ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงโอโซนต่อรังสีอัลตราไวโอเลต

โอโซนพื้นผิวกำลังเพิ่มขึ้น

รูปที่ 14แสดงความเปลี่ยนแปลงตลอดปี ระหว่างโอโซนเฉลี่ยในปี 1964-1980 และ 1984-1993 ชัดเจนว่าบริเวณขั้วโลกลดลงมากถึงร้อยละ 35 ในเดือนตุลาคมเหนือขั้วโลกใต้ ในละติจูดกลางและขั้วโลกเหนือ(ในฤดูหนาว-ใบไม้ผลิ) ลดลงร้อยละ 7 ส่วนเขตศูนย์สูตร (รวมทั้งประเทศไทย) ไม่มีความเปลี่ยนแปลง

โอโซนตามความสูง ลดลงมากสุดที่ชั้นสตราโตสเฟียร์ตอนล่าง จากการหยั่งอากาศที่เมือง Hohenpeissenberg ประเทศเยอรมัน แสดงโอโซนเป็นความกด(partial pressure) ที่ความสูง 19-21 กิโลเมตร ลดลง 30 นาโนบาร์ (nb) หรือประมาณร้อยละ 20 ของเทียบกับ 25 ปีก่อน ดังรูปที่ 15

รูปที่ 15 โอโซนที่ความสูง 19-21 กิโลเมตร ณ Hohenpeissenberg ลดลง 20 เปอร์เซ็นต์ จาก 25 ปีก่อน จากการพลอตค่าเฉลี่ย 12 เดือน เห็นได้ชัดว่ามีการกวัดแกว่งในรอบ 2 ปี เป็นผลจากการกวัดแกว่ง QBO ของการเคลื่อนที่ในชั้นสตราโตสเฟียร์

1.6 โอโซนผิวพื้นกำลังเพิ่มขึ้น

ในขณะที่โอโซนในสตราโตสเฟียร์กำลังลดลง โอโซนในโทรโพสเฟียร์กำลังเพิ่มขึ้นถึงร้อยละ 10 ต่อ 10 ปี ในซีกโลกเหนือ โอโซนที่เพิ่มขึ้นตรวจพบในบริเวณไฟใหม้ในทุ่งหญ้าสะวันนา (Savannah) ในเขตร้อน การที่โอโซนเพิ่มขึ้นในบริเวณโทรโพสเฟียร์ เพราะมีรังสีดวงอาทิตย์กระทบกับมลพิษบางชนิด โดยเฉพาะ ออกไซด์ของไนโตรเจน (NOx) ซึ่งเกิดจากการปลดปล่อยบริเวณพื้นผิว ไอเสียเครื่องบินและรถยนต์ รวมทั้งการเพิ่มขึ้นของสารกระตุ้นหรือสารเริ่มต้นของปฏิกิริยา (Precursors) เช่น มีเทน (CH4) และคาร์บอนมอนออกไซด์ (CO) คิดเป็น 2 เท่าตัว เทียบกับเมื่อร้อยปีที่ผ่านมา หรือบางแห่งโอโซนเพิ่มขึ้น มากกว่า ร้อยละ 1 ต่อปี นับจากปลายศตวรรษที่ 19 รวมทั้งการตรวจวัดโอโซนเชิงเคมีที่ Montsouris (Paris) และเครือข่าย ที่ใช้วิธี ของ Sch?nbein (ผู้ค้นพบโอโซน) การตรวจวัดเป็นครั้งคราวจากเครื่องบินในต้นทศวรรษที่ 1940 และติดตามต่อเนื่องมาใน Pic du Midi ประเทศฝรั่งเศส และเยอรมันนีตอนใต้ อีกด้วยไม่กี่สิบปีที่ผ่านมา บริเวณเหนือผิวพื้นในโทรโพสเฟียร์ตอนกลางและตอนบน ก็พบโอโซนเพิ่มขั้นมากเช่นกัน ดังรูปที่ 16 แต่อย่างไรก็ตามโอโซนที่เพิ่มขึ้นนี้ไม่สามารถชดเชยโอโซนที่ลดลงในสตราโตสเฟียร์ได้โอโซนที่เพิ่มขึ้น บริเวณผิวพื้นมีผลกระทบต่อสุขภาพมนุษย์ เช่น การแสบตา ระคายเคืองต่อหลอดลม นอกจากนั้นเพราะว่าโอโซนทำปฏิกิริยากับโมเลกุลอื่นๆ ได้อย่างง่ายด้วยการออกซิไดซ์ โอโซนใกล้ผิวพื้นเป็นส่วนประกอบที่สำดัญของหมอกที่เกิดขึ้น ในวันที่อากาศร้อนอบอ้าว ปราศจากเมฆในเมืองใหญ่ทั่วโลก ซึ่งรัฐบาลต่างๆ เริ่มมีมาตรการควบคุมมลพิษในปัจจุบัน

