ประกาศรางวัลโนเบลสาขาเคมี ปี ค.ศ. 1995

 

Royal Swedish Academy of Sciences

ได้มอบรางวัลโนเบลสาขาเคมี สำหรับงานค้นคว้าด้านเคมีในบรรยากาศ

โดยเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับการเกิดและการสลายตัวของโอโซนในปี ค.ศ.1995 ให้กับ

 

Professor Paul Crutzen, Max Planck Institute for Chemistry, Germany

 

Professor Mario Molina, Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences and

Department of Chemistry, MIT, Cambridge, MA, USA

 

Professor F. Sherwood Rowland, Department of Chemistry, University of California,

Irvine, CA, USA

 

Paul J. Crutzen, Mario J. Molina, F. Sherwood Rowland

ชั้นโอโซน

บรรยากาศที่ห่อหุ้มโลกประกอบด้วยโอโซนปริมาณเล็กน้อย  ถ้าโอโซนในบรรยากาศถูกกดมาที่ความกดเท่ากับผิวโลก  ชั้นโอโซนจะหนาเพียง  3 มิลลิเมตร  ถึงแม้จะมีปริมาณน้อยแต่มีบทบาทสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตบนโลกมาก  เนื่องจากโอโซนจะรวมกับโมเลกุลออกซิเจนและสามารถดูดกลืนรังสี UV จากดวงอาทิตย์ ที่เป็นอันตรายไม่ให้ส่องถึงพื้นโลก หากปราศจากโอโซนในบรรยากาศแล้ว สัตว์และพืชไม่สามารถอยู่ได้ อย่างน้อยบนพื้นดิน จึงมีความสำคัญที่จะเข้าใจขบวนการที่เกี่ยวข้องกับโอโซนในบรรยากาศ

 

Paul Crutzen, Mario Molina และ Sherwood Rowland ได้ทำการสำรวจเพื่ออธิบายว่าโอโซนได้เกิดและถูกทำลายโดยผ่านขบวนการทางเคมีในบรรยากาศได้อย่างไร สำคัญที่สุดคือพวกเขาได้แสดงว่าชั้นโอโซนมีความเปราะบางอย่างไรต่อสารประกอบสังเคราะห์ที่ถูกปล่อยออกไป โดยการอธิบายกลไกทางเคมีที่กระทบต่อความหนาของชั้นโอโซน ซึ่งถือว่าเป็นผู้ทำให้โลกพ้นจากปัญหาที่เป็นเหตุแห่งความหายนะต่างๆ ที่จะตามมา

 

ความรู้นี้เกี่ยวข้องกับอะไร

      โอโซนเกิดในชั้นสตราโตสเฟียร์  โดยการแยกตัวของโมเลกุลออกซิเจน เนื่องจากรังสี UV จากดวงอาทิตย์จึงเกิดออกซิเจนอะตอมอิสระ

                   O2 + UV       --> 2O

               O  + O2  + M  --> O3 + M

โดยที่  M  คือโมเลกุล N2 หรือ O2 ซึ่งได้จากนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ Sidney Chapman ผู้ค้นพบทฤษฎีโฟโตเคมีคัล และการสลายตัวของโอโซนในชั้นบรรยากาศครั้งแรกในปี 1930 ทฤษฎีซึ่งอธิบายว่าแสงอาทิตย์เปลี่ยนรูปจากออกซิเจนเป็นโมเลกุลอื่นๆได้อธิบายว่าทำไมปริมาณโอโซนสูงสุดที่ 15 – 50 กม. ตามรูป 1  อย่างไรก็ตามการตรวจวัดต่อมาภายหลัง ได้แสดงว่าทฤษฎีของ Chapman ได้เปลี่ยนไปคือปริมาณโอโซนที่คำนวณได้แต่ก่อนสูงกว่าที่ตรวจพบในตอนหลัง ทั้งนี้จะต้องมีปฏิกิริยาอื่นๆที่นำไปสู่การลดลงของโอโซน 

หลายปีต่อมา  Belgian Marcel Nicolet ได้สร้างความเข้าใจที่สำคัญมาก ว่าการสลายตัวของโอโซนได้เพิ่มขึ้นโดยอนุมูล OH และ HO2

รูปที่ 1 การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและความเข้มข้นโอโซนในชั้นบรรยากาศ

 

นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างความเข้าใจลึกลงไปอีกเกี่ยวกับเคมีของชั้นโอโซนโดย ในปี 1970 Paul Crutzen ได้ แสดงว่า NO และ NO2 ทำปฏิกิริยาคะตาไลติกกับโอโซน(คือปฏิกิริยาที่ตัวมันเองไม่ถูกนำมาใช้) ซึ่งไปกระตุ้นการลดลงของโอโซน

               NO + O3  -->   NO 2  + O2

               NO2 + O  -->    NO + O2

              O3  + UV  -->     O2  + O

 ผลสุทธิ      2O3 --> 3O2

ไนโตรเจนออกไซด์เหล่านี้เกิดขึ้นในบรรยากาศโดยการสลายตัวของไนตรัสออกไซด์ N2O ที่ค่อนข้างเสถียรทางเคมี ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนรูปของจุลชีพที่พื้นดิน ความเกี่ยวข้องของจุลชีพในดินกับความหนาของชั้นโอโซน คือความก้าวหน้าของงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับวัฏจักร biogeochemical ในโลก

