คำถามเกี่ยวกับโอโซน CFCs

ถาม - ตอบ

1. CFCs ขึ้นไปถึงชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ได้อย่างไร ในเมื่อหนักกว่าอากาศ?

"เพราะว่าบรรยากาศมีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลาและสารเคมีก็ผสมไปในนั้น"

โมเลกุล CFCs หนักกว่าอากาศหลายเท่า แต่จากการตรวจด้วยบอลลูน เครื่องบินและดาวเทียมได้พิสูจน์ว่า CFCs มีอยู่ในบรรยากาศสตราโตสเฟียร์จริง เหตุนี้เนื่องจากลมและการผสมกันของอากาศที่เคลื่อนที่ขึ้นไปบนความสูงยอดสุดของสตราโตสเฟียร์ได้แรง และเร็วเกินกว่าโมเลกุลจะอยู่นิ่งๆ ด้วยน้ำหนักโมเลกุล ก๊าซ CFCs ไม่ละลายในน้ำและไม่ทำปฏิกิริยาที่ชั้นล่างของบรรยากาศ จึงคลุกเคล้ากันและเคลื่อนที่ขึ้นสู่บรรยากาศอย่างรวดเร็ว

การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารประกอบ CFCs เทียบกับความสูงได้ ให้ข้อคิดถึงอนาคตของสารประกอบในบรรยากาศเช่น คาร์บอนเตตระฟลูออไรด์ (CF4) ที่ถูกผลิตและนำมาใช้แทน อะลูมินัม และ CFC-11หรือ CCl3F ซึ่งหนักกว่าอากาศ CF4 ไม่มีปฏิกิริยาที่ความสูงต่ำกว่า 50 กิโลเมตร (จากภาพ) ซึ่งปริมาณมีเท่ากันที่ความสูงทุกระดับ การตรวจวัดเกี่ยวกับก๊าซที่ไม่ทำปฏิกิริยา คือก๊าซนีออนที่เบากว่าอากาศ ก๊าซอาร์กอนและคริปตอนที่หนักกว่าอากาศ จะเห็นได้ชัดว่าทั้งหมดผสมกับอากาศในสตราโตสเฟียร์ ได้โดยไม่เกี่ยวข้องกับน้ำหนัก CFC-11 ไม่มีปฏิกิริยาที่ความสูงต่ำกว่า 15 กิโลเมตร แต่ปริมาณลดลงที่ความสูงเพิ่มขึ้นเพราะว่ามันสามารถสลายตัว เนื่องจากรังสีอัลตราไวโอเลตพลังงานสูงและจะให้คลอรีนออกมาและ CFCs อื่นๆ ยังคงอยู่ในสตราโตสเฟียร์เป็นเวลาหลายปี ซึ่งแต่ละอะตอมของคลอรีนจะทำลายโอโซนได้หลายพันโมเลกุล

2. อะไรเป็นตัวชี้ชัดว่าโอโซนถูกทำลายโดยคลอรีนและโบรมีน ?

" การค้นคว้าเชิงปฏิบัติการและวิเคราะห์การตรวจวัดชั้นสตราโตสเฟียร์ทั่วโลก ให้ข้อสรุปว่าสารประกอบคลอรีนและโบรมีนเป็นตัวทำลายโอโซน "

