โอโซนในชั้นบรรยากาศ

โอโซนในบรรยากาศ

โมเลกุลโอโซน (O3) ประกอบด้วยอะตอมออกซิเจน 3 อะตอม แทนที่จะเป็นโมเลกุลออกซิเจน(O2)ตามปกติ รวมตัวกันในบรรยากาศ เมื่อโมเลกุลออกซิเจนได้รับรังสีดวงอาทิตย์ ในขบวนการโฟโตไลซิส (Photolysis) โมเลกุลออกซิเจนจะแตกตัวเป็นอะตอมออกซิเจน 2 อะตอม ซึ่งจะกลับไปรวมตัวกัน 3 อะตอม เกิดเป็นโอโซนอีกครั้งหนึ่ง

โอโซนถูกทำลายโดยธรรมชาติผ่านวัฏจักรคะตาไลติก (Catalytic Cycle) หรือที่เกี่ยวข้องกันของออกซิเจน ไนโตรเจน คลอรีน โบรมีนและไฮโดรเจน ชั้นสตราโตสเฟียร์ (สูง 10-50 กิโลเมตร) ประกอบด้วย โอโซนในบรรยากาศร้อยละ 90 และหนาแน่นมากที่สุดที่ประมาณ 19-23 กิโลเมตร (รูปที่ 1)

โอโซนถูกทำลายโดยธรรมชาติผ่านวัฏจักรคะตาไลติก (Catalytic Cycle) หรือที่เกี่ยวข้องกันของออกซิเจน ไนโตรเจน คลอรีน โบรมีนและไฮโดรเจน ชั้นสตราโตสเฟียร์ (สูง 10-50 กิโลเมตร) ประกอบด้วย โอโซนในบรรยากาศร้อยละ 90 และหนาแน่นมากที่สุดที่ประมาณ 19-23 กิโลเมตร (รูปที่ 1)

รังสีดวงอาทิตย์กับการลดลงของโอโซนในสตราโตสเฟียร์เริ่มแรก เกิดจากรังสีอัลตราไวโอเลต ปริมาณรังสีดวงอาทิตย์จึงมีผลต่ออัตราการเกิดโอโซน พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ปล่อยออกมาในส่วนที่เป็นสเปคตรัมรังสีอัลตราไวโอเลต จะแปรตามวัฏจักรในรอบ 11 ปี ของจุดในดวงอาทิตย์ จากการตรวจวัฏจักรของดวงอาทิตย์นับจากปี ค.ศ. 1950 แสดงให้เห็นว่าระดับโอโซนลดลงร้อยละ 1-2 จากค่าสูงสุดถึงต่ำสุดของวัฏจักรดวงอาทิตย์ (Solar Cycle) ปกติ

การดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์โดยโอโซน 

รังสีอัลตราไวโอเลตไม่ส่องถึงพื้นที่ช่วงคลื่น UV-B (320 นาโนเมตร) เนื่องจากมีโอโซนดูดกลืน ดังรูป

1.2 การตรวจวัดและการกระจายโอโซน

ผู้ค้นพบโอโซนชื่อ C.F. Sch?nbein (ขณะตรวจวัดการคายประจุไฟฟ้าใน ค.ศ. 1839) ต่อมาหลังจากปี 1850 มีการหาส่วนประกอบของบรรยากาศในธรรมชาติ) ชื่อโอโซนมาจากภาษากรีก แปลว่า "กลิ่น" เนื่องจากมีกลิ่นฉุนเป็นพิเศษเมื่อมีความเข้มข้นมากๆ เริ่มมีการตรวจวัดโอโซนผิวพื้นตั้งแต่ปี ค.ศ. 1860 ต่อมาในปี ค.ศ. 1880 มีการทดลองที่แสดงว่าโอโซนดูดกลืน รังสีอัลตราไวโอเลตในช่วงสเปคตรัมแสงอาทิตย์ ปี ค.ศ. 1913 มีข้อพิสูจน์ว่าโอโซนส่วนมากอยู่ในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ที่ความสูง 19-23 กิโลเมตร (ตามรูปที่ 1) ปี ค.ศ. 1920 มีการตรวจวัดโอโซนรวมในแนวดิ่งโดยนาย G.M.B.Dobson นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ แห่งมหาวิทยาลัย ออกซ์ฟอร์ด โดยเครื่องมือที่ประดิษฐ์ขึ้นชื่อ ด็อบสันสเปคโตรโฟโตมิเตอร์ (Dobson Spectrophotometer) ต่อมาเครื่องมือนี้ได้กลายเป็นมาตรฐาน และมีการใช้ตรวจวัดโดยระบบกรตรวจโอโซนทั่วโลก (GO3OS) ต่อเนื่องมาจนปัจจุบันใช้ตรวจกว่า 100 สถานี รวมทั้งประเทศไทยโดยกรมอุตุนิยมวิทยา นับแต่ปี พ.ศ.2522

