ขบวนการทางเคมีที่นำไปสู่การสลายโอโซน

การลดลงของโอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์ตอนล่างบริเวณขั้วโลก เกิดจากผลของปฏิกิริยาทางเคมีที่เริ่มจากการเปลี่ยนก๊าซพวกฮาโลเจน หรือคลอรีนและโบรมีน (Cl และ Br) ที่มีช่วงชีวิตนาน ไปอยู่ในรูปที่สะสมกันอยู่หนาแน่นเป็นแอ่ง (Reservoir) และมีความเสถียรน้อย แล้วแอ่งที่ประกอบด้วยคลอรีนก็แตกตัวโดยปฏิกิริยาในเมฆชั้นสตราโตสเฟียร์บริเวณขั้วโลก และปล่อยรีแอคทีฟคลอรีน และ อนุมูลของคลอรีนโมโนออกไซด์  (Cl และ ClO) ความเข้มข้นสูงออกมา ซึ่งนำไปสู่ วัฏจักรคะตาไลติก ที่ทำลายโอโซนได้อย่างรวดเร็วเมื่อมีแสงแดด

แอ่งที่ประกอบด้วยโบรมีน จะไม่มีความเสถียร  ในตอนกลางวันโบรมีนส่วนมากอยู่ในรูป โบรมีนและโบรมีนโมโนออกไซด์ (Br และ BrO) อนุมูลเหล่านี้ยังรวมอยู่ในวัฏจักรคะตาไลติกซึ่งทำลายโอโซนได้อย่างรวดเร็วอีกด้วย  

นอกจากบริเวณเหนือขั้วโลกแล้ว ในเขตละติจูดกลางก็เกิดขบวนการเดียวกัน แม้ว่าปริมาณคลอรีนในสตราโตสเฟียร์ส่วนมากถูกดึงดูดให้อยู่บริเวณแอ่งเหนือขั้วโลก   เหตุนี้ การสูญเสียโอโซนเขตนี้จึงต่ำกว่าเหนือขั้วโลก

แอ่งคลอรีนก็คือกรดไฮโดรคลอริก (HCl) และ คลอรีนไนเตรต (ClONO2) ส่วนแอ่งของไนโตรเจนออกไซด์ ได้แก่ ไดไนโตรเจนเพนตะออกไซด์ (N2O5) และกรดไนตริก (HNO3) ทุกปฏิกิริยาของก๊าซระหว่างแอ่งต่างๆ จะช้ามาก แต่ปฏิกิริยาที่เกิดเร็วก็สามารถเกิดขึ้นได้บนผิวที่เหมาะสมหรือในสารละลาย หรือเฮเตอโรจีเนียส (Heterogeneous reactions) จากการทดลองในห้องปฏิบัติการพบปฏิกิริยาที่สำคัญดังนี้

HCl + ClONO2à HNO3+Cl                             (1)

ClONO2+H2O à HNO3+HOCl                       (2)

HCl+HOCl      à  H2O+Cl2                              (3)

N2O5+H2O      à  2HNO3                                 (4)

สารประกอบคลอรีนที่อยู่ในรูปปฏิกิริยาเหล่านี้พร้อมที่จะถูกสลายตัวโดยแสงแดด แม้ว่าจะมีแสงน้อยก็สามารถปล่อยอะตอมคลอรีนออกมาได้  ปฏิกิริยาเฮเตอโรจีเนียส ที่เกี่ยวข้องกับโบรมีน มีดังนี้

BrONO2+H2O     à HNO3+HOBr                           (5)

HOBr+HCl                    à H2O+BrCl                        (6)

กรดไนตริกที่อยู่ในรูปปฏิกิริยาเหล่านี้ สามารถเหลือเป็นอนุภาคได้ ดังนั้นความเข้มข้นของไนโตรเจนออกไซด์ในสถานะก๊าซจึงลดลงที่เรียกว่า ดีนอกซิฟิเคชัน (denoxification) ซึ่งทำให้อัตราการใช้ ClO ช้าลงในปฏิกิริยา

                         ClO+NO2+M       à ClONO2+M                               (7)

โดยที่ M เป็นโมเลกุลอากาศใดๆ ดังนั้นจึงเป็นการทำให้ระดับ ClO ยังสูงอยู่ในช่วงฤดูใบไม้ผลิเหนือขั้วโลก

อนุภาคที่สนับสนุนปฏิกิริยาเฮเตอโรจีเนียสมีอยู่ตลอดชั้นสตราโตสเฟียร์ มีมากโดยเฉพาะในฤดูหนาวเหนือขั้วโลก  อนุภาคซัลเฟตหรือหยดของเหลวของกรดซัลฟุริก(มักจะอยู่ในชั้นสตราโตสเฟียร์ตอนล่างๆ) ซึ่งเกิดขึ้นหลังจากการเกิดออกซิเดชันของคาโบนิลซัลไฟด์ ซึ่งเป็นการเกิดโดยธรรมชาติของสารประกอบซัลเฟอร์ที่มีช่วงชีวิตนานพอที่จะเคลื่อนย้ายสู่ชั้นสตราโตสเฟียร์อย่างช้าๆ อีกอย่างหนึ่ง ที่มาของฝุ่นละอองในอากาศคือซัลเฟอร์ไดออกไซด์ที่ถูกปล่อยสู่บรรยากาศโดยภูเขาไฟระเบิดซึ่งสามารถเพิ่มอนุภาคฝุ่นละอองในอากาศได้หลายเท่ากว่าปกติ

