Penipisan ozon

Penipisan ozon menggambarkan dua fenomena berbeda namun saling terkait yang diamati sejak akhir 1970-an: penurunan jumlah total ozon di stratosfer Bumi (lapisan ozon) sekitar empat persen, serta penurunan ozon stratosferik yang jauh lebih besar di sekitar daerah kutub bumi pada musim semi. Fenomena yang terakhir disebut sebagai lubang ozon. Selain fenomena stratosfer terkenal ini, terdapat pula peristiwa penipisan ozon troposferik kutub pada musim semi.
Penyebab utama penipisan ozon dan lubang ozon adalah berasal dari bahan-bahan kimia industri, terutama zat pendingin, pelarut, propelan, dan agen peniup-busa halokarbon (klorofluorokarbon (CFC), HCFC, halon), yang dirujuk sebagai zat penipis ozon (ozone-depleting substances; ODS). Senyawa ini dibawa oleh angin ke stratosfer setelah diemisikan dari permukaan. Setelah zat ini berada di stratosfer, mereka melepaskan atom halogen melalui fotodisosiasi, yang mengkatalisis pemecahan ozon (O₃) menjadi oksigen (O₂). Kedua jenis penipisan ozon ini diamati terjadi peningkatan ketika emisi halokarbon meningkat.
Penipisan ozon dan lubang ozon telah memunculkan keprihatinan di seluruh dunia akibat meningkatnya resiko kanker serta efek negatif lainnua. Lapisan ozon mencegah sinar ultraviolet (sinar UV) pada panjang gelombang UVB yang sangat berbahaya untuk dapat masuk ke dalam atmosfer Bumi. Sinar UV pada panjang gelombang ini dapat menimbulkan penyakit kanker kulit, terbakarnya kulit serta katarak, yang diproyeksikan meningkat secara drastis sebagai hasil dari penipisan ozon, serta mampu menimbulkan kerusakan tumbuhan dan berkurangnya populasi hewan. Timbulnya permasalahan ini mengarahkan pada diadopsinya Protokol Montreal pada tahun 1987, yang melarang diproduksinya CFC, halon dan bahan kimia penipis ozon lainnya.
Pelarangan tersebut memberi dampak pada tahun 1989. Tingkat ozon mencapai kestabilan pada pertengahan tahun 1990-an dan berangsur pulih pada tahun 2000-an. Pemulihan ini diproyeksikan terus berlanjut selama beberapa abad, dan lubang ozon diperkirakan mencapai tingkat pra-1980 pada sekitar tahun 2075. Protokol Montreal dianggap sebagai persetujuan lingkungan internasional paling sukses hingga saat ini.