การค้นคว้าเชิงปฏิบัติการแสดงให้เห็นว่าคลอรีนทำปฏิกิริยากับโอโซนได้รวดเร็วมาก และยังแสดงให้เห็นอีกว่าคลอรีนโมโนออกไซด์มีความไวต่อปฏิกิริยาขั้นต่อไปและได้อะตอมคลอรีนอิสระเรียกว่า รีแอคทีฟคลอรีน ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่หลายครั้ง และโบรมีนก็เช่นเดียวกัน แต่ปฏิกิริยาทำลายโอโซนเกิดขึ้นในโลกนี้จริงหรือ? จากประสบการณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่สะสมมาแสดงว่ามีจริงเพราะว่าเมื่อใดที่ Cl หรือ Br อยู่ด้วยกันกับโอโซน จะเกิดปฏิกิริยาการทำลายโอโซนขึ้นรวมทั้งปฏิกิริยาอื่นๆ ด้วย เช่นเมื่อมีการตรวจพบรูรั่วโอโซนที่ขั้วโลกใต้ในฤดูใบไม้ผลิ ทั้งจากเครื่องมือภาคพื้นดิน บอลลูน เครื่องบิน และจากดาวเทียมทำให้ได้รายละเอียดของปฏิกิริยาเคมีในสตราโตสเฟียร์ของแอนตาร์กติกอย่างดี โดยพื้นที่ส่วนใหญ่มีอุณหภูมิต่ำกว่า -80 องศาเซลเซียส หรือ -112 องศาฟาเรนไฮต์ ที่ซึ่งเกิดเมฆสตราโตสเฟียร์และเกิดไม่บ่อยนักยกเว้นในฤดูหนาวขั้วโลก เมฆสตราโตสเฟียร์ในฤดูหนาวที่ขั้วโลกนี้ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีที่เปลี่ยนรูปคลอรีนที่อยู่ในรูปที่ไม่ทำลายโอโซน ไปอยู่ในรูปที่แอคทีฟหรือทำลายโอโซนได้ หรือกรณีคลอรีนโมโนออกไซด์ (ClO) ซึ่งเริ่มเกิดขึ้น เมื่อมีแสงอาทิตย์ ปริมาณรีแอคทีฟคลอรีนในบริเวณนี้ถูกตรวจพบมากกว่าช่วงละติจูดกลาง ซึ่งทำให้มีการสูญเสียโอโซนรวดเร็วกว่า การที่ปฏิกิริยาเกิดขึ้นในเมฆนี้เป็นที่เข้าใจกันได้ดี จากการศึกษาภายใต้ห้องปฏิบัติการที่จำลองธรรมชาติในบรรยากาศ นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจวัดสารเคมีเหนือทวีปแอนตาร์กติกตั้งแต่ปี ค.ศ. 1986 ระหว่างโอโซนและ คลอรีนโมโนออกไซด์ ภาพข้างล่างเป็นแผนที่จากดาวเทียมแสดงบริเวณที่พบปริมาณคลอรีนโมโนออกไซด์ (ClO)ปริมาณสูง กับบริเวณที่มีการลดลงของโอโซนซึ่งเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วภายในไม่กี่วัน ปฏิกิริยาเดียวกันเกิดระหว่างฤดูหนาว-ใบไม้ผลิในบริเวณทวีปอาร์กติก แต่เนื่องจากความเย็นน้อยกว่าแอนตาร์กติก และเมฆน้อยกว่าจึงเกิดการสูญเสียโอโซนน้อยกว่าเหนือบริเวณขั้วโลกใต้

3. คลอรีนส่วนมากในสตราโตสเฟียร์มาจากมนุษย์หรือธรรมชาติ?

ส่วนใหญ่เกิดจากมนุษย์ร้อยละ 82 และมาจากธรรมชาติประมาณร้อยละ 18"

สารประกอบคลอรีนส่วนใหญ่ถูกปล่อยที่พื้น ที่ละลายน้ำได้จะไม่ขึ้นไปถึงบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ เพราะถูกชะล้างลงมากับน้ำฝนหรือหิมะ เช่น คลอรีนจำนวนมากถูกปล่อยจากไอน้ำในทะเลในรูปเกลือโซเดียมคลอไรด์ แต่เพราะว่าเกลือละลายในน้ำ คลอรีนจึงขึ้นไปอยู่ในเมฆ หิมะหรือฝน แต่ไปไม่ถึงสตราโตสเฟียร์ อีกรูปแบบหนึ่งคือคลอรีนจากสระว่ายน้ำและสารฟอกขาวที่ใช้ในครัวเรือน เมื่อถูกปล่อยออกมาจะเปลี่ยนรูปไป และละลายน้ำจึงสลายไปในอากาศชั้นล่างอย่างรวดเร็วภูเขาไฟก็สามารถปล่อย HCl ปริมาณมากออกมาแต่เป็นก๊าซที่เปลี่ยนรูปเป็นกรดไฮโดรคลอริคอย่างรวดเร็ว จึงละลายในน้ำฝน น้ำแข็ง หรือหิมะได้ และไปไม่ถึงสตราโตสเฟียร์ แม้ว่าภูเขาไฟระเบิดสู่บรรยากาศที่สูงก็ตามการปล่อยยานอวกาศ และจรวดจะฉีดคลอรีนสู่สตราโตสเฟียร์โดยตรง แต่นับเป็นปริมาณน้อยมากหรือร้อยละ 1 ต่อปีเทียบกับการปล่อยฮาโลคาร์บอนในสตราโตสเฟียร์ทั้งหมดในทางกลับกัน สาเหตุหลักคือฮาโลคาร์บอนสังเคราะห์โดยมนุษย์ เช่น CFCs และ CCl4 ที่ไม่ละลายน้ำ ไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำแข็ง หิมะ หรืออื่นๆ ตามธรรมชาติที่ผิวพื้น และไม่สามารถสลายตัวโดยทางเคมีได้ ดังนั้นสารประกอบคลอรีนจึงขึ้นไปอยู่ในสตราโตสเฟียร์ได้ การชี้ชัดว่าสารประกอบสังเคราะห์เป็นที่มาของ Cl ในบรรยากาศคือ

