1

Tổng quát về khí về khí ozon

1. Cấu trúc phân tử:

- Công thức hóa học: O3

- Phân tử ozone gồm 3 nguyên tử oxi liên kết bằng liên kết cộng hóa trị với góc O-O =116,8o và độ dài liên kết là 1.278Ao, kém bền vững hơn O2

- Khối lượng phân tử: 47.998 g. mol-1

- Tồn tại ở dạng khí có màu hơi xanh.

- Ở 0oC tồn tại ở dạng khí với mật độ khoảng 2.144g.L-1

- Khả năng hòa tan trong nước (ở 0oC): 0.105g. 100mL-1

- Nhiệt độ nóng chảy: - 192.5 oC

- Nhiệt độ sôi: - 111.90C

2. Chức năng của khí ozone:

-Là thành phần chủ yếu cấu tạo nên tầng ozone. Trong tầng bình lưu của khí quyển ở độ cao khoảng 18- 40 km, các khí ozone tập trung lại với mật độ cao tạo nên một lớp giàu khí ozone gọi là tầng ozone.

-Là nguồn cung cấp khí O2 tự nhiên cho khí quyển bởi một số quá trình như: sự phân ly quang hóa, tác dụng với oxy nguyên tử…

-Được dùng để khử trùng: quần áo của bệnh nhân ở bệnh viện sau khi giặt xong, các xí nghiệp sản xuất thức ăn, nước chứa Cl …

1

h√ (λ =242 nm)

2

-Khử mùi của không khí ( ví dụ: không khí sau các vụ cháy…)

-Diệt vi khuẩn trong thức ăn hoặc tại các bề mặt tiếp xúc và nấm trong trái cây và rau tươi

-Khử các chất gây ô nhiễm trong nước

-Được dùng trong việc tổng hợp các chất hóa học khác

-Tuy nhiên, đối với con người, khi tiếp xúc với khí ozone ở hàm lượng thấp gây cay, đau nhói mắt, đau đầu, mệt mỏi. Ở hàm lượng cao gây xuất huyết, phù nề, khô cổ họng, già hóa màng phổi

-Đối với thực vật: phá hoại tế bào lá, hạn chế quá trình trao đổi chất, giảm tốc độ sinh trưởng.

3. Các phản ứng hình thành và phân hủy ozone

a. Ở tầng bình lưu

Ôzôn chiếm một thành phần quan trọng , lớp ôzôn này có tác dụng như một màng bảo vệ tia cực tím với các sinh vật trên trái đất

Ôzôn được tạo thành bởi phản ứng quang hóa theo các bước sau:

O2 O + O

O + O2 O3

O + O2 + M O + M

Chất M hấp thu năng lượng dư thừa được giải phóng từ phản ứng trên làm cho phân tử O3 bền hơn.

Phản ứng phân hủy ôzôn:

Với λ< 334nm thì sự phân ly quang hóa của ôzôn là 1 quá trình phức tạp dẫn tới việc tạo nên oxy ở trạng thái kích hoạt theo phản ứng :

O3 O + O2

Cơ chế của phản ứng phân hủy ôzôn chưa được giải thích cặn kẻ nhưng người ta cho rằng phản ứng có thể do:

O3 + O O2 + O2

Phản ứng này tăng nhanh khi có mặt một chất xúc tác K nào đó

2

313<λ < 360nm

3

K + O3 KO + O2

KO + O K + O2

O + O3 2O2

* K có thể là những gốc có họat tính khác nhau như oxyt nitơ, gốc hyđro, nguyên tử Clo….

Với oxyt nitơ

O3 + NO NO2 + O2

NO2 + O NO + O2

Với gốc hydro

O3 + HO O2 + HOO˚

HOO˚ + O OH˚ + O2

Với Clo:( do các khí lạnh bi phân ly, CFC, CFM..)

