การเชื่อมโยงทางเคมีระหว่างควันไฟป่ากับการสูญเสียโอโซน

ตอนนี้ นักเคมีในชั้นบรรยากาศที่ MIT พบว่าควันจากไฟเหล่านั้นทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ที่มีส่วนทำลายโอโซน ซึ่งปกป้องโลกจากรังสีอัลตราไวโอเลตที่เข้ามา การศึกษาของทีมซึ่งปรากฏในรายงานการประชุมของ National Academy of Sciencesเป็นครั้งแรกที่สร้างความเชื่อมโยงทางเคมีระหว่างควันไฟป่าและการสูญเสียชั้นโอโซน ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2563 หลังจากไฟสงบลงได้ไม่นาน ทีมงานสังเกตเห็นการลดลงของไนโตรเจนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ ซึ่งเป็นขั้นตอนแรกในชั้นบรรยากาศเคมีที่ทราบกันดีว่าสิ้นสุดด้วยการสูญเสียชั้นโอโซน นักวิจัยพบว่าการลดลงของไนโตรเจนไดออกไซด์นี้สัมพันธ์โดยตรงกับปริมาณควันไฟที่ปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ พวกเขาประเมินว่าสารเคมีที่เกิดจากควันนี้ทำให้คอลัมน์ของโอโซนลดลง 1 เปอร์เซ็นต์ เพื่อให้สอดคล้องกับบริบทนี้ พวกเขาทราบว่าการยุติก๊าซที่ทำลายชั้นโอโซนภายใต้ข้อตกลงทั่วโลกเพื่อหยุดการผลิตได้นำไปสู่การฟื้นตัวของโอโซนประมาณ 1 เปอร์เซ็นต์จากโอโซนก่อนหน้านี้ที่ลดลงในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา ซึ่งหมายความว่าไฟป่าได้ยกเลิกสิ่งเหล่านี้ ได้รับผลประโยชน์ทางการทูตอย่างยากลำบากในช่วงเวลาสั้น ๆ หากไฟป่าในอนาคตรุนแรงขึ้นและบ่อยขึ้น เนื่องจากคาดการณ์ว่าเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การฟื้นตัวของโอโซนอาจล่าช้าออกไปหลายปี “ไฟป่าในออสเตรเลียดูเหมือนเป็นเหตุการณ์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจนถึงตอนนี้ แต่ในขณะที่โลกร้อนขึ้นเรื่อย ๆ มีเหตุผลทุกประการที่ทำให้คิดว่าไฟเหล่านี้จะถี่ขึ้นและรุนแรงขึ้น” ซูซาน โซโลมอน ศาสตราจารย์ลีและเจอรัลดีน มาร์ติน กล่าว การศึกษาด้านสิ่งแวดล้อมที่ MIT "นี่เป็นอีกหนึ่งสัญญาณเตือนภัย เช่นเดียวกับหลุมโอโซนในแอนตาร์กติก ในแง่ของการแสดงให้เห็นว่าสิ่งเลวร้ายสามารถเกิดขึ้นจริงได้อย่างไร" ผู้เขียนร่วมของการศึกษาประกอบด้วย Kane Stone นักวิทยาศาสตร์การวิจัยใน Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences ของ MIT พร้อมด้วยผู้ทำงานร่วมกันในสถาบันต่างๆ เช่น University of Saskatchewan, Jinan University, National Center for Atmospheric Research และ University of โคโลราโดที่โบลเดอร์ ร่องรอยทางเคมี เป็นที่ทราบกันดีว่าไฟป่าขนาดใหญ่ก่อให้เกิดไพโรคิวมูโลนิมบัส (pyrocumulonimbus) ซึ่งเป็นเมฆควันสูงตระหง่านที่สามารถเข้าถึงชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ ซึ่งเป็นชั้นบรรยากาศที่อยู่ระหว่าง 15 ถึง 50 กิโลเมตรเหนือพื้นผิวโลก ควันไฟจากไฟป่าของออสเตรเลียแผ่กระจายไปถึงชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์สูงถึง 35 กิโลเมตร ในปี 2021 Pengfei Yu ผู้เขียนร่วมของโซโลมอนที่มหาวิทยาลัยจี่หนาน ได้ทำการศึกษาผลกระทบของไฟแยกต่างหาก และพบว่าควันที่สะสมทำให้ชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์อุ่นขึ้นถึง 2 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นความร้อนที่คงอยู่เป็นเวลาหกปี เดือน. การศึกษายังพบสัญญาณการทำลายชั้นโอโซนในซีกโลกใต้หลังเกิดไฟป่า โซโลมอนสงสัยว่าควันไฟจากไฟอาจทำให้โอโซนหมดไปได้ด้วยคุณสมบัติทางเคมีที่คล้ายกับละอองลอยจากภูเขาไฟหรือไม่ การปะทุของภูเขาไฟครั้งใหญ่สามารถไปถึงชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ได้ และในปี 1989 โซโลมอนค้นพบว่าอนุภาคในการปะทุเหล่านี้สามารถทำลายโอโซนผ่านปฏิกิริยาเคมีต่างๆ เมื่ออนุภาคก่อตัวขึ้นในชั้นบรรยากาศ พวกมันจะรวบรวมความชื้นบนพื้นผิวของพวกมัน เมื่อเปียกน้ำแล้ว