Pengamatan penipisan lapisan ozon

Penurunan ozon yang paling banyak terjadi di stratosfer bawah. Namun, lubang ozon paling sering diukur bukan dalam hal konsentrasi ozon pada tingkat ini (yang biasanya beberapa bagian per juta) namun dengan pengurangan total kolom ozon di atas satu titik di permukaan bumi, yaitu biasanya dinyatakan dalam satuan Dobson unit, disingkat "DU". Penurunan yang ditandai pada kolom ozon di Antartika pada musim semi dan awal musim panas dibandingkan dengan awal tahun 1970-an dan sebelumnya telah diamati dengan menggunakan instrumen seperti Spektrometer Pemetaan Ozon Total (Total Ozone Mapping Spectrometer, TOMS).
Pengurangan hingga 70 persen di kolom ozon teramati di austral (belahan bumi selatan) musim semi di Antartika dan pertama kali dilaporkan pada tahun 1985 terus berlanjut. Sejak tahun 1990-an, kolom ozon Antartika pada bulan September dan Oktober terus menjadi 40-50 persen lebih rendah dari nilai lubang pra-ozon. Tren bertahap menuju "penyembuhan" dilaporkan terjadi tahun 2016.
Di Arktik, jumlah yang hilang lebih bervariasi dari tahun ke tahun daripada di Antartika. Penurunan terbesar Arktik, hingga 30 persen, berada di musim dingin dan musim semi, ketika stratosfer paling dingin.
Reaksi yang terjadi pada awan stratosferik kutub (PSC) memainkan peran penting dalam meningkatkan penipisan ozon. PSC terbentuk lebih mudah dalam musim dingin yang ekstrem di Arktik dan Antartika. Inilah sebabnya mengapa lubang ozon terbentuk pertama kali, dan lebih dalam lagi, di atas Antartika. Model awal gagal memperhitungkan PSC dan memperkirakan penipisan global secara bertahap, itulah sebabnya mengapa lubang ozon Antartika mendadak mengejutkan ilmuwan.
Di garis lintang tengah, lebih tepat bila berbicara tentang penipisan ozon daripada lubang. Total kolom ozon turun menjadi sekitar enam persen di bawah nilai pra-1980 antara tahun 1980 dan 1996 untuk garis lintang pertengahan 35–60°N dan 35–60°S. Di garis lintang utara, kemudian meningkat dari nilai minimum sekitar dua persen dari tahun 1996 sampai 2009 karena peraturan mulai berlaku dan jumlah klorin di stratosfer menurun. Di garis lintang pertengahan Belahan Selatan, ozon total tetap konstan selama periode tersebut. Di daerah tropis, tidak ada tren yang signifikan, terutama karena senyawa yang mengandung halogen belum sempat dipecah dan melepaskan atom klor dan brom pada garis lintang tropis.
Letusan gunung berapi yang besar telah terbukti memiliki efek penipisan-ozon yang substansial walaupun tidak merata, seperti yang diamati (misalnya) dengan letusan Gunung Pinatubo di Filipina tahun 1991.
Penipisan ozon juga menjelaskan banyak pengurangan yang diamati pada suhu troposfer dan stratosfer atas. Sumber kehangatan stratosfer adalah penyerapan radiasi UV oleh ozon, sehingga penipisan ozon menyebabkan pendinginan. Beberapa pendinginan stratosfer juga diprediksi dari kenaikan gas rumah kaca seperti CO₂ dan CFC sendiri; namun pendinginan yang disebabkan ozon tampaknya mendominasi.
Prediksi tingkat ozon tetap sulit, tetapi ketepatan prediksi model dari nilai yang diamati dan kesepakatan di antara teknik pemodelan yang berbeda telah meningkat dengan mantap. Laporan Penelitian dan Pemantauan Ozon Meteorologi Dunia—Laporan No. 44 keluar dengan kuat mendukung Protokol Montreal, tetapi mencatat bahwa Penilaian UNEP 1994 memperkirakan kehilangan ozon untuk periode 1994-1997.