Cl2 + O Cl˚ + ClO˚

b. Ở tầng đối lưu

Ôzôn có nồng độ rất thấp ,chủ yếu là khuếch tán từ tầng bình lưu xuống hoặc do phản ứng hóa học của một số thành phần khử trong không khí:

NO2 + h√ (202- 422nm) NO + O

O + O2 + M O3 + M

Phản ứng phân hủy ôzôn :

Do NOx :

O3 + NO NO2 + O2

→ Phản ứng này sẽ giải thích lí do tại các điểm giao thông thì hàm lượng ôzôn giảm đi( vì trong khói nhiên liệu có một phần đáng kể khí NOx).

Do HO2

HO2 + O3 2O2

II. Tổng quan về tầng khí quyển

Khái quát về bầu khí quyển:

3

4

- Khí quyển là lớp vỏ khí bao quanh Trái đất được cấu tạo bởi nhiều hợp chất khác nhau. Thành phần và hàm lượng các chất này tùy thuộc vào điều kiện địa lý, khí hậu và phân bố theo chiều cao kể từ mặt đất trở lên.

- Càng lên cao áp suất càng giảm, ở độ cao100km, áp suất khí quyển chỉ bằng một phần triệu áp suất ở mặt đất.

- Cấu trúc của khí quyển có thể chia làm 2 phần:

Phần trong gồm:tầng đối lưu, tầng bình lưu,tầng trung gian và tầng nhiệt(tầng ion).

Phần ngoài chính là tầng điện ly.

Các tầng được phân cách bởi những lớp mỏng gọi là lớp tạm dừng.

Mỗi tầng khí quyển được đặc trưng bởi mức xác định của nhiệt độ và áp suất với những đặc điểm riêng biệt của những hiện tượng vật lí, hóa học.

a. Tầng đối lưu (trosposphere)

-Chiếm 70% khối lượng khí quyển. Độ cao từ 0-11km,tính từ mặt đất. Nhiệt độ từ + 40 đến -50◦C. Tầng này quyết định khí hậu trái đất với thành phần chủ yếu là các khí: N2 (78.9%), O2 (20.94%), CO2 (0.03%) và hơi nước.

-Các dòng khí chuyển động theo chiều ngang lẫn chiều đứng,các chất ô nhiễm sinh ra từ tự

nhiên và họat động của con người dễ dàng bị xáo trộn để pha lõang hoặc biến đổi trong tầng đối lưu này.

-Phản ứng quan trọng trong tầng đối lưu là phản ứng tổng hợp quang hóa và phản ứng cố

định nitơ để tổng hợp đạm.

b. Tầng bình lưu (stratosphere):

- Độ cao từ 11-50 km. Nhiệt độ từ -56 đến -2◦C. Thành phần chủ yếu là O3, N2, O2 và một số

gốc hóa học khác.

- Ozone đóng vai trò quan trọng trong tầng bình lưu, nó hoạt động như một lớp màng bao bọc bảo vệ trái đất khỏi những ảnh hưởng độc hại của tia tử ngọai từ Mặt trời chiếu xuống.

- Thời gian lưu của các phần tử hóa học ở vùng này khá lâu (do không khí xáo động chậm chạp, chỉ chuyển động theo phương nằm ngang). Vì vậy nếu có chất gây ô nhiễm bằng cách nào đó đi đến tầng bình lưu thì chúng sẽ gây nhiễm độc lâu dài nếu so sánh tác động của chúng với các chất khác ở tầng đối lưu dày đặc.

- Sự tăng nhiệt độ ở tầng này có thể giải thích là do ôzôn ở đây hấp thụ tia tử ngoại và tỏa nhiệt .

- Phản ứng chủ yếu ở tầng này là các phản ứng quang hóa của O3,O2,NOx,H2O.. sinh ra các gốc hóa học họat hóa, tiếp tục tham gia các phản ứng hóa học khác.

4

Lớp oznone

5

c. Tầng trung lưu (mesosphere)

- Độ cao từ 50_80km. Nhiệt độ từ -2 đến -92◦C. Nhiệt độ giảm ở tầng này có thể giải thích là do khả năng hấp thụ tia tử ngọai của các phân tử ôzôn giảm và ở mức độ thấp. Thành phần chủ

yếu là O2+,NO+,O+ và N2.

d. Tầng nhiệt (thermosphere) hay tầng ion:

- Độ cao từ 85-100km. Nhiệt độ từ -92 đến 1200◦C.