ปริมาณโอโซนปกติจะรายงานเป็นความหนาของโอโซนรวมในแนวดิ่ง ที่เรียกกันว่าหน่วยด็อบสัน (Dobson Unit) ปลายทศวรรษที่ 1950 มีการใช้เครื่องวัดแบบ ฟิลเตอร์ โอโซโนมิเตอร์ (filter ozonometer) ในรัสเซียถึง 44 สถานี ปัจจุบันมีเครื่องมือ บรูเวอร์ สเปคโตรโฟโตมิเตอร์ (Brewer Spectrophotometer) ได้ถูกพัฒนาขึ้น โดยที่มีเครื่องมือชนิดต่างๆ จำนวนมากขึ้นจึงเริ่มมีการรายงานข้อมูลโอโซน การตรวจวัดภาคพื้นดินได้ขยายออกไปเป็นระบบดาวเทียมพิเศษ เช่น Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) มีการตรวจวัดฝุ่นละอองในบรรยากาศ (Stratospheric Aerosol) และการตรวจหาก๊าซอื่นๆ ตลอดจน Solar Backscatter Ultraviolet Spectrometer (SBUV) ได้รับการพัฒนาขึ้น เพื่อตรวจวัดรังสีอัลตราไวโอเลต ปี ค.ศ.1929 ค้นพบวิธีที่เรียกว่า อัมเคอร์ เอฟเฟค (Umkehr Effect) ที่ใช้หาโอโซนในแนวดิ่ง เริ่มใช้กันในปี ค.ศ. 1930 ที่ได้จากการพัฒนาทฤษฎีโฟโตเคมีคัลของการรวมตัวโอโซน (Chapman) ต่อมามีการตรวจวัดด้วยบอลลูน โอโซนซอนด์ ซึ่งให้ข้อมูลโอโซนตามความสูง เครือข่ายการตรวจโอโซนทั่วโลกได้ตั้งขึ้นในปี ค.ศ. 1957 ซึ่งเป็นปีภูมิฟิสิกส์สากลหรือ(International Geophysical Year, IGY) โดย WMO เป็นผู้รับผิดชอบการเก็บข้อมูลโอโซนจาก IGY โดยร่วมมือกับประชาคมโอโซนสากล จึงมีมาตรฐานคุณภาพการตรวจวัดที่ดี กิจกรรมนี้คือ GO3OS และปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ เฝ้าติดตามบรรยากาศโลก หรือ Global Atmospheric Watch (WMO-GAW) การศึกษาโอโซนได้เน้นไปถึงจุดประสงค์ทางวิทยาศาสตร์ เช่นการหาบทบาทของโอโซนในสมดุลย์เชิงการแผ่รังสี หรือศักยภาพในการใช้เป็นตัวแปรหลักของการหมุนเวียนบรรยากาศ การเชื่อมโยงระหว่างรังสีอัลตราไวโอเลตที่เพิ่มขึ้น และมะเร็งผิวหนัง ซึ่งเป็นสิ่งน่าสงสัย แต่โลกก็ยังคงไม่ระมัดระวังในกิจกรรมที่เสี่ยงต่อการสูญเสียโอโซน โอโซนจะเกิดขึ้นตลอดทั้งปีในชั้นสตราโตสเฟียร์เหนือแถบศูนย์สูตร แล้วเคลื่อนที่ไปทางแถบละติจูดขั้วโลก บริเวณสตราโตสเฟียร์ชั้นล่างๆ จะมีโอโซนมากที่สุด ขึ้นอยู่กับความสูงของโทรโพพอส การเคลื่อนที่ขึ้นไปกับกระแสอากาศไปทางขั้วโลก โอโซนจะมีค่าสูงสุดเหนือแคนาดาถึงอาร์กติกและเหนือเขตไซบีเรีย ระหว่างฤดูหนาวในซีกโลกใต้ จะมีมวลอากาศเย็นก่อตัวเป็นวงรอบขั้วโลกใต้ เกือบมีลักษณะสมมาตร ซึ่งจะป้องกันมวลอากาศที่มีโอโซนมากจากเขตร้อนศูนย์สูตร ไม่ให้เข้าถึงละติจูดบริเวณขั้วโลกใต้ ความเข้มโอโซนจึงมีค่าสูงเหนือละติจูดกลาง จนกว่าจะถึงฤดูร้อนของทวีปออสเตรเลีย (ซีกโลกใต้) สภาวะทางอุตุนิยมวิทยาเหนือแอนตาร์กติกเช่นนี้ ประกอบกับปริมาณของรีแอคทีฟคลอรีน เป็นเหตุกระตุ้นให้เกิดการทำลายโอโซน