Sejarah penelitian

Proses fisik dan kimia dasar yang mengarah pada pembentukan lapisan ozon di stratosfer bumi ditemukan oleh Sydney Chapman pada tahun 1930. Radiasi UV panjang gelombang pendek memecah molekul oksigen (O₂) menjadi dua atom oksigen (O), yang kemudian digabungkan dengan molekul oksigen lainnya untuk membentuk ozon. Ozon dilepaskan saat atom oksigen dan molekul ozon "bergabung kembali" membentuk dua molekul oksigen, yaitu O + O₃ → 2O₂.
Pada tahun 1950-an, David Bates dan Marcel Nicolet mempresentasikan bukti bahwa berbagai radikal bebas, khususnya hidroksil (OH) dan oksida nitrat (NO), dapat mengkatalisis reaksi rekombinasi ini, mengurangi keseluruhan jumlah ozon. Radikal bebas ini diketahui hadir di stratosfer, dan karenanya dianggap sebagai bagian dari keseimbangan alami—diperkirakan bahwa jika tidak ada, lapisan ozon akan menjadi dua kali lebih tebal dari sekarang.
Pada tahun 1970, Paul Crutzen menunjukkan bahwa emisi dinitrogen oksida (N₂O), sebuah gas berumur panjang yang stabil yang dihasilkan oleh bakteri tanah, dari permukaan bumi dapat mempengaruhi jumlah nitrat oksida (NO) di stratosfer. Crutzen menunjukkan bahwa oksida nitrat hidup cukup lama untuk mencapai stratosfer, di mana ia diubah menjadi NO. Crutzen kemudian mencatat bahwa peningkatan penggunaan pupuk mungkin telah menyebabkan peningkatan emisi oksida nitrat di atas latar belakang alami, yang pada gilirannya akan menghasilkan peningkatan jumlah NO di stratosfer. Dengan demikian aktivitas manusia dapat mempengaruhi lapisan ozon stratosfer. Pada tahun berikutnya, Crutzen dan (secara independen) Harold Johnston menyarankan agar tidak ada emisi dari pesawat penumpang supersonik, yang akan terbang di stratosfer bawah, juga bisa menguras lapisan ozon. Namun, analisis yang lebih baru pada tahun 1995 oleh David W. Fahey, seorang ilmuwan atmosfer di National Oceanic and Atmospheric Administration, menemukan bahwa penurunan ozon akan turun dari 1-2 persen jika armada dari 500 pesawat penumpang supersonik dioperasikan. Hal ini, menurut Fahey, tidak akan menjadi penghenti untuk pengembangan pesawat penumpang supersonik tingkat lanjut.

Hipotesis Rowland–Molina

Pada tahun 1974 Frank Sherwood Rowland, Profesor Kimia di Universitas California, Irvine, dan rekan pascadoktoralnya Mario J. Molina mengemukakan bahwa senyawa halogen organik berumur panjang, seperti CFC, mungkin berperilaku serupa. Model seperti yang diusulkan Crutzen untuk nitrat oksida. James Lovelock baru-baru ini menemukan, saat melakukan pelayaran di Atlantik Selatan pada tahun 1971, bahwa hampir semua senyawa CFC yang diproduksi sejak penemuan mereka pada tahun 1930 masih terdapat di atmosfer. Molina dan Rowland menyimpulkan bahwa, seperti N₂O, CFC akan mencapai stratosfer di mana mereka akan terdisosiasi oleh sinar UV, melepaskan atom klor. Setahun sebelumnya, Richard Stolarski dan Ralph Cicerone di Universitas Michigan telah menunjukkan bahwa Cl bahkan lebih efisien daripada NO dalam mengkatalisis penghancuran ozon. Kesimpulan serupa dicapai oleh Michael McElroy dan Steven Wofsy di Universitas Harvard. Namun, tidak ada kelompok yang menyadari bahwa CFC adalah sumber klitoris stratosfer yang berpotensi besar—namun, mereka telah menyelidiki kemungkinan dampak emisi HCl dari Space Shuttle, yang jauh lebih kecil.
Hipotesis Rowland–Molina sangat diperdebatkan oleh perwakilan industri aerosol dan halokarbon. Ketua Dewan DuPont dikutip ketika mengatakan bahwa teori penipisan ozon adalah "sebuah cerita fiksi ilmiah... sebuah muatan sampah... sungguh omong kosong". Robert Abplanalp, Presiden Precision Valve Corporation (dan penemu katup semprot aerosol praktis pertama), menulis surat kepada Rektor UC Irvine untuk mengeluhkan pernyataan publik Rowland. Namun, dalam waktu tiga tahun, sebagian besar asumsi dasar yang dibuat oleh Rowland dan Molina dikonfirmasi oleh pengukuran laboratorium dan dengan pengamatan langsung di stratosfer. Konsentrasi sumber gas (CFC dan senyawa terkait) dan spesies reservoir klorin (HCl dan ClONO₂) diukur di seluruh stratosfer, dan menunjukkan bahwa CFC memang merupakan sumber utama klor stratosfer, dan bahwa hampir semua CFC yang dipancarkan pada akhirnya akan mencapai stratosfer. Yang lebih meyakinkan lagi adalah pengukuran, oleh James G. Anderson dan rekan-rekannya, dari klor monoksida (ClO) di stratosfer. ClO dihasilkan oleh reaksi Cl dengan ozon—pengamatannya menunjukkan bahwa radikal Cl tidak hanya hadir di stratosfer tetapi juga benar-benar terlibat dalam menghancurkan ozon. McElroy dan Wofsy memperluas karya Rowland dan Molina dengan menunjukkan bahwa atom brom adalah katalis yang lebih efektif untuk kehilangan ozon daripada atom klor dan berpendapat bahwa senyawa organik terbrominasi dikenal sebagai halon, yang banyak digunakan dalam alat pemadam kebakaran, adalah sumber potensial bromin stratosferik. Pada tahun 1976, United States National Academy of Sciences merilis sebuah laporan yang menyimpulkan bahwa hipotesis penipisan ozon sangat didukung oleh bukti ilmiah. Para ilmuwan menghitung bahwa jika produksi CFC terus meningkat pada tingkat perjalanan 10 persen per tahun sampai tahun 1990 dan kemudian tetap stabil, CFC akan menyebabkan hilangnya ozon global sebesar 5-7 persen pada tahun 1995, dan kerugian 30-50 persen pada tahun 2050. Sebagai tanggapan Amerika Serikat, Kanada dan Norwegia melarang penggunaan CFC dalam semprotan aerosol pada tahun 1978. Namun, penelitian selanjutnya, yang dirangkum oleh National Academy dalam laporan yang dikeluarkan antara tahun 1979 dan 1984, tampaknya menunjukkan bahwa Perkiraan sebelumnya tentang kehilangan ozon global terlalu besar.
Crutzen, Molina, dan Rowland dianugerahi Hadiah Nobel dalam Kimia 1995 untuk karyanya dalam ozon stratosferik.