รูปที่ 16 โอโซนผิวพื้นจากสถานี Montsouris (M) และPic du Midi (D )สำหรับ50 ปีหลังของศตวรรษที่ 19 น้อยกว่าครึ่งหนึ่งของปลายศตวรรษที่ 20 ซึ่งวัดที่สถานี Hohenpeissenberg (HP) Arkona (A) Zugspitze (Z) และ Pic du Midi (D) แสดงให้เห็นชัดว่าโอโซนในโทรโพสเฟียร์เพิ่มขึ้นในซีกโลกเหนือที่ความกด 400 hPa (ประมาณ 7.2 กม.)

1.7 ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงโอโซนต่อรังสีอัลตราไวโอเลต

ทั้งโอโซนและสารประกอบฮาโลคาร์บอนเป็นก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse Effect)เหมือนกับคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งมีบทบาทในการดูดกลืน และปลดปล่อยรังสีช่วงอินฟราเรดที่แผ่ออกจากโลก ฉะนั้นจึงทำให้บรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์ตอนล่างอุ่นขึ้น เนื่องจากโอโซน ไม่ได้กระจายตัวอย่างเป็นรูปแบบ และไม่เสถียร ดังนั้นการแผ่รังสี (Radiative Forcing) จึงซับซ้อนมากกว่าก๊าซเรือนกระจกตัวอื่นๆ ซึ่งมีช่วงชีวิตยาว ถึงแม้จะมีการคลุกเคล้ากัน โดยทั่วไปเมื่อเพิ่มโอโซนในชั้นโทรโพสเฟียร์ จะทำให้บรรยากาศอุ่นขึ้นโดยเฉพาะในบริเวณโทรโพพอส ดังนั้นการลดลงของโอโซนในสตราโตสเฟียร์ จึงทำให้บรรยากาศเย็นลง อุณหภูมิที่ลดลงเล็กน้อย คือ 0.6-0.8 องศาเซลเซียสที่ความสูง 12-20 กิโลเมตรระหว่าง 20 ปีที่ผ่านมาดูเหมือนจะเป็นผลกระทบของการแผ่รังสีเมื่อโอโซนลดลงความถูกต้องในการประเมินผลกระทบของการแผ่รังสี (Radiative effect) ของการเปลี่ยนแปลงโอโซน ถูกจำกัดโดยข้อมูลการกระจายตัวของโอโซนตามความสูง ตามละติจูดและลองติจูด อย่างไรก็ตามจากการคำนวณในปีหลังๆ ได้สนับสนุนข้อสรุปเบื้องต้นที่ว่า การลดลงของโอโซนในหลายสิบปีที่ผ่านมา ให้ผลการแผ่รังสีที่เป็นลบ เช่น การเย็นลงของภูมิอากาศ ขณะที่มีการแผ่รังสีเพิ่มขึ้นเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของก๊าซอื่นๆ 15-20 % การเพิ่มขึ้นของโอโซนในโทรโพสเฟียร์ตั้งแต่ก่อนยุคอุตสาหกรรมเป็นต้นมา อาจเพิ่มการแผ่รังสีเนื่องจากก๊าซเรือนกระจกถึงร้อยละ 20 ความเปลี่ยนแปลงต่างๆ สามารถมีผลต่อสมดุลการแผ่รังสีของระบบอากาศโดยรวมบนโลก และโครงสร้างอุณหภูมิของบรรยากาศ เป็นเหตุของความเปลี่ยนแปลงรูปแบบการหมุนเวียนบรรยากาศอื่นๆ ที่อาจยังไม่สามารถทำนายได้