อนุภาคสามารถทำปฏิกิริยากับสารเคมีที่หมุนเวียนอยู่ในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ รวมทั้งไดไนโตรเจนเพนทอกไซด์ ซึ่งทำปฏิกิริยากับอนุภาคเพื่อสร้างกรดไนตริก โดยปกติไดไนโตรเจนเพนทอกไซด์จะทำปฏิกิริยากับดวงอาทิตย์เพื่อสร้างไนโตรเจนหลายชนิด รวมทั้งไนโตรเจนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นสารประกอบที่จับกับสารเคมีที่มีคลอรีนในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ เมื่อควันภูเขาไฟเปลี่ยนไดไนโตรเจนเพนทอกไซด์เป็นกรดไนตริก ไนโตรเจนไดออกไซด์จะหยดลง และสารประกอบคลอรีนจะเปลี่ยนเป็นคลอรีนมอนอกไซด์ ซึ่งเป็นสารหลักที่มนุษย์สร้างขึ้นซึ่งทำลายโอโซน "เคมีนี้เมื่อคุณผ่านจุดนั้นไปได้ดีแล้ว" โซโลมอนกล่าว "เมื่อคุณมีไนโตรเจนไดออกไซด์น้อยลง คุณก็ต้องมีคลอรีนมอนอกไซด์มากขึ้น ซึ่งจะทำให้โอโซนหมดไป" การฉีดเมฆ ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ โซโลมอนและเพื่อนร่วมงานของเธอศึกษาว่าความเข้มข้นของไนโตรเจนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรหลังจากเกิดไฟไหม้ในออสเตรเลีย หากความเข้มข้นเหล่านี้ลดลงอย่างมาก จะเป็นสัญญาณว่าควันไฟป่าทำลายโอโซนด้วยปฏิกิริยาเคมีแบบเดียวกับการปะทุของภูเขาไฟ ทีมงานมองหาการสังเกตไนโตรเจนไดออกไซด์ที่ถ่ายโดยดาวเทียมอิสระ 3 ดวงที่สำรวจซีกโลกใต้ด้วยระยะเวลาที่ต่างกัน พวกเขาเปรียบเทียบบันทึกของดาวเทียมแต่ละดวงในช่วงเดือนและปีที่นำไปสู่และตามหลังไฟป่าในออสเตรเลีย บันทึกทั้งสามแสดงการลดลงอย่างมากของไนโตรเจนไดออกไซด์ในเดือนมีนาคม 2020 สำหรับบันทึกของดาวเทียมดวงหนึ่ง การลดลงแสดงถึงระดับต่ำสุดเป็นประวัติการณ์ในบรรดาการสังเกตการณ์ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา เพื่อตรวจสอบว่าการลดลงของไนโตรเจนไดออกไซด์เป็นผลทางเคมีโดยตรงจากควันไฟ นักวิจัยได้ทำการจำลองบรรยากาศโดยใช้แบบจำลองสามมิติระดับโลกที่จำลองปฏิกิริยาเคมีหลายร้อยรายการในชั้นบรรยากาศ ตั้งแต่พื้นผิวขึ้นไปจนถึงชั้นสตราโตสเฟียร์ . ทีมงานฉีดอนุภาคควันเข้าไปในแบบจำลองโดยจำลองสิ่งที่สังเกตได้จากไฟป่าในออสเตรเลีย พวกเขาสันนิษฐานว่าอนุภาคต่างๆ เช่น ละอองลอยจากภูเขาไฟ ได้รวบรวมความชื้นไว้ จากนั้นพวกเขารันโมเดลหลายครั้งและเปรียบเทียบผลลัพธ์กับการจำลองที่ไม่มีเมฆควัน ในการจำลองทุกครั้งที่มีควันไฟป่า ทีมงานพบว่าเมื่อปริมาณอนุภาคควันเพิ่มขึ้นในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ ความเข้มข้นของไนโตรเจนไดออกไซด์ก็ลดลง ซึ่งตรงกับการสังเกตของดาวเทียมทั้งสามดวง "พฤติกรรมที่เราเห็น ละอองลอยมากขึ้น และไนโตรเจนไดออกไซด์ที่น้อยลงเรื่อยๆ ทั้งในแบบจำลองและข้อมูล นับเป็นลายนิ้วมือที่น่าอัศจรรย์" โซโลมอนกล่าว "นี่เป็นครั้งแรกที่วิทยาศาสตร์ได้สร้างกลไกทางเคมีที่เชื่อมโยงควันไฟป่ากับการสูญเสียชั้นโอโซน มันอาจจะเป็นเพียงกลไกทางเคมีหนึ่งในหลายๆ กลไก แต่ก็ชัดเจนอยู่แล้ว มันบอกเราว่าอนุภาคเหล่านี้เปียกน้ำและพวกมันต้องทำให้ชั้นโอโซนสูญเสียไปบางส่วน" " เธอและผู้ทำงานร่วมกันกำลังตรวจสอบปฏิกิริยาอื่นๆ ที่เกิดจากควันไฟป่าที่อาจมีส่วนทำลายโอโซน ในขณะนี้ ตัวการสำคัญของการลดลงของโอโซนยังคงเป็นคลอโรฟลูออโรคาร์บอนหรือ CFCs ซึ่งเป็นสารเคมีเช่นสารทำความเย็นเก่าที่ถูกห้ามใช้ภายใต้พิธีสารมอนทรีออล แม้ว่าพวกมันจะยังคงอยู่ในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ก็ตาม แต่เมื่อภาวะโลกร้อนนำไปสู่ไฟป่าที่แรงขึ้นและบ่อยขึ้น ควันของพวกมันอาจส่งผลกระทบร้ายแรงและยาวนานต่อโอโซน โซโลมอนกล่าวว่า "ควันไฟป่าเป็นแหล่งก่อตัวที่เป็นพิษของสารประกอบอินทรีย์ซึ่งเป็นสัตว์ที่ซับซ้อน" "และฉันเกรงว่าโอโซนจะถูกกระหน่ำด้วยชุดของปฏิกิริยาที่ตอนนี้เรากำลังทำงานอย่างหนักเพื่อคลี่คลาย"