        ที่ละติจูดสูงในฤดูหนาวฝุ่นละอองซัลเฟตซึ่งเป็นของเหลวเหล่านี้สามารถเพิ่ม ปริมาณหยดน้ำ และกรดไนตริกขึ้นเพื่อก่อเป็นอนุภาคของเมฆชั้นสตราโตสเฟียร์เหนือขั้วโลกที่อุณหภูมิ ประมาณ -78 องศาเซลเซียส อนุภาคเมฆซึ่งเป็นของแข็งที่ประกอบด้วยน้ำและกรดไนตริกจึงสามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิต่ำเช่นนี้

        ปฏิกิริยาที่ (1)-(6) สามารถเกิดได้กับฝุ่นละอองซัลเฟต โดยปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับคลอรีนจะขึ้นกับอุณหภูมิและมีอิทธิพลต่อเมฆชั้นสตราโตสเฟียร์เหนือขั้วโลกมาก อย่างไรก็ตามที่ละติจูดกลาง ปฏิกิริยาของฝุ่นละอองเหล่านี้สามารถไปมีผลทางเคมีโดยเฉพาะเมื่อมีภูเขาไฟระเบิดซึ่งมีอนุภาคฝุ่นละอองจำนวนมาก เมฆชั้นสตราโตสเฟียร์เหนือขั้วโลก ยังไปส่งเสริมปฏิกิริยาที่ (1)-(4) ให้ปล่อยรีแอคทีฟคลอรีนและลดพวกไนโตรเจนออกไซด์ หรือดีนอกซิฟิเคชัน จึงเป็นโอกาสที่จะเกิดการสลายโอโซน

        หลังจากการเกิดปฏิกิริยาเฮเตอโรจีเนียส แอคทีฟคลอรีนแล้ว แสงแดดสามารถนำให้เกิดวัฏจักรคะตาไลติกต่อไปนี้  ในบริเวณขั้วโลก

(I)    ClO + ClO + M à Cl2O2+M                     (II)             ClO+BrO à Br+Cl+O2

Cl2O2+hn           à Cl+ClO2                                        Cl+ O3       à ClO+O2

ClO2+ M   à  Cl+O2+M                                              Br+O3                à BrO+O2

2 x (Cl+O3   à  ClO+O2)                                              Net:     2O3   à 3O2

Net:         2O3  à 3O2

อนุมูล ClO หรือ Cl2O2 ในวัฏจักร (I) จะเป็นการไม่เสถียร และวัฏจักรจะเป็นผลมากสุดที่อุณหภูมิต่ำจึงมีผลทำให้สูญเสียโอโซนมากสุดในทวีปแอนตาร์กติก กับรีแอคทีฟโบรมีนที่เกิดจากวัฏจักร (II) ในเขตอาร์กติกที่อบอุ่นกว่าการสูญเสียที่มากกว่าอาจเกิดโดย วัฏจักร (II) ในเขตละติจูดกลางชั้นสตราโตสเฟียร์ ทั้งวัฏจักร ClO+BrO และ BrO+HO2 จะทำให้ ฮาโลเจนเพิ่มขึ้น-ที่ชักนำการลดลงเชิงเคมี

สูตรเคมีที่เกี่ยวข้อง

  • BrO         โบรมีน โมโนออกไซด์
  • BrONO2         โบรมีนไนเตรต
  • CCl4               คาร์บอนเตตระคลอไรด์
  • CH3CCl3       เมธิลคลอโรฟอร์ม (1,1,1-ไตรคลอโรอีเทน)
  • CF2Cl2           CFC-12 ไดคลอโรไดฟลูออโรมีเทน
  • CFCl3             CFC-11 ฟลูออโรไตรคลอโรมีเทน
  • CH4               มีเทน
  • CH3Br            เมธิลโบรไมด์
  • CHF2Cl          HCFC-22 คลอโรไดฟลูออโรมีเทน
  • ClO                คลอรีน โมโนออกไซด์
  • ClONO2        คลอรีนไนเตรต
  • N2O5             ไดไนโตรเจน เพนโตออกไซด์
  • HOCl             กรด ไฮโดรคลอรัส
  • NOx             ไนโตรเจนออกไซด์ (NO, NO2, NO3)
  • HNO3         กรดไนตริก
  • SO2            ซัลเฟอร์ไดออกไซด์
  • H2HO4       กรด ซัลฟุริก
  • HCl             กรดไฮโดรคลอริก
  • HBr             ไฮโดรเจนโบรไมด์
  • OClO          คลอรีนไดออกไซด์
  • OH             อนุมูลไฮดรอกซิล
  • ClOx          แอคทีฟคลอรีน ทั้งหมด
  • IO              ไอโอดีน โมโนออกไซด์
  • Cly             คลอรีนที่เป็นอนินทรีย์ ทั้งหมด
  • Bry             โบรมีนที่เป็นอนินทรีย์ ทั้งหมด

ที่มา : Stratospheric ozone 1999, DETR Environment Transport Regions

 

web page hit counter