การลดลงของโอโซน

โอโซน (O3) เป็นแก๊สซึ่งประกอบด้วยอะตอมของออกซิเจนจำนวน 3 โมเลกุล มีอยู่เพียง 0.0008% ในบรรยากาศ แต่มีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากเป็นเกาะป้องกันรังสีอัลตราไวโอเล็ต (UV) ซึ่งเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก โอโซนเป็นแก๊สที่ไม่มีเสถียรภาพ มีอายุอยู่ในอากาศได้เพียง 20 - 30 สัปดาห์แล้วสลายตัว โอโซนเกิดจากแก๊สออกซิเจน (O2) ดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเล็ตแล้วแตกตัวเป็นออกซิเจนอะตอมเดี่ยว (O) จากนั้นออกซิเจนอะตอมเดี่ยวรวมตัวกับโมเลกุลของแก๊สออกซิเจน ทำให้เกิดโอโซน โดยมีขั้นตอนดังนี้

O2 -uv-> O + O

แก๊สออกซิเจนได้รับรังสี UV -> ออกซิเจนโมเลกุลเดี่ยว

เกิดขึ้นอย่างช้าๆ

O + O2 -uv-> O3

ออกซิเจนโมเลกุลเดี่ยว + แก๊สออกซิิเจน ได้รับรังสี UV -> โอโซน

เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว

โอโซน (O3) มีความสามารถดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเล็ต แต่จะสลายตัวเมื่อกระทบกับแสงแดด (visible light) เกิดเป็นแก๊สออกซิเจน (O2) และออกซิเจนอะตอมเดี่ยว (O) และเมื่อออกซิเจนเดี่ยวรวมตัวกับโอโซนอีกครั้ง จะให้ผลผลิตเป็นแก๊สออกซิเจนออกมา โดยมีขั้นตอนดังนี้

O3 -v-> O2 + O

โอโซนดูดกลืนแสงแดด -> แก๊สออกซิเจน + ออกซิเจนโมเลกุลเดี่ยว

เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว

O + O3 --> 2O2

ออกซิเจนโมเลกุลเดี่ยว + โอโซน -> แก๊สออกซิิเจน

เกิดขึ้นอย่างช้าๆ

เมื่อเปรียบเทียบสมการในตารางที่ 1 และ 2 จะพบว่า โอโซนสลายตัวได้รวดเร็วกว่าออกซิเจน ดังนั้นปริมาณของโอโซนในอากาศจึงขึ้นอยู่กับอัตราการผลิตซึ่งมากกว่าอัตราการสลายตัว

บทบาทของโอโซน

โอโซนมีสองบทบาท คือเป็นทั้งพระเอกและผู้ร้ายในตัวเดียวกันขึ้นอยู่ว่าวางตัวอยู่ที่ใด โอโซนเป็นแก๊สพิษที่เป็นอันตรายต่อร่างกาย และมีสมบัติเป็นแก๊สเรือนกระจกดูดกลืนรังสีอินฟราเรด ทำให้บรรยากาศมีอุณหภูมิสูง และดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเล็ตซึ่งเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต

- โอโซนในชั้นโทรโพสเฟียร์ (Troposphere Ozone) เกิดจากการเผาไหม้มวลชีวภาพ ส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากเครื่องยนต์ เครื่องจักร และโรงงานอุตสาหกรรม ซึ่งปะปนอยู่ในหมอกควันดังภาพที่ 1 เมื่อโอโซนอยู่ในบรรยากาศชั้นล่างหรือบนพื้นโลกจะให้โทษมากกว่าให้คุณ เนื่องจากเป็นพิษต่อร่างกาย ดังนั้นคำพูดที่ว่า “ไปสูดโอโซนให้สบายปอด” จึงเป็นความเข้าใจผิด

ภาพที่ 1 แหล่งกำเนิดโอโซนบนพื้นโลก

- โอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์ (Stratosphere Ozone) โอโซนในธรรมชาติที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวมีเพียง 10% โอโซนส่วนใหญ่ในชั้นสตราโตสเฟียร์รวมตัวเป็นชั้นบางๆ ที่ระยะสูงประมาณ 20 – 30 กิโลเมตร ทำหน้าที่กรองรังสีอัลตราไวโอเล็ตจากดวงอาทิตย์ออกไป 99% ก่อนถึงพื้นโลก หากร่างกายมนุษย์ได้รับรังสีนี้มากเกินไปจะทำให้เกิดมะเร็งผิวหนัง ส่วนจุลินทรีย์ขนาดเล็กเช่นแบคทีเรียจะถูกฆ่าตาย

สารประกอบคลอโรฟลูออโรคาร์บอน (CFC)