รูปที่ 2 ที่ตั้งของสถานีตรวจวัดโอโซนทั่วโลก นำมาซึ่งค่าเฉลี่ยและการกระจายโอโซน โดยมีค่าต่ำในเขตศูนย์สูตรและมีค่าสูงในละติจูดกลางและขั้วโลก สำหรับประเทศไทยมีค่าเฉลี่ยรายปี 240-280 หน่วยด็อบสัน

การตรวจวัดโอโซนและหน่วย

โอโซนรวมคือ ปริมาณโอโซนทั้งหมดในแนวดิ่งต่อพื้นที่ 1 ตารางเซนติเมตร ที่ความกดอากาศและอุณหภูมิมาตรฐาน สามารถแสดงในหน่วยของความดันโดยปกติประมาณ 0.3 เซนติเมตรบรรยากาศ ถ้าเป็นมิลลิ บรรยากาศ เซนติเมตร (m atm cm) มักเรียก หน่วยด็อบสัน (Dobson Unit) และสอดคล้องกับความเข้มบรรยากาศเฉลี่ย 1 ส่วนต่อพันล้านส่วนโดยปริมาตร (ppbv) โอโซนจะไม่กระจายสม่ำเสมอตลอดแนวดิ่ง โดยมีค่าเฉลี่ยทั่วโลกคือ 300 หน่วยด็อบสัน แปรตามที่ตั้งทางภูมิศาสตร์ จากประมาณ 230-500 หน่วยด็อบสัน ค่าโอโซนเฉลี่ยต่ำสุดที่บริเวณเส้นศูนย์สูตรและสูงขึ้นตามละติจูดที่เพิ่มขึ้น

อัมเคอร์เอฟเฟค (Umkehr Effect)

การตรวจหาอัตราความเข้มแสงที่กระจายในท้องฟ้าใน 2 ช่วงคลื่นที่ต่างกันคือที่ 311 และ 332 นาโนเมตร เทียบกับมุมเหนือศีรษะ (Zenith angle)อยู่ระหว่าง 60-90 องศาอัตราส่วนเพิ่มขึ้น ตามมุมเหนือศีรษะที่เพิ่มขึ้น จนถึง 86 องศาแล้วผันกลับ ที่เรียกว่า Umkehr

การรวมกันทั้งการดูดกลืนและการกระจายของช่วงคลื่นทั้งสอง ทำให้เกิดการสแกนตามความสูงของโอโซนได้ ซึ่งพิจารณาเป็นชั้นๆ ละ 5 กิโลเมตรได้ 9 ชั้น การคำนวณนี้ดำเนินการโดยศูนย์ข้อมูลโอโซนโลก (WMO-World Ozone Data Centre: WODC)

โทรโพพอส คือบริเวณที่มีอุณหภูมิเท่ากัน (Isothermal) ซึ่งเป็นจุดต่อระหว่างชั้นโทรโพสเฟียร์กับสตราโตสเฟียร์ (รูปที่ 1 ) ความสูงอยู่ที่ประมาณ 8-10 กิโลเมตรที่ละติจูดขั้วโลกและเกือบ 18 กิโลเมตรเหนือบริเวณเส้นศูนย์สูตร