโซนมีจำนวนน้อยมาก) จึงใช้การวัดการลดลงของโอโซนในระดับคอลัมน์ในหน่วยด็อบสันโดยย่อว่า "DU" การศึกษาการลดลงของโอโซนในชั้นบรรยากาศเริ่มทำการศึกษา ณ ทวีปแอนตาร์กติกาในช่วงฤดูใบไม้ผลิ ค.ศ.1970 โดยใช้เครื่องมือที่เรียกกว่า Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS)

หลุมโอโซนและสาเหตุ

ภาพแสดงการเปรียบเทียบการเกิดหลุมโอโซนในช่วง ค.ศ. 1979–2011

หลุมโอโซนบริเวณทวีปแอนตาร์กติกา ณ ชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ระดับต่ำระดับของโอโซนได้ลดลง 33% จากการวัดครั้งแรกใน ค.ศ. 1975 หลุมโอโซนเกิดขึ้นในช่วงฤดูใบไม้ผลิ ณ ทวีปแอนตาร์กติกาในช่วงเดือนกันยายนถึงต้นเดือนธันวาคม เกิดลมทิศตะวันตกกำลังแรงพัดหมุนเวียนทั่วทวีปและสร้างความปั่นป่วนในชั้นบรรยากาศ การทำลายโอโซนในแต่ละปีนั้นพบว่า 50% เกิดในช่วงฤดูใบไม้ผลิของทวีปแอนตาร์กติกา

ตามที่กล่าวในข้างต้น สาเหตุหลักของการสูญเสียโอโซนคือการเข้าทำลายของแก๊สเรือนกระจก (สาร CFC เป็นหลักและแฮโลคาร์บอนที่เกี่ยวข้อง) เมื่อมีรังสียูวีจากอวกาศผ่านเข้ามาจะส่งผลให้แก๊สเรือนกระจกปล่อยอะตอมคลอรีนอิสระออกมา แล้วอะตอมคลอรีนอิสระจะเข้าทำลายโอโซน ปัจจัยที่สำคัญในการพาแก๊สเรือนกระจกไปสู่ชั้นบรรยากาศคือ การเกิดของเมฆสตราโตสเฟียร์บริเวณขั้วโลกหรือ Polar Stratospheric Clouds (PSC) ซึ่งเป็นตัวการสำคัญในการนำสารประกอบ CFCs ไปสู่บรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์ ถึงแม้อัตราการลดลงจะรุนแรงน้อยกว่าในขั้วโลกใต้แต่มีความสำคัญมากเพราะว่าเป็นที่อยู่อาศัยของประชากรส่วนใหญ่ เพราะการเพิ่มขึ้นของรังสียูวี ที่ตรวจพบนั้นสัมพันธ์กับการลดลงของโอโซนอย่างเห็นได้ชัด

เมฆสตราโตสเฟียร์บริเวณขั้วโลกหรือ Polar Stratospheric Clouds (PSC) จะเกิดมากในช่วงที่มีอากาศเย็นจัด เพราะในช่วงฤดูหนาวในขั้วโลกใต้กินระยะเวลานาน 3 เดือน ทำให้ไม่ได้รับรังสีจากดวงอาทิตย์ การขาดความร้อนจากดวงอาทิตย์ก่อให้เกิดการลดลงของอุณหภูมิและเกิดกระแสน้ำเย็นวนแถบขั้วโลกซึ่งอาจมีอุณหภูมิ -80 องศาเซลเซียส ทำให้เกิดอนุภาคที่มีผลต่อการเร่งปฏิกิริยาการทำลายโอโซน เมฆที่มีสาร PSC เป็นส่วนประกอบ เป็นเมฆมีการระบายความร้อนได้ดีจนเป็นเมฆน้ำแข็งและเย็นเป็นก้อนน้ำแข็งอย่างรวดเร็วนำไปสู่การเร่งปฏิกิริยาการทำลายโอโซนในชั้นบรรยากาศ

