โอโซนและผลกระทบต่อภูมิอากาศหรือการแผ่รังสี

ผลกระทบจากการลดลงของโอโซน

ทั้งโอโซนและสารประกอบฮาโลคาร์บอน เป็นก๊าซเรือนกระจก(Greenhouse Effect) เหมือนกับคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งมีบทบาทในการดูดกลืน และปลดปล่อยรังสีช่วงอินฟราเรดที่แผ่ออกจากโลก ฉะนั้นจึงทำให้บรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์ตอนล่างอุ่นขึ้น เนื่องจากโอโซน ไม่ได้กระจายตัวอย่างเป็นรูปแบบ และไม่เสถียร ดังนั้นการแผ่รังสี (Radiative Forcing) จึงซับซ้อนมากกว่าก๊าซเรือนกระจกตัวอื่นๆ ซึ่งมีช่วงชีวิตยาวถึงแม้จะมีการคลุกเคล้ากัน โดยทั่วไปเมื่อเพิ่มโอโซนในชั้นโทรโพสเฟียร์ จะทำให้บรรยากาศอุ่นขึ้นโดยเฉพาะในบริเวณโทรโพพอส ดังนั้นการลดลงของโอโซนในสตราโตสเฟียร์ จึงทำให้บรรยากาศเย็นลง อุณหภูมิที่ลดลงเล็กน้อย คือ 0.6-0.8 องศาเซลเซียส ที่ความสูง 12-20 กิโลเมตร ระหว่าง 20 ปี ที่ผ่านมาดูเหมือนจะเป็นผลกระทบ ของการแผ่รังสีเมื่อโอโซนลดลง

ความถูกต้องในการประเมินผลกระทบของการแผ่รังสี (Radiative effect) ของการเปลี่ยนแปลงโอโซน ถูกจำกัดโดยข้อมูลการกระจายตัว ของโอโซนตามความสูง ตามละติจูดและลองติจูด อย่างไรก็ตามจากการคำนวณในปีหลังๆ ได้สนับสนุนข้อสรุปเบื้องต้นที่ว่า การลดลงของโอโซนในหลายสิบปีที่ผ่านมา ให้ผลการแผ่รังสีที่เป็นลบ เช่น การเย็นลงของภูมิอากาศ ขณะที่มีการแผ่รังสีเพิ่มขึ้น เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของก๊าซอื่นๆ 15-20 % การเพิ่มขึ้นของโอโซนในโทรโพสเฟียร์ ตั้งแต่ก่อนยุคอุตสาหกรรมเป็นต้นมาอาจเพิ่มการแผ่รังสีเนื่องจากก๊าซเรือนกระจกถึงร้อยละ 20 ความเปลี่ยนแปลงต่างๆ สามารถมีผลต่อสมดุล การแผ่รังสีของระบบอากาศโดยรวมบนโลก และโครงสร้างอุณหภูมิของบรรยากาศ เป็นเหตุของความเปลี่ยนแปลงรูปแบบการหมุนเวียน บรรยากาศอื่นๆ 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 วัตต์ต่อตารางเมตร ที่เกิดจากการเพิ่มขึ้นของก๊าซเรือนกระจกอื่นๆ ในช่วงเดียวกัน ค่าเฉลี่ยการแผ่รังสีทั่วโลก ที่เพิ่มขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงโอโซน ดูเหมือนจะเป็นบวกตั้งแต่ก่อนยุคอุตสาหกรรม เกิดขึ้นถึงร้อยละ 20 ของก๊าซเรือนกระจกทั้งหมดซึ่งเป็นเหตุให้มีการแผ่รังสีเพิ่มขึ้นในช่วงนั้น

ตัวอย่างการเปลี่ยนแปลงโอโซนต่อการแผ่รังสี 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

บทบาทของโอโซนในบรรยากาศ ในการปกป้องรังสีดวงอาทิตย์ที่เป็นอันตรายให้กับสิ่งมีชีวิต แม้เป็นเพียงปริมาณเล็กน้อย ของรังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบี (UV-B) ที่ผ่านชั้นโอโซนสามารถกระทบต่อสุขภาพคนเรา เช่น โรคตา ต้อกระจก อันตรายต่อเนื้อเยื่อผิวหนัง และการเพิ่มขึ้นของมะเร็งผิวหนังชนิดนอนมีลาโนมา (non-melanoma) การทำลายดีเอ็นเอทางพันธุกรรม และยับยั้งระบบภูมิคุ้มกันร่างกาย ภายใต้สภาวะที่ปราศจากเมฆนั้น การลดลงของโอโซน 1 เปอร์เซ็นต์ ทำให้รังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบีที่ผิวโลกเพิ่มขึ้น 1.3 เปอร์เซ็นต์ การลดลงของโอโซน ทำให้รังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบี หรือที่ความยาวคลื่น 280-320 นาโนเมตรส่งถึงผิวพื้นโลกได้มากขึ้น (ยกเว้นในเขตร้อน) โอโซนที่ลดลงยังมีผลกระทบทางเคมีต่อสิ่งมีชีวิตอื่นๆ เช่น พืช ระบบนิเวศน์ในน้ำ แพลงตอน และผลด้านอื่นๆที่ยังมองไม่เห็น จากการประเมินพบว่าเมื่อโอโซนลดลง 1 เปอร์เซ็นต์ จะทำให้เกิดมะเร็งผิวหนังชนิดนอนมีลาโนมาเพิ่มขึ้น 2 เปอร์เซ็นต์ กรณีไฟโตแพลงตอนในทะเล เป็นแหล่งสะสมคาร์บอนไดออกไซด์ และเมื่อรังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบีกระทบต่อไฟโตแพลงตอน จึงมีส่วนกับอนาคตของคาร์บอนไดออกไซด์และต่อภูมิอากาศในที่สุด รังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบีที่เพิ่มขึ้น จะทำให้มีอัตราการแตกตัวมากขึ้น ของก๊าซที่จำเป็นในการควบคุม ขบวนการทางเคมีในโทรโพสเฟียร์ ความเข้มของรังสีอัลตราไวโอเลตที่พื้น ขึ้นอยู่กับ เมฆที่ปกคลุม การสะท้อน ฝุ่นละอองในบรรยากาศ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์และโอโซน โดยความสัมพันธ์ที่แปรกลับกัน รังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบี ที่ตรวจพบขณะมีรูรั่วโอโซนมากที่สุด คือ เดือนตุลาคมถึงก่อนเดือนมิถุนายน และรังสีที่ทำลายดีเอ็นเอ วัดที่สถานี Palmer (ละติจูด 64 องศาใต้) ในเดือนตุลาคมสูงกว่าค่าสูงสุดฤดูร้อนที่วัดได้ที่ SanDiego (32 องศาเหนือ) ที่ละติจูดกลางรังสีอัลตราไวโอเลตชนิดบี เพิ่มขึ้นน้อยกว่าแต่มีความชัดเจนขณะโอโซนลดลง เช่น โอโซนลดลงประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ที่ตรวจพบที่อเมริกาใต้ เดือนตุลาคมเมื่อ 15 ปีก่อนทำให้รังสีอัลตราไวโอเลตที่ Ushuaia กลางเดือนตุลาคม 1994 ที่ 300 นาโนเมตรเพิ่มเป็น 5 เท่าและที่ 305 นาโนเมตรเพิ่มเป็น 2 เท่าเทียบกับขณะโอโซนปกติ

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 ไมโครวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร เพิ่มขึ้นจากปกติอย่างเห็นได้ชัด