1) การตรวจวัดได้แสดงให้เห็นว่าสารประกอบคลอรีนในสตราโตสเฟียร์ที่สำคัญคือ CFCs, CCl4, methyl Chloroform และ HCFC (ไฮโดรคลอโรฟลูออโรคาร์บอนหรือสารทดแทน CFCs) รวมถึงกรดไฮโดรคลอริก (HCl) และ methyl chloride (CH3Cl) ซึ่งมีในธรรมชาติ

2) นักวิจัยตรวจพบก๊าซที่ประกอบด้วยคลอรีนในสตราโตสเฟียร์ จำพวกฮาโลคาร์บอนที่สังเคราะห์ขึ้นเป็นส่วนใหญ ่และคลอรีนที่มีโดยธรรมชาติเป็นส่วนน้อย

3) ตรวจพบคลอรีนเพิ่มขึ้นในบรรยากาศปี ค.ศ. 1980-1998 สอดคล้องกับปริมาณที่เพิ่มขึ้นของสารประกอบฮาโลคาร์บอนในช่วงนั้น

4.ความเปลี่ยนแปลงในธรรมชาติเช่นแสงอาทิตย์และภูเขาไฟระเบิดมีผลต่อความเปลี่ยนแปลงโอโซนหรือไม่?

" แม้ว่าธรรมชาติจะมีส่วนกำหนดปริมาณโอโซนแต่ไม่เด่นชัดว่ามีผลต่อโอโซนในระยะยาว "

การฟอร์มตัวของโอโซนในบรรยากาศเกิดจากแสงอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ ดังนั้นการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ จึงมีผลต่ออัตราการเกิดโอโซนเช่นกัน พลังงานจากดวงอาทิตย์ถูกปลดปล่อยทั้งแสงอัลตราไวโอเลต และอนุภาคประจุเช่นอิเล็กคตรอนและโฟตอน จะแปรผันตามการเกิดจุดในดวงอาทิตย์ในรอบ 11 ปี (11-years sunspot cycle) การตรวจวัฏจักรแสงอาทิตย์หลายๆ รอบที่ผ่านมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1960 แสดงให้เห็นว่าระดับโอโซนเปลี่ยนแปลงไป 1-2 %จากค่าสูงสุดถึงค่าต่ำสุดของวัฏจักรปกติ อย่างไรก็ตามความเปลี่ยนแปลงจากดวงอาทิตย์ก็ไม่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงโอโซนในระยะยาว เพราะว่าแนวโน้มลดลงของโอโซนมีมากกว่า 1-2 % รูปข้างล่างแสดงพลังงานจากดวงอาทิตย์ตั้งแต่ปี ค.ศ.1978 มีค่าสูงสุดในปี ค.ศ. 1980 และ 1991 และต่ำสุดในปี 1985 และ 1996 และจะสูงสุดอีกครั้งในปี ค.ศ.2002 แต่โอโซนยังคงลดลงในช่วงนั้น การประเมินโอโซนในรายงาน ได้จากการพิจารณาอิทธิพลจากดวงอาทิตย์ด้วย ภูเขาไฟระเบิดจะสามารถฉีดสารขึ้นสู่ชั้นโอโซนได้โดยตรง แต่จากการตรวจวัดและแบบจำลองได้แสดงให้เห็นว่า อนุภาคจากภูเขาไฟไม่สามารถไปทำลายโอโซนได้โดยตรง มีเพียงปฏิกิริยาจากคลอรีนจากการสังเคราะห์ขึ้นกับอนุภาคผิวพื้นที่เพิ่มการสูญเสียโอโซนในบรรยากาศในปัจจุบัน โดยเฉพาะจากปฏิบัติการและการตรวจบรรยากาศได้แสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาเคมีที่ผิวพื้น ของอนุภาคภูเขาไฟที่ถูกฉีดสู่สตราโตสเฟียร์ตอนล่างนำไปสู่การทำลายโอโซน โดยการไปเพิ่มความเข้มข้นของคลอรีนในรูปที่แอคทีฟทางเคมีจากสารสังเคราะห์โดยมนุษย์อย่างเช่น CFCs การระเบิดของภูเขาไฟ เช่น Agung (1963) Fuego (1974) El Chichon (1982) และ Pinatubo (1991) เป็นต้น ผลจากภูเขาไฟ Pinatubo ได้เพิ่มอนุภาคที่จะไปเพิ่มปฏิกิริยาเคมีเป็นบริเวณกว้าง ผลกระทบจากธรรมชาติจึงขึ้นอยู่กับสารประกอบคลอรีนในบรรยากาศทำนองเดียวกับเมฆในสตราโตสเฟียร์ที่ขั้วโลก เพราะว่าอนุภาคจะหายไปจาก สตราโตสเฟียร์ 2-5 ปี จึงกระทบต่อโอโซนช่วงเวลาสั้นๆ จึงไม่มีผลต่อความเปลี่ยนแปลงระยะยาว การตรวจวัดและการคำนวณได้ชี้ว่าระดับโอโซนต่ำกว่าปกติในปี ค.ศ. 1992-1993 ซึ่งเป็นผลจากภูเขาไฟ Pinatubo ระเบิด พร้อมกับปริมาณคลอรีนที่สูงขึ้นในทศวรรษ 1990 เทียบกันก่อนภูเขาไฟระเบิด