- Do tác dụng của bức xạ Mặt trời , nhiều phản ứng hóa học xảy ra với oxy,ôzôn, nitơ ,oxit nitơ, hơi nước, CO2…chúng được phân tách thàng nguyên tử sau đó ion hóa thành các ion O2-,O+, O,NO-,e-,CO32_ , NO2-, NO3- ,…và nhiều hạt bị ion hóa phản xạ sóng điện từ sau khi hấp thụ tia mặt trời ở vùng tử ngoại.

e. Tầng điện ly hay tầng ngoài (exosphere):

- Độ cao lớn hơn 800km. Nhiệt độ 1700◦C. Thành phần :O+ ,He+, H+, các dòng plasma do mặt trời thải ra và bụi vũ trụ.

III. Tầng ozone và lỗ thủng tầng ozone

1. Quá trình hình thành tầng ozone

- Quá trình hình thành tầng ozone xảy ra vào thời kỳ tiền khí quyển, cách đây khoảng 3 tỷ năm. Khí quyển sơ khai chỉ gồm N2 và H2 không có hơi nước và O2. Quá trình tạo oxy trong khí quyển cũng như hình thành tầng ozone là một giai đoạn đặc biệt của lịch sử

Trái Đất.

- Vào thời kỳ tiền khí quyển các chất hữu cơ đầu tiên xuất hiện dưới đáy đại dương, là do lớp nước có tác dụng lọc các tia tử ngoại và hầu như đại dương chứa các nguyên sinh dị bào kỵ khí tạo nên các chất hữu cơ nhờ quá trình lên men. Sau đó, các chất hữu cơ được tổng hợp nhờ nguồn năng lượng bên ngoài thông qua quá trình tổng hợp quang học và giải phóng oxy. Trong quá trình này chất diệp lục có vai trò quyết định quan trọng. Những các chất hữu cơ từ những chất có thế năng khử tương đối thấp rất nhạy cảm với sự oxy hóa bời oxy. Sự không cân bằng hóa địa trên trái đất là động lực thúc đẩy của quá trình tạo oxy (oxy là chất oxy hóa, Fe2+và S2- là chất khử). Với sự phát triển của những chất này, oxy được tách ra nhờ phản ứng với Fe2+ hòa tan trong nước, quá trình dẫn tới việc tách các oxyt Fe3+ nằm trong đá và silicat trong các lớp đá trầm tích. Do đó hàm lượng oxy trong khí quyển trong giai đoạn này tăng nhưng rất chậm.

- Khi phân tử abumin đầu tiên được tổng hợp, đó là những chất có thể trao đổi oxy sinh ra ở

các vị trí nằm trong cấu tạo của chúng thì chu kỳ thứ 3 của sự tiến triển trái đất bắt đầu. Các chất hữu cơ hữu sinh phát triển rất nhanh, trước hết là ở trong các đại dương. Oxyt Fe2+

5

6

được oxy hóa với khối lượng lớn. Hàm lượng oxy trong khí quyển tăng liên tục và đạt 1% hàm lượng oxy trong khí quyển như ngày nay. ở giai đoạn này phần lớn oxy được sử dụng để

lien kết với các chất có tính khử trong khí quyển và trong vỏ ngoài cùng của trái đất.

- Cùng với quá trình này có sự tạo thành oxy nguyên tử và ozone là do phản ứng quang hóa của phân tử oxy:

O2 h√ ( λ = 242 nm ) O + O

O + O2 + M (N2,O2) O3 + M

- Trong đó M là một phần tử nhân năng lượng giải phóng để ngăn cản quá trình phân ly của phân tử ozone.