โอโซนและผลกระทบต่อภูมิอากาศหรือการแผ่รังสี

คุณสมบัติหรือศักยภาพของผลกระทบต่อภูมิอากาศ มักใช้คำนิยาม radiative forcing มีหน่วย วัตต์ต่อ ตารางเมตร (W/m^2 ) การประมาณเพื่อทำนายความเปลี่ยนแปลงบริเวณผิวพื้นโดยใช้หลักของรังสีดวงอาทิตย์สุทธิ (net Solar) และ รังสีความร้อนช่วงอินฟราเรดที่โทรโพพอส ซึ่งไม่มีอิทธิพลจากเมฆ ฝุ่นละอองและมหาสมุทร ค่าบวกแสดงว่าพลังงานที่เพิ่มขึ้นหรือ ทำให้อบอุ่นขึ้น ค่าลบคือการเสียพลังงานหรือการเย็นลงของบรรยากาศ

โอโซนในโทรโพสเฟียร์ ได้เพิ่มขึ้นในซีกโลกเหนือตั้งแต่ก่อนยุคอุตสาหกรรม จากแบบจำลองและการตรวจวัดพบว่ามี Radiative forcing เป็นบวก ประมาณ 0.5 วัตต์ต่อตารางเมตร

โอโซนในสตราโตสเฟียร์ลดลงนับจากช่วง 20 ปีที่ผ่านมา จากการศึกษาต่างๆ ได้รับการยืนยันว่า ระหว่าง ปี 1980-1990 ก่อให้เกิด Radiative forcing เป็นลบ ประมาณ 0.1 วัตต์ต่อตารางเมตร เปรียบเทียบกับ ค่าบวกประมาณ 0.45 วัตต์ต่อตารางเมตรที่เกิดจากการเพิ่มขึ้นของก๊าซเรือนกระจกอื่นๆ ในช่วงเดียวกัน

ค่าเฉลี่ยการแผ่รังสีทั่วโลกที่เพิ่มขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงโอโซน ดูเหมือนจะเป็นบวกตั้งแต่ก่อนยุคอุตสาหกรรม เกิดขึ้นถึงร้อยละ 20 ของก๊าซเรือนกระจกทั้งหมด ซึ่งเป็นเหตุให้มีการแผ่รังสีเพิ่มขึ้นในช่วงนั้น

รูปที่ 17ตัวอย่างการเปลี่ยนแปลงโอโซนต่อการแผ่รังสี โดยก๊าซเรือนกระจกทั้งหมด (CO2, CH4, N2O, CFCs และO3) จากปี 1971-1980 ถึง 1981-1990 เหนือละติจูดกลางซีกโลกเหนือ โดยใช้การตรวจหยั่งอากาศ ณ สถานี Hohenpeissenberg การคำนวณจากแบบจำลอง 2 แบบคือแบบจำกัดอุณหภูมิ (fixed Temperature, FT) และจำกัดความร้อนเชิงไดนามิกส์ (Fixed dynamical heating, FD) แสดงการเปลี่ยนแปลงโอโซนในเดือนมกราคม มีผลต่อการแผ่รังสีประมาณครึ่งหนึ่งของเดือนกรกฎาคม