สารประกอบคลอโรฟลูออโรคาร์บอน (Chlorofluorocarbons) หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า “CFC” เป็นสารที่มีคุณสมบัติในการดูดความเย็นและมีอายุยืนยาวสลายตัวยาก CFC เป็นสารที่มนุษย์สังเคราะห์ขึ้นเพื่อใช้งานในโรงงานอุตสาหกรรมและอุปกรณ์ทำความเย็น เช่น ตู้เย็น เครื่องปรับอากาศ และสเปรย์ โดยมีองค์ประกอบเป็น คลอรีน ฟลูออไรด์ และโบรมีน ซึ่งมีความสามารถในการทำลายโอโซน CFC ชอบทำปฏิกิริยากับสารอื่น เมื่อ CFC ลอยตัวสูงขึ้นและดูดกลืนรังสีอุลตราไวโอเล็ตในบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์ โมเลกุลจะแตกตัวให้คลอรีนอะตอมเดี่ยว (Cl) และทำปฏิกิริยากับโอโซน (O3) ทำให้เกิดคลอรีนโมโนออกไซด์ (ClO) และแก๊สออกซิเจน (O2) ดังนี้

ขั้นตอนการทำลายโอโซนโดยสาร CFC

Cl + O3 --> ClO + O2

คลอรีน + โอโซน --> คลอรีนโมโนออกไซด์ + แก๊สออกซิเจน

ClO + O --> Cl + O2

คลอรีนมอโนออกไซด์ + ออกซิเจนอะตอมเดี่ยว --> คลอรีน + แก๊สออกซิเจน

ถ้าหากคลอรีน 1 อะตอมทำลายโอโซน 1 โมเลกุล ได้เพียงครั้งเดียวก็คงไม่เป็นปัญหา แต่ทว่าคลอรีน 1 อะตอม สามารถทำลายโอโซน 1 โมเลกุลได้นับพันครั้ง เนื่องจากเมื่อคลอรีนโมโนออกไซด์ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนอะตอมเดี่ยว แล้วทำให้เกิดคลอรีนอะตอมเดี่ยวขึ้นอีกครั้ง ปฏิกิริยาลูกโซ่เช่นนี้จึงเป็นการทำลายโอโซนอย่างต่อเนื่อง ดังที่แสดงในภาพที่ 2

ภาพที่ 2 การทำลายโอโซนของสาร CFC

การลดลงของโอโซน

นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจว่าชั้นโอโซนเหนือทวีปแอนตาร์คติกบริเวณขั้วโลกใต้เบาบางลงมาก เนื่องจากกระแสลมพัดคลอรีนเข้ามาสะสมในก้อนเมฆในชั้นสตราโตสเฟียร์ ในช่วงฤดูหนาวเดือนพฤษภาคม – กันยายน พอถึงเดือนตุลาคมขั้วโลกใต้กลายเป็นฤดูร้อน แสงอาทิตย์กระทบเข้ากับก้อนเมฆ ทำให้คลอรีนอะตอมอิสระแยกตัวออกมาทำปฏิกิริยากับโอโซน ทำให้เกิดรูโหว่ขนาดใหญ่ของชั้นโอโซน ซึ่งเรียกว่า “รูโอโซน” (Ozone hole) ดังจะเห็นในรูปถ่ายจากดาวเทียมในภาพที่ 3 ว่าชั้นโอโซนในปี พ.ศ.2541 มีความบางกว่าในปี พ.ศ.2522 (หมายเหตุ: ขั้วโลกเหนือไม่เกิดปรากฎการณ์รูโอโซน เนื่องจากอุณหภูมิไม่ต่ำพอที่จะทำให้เกิดการควบแน่นของไอน้ำในอากาศ จึงไม่มีเมฆในชั้นสตราโตสเฟียร์ )

ภาพที่ 3 การลดลงของโอโซน (ที่มา: NASA)

การเกิดปรากฏการณ์รูโอโซนเป็นอันตรายมากต่อสิ่งมีชีวิตที่อยู่เบื้องล่าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากเกิดขึ้นเหนือเมืองใหญ่ที่มีประชากรอาศัยอยู่หนาแน่น นานาชาติจึงทำความร่วมมือภายใต้ “ข้อตกลงมอลทรีออล” (Montreal Protocol) ณ เมืองมอนทรีออล ประเทศแคนาดาในปลายศตวรรษที่แล้วเพื่อที่จะยกเลิกการใช้สาร CFC ในอุตสาหกรรม โดยยินยอมใช้สารชนิดอื่นที่ราคาแพงกว่าแต่ไม่ทำลายโอโซน แต่อย่างไรก็ตามสาร CFC ก็ยังคงลอยตกค้างอยู่ในบรรยากาศอีกหลายทศวรรษกว่าจะสลายตัวไป