ผลของการลดลงของโอโซน

โอโซนในชั้นบรรยากาศจะช่วยดูซับรังสี UVB เมื่อมีการลดลงของโอโซนทำให้ปริมาณรังสี UV-B มีมากขึ้น ซึ่งนำไปสู่ความเสียหายและยังเป็นสาเหตุของการเกิดโรคมะเร็งผิวหนัง (Skin cancer) เหล่านี้เป็นเหตุผลให้มีการบังคับใช้พิธีสารมอนทรีออล แม้ว่าจะเป็นที่ทราบกันดีแล้วว่าการลดลงของโอโซนเกิดจาก สาร CFCs เป็นหลัก แต่ก็ยังไม่มีหลักฐานที่แน่ชัดว่าการลดลงของโอโซนเป็นผลทำให้เกิดโรงมะเร็งผิวหนังและโรคทางตาในมนุษย์ หรืออาจการได้รับรังสี UVA ซึ่งเป็นรังสีที่ไม่ถูกดูดซับโดยโอโซน ดังนั้นสาเหตุของการเกิดโรงมะเร็งผิวหนังและโรงความผิดปกติทางตาในมนุษย์ไม่ใช้เกิดจากรังสี UVB อยางเดียวแต่อาจจากสาเหตุอื่นด้วย

ผลกระทบจากรังสี UV

การแปลงสภาพ DNA โดยทำให้คู่เบสที่จับกันผิดปกติและเกิดการบิดเบี้ยวของเกลียว

ในขณะที่มีการร่างกฎหมายในการลดการทำลายโอโซน แต่จำนวนโอโซนที่ลดลงในแต่ละวันก็ส่งผลให้ปริมาณรังสี UV เพิ่มขึ้นตามไปด้วย รังสี UV ทั้งสามชนิดคือ UVA, UVB และ UVC สามารถทำให้คอลลาเจนในผิวหนังเสื่อมสภาพได้ ซึ่งเป็นเหตุหนึ่งให้เกิดริ้วรอยก่อนวัย แต่ UVA มีความรุนแรงน้อยที่สุด เพราะไม่สามารถก่อให้เกิดอาการแดดเผา (sunburn) ทว่ายังน่ากลัวอยู่ที่สามารถแปลงสภาพ DNA ได้ จนอาจก่อให้เกิดมะเร็งผิวหนัง แต่ร่างกายก็สามารถป้องกันได้ โดยการสร้างเม็ดสีเมลานินขึ้นมา เพื่อป้องกันการทะลวงของยูวี จึงทำให้ผิวคล้ำดำมากขึ้น นอกจากผิวหนังแล้ว ยูวียังเป็นอันตรายต่อดวงตา โดยเฉพาะ UVB ทำให้เกิดอาการที่เรียกว่า arc eye คือรู้สึกเหมือนมีทรายเข้าตา หรือถ้ารุนแรงกว่านั้นอาจทำให้เป็นโรคต้อกระจก (cataract) ได้ โดยเฉพาะในหมู่ช่างเชื่อมโลหะ การป้องกันก็คือ สวมใส่แว่นป้องกัน หรือทาโลชั่นที่มีค่า SPF 50+

ผลกระทบทางชีวภาพ

ความกังวลของประชาชนเกี่ยวกับการลดลงของโอโซนที่จะได้รับผลกระทบจากการรังสี UV ที่เพิ่มจะมีต่อสุขภาพของมนุษย์ แต่จากหลักฐานทางวิทยาศาสตร์ไม่พบว่าการอยู่บริเวณเส้นรุ้งมากจะได้รับผลกระทบจากการลดลงของโอโซน ในบ้างครั้งการเกิดหลุมโอโซนอาจกินพื้นที่กว้างมากครอบคลุมทั้ง ออสเตรเลีย นิวซีแลนด์ ชิลี อาร์เจนตินา และแอฟริกาใต้ ทำให้เกิดความกังวลต่อผลกระทบทางสิ่งแวดล้อมในประเทศเหล่านี้ การลดลงของโอโซนมีผลกระทบต่อมนุษย์ทั้งด้านบวกและด้านลบ ในด้านบวกรังสี UVB มีผลช่วยให้ร่างกายของมนุษย์สามารถสร้างวิตามินดีได้ ในด้านลบก็อาจทำให้เป็นโรงมะเร็งผิวหนังหรือโรคทางสายตาอื่น ๆ ได้