Lubang ozon Antartika

Penemuan "lubang ozon" Antartika oleh ilmuwan British Antarctic Survey, Farman, Gardiner dan Shanklin (pertama kali dilaporkan dalam makalah di Nature Mei 1985) mengejutkan komunitas ilmiah, karena penurunan ozon kutub yang diamati jauh lebih besar daripada yang diantisipasi sebelumnya. Pengukuran satelit yang menunjukkan penipisan ozon di sekitar kutub selatan telah tersedia pada saat bersamaan. Namun, hal ini awalnya ditolak karena tidak masuk akal oleh algoritme kontrol kualitas data (mereka disaring sebagai kesalahan karena nilainya tidak terduga rendah); lubang ozon hanya terdeteksi dalam data satelit saat data mentah diproses ulang setelah bukti penipisan ozon dalam observasi in situ. Saat perangkat lunak diluncurkan kembali tanpa bendera, Lubang ozon terlihat sejauh 1976.
Pada 3 Maret 2005, jurnal Nature menerbitkan sebuah artikel yang menghubungkan lubang ozon Arktik yang luar biasa besar pada tahun 2004 terhadap aktivitas angin matahari.
Pada tanggal 2 Oktober 2011, sebuah penelitian dipublikasikan di jurnal Nature, mengatakan bahwa antara bulan Desember 2010 dan Maret 2011 sampai 80 persen ozon di atmosfer sekitar 20 kilometer (12 mi) di atas permukaan telah rusak. Tingkat penipisan ozon cukup parah sehingga para ilmuwan mengatakan bahwa hal tersebut dapat dibandingkan dengan lubang ozon yang terbentuk di Antartika setiap musim dingin. Menurut penelitian, "untuk pertama kalinya, kehilangan cukup banyak terjadi secara wajar digambarkan sebagai lubang ozon Arktik." Studi tersebut menganalisis data dari satelit Aura dan CALIPSO, dan menentukan bahwa kehilangan ozon lebih besar dari normal disebabkan oleh cuaca dingin yang luar biasa di Arktik, beberapa diantaranya 30 hari lebih banyak dari biasanya, yang memungkinkan lebih banyak senyawa klorin untuk menghancurkan ozon. Menurut Lamont Poole, rekan penulis studi, partikel awan dan aerosol di mana senyawa klorin ditemukan "melimpah di Arktik sampai pertengahan Maret 2011—jauh lebih lambat dari biasanya—dengan jumlah rata-rata di beberapa ketinggian yang serupa dengan yang diamati. Di Antartika, dan secara dramatis lebih besar dari nilai mendekati nol pada bulan Maret di sebagian besar musim Arktik".

Lubang ozon Arktik

Pada tanggal 15 Maret 2011, rekor kehilangan lapisan ozon teramati, dengan sekitar setengah dari ozon yang terdapat di Kutub Utara telah hancur. Perubahan tersebut disebabkan oleh musim dingin yang semakin dingin di stratosfer Arktik pada ketinggian kira-kira 20 km (12 mi), sebuah perubahan yang terkait dengan pemanasan global dalam suatu hubungan yang masih dalam penyelidikan. Sampai 25 Maret, hilangnya ozon telah menjadi yang terbesar dibandingkan dengan yang diamati pada semua musim dingin sebelumnya dengan kemungkinan bahwa hal tersebut akan menjadi lubang ozon. Hal ini akan mengharuskan jumlah ozon jatuh di bawah 200 Dobson unit, dari 250 yang tercatat di pusat Siberia. Diperkirakan penipisan lapisan ozon akan mempengaruhi bagian Skandinavia dan Eropa Timur pada 30-31 Maret.

Lubang ozon Tibet

Karena musim dingin yang lebih dingin lebih terpengaruh, kadang terdapat lubang ozon di Tibet. Pada tahun 2006, sebuah lubang ozon seluas 2.5 juta kilometer persegi terdeteksi di Tibet. Juga kembali pada tahun 2011 sebuah lubang ozon muncul di daerah pegunungan Tibet, Xinjiang, Qinghai dan Hindu Kush, bersama dengan lubang yang belum pernah terjadi sebelumnya di Kutub Utara, meskipun lubang di Tibet jauh lebih tidak besar daripada yang di Kutub Utara atau Antartika.

Potensi penipisan oleh awan badai

Penelitian pada tahun 2012 menunjukkan bahwa proses yang sama yang menghasilkan lubang ozon di Antartika terjadi di atas awan badai musim panas di Amerika Serikat, dan dengan demikian dapat menghancurkan ozon di sana pula.

Kebijakan publik

Kerusakan sepenuhnya yang disebabkan CFC terhadap lapisan ozon tidak diketahui dan tidak akan diketahui selama beberapa dekade; namun, penurunan kolom ozon yang ditandai telah diamati. Konvensi Montreal dan Wina dipasang jauh sebelum sebuah konsensus ilmiah ditetapkan atau ketidakpastian penting di bidang sains dipecahkan. Kasus ozon dipahami dengan baik oleh orang awam seperti misalnya perisai ozon atau lubang ozon yang berguna sebagai "metafora untuk menjembatani agar mudah dimengerti". Orang Amerika dengan sukarela beralih dari semprotan aerosol, menghasilkan kerugian penjualan sebesar 50 persen bahkan sebelum undang-undang diberlakukan.
Pada tahun 1987, perwakilan dari 43 negara menandatangani Protokol Montreal. Sementara itu, industri halokarbon mengubah posisinya dan mulai mendukung sebuah protokol untuk membatasi produksi CFC. Namun, pergeseran ini tidak merata dengan DuPont bertindak lebih cepat daripada rekan-rekan Eropa mereka. DuPont mungkin telah mengkhawatirkan tindakan pengadilan terkait dengan peningkatan kanker kulit terutama karena EPA telah menerbitkan sebuah penelitian pada tahun 1986 yang mengklaim bahwa tambahan 40 juta kasus dan 800,000 kematian akibat kanker diperkirakan di Amerika Serikat dalam 88 tahun ke depan. Uni Eropa juga mengubah posisinya setelah Jerman melepaskan pembelaannya terhadap industri CFC dan mulai mendukung langkah-langkah menuju peraturan. Pemerintah dan industri di Prancis dan Britania Raya berusaha mempertahankan industri produksi CFC mereka bahkan setelah Protokol Montreal ditandatangani.
Baru-baru ini, para ahli kebijakan telah menganjurkan upaya untuk menghubungkan upaya perlindungan ozon dengan upaya perlindungan iklim. Banyak BPO seperti gas rumah kaca, merupakan agen pemaksaan radiatif beberapa ribu kali lebih kuat daripada karbon dioksida selama jangka pendek dan menengah. Dengan demikian kebijakan yang melindungi lapisan ozon memiliki manfaat dalam mengurangi perubahan iklim. Kenyataannya, pengurangan pemaksaan radiatif akibat BPO mungkin menutupi tingkat yang sebenarnya dari efek perubahan iklim dari gas rumah kaca lainnya, serta bertanggung jawab atas "melambatnya" pemanasan global dari pertengahan tahun 90-an. Keputusan kebijakan di satu sisi mempengaruhi biaya dan efektivitas perbaikan lingkungan di sisi lain.

Prospek penipisan ozon

Karena adopsi dan penguatan Protokol Montreal telah menyebabkan pengurangan emisi CFC, konsentrasi atmosfer dari senyawa yang paling signifikan telah menurun. Zat ini secara bertahap dikeluarkan dari atmosfer; sejak memuncak pada tahun 1994, tingkat Effective Equivalent Chlorine (EECl) di atmosfer telah turun sekitar 10 persen pada tahun 2008. Penurunan bahan kimia perusak ozon juga telah dipengaruhi secara signifikan oleh penurunan bahan kimia yang mengandung bromin. Data menunjukkan bahwa sumber alami yang substansial terdapat untuk metil bromida atmosfer CH₃Br). Pembatasan CFC berarti pula bahwa dinitrogen oksida (N₂O), yang tidak tercakup dalam Protokol Montreal, telah menjadi bahan perusak ozon yang paling banyak dipancarkan dan diperkirakan akan tetap demikian sepanjang abad ke-21.
Sebuah tinjauan IPCC tahun 2005 dan perhitungan model menyimpulkan bahwa jumlah ozon global saatini kurang stabil. Meskipun variabilitas yang cukup besar diperkirakan dari tahun ke tahun, termasuk di daerah kutub dimana penipisan terbesar, lapisan ozon diperkirakan akan mulai pulih dalam beberapa dekade mendatang karena penurunan konsentrasi bahan perusak ozon, dengan asumsi kepatuhan penuh terhadap Protokol Montreal.
Lubang ozon di Antartika diperkirakan akan berlanjut selama beberapa dekade. Konsentrasi ozon di stratosfer bawah di Antartika akan meningkat 5-10 persen pada tahun 2020 dan kembali ke tingkat pra-1980 sekitar 2060-2075. Hal ini adalah 10-25 tahun kemudian dari perkiraan pada penilaian sebelumnya, karena perkiraan perkiraan konsentrasi zat perusak ozon di atmosfer, termasuk perkiraan penggunaan masa depan yang lebih besar di negara-negara berkembang. Faktor lain yang dapat memperpanjang penipisan ozon adalah penarikan dinitrogen oksida dari atas stratosfer karena perubahan pola angin. Tren bertahap menuju "penyembuhan" dilaporkan terjadi pada tahun 2016.

Hari Ozon Sedunia

Pada tahun 1994, Majelis Umum Perserikatan Bangsa-Bangsa memilih untuk menunjuk 16 September sebagai "Hari Ozon Sedunia", untuk memperingati penandatanganan Protokol Montreal pada tanggal tersebut pada tahun 1987.