5. รูรั่วโอโซนเกิดขึ้นครั้งแรกเมื่อใด?

" รูรั่วโอโซนเหนือทวีปแอนตาร์กติกในฤดูใบไม้ผลิ เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นต้นทศวรรษที่ 1980s เทียบกับข้อมูลในอดีตนับจาก ค.ศ.1957 " 

นับจากปี ค.ศ.1980 เป็นต้นมา ได้เกิดปรากฏการณ์ รูรั่วโอโซน เกิดขึ้นในช่วงประมาณ 3 เดือนเหนือขั้วโลกใต้ในฤดูใบไม้ผลิ(เดือนกันยายน-พฤศจิกายน) โดยค่าโอโซนลดลงสูงสุดถึง 60% ส่วนปลายฤดูร้อนเดือนมกราคม-มีนาคมปริมาณโอโซนไม่ลดลงมากนัก จากการตรวจวัดจากสถานีต่างๆ และดาวเทียมบริเวณขั้วโลกใต้ได้ผลคล้ายกัน การตรวจวัดโดยบอลลูน แสดงความเปลี่ยนแปลงตามความสูงให้ผลดังรูป ที่สถานี Syowa (โดยประเทศญี่ปุ่นในทวีปแอนตาร์กติก) พบว่าโอโซนลดลงที่ความสูงบางช่วงที่เกิดรูรั่วโอโซน ในแต่ละปีของฤดูใบไม้ผลิเทียบกับโอโซนปกติก่อนปี ค.ศ.1980 มีสาเหตุคือคลอรีน ก่อนที่สตราโตสเฟียร์จะได้รับผลกระทบจากคลอรีนและโบรมีนจากมนุษย์นั้น ระดับโอโซนตามธรรมชาติของทวีปแอนตาร์กติกในฤดูใบไม้ผลิต่ำกว่าฤดูเดียวกันในทวีปอาร์กติก 30-40 % ความแตกต่างของทั้งสองบริเวณโดยธรรมชาติ (ตรวจพบโดย Dobson) เนื่องจากความเย็นจัดเป็นพิเศษและรูปแบบของลมในฤดูหนาวของสตราโตสเฟียร์ ของทวีปแอนตาร์กติกเมื่อเทียบกับอาร์กติก ความเปลี่ยนแปลงทางอุตุนิยมวิทยาในสตราโตสเฟียร์ไม่สามารถอธิบายรูรั่วโอโซนได้ เพราะจากการตรวจวัดพบว่าอุณหภูมิของสตราโตสเฟียร์ของแอนตาร์กติกในฤดูหนาวไม่มีการเปลี่ยนแปลง ก่อนที่จะเกิดรูรั่วโอโซนในแต่ละปีในเดือนกันยายน ในทางกลับกันสิ่งที่เด่นชัดคือสารประกอบคลอรีนและโบรมีนที่สังเคราะห์ขึ้น เป็นสาเหตุของการสูญหายไปของโอโซนในหลายปีที่ผ่านมา