การเปลี่ยนแปลงโอโซนกับรังสีอัลตราไวโอเลต

บทบาทของโอโซนในบรรยากาศในการปกป้องรังสีดวงอาทิตย์ที่เป็นอันตรายให้กับสิ่งมีชีวิต แม้เป็นเพียงปริมาณเล็กน้อยของรังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบี (UV-B) ที่ผ่านชั้นโอโซนสามารถกระทบต่อสุขภาพคนเรา เช่น โรคตา ต้อกระจก อันตรายต่อเนื้อเยื่อผิวหนัง และการเพิ่มขึ้นของมะเร็งผิวหนังชนิดนอนมีลาโนมา (non-melanoma) การทำลายดีเอ็นเอทางพันธุกรรมและยับยั้งระบบภูมิคุ้มกันร่างกายภายใต้สภาวะที่ปราศจากเมฆนั้น การลดลงของโอโซน 1 เปอร์เซ็นต์ทำให้รังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบีที่ผิวโลกเพิ่มขึ้น 1.3 เปอร์เซ็นต์ การลดลงของโอโซนทำให้รังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบ ีหรือที่ความยาวคลื่น 280-320 นาโนเมตรส่งถึงผิวพื้นโลกได้มากขึ้น (ยกเว้นในเขตร้อน) โอโซนที่ลดลงยังมีผลกระทบทางเคมีต่อสิ่งมีชีวิตอื่นๆ เช่น พืช ระบบนิเวศน์ในน้ำ แพลงตอน และผลด้านอื่นๆที่ยังมองไม่เห็น จากการประเมินพบว่าเมื่อโอโซนลดลง 1 เปอร์เซ็นต์ จะทำให้เกิดมะเร็งผิวหนังชนิดนอนมีลาโนมาเพิ่มขึ้น 2 เปอร์เซ็นต์กรณีไฟโตแพลงตอนในทะเล เป็นแหล่งสะสมคาร์บอนไดออกไซด์ และเมื่อรังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบีกระทบต่อไฟโตแพลงตอน จึงมีส่วนกับอนาคตของคาร์บอนไดออกไซด์และต่อภูมิอากาศในที่สุด รังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบีที่เพิ่มขึ้น จะทำให้มีอัตราการแตกตัวมากขึ้น ของก๊าซที่จำเป็นในการควบคุมขบวนการทางเคมีในโทรโพสเฟียร์ความเข้มของรังสีอัลตราไวโอเลตที่พื้น ขึ้นอยู่กับ เมฆที่ปกคลุม การสะท้อน ฝุ่นละอองในบรรยากาศ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์และโอโซน โดยความสัมพันธ์ที่แปรกลับกันรังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบี ที่ตรวจพบขณะมีรูรั่วโอโซนมากที่สุด คือเดือนตุลาคมถึงก่อนเดือนมิถุนายน และรังสีที่ทำลายดีเอ็นเอ วัดที่สถานี Palmer (ละติจูด 64 องศาใต้) ในเดือนตุลาคมสูงกว่าค่าสูงสุดฤดูร้อนที่วัดได้ที่ SanDiego (32 องศาเหนือ) ที่ละติจูดกลางรังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบีเพิ่มขึ้นน้อยกว่าแต่มีความชัดเจน ขณะโอโซนลดลงเช่น โอโซนลดลงประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ที่ตรวจพบที่อเมริกาใต้ เดือนตุลาคมเมื่อ 15 ปีก่อนทำให้รังสีอัลตราไวโอเลตที่ Ushuaia กลางเดือนตุลาคม 1994 ที่ 300 นาโนเมตรเพิ่มเป็น 5 เท่าและที่ 305 นาโนเมตรเพิ่มเป็น 2 เท่าเทียบกับขณะโอโซนปกติ ดังรูปที่ 18

รูปที่ 18 ระหว่างเดือนกันยายนถึงเดือนพฤศจิกายน 1994 รูรั่วโอโซนขยายไปถึง Ushuaia (55 องศาใต้) ปริมาณรังสีอัลตราไวโอเลต ที่ส่องถึงพื้นจะกลับกันกับค่าโอโซนที่วัดได้เหนือศีรษะ สังเกตกลางเดือนตุลาคม ปี 1994 ณ วันที่ 17 ตุลาคม วัดโอโซนได้ 151 มิลลิ บรรยากาศ เซนติเมตร(ลดลง 60 เปอร์เซ็นต์) และพบว่ารังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบี ที่ 305 นาโนเมตร(nm) วัดได้เกือบ 30 ไมโครวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร และที่ 300 นาโนเมตรวัดได้เกือบ 8 ไมโครวัตต์ต่อตารางเซนติ