- Phân tử ozone sau khi được tạo thành khuyếch tán vào tầng bình lưu, tập trung tích lũy thành tầng ozone. Ngày nay không thể tìm thấy ở gần bề mặt trái đất một dạng tạo thành ozone như mô tả ở trên vì một phần đáng kể các tia năng lượng mặt trời (λ ≤ 340nm) đã bị

hấp thụ bởi lượng ozone của tầng bình lưu) theo cơ chế sau:

O3 h√ ( λ ≤340 nm ) O2 + O

- Như vậy, khi tầng ozone hình thành các tia tử ngoại bị hấp thụ và tốc độ sinh ra oxy tăng lên do việc tạo thành các chất hữu cơ quang học trên trái đất và trong đại dương tăng lên dần và đạt giá trị như ngày nay. Khi đó, sự tiến triển của khí quyển cũng như quá trình hình thành tầng ozone kết thúc

Vai trò của tầng ozone:

Tầng ozone có 2 chức năng cơ bản:

Tầng ozone hấp thụ các tia UV B

Tia tử ngoại của mặt trời gồm các tia:

- UV A: λ = 320-400 nm : tới được mặt đất

- UV B: λ = 290-320 nm : không tới được mặt đất do tầng ozone hấp thụ . Ozone có khả năng hấp thụ cao nhất đối với bước sóng 600nm ở tia nhìn thấy và bước sóng 254nm

- UV C: λ < 290nm : tầng mesosphere hấp thụ

Theo nghiên cứu của các nhà khoa học thì tia UV B là tác nhân gây ra các đột biến gen của các tế bào da, các bệnh ngoài da Tầng ozone chỉ dày 2-3mm nhưng có tác dụng như một màng bảo vệ bức xạ cực tím đối với các sinh vật trên trái đất Tầng ozone được xem là cái ô bảo vệ loài người và thế giới động vật tránh khỏi tai họa do bức xạ tia tử ngoại của mặt Trời gây ra.

6

7

Ngoài ra, Ozon là thành phần cơ bản cần thiết của khí quyển vì nó có khả năng hấp thụ một phần tia tử ngoại và vì vậy năng lượng sẽ được tích trữ ở tầng cao của khí quyển. Điều này sẽ

có tác dụng quan trọng đối với thời tiết và sinh thái của Trái đất.

Thủng tầng ozone (ozone hole)

a. Nguyên nhân thủng tầng ozone: có 3 nguyên nhân

- Nguyên nhân thứ nhất là do sử dụng chất frêon, dẫn xuất của halogen với mêtan, êtan. Ví dụ: ClFCH2, Cl2F2C… Frêon được dùng nhiều trong kỹ thuật và đời sống (tủ lạnh, dung môi mỹ

phẩm, sơn, tẩy rửa…), chúng là khí trơ đối với các phản ứng hóa học, lý học thông thường. Khi thải vào tầng đối lưu, chúng khuếch tán chậm chạp sang tầng bình lưu. Dưới tác dụng của các tia tử ngoại, chúng phân ly và tạo ra các nguyên tử clo tự do, mỗi nguyên tử clo lại phản ứng dây chuyền với hàng trăm ngàn phân tử ozone và biến ozone thành oxy:

CF2Cl2 + hv ClO + CF2ClO

Cl0 +O3 ClO0 + O2

ClO0 +O Cl0 + O2

- Nguyên nhân thứ hai có thể là do Cl2 hoặc HCl sinh ra từ các quá trình tự nhiên (núi lửa) và nhân tạo trực tiếp đi vào tầng bình lưu. Cl2 tác dụng với tia tử ngoại và HCl phản ứng với OH tạo ra clo nguyên tử Cl0 tác dụng với ozone làm phân hủy ozone:

Cl2+ h Cl0 +Cl0

Cl0 + O3 ClO0 +O2

ClO + h Cl* +O

ClO +O Cl0 + O2

Hoặc: HCl + OH0 H2O + Cl0

Cl0 + O3 ClO0 + O2

ClO0 + O Cl0 + O2

Nếu trong khí quyển có tồn tại CH4 và NO2 thì sẽ xảy ra các phản ứng sau giữa Cl* và ClO* với chúng:

Cl0 + CH4 HCl + CH30 (tạo mưa acid)

ClO0 + NO2 Cl __ O __ N __ O

O

Clorinitrat

7

<303,5 nm

8

Clorinitrat là hợp chất tương đối bền, nó rất có ý nghĩa đối với việc làm giảm chu trình phân hủy ozone do giảm việc tạo thành Cl0 qua phản ứng với NO2.