สาเหตุแรกของการคุกคามชั้นโอโซน

คือ เครื่องบินความเร็วเหนือเสียง  ที่ปล่อยไนโตรเจนออกไซด์ที่สามารถไปสลายโอโซนได้  ครั้งแรกเป็นข้อสังเกตของนักวิจัยอเมริกันชื่อ Harold Johnston ที่ศึกษาในห้องปฏิบัติการเคมีของสารประกอบไนโตรเจน ปี ค.ศ. 1971  เขาชี้ว่ามีความเป็นไปได้ที่การคุกคามชั้นโอโซน อาจเกิดจากการปลดปล่อยโดยเครื่องบินความเร็วเหนือเสียง, SST (supersonic travel) อากาศยานชนิดนี้ สามารถปล่อยไนโตรเจนออกไซด์ในชั้นโอโซนที่ความสูง 20 กม.  งานของ Crutzen และ Johnston ได้เพิ่มการถกเถียงกันในหมู่นักวิจัย นักเทคโนโลยี และผู้มีอำนาจตัดสินใจเป็นอย่างมากและเป็นจุดเริ่มต้นของงานวิจัยด้านเคมีในบรรยากาศที่เข้มข้นขึ้น ซึ่งมีความก้าวหน้ามากในช่วงหลายปีที่ผ่านมา (แต่การยกเลิกแผนอากาศยานขนาดใหญ่ SST เป็นเหตุผลอื่นนอกเหนือจากความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อม)

กระป๋องสเปรย์และตู้เย็น ทำลายชั้นโอโซน

        ปี 1974  Mario Molina และ Sherwood Rowland ได้พิมพ์บทความใน Nature เรื่องการคุกคามชั้นโอโซนจากสารประกอบคลอโรฟลูออโรคาร์บอน หรือก๊าซ ฟรีออน ที่ใช้ในกระป๋องสเปรย์ สารทำความเย็นในตู้เย็น และโฟมพลาสติก Molina และ Rowland ได้ใช้ข้อสรุปของนักวิจัยคือ

                  James Lovelock ซึ่งได้พัฒนาอุปกรณ์ความไวสูงเพื่อวัดก๊าซอินทรีย์ปริมาณต่ำสุดในบรรยากาศได้เพื่อเป็น็็นgxHogHนรกดกดกดนนดก ตัวจับอิเล็กตรอน การใช้เครื่องมือนี้ทำให้ทราบว่า CFC ที่เป็นสารสังเคราะห์และมีความเฉื่อยทางเคมี ได้แผ่ขยายไปในบรรยากาศทั่วโลก

Richard Stolarski และ Ralph Cicerone แห่งสหรัฐอเมริกาได้เสนอให้เห็นว่าอะตอมคลอรีนอิสระในบรรยากาศสามารถสลายโอโซนในทำนองเดียวกันกับไนโตรเจนออกไซด์โดยขบวนการคะตาไลติก

Molina และ Rowland พบว่า CFC ที่ไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีสามารถเคลื่อนที่ขึ้นไปชั้นโอโซนอย่างช้าๆ และประกอบกับมีรังสีอัลตราไวโอเลตที่สามารถทำให้มีการแตกตัวออกเป็นอะตอมต่างๆ โดยเฉพาะคลอรีน พวกเขาได้คำนวณดูว่าถ้ามนุษย์ได้ใช้ก๊าซ CFC อย่างต่อเนื่องในอัตราส่วนที่ไม่เปลี่ยนแปลงแล้วชั้นโอโซนจะลดลงไปมากในช่วงหลายสิบปีที่ผ่านมา การทำนายได้สร้างความสนใจเป็นอย่างมาก ก๊าซ CFC ที่ถูกใช้ในหลายขบวนการและสมบัติที่เสถียรทางเคมีและไม่เป็นพิษนี่เองที่ทำให้ถูกใช้เป็นอุดมคติทางสิ่งแวดล้อม ในตอนแรกๆ ยังไม่มีความเป็นห่วงในเรื่องโอโซนลดลงตามที่มีการทำนายไว้อย่างจริงจังนัก  แต่วันนี้เราได้ทราบแล้วว่านักวิทยาศาสตร์พูดถูก จึงได้หันมาช่วยกันลดความเสี่ยงของปัญหา

 

ปริมาณโอโซนเหนือทวีปแอนตาร์กติก

รายงานของ Molina และ Rowland ได้นำไปสู่การจำกัดปริมาณปลดปล่อยของสาร CFC ในเวลาต่อมา นับแต่ เมื่อมีการค้นพบการลดลงของโอโซนเหนือทวีปแอนตาร์กติกอย่างรุนแรงที่เรียกว่า รูรั่วโอโซน โดยนักสังเกตชาวอังกฤษชื่อ Joseph Farman และเพื่อนร่วมาน ตามรูปที่ 2 การลดลงนี้มีลักษณะเป็นคาบ และมากกว่าที่คำนวณไว้ในตอนแรก และมีการโต้เถียงระหว่างนักวิจัยเข้มข้นมากขึ้น ระหว่างการเปลี่ยนแปลงไปตามธรรมชาติหรือเกิดจากมนุษย์ 