6. ทำไมรูรั่วโอโซนเกิดขึ้นเหนือทวีปแอนตาร์กติก เมื่อ CFCs และ Halon ส่วนใหญ่ถูกปล่อยในซีกโลกเหนือ?

"บรรยากาศของโลกมีการหมุนเวียนโดยลมรอบโลก ก๊าซที่ทำลายโอโซน จะผสมกับอากาศที่หมุนเวียนไปโดยทั่วบรรยากาศ รวมทั้งแอนตาร์กติกด้วย ไม่ขึ้นกับว่าแหล่งปล่อยอยู่ที่ใดขึ้นกับเงื่อนไขว่าก๊าซเหล่านั้นจะมีผลต่อการทำลายโอโซน ที่แอนตาร์กติกมากกว่าเมื่อเทียบกับที่อื่น" 

การปล่อยซีเอฟซีและฮาลอน(สารประกอบโบรมีน)ส่วนมากเกิดบริเวณซีกโลกเหนือ ประมาณ 90 % มาจากยุโรป รัสเซีย ญี่ปุ่น และอเมริกาเหนือ ก๊าซพวกซีเอฟซีและฮาลอนไม่ละลายในน้ำและไม่ทำปฏิกิริยาจะคลุกเคล้าในบรรยากาศชั้นล่างภายใน 1- 2 ปี และจะขึ้นไปกับอากาศถึงสตราโตสเฟียร์บริเวณเขตร้อนซึ่งอากาศเบาตัวจึงลอยตัวขึ้น และลมพัดอากาศเหล่านี้ไปยังบริเวณขั้วโลกทั้งเหนือและใต้จาก ดังนั้นอากาศตลอดชั้นสตราโตสเฟียร์ทั่วโลกจึงมีส่วนประกอบของคลอรีน และโบรมีน บริเวณซีกโลกใต้ ขั้วโลกมีส่วนของพื้นทวีปแอนตาร์กติกที่กว้างใหญ่ล้อมรอบด้วยมหาสมุทร และการมีลักษณะสมมาตรนี้ทำให้ฤดูหนาวมีอากาศเย็นจัดในชั้นสตราโตสเฟียร์เหนือทวีป เพราะอากาศถูกแยกส่วนโดยลมที่หมุนเวียนรอบขอบทวีปจึงมีอุณหภูมิที่ต่ำมาก ทำให้เกิดเมฆในชั้นสตราโตสเฟียร์ขั้วโลก (Polar stratospheric clouds) ซึ่งนำมาซึ่งการเปลี่ยนแปลงทางเคมี ส่งเสริมให้คลอรีนและโบรมีนมีการแอคทีฟและทำให้เกิดการทำลายโอโซนอย่างรวดเร็ว เมื่อทวีปได้รับแสงแดดในเดือนกันยายน-ตุลาคมในแต่ละปี ผลคือเกิดรูรั่วโอโซนเหนือทวีปแอนตาร์กติก (Antarctic Ozone Hole)

รูปแสดงขนาดของรูรั่วโอโซนที่กว้างขึ้นตลอดทศวรรษที่ 1980s ซึ่งเป็นผลจากสารประกอบที่ทำลายโอโซนที่สูงขึ้นในบรรยากาศ สภาวะของทวีปอาร์กติกไม่เหมือนกัน เพราะอุณหภูมิในฤดูหนาวชั้นสตราโตสเฟียร์ของอาร์กติกไม่ต่ำมากติดต่อกันหลายสัปดาห์เช่นในขั้วโลกใต้ โอโซนจึงลดลงน้อยกว่า และยังไม่ถึงเกณฑ์ที่เรียกรูรั่วโอโซน (เกณฑ์คือ< 220 Dobson Unit ในเขตขั้วโลก)

อ่านต่อหน้าถัดไป ...