- Nguyên nhân thứ 3 là do các khí sinh ra bởi các hoạt động nhân tạo như: CO,CH4,NOx và các hoạt chất hữu cơ (khói quang hóa) . Các chất này tham gia phản ứng với các gốc tồn tại ở tầng bình lưu trở thành chất hoạt hóa và tham gia quá trình phân hủy ozone.Ví dụ:

NO xuất hiện do quá trình oxy hóa N2 và O2 dưới ảnh hưởng của việc phóng điện trong khí quyển.

N2O ở bề mặt trái đất sinh ra do kết quả của các hoạt động vi sinh (quá trình phân hủy các chất hữu cơ bằng vi khuẩn, quá trình khử nitrat bằng sinh học).Ở tầng đối lưu, N2O có khả

năng phản ứng rất yếu. Khi N2O phát tán lên tầng bình lưu và hấp thu các tia tử ngoại sóng ngắn hoặc bị phân ly bởi nguyên tử oxy hoạt hóa thì ta có chuỗi phản ứng:

N2O + hv NO + N

N2O + O 2NO

N2O + O N2 + O2

NO sinh ra trong khí quyển sẽ tham gia vào vòng phân hủy ozone .

O3 + NO NO2 + O2

NO2 + O3 NO + O2

Hay:

CO + OH0 +CO2 CO2 + HOO0

HOO0 + O3 HO0 + O2

- Như vậy, sự giảm 40% nồng độ ozone ở các cực Trái đất mà các nhà khoa học đã ghi nhận được có thể là do con người đã sử dụng quá nhiều chất tải lạnh frêon, các chất sinh ra từ

hoạt động của con người như:CO,CH4, NOx, Cl2, HCl,…

- Các hoạt động của con người đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra NOx trong tầng bình lưu. Nhờ trở lực thấp nên các máy bay phản lực siêu âm bay trong tầng bình lưu đạt được tốc độ siêu âm nhưng nó lại thải ra một lượng lớn NOx, Lượng NOx này sẽ tham gia vào các phản ứng quang hóa và góp phần thúc đẩy quá trình phân hủy ozone và làm thủng tầng ozone.

b. Lịch sử của lỗ thủng tầng ozone.

Sau khi phát hiện ra lỗ thủng tầng ozone cách đây hơn 20 năm. Từ đó đến nay qua các năm các nhà khoa học đã theo dõi và đo sự lớn lên cũng như nhỏ lại của lỗ thủng tầng ozone ở Nam Cực và có được kết quả như sau.

Năm 1979: Các nhà khoa học của NASA bắt đầu đo

lỗ thủng tầng ozone bằng vệ tinh lần đầu tiên.

8

9

Năm 1998. Lỗ thủng lớn đã che phủ hơn 10,5 triệu dặm vuông (27.19 triệu km2) vào tháng 9 năm 1998. Đó là kích thước lớn kỷ lục của lỗ thủng tầng ozone trước năm 2000.

Năm 2000. Lỗ thủng tầng ozone khổng lồ đạt tới 11,4 triệu dặm vuông (29.53 triệu km2) vào tháng 9 năm 2000. Đó là lỗ thủng lớn nhất đã từng đo được. Diện tích của nó xấp xỉ ba lần diện tích nước Mỹ. Sở dĩ vậy là do trong năm 2000 thời tiết của trái đất có gió lặng và lạnh bất thường.

Năm 2001. Vào tháng 9 năm 2001, lỗ thủng tầng ozone bao phủ khoảng 10 triệu dặm vuông (25.9 triệu km2) nhỏ hơn năm 2000, nhưng nó vẫn lớn hơn tổng diện tích của Nước Mỹ, Canada và Mexico.