จึงเป็นการขอบคุณสำหรับนักวิจัยผู้บุกเบิกโดยเฉพาะ Crutzen, Molina, Rowland ตลอดจน Susan Solomon และ James Anderson (USA) ซึ่งทำให้ความเข้าใจเป็นที่กระจ่างว่า การลดลงโอโซนเกิดจากปฏิกิริยาของโอโซนกับคลอรีนและโบรมีนจากก๊าซที่ใช้ในอุตสาหกรรม

รูปที่ 2 ความหนาของชั้นโอโซนเฉลี่ยรายเดือนสำหรับเดือนตุลาคม ณ สถานีอ่าวฮัลเลย์ ทวีปแอนตาร์กติก ลดลงอย่างรวดเร็วนับจากทศวรรษ 1970

 

การลดลงรวดเร็วอย่างน่าประหลาดของชั้นโอโซนเหนือทวีปแอนตาร์กติคไม่สามารถอธิบายได้โดยขบวนการขนส่งทางอากาศหรือปฏิกิริยาเคมีในสถานะก๊าซ  จะต้องมีกลไกอื่นที่เร่งการสลายตัวของโอโซน  Crutzen และเพื่อนร่วมงานได้ช่วยพิสูจน์กลไกนี้ว่าเป็นปฏิกิริยาทางเคมีบนผิวอนุภาคในเมฆชั้นสตราโตสเฟียร์ ทั้งนี้จะเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิต่ำถึงขีดสุด ซึ่งทำให้มีการกลั่นตัวของหยดน้ำและกรดไนตริกเกิดเป็นเมฆสตราโตสเฟียร์ที่ขั้วโลก (PSC) ปฏิกิริยาเคมีที่สลายโอโซนจะเกิดมากตามอนุภาคเมฆที่มีอยู่ ความรู้ความเข้าใจนี้นำไปสู่เคมีบรรยากาศสาขาใหม่ที่เรียกว่า ปฏิกิริยาเคมีเฮเตอโรจีเนียส (Heterogeneous) บนผิวของอนุภาค

 

ชั้นโอโซนและภูมิอากาศ

ปัญหาโอโซนมีความสัมพันธ์กับภูมิอากาศ และมีผลกระทบต่อมนุษย์อย่างไร?   โอโซนก็เหมือนกันกับ CO2  CH4 และ CFC   คือเป็นก๊าซเรือนกระจกซึ่งทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นที่ผิวโลก  การทำนายโดยแบบจำลองได้แสดงให้เห็นว่าโอโซนในชั้นโทรโพสเฟียร์ ได้เพิ่มขึ้นจนเป็นที่น่าสังเกตได้ชัดในระหว่างศตวรรษที่ผ่านมา โดยเนื่องจากการปล่อย NO, CO และ ไฮโดรคาร์บอนจากยานพาหนะและอุตสาหกรรม  และการสันดาปมวลชีวภาพในเขตร้อน ระดับโอโซนที่เพิ่มขึ้นในบรรยากาศชั้นล่าง จึงเป็นปัญหาทางสิ่งแวดล้อม  ซึ่งมีผลต่อธัญญาพืชและสุขภาพมนุษย์  Paul Crutzen ได้เป็นนักวิจัยที่นำให้มีการเชื่อมโยงเป็นแผนที่กลไกทางเคมีที่ใช้หาปริมาณโอโซนที่ระดับนี้

อะไรจะเกิดขึ้นกับอนาคต

เราต้องขอบคุณ Crutzen, Molina และ Rowland สำหรับความรู้ความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์ ต่อปัญหาโอโซน ซึ่งจำเป็นต่อการตัดสินใจต่อไปในอนาคตที่จะหยุดการปลดปล่อยสารทำลายโอโซนโดยการพิธีสารมอนทรีออล ปี 1987 ว่าด้วยการหยุดใช้สารที่เป็นอันตรายโดยสมบูรณ์นับแต่ปี 1996 เป็นต้นมา   หากมีการปฏิบัติตามข้อห้ามต่างๆ จากทุกประเทศแล้วชั้นโอโซนจะค่อยๆ กลับคืนสู่ปกติ อย่างน้อยใน 100 ปี ข้างหน้า

รูปที่ 3 การเปลี่ยนแปลงปริมาณคลอรีนในสตราโตสเฟียร์นับจากปัจจุบัน

a) ไม่มีการจำกัดการปลดปล่อยสารทำลายโอโซน

b) จำกัดการปลดปล่อยตามพิธีสารมอนทรีออล ปี 1987 และ

c) การจำกัดการปลดปล่อยตามข้อตกลงระหว่างประเทศฉบับปัจจุบัน


กลับไปเมนูหน้าโอโซน  หรือ กลับไปหน้าหลัก

web page hit counter