Năm 2002. Lỗ thủng tầng ozone có thu hẹp lại và tháng 9 năm 2002 là lỗ thủng nhỏ nhất từ năm 1998. Không những nhỏ hơn năm 2000 và 2001, mà còn tách ra thành 2 lỗ riêng biệt. Điều này được giải thích là có thể do điều kiện nóng ấm không bình thường và sự phân tách có thể do các khu vực thời tiết của tầng bình lưu khác thường trong năm 2002.

Năm 2003. Lỗ thủng tầng ozone che phủ 11,1 triệu dặm vuông (28 triệu km2), và là lỗ thủng kỷ lục đứng thứ hai sau lỗ thủng năm 2000.

Năm 2004. Tháng 9 năm 2004, lỗ thủng là 9,4 triệu dặm vuông (24.35 triệu km2). Lỗ thủng này nhỏ hơn năm 2003 do có thể thời tiết Cực Nam tương đối ấm hơn những năm khác..

9

10

Năm 2005. Lỗ thủng ở tầng ozone phía trên Cực Nam xuất hiện lớn hơn năm 2004 nhưng vẫn nhỏ hơn năm 2003 vì theo số liệu về thời tiết của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) cho thấy mùa đông 2005 ấm hơn năm 2003, nhưng lạnh hơn năm 2004. Lỗ thủng năm 2005 che phủ khoảng 10 triệu dặm vuông (25.9 triệu km2). Kích thước lỗ thủng năm 2005 gần mức trung bình năm 1995-2004 và diện tích này tương đương diện tích toàn bộ Châu Âu..

Năm 2006: vào tháng 10 thì diện tích lỗ thủng đo đựợc là 17.6 triệu km2 . Như vậy, tính tới năm 2005 thì lỗ thủng tầng ozone lớn nhất đo được là vào năm 2000 với 29.53 triệu km2

c. Hiện trạng thủng tầng ozone

- Ngày nay, diễn biến lớn lên hay thu nhỏ lại của tầng ozone rất thất thường đơn cử như vào đầu tháng 9 năm nay theo một thông cáo đầu tiên của Tổ chức Khí tượng Thế giới (OMM), lỗ

thủng tầng ozone phía trên Nam cực đã xuất hiện sớm hơn thường lệ. Cũng theo dự báo thì lỗ thủng này đã đạt mức tối đa vào tháng 8 với diện tích là gần 27 triệu kilomet vuông và sau đó bắt đầu co lại theo thường lệ.

- Không chỉ riêng ở Nam Cực, Bắc Cực cũng đã xuất hiện lỗ thủng từ nhiều năm trước đây và cũng đang lớn dần lên trong những năm gần đây tuy nhiên do thời tiết không giá lạnh bằng Nam Cực nên lỗ thủng tầng ozone không nghiêm trọng bằng ở Nam Cực. Đơn cử như sau năm 1980 thì các nhà khoa học thậm chí còn không tìm thấy ozon trong các mẫu khí lấy ở lỗ hổng tầng ozon ở Nam cực. Trong khi đó, hiện tượng mất ozon ở Bắc cực xảy ra không thường xuyên và ngay cả khi thời điểm mất ozon cao nhất cũng chưa đạt mức độ báo động ở Bắc bán cầu

- Tuy vậy, tình hình lỗ thủng tầng ozone đang có những dấu hiệu đáng mừng khi mà các nhà khoa học dựa theo những nghiên cứu mới nhất đã cho rằng lỗ thủng tầng ozone đang ngày càng được thu hẹp. Mặc dù vậy diện tích được thu hẹp vẫn là không lớn vì theo dự báo thì vào năm 2015 lỗ thủng ôzôn ở Nam Cực sẽ chỉ giảm đi khoảng một triệu km2 trên 25 triệu km2 và do vậy tầng ôzôn Nam Cực chỉ phục hồi hoàn toàn nhanh nhất là vào năm 2050 hay chậm hơn.

- Cũng theo các nghiên cứu thì tới năm 2030-2040, các nhà khoa học dự đoán mức ozone sẽ

tăng thêm 10% do tác động của khí hậu đồng thời khí nhà kính CO2 gia tăng kéo theo sự gia tăng nhiệt độ ở phần dưới của tầng khí quyển và sự lạnh đi ở phần trên của tầng bình lưu. Nhiệt độ thấp hơn ở phần này sẽ làm chậm lại phản ứng hoá học gây suy giảm tầng ozone. Do đó, mức ozone sẽ tăng dần.

10

11

- Như vậy, hiện trạng của lỗ thủng tầng ozone đang có những dấu hiệu tích cực nhưng nếu như

con người không có những động thái đúng nhằm làm giảm những khí làm hại tầng ozone như

CFC, SACO và các khí nhà kính thì tầng ozone của trái đất sẽ không có hy vọng đạt được "tình trạng tầng ozon như thời đại tiền công nghiệp" trước năm 2050, thậm chí là phải đến năm 2080 với điều kiện con người dừng hoàn toàn thải bỏ khí có chứa Clo và Brom.

Lỗ thủng ozone ở Nam Cực

Các nguyên nhân của lỗ thủng ôzôn Nam Cực là :

Lỗ thủng ôzôn xuất hiện vào mùa xuân ở Nam Cực, từ

tháng 9 cho đến đầu tháng 12, khi gió tây mạnh bắt đầu thổi tuần hoàn trên lục địa và tạo thành bầu chứa khí quyển. Trong các "gió xoáy địa cực" này, hơn 50% ôzôn vùng phía dưới của tầng bình lưu bị phân hủy trong mùa xuân.

Nhiệt độ không khí ở vào khoảng -80°C hay lạnh hơn gần như trong suốt mùa Đông đã tạo nên các đám mây ở tầng bình lưu trên địa cực. Các phần tử

của những đám mây này bao gồm axít nitric hay nước đóng băng tạo nên bề mặt cho các phản ứng hóa học gia tăng tốc độ phân hủy các phân tử ôzôn. Như đã giải thích ở phần trên, nguyên nhân chính của giảm sút ôzôn ở Nam Cực và các nơi khác là sự hiện diện của các khí gốc có chứa clo (trước nhất là các CFC và các hợp chất clo với các bon liên quan) bị phân giải khi có tia cực tím tạo thành các nguyên tử clo trở thành chất xúc tác phân hủy ôzôn. Sự giảm sút ôzôn do clo là chất xúc tác có thể xảy ra ở trạng thái khí nhưng sẽ tăng đột ngột khi có sự

hiện diện của các đám mây tầng bình lưu trên địa cực: các clo trong tầng bình lưu ở trong các "hợp chất chứa" bền, chủ yếu là các hydro clorua (HCl) và clo nitrat (ClONO2). Trong mùa Đông và Xuân Nam Cực các phản ứng trên bề mặt của các phần tử mây chuyển hóa các hợp chất chứa này trở lại thành các gốc tự do có hoạt tính cao: Cl và ClO. Ngoài ra, các đám mây cũng có thể lấy đi NO2 từ khí quyển bằng cách biến đổi chúng thành axít nitric, ngăn không cho ClO vừa được tạo thành có thể bị biến đổi trở lại ClONO2. Ánh sáng cực tím gia tăng trong mùa xuân tạo cho các hợp chất clo phản ứng hủy diệt trên 17% ôzôn trong khi các hợo chất brôm làm giảm sút thêm 33%. Vai trò của ánh sáng mặt trời trong giảm sút ôzôn chính là lý do tại sao giảm sút ôzôn ở Nam Cực lớn nhất vào mùa xuân. Vì trong mùa Đông, mặc dù có nhiều mây nhất nhưng không có ánh sáng trên địa cực để thúc đẩy các phản ứng hóa học. Nhiệt độ sưởi ấm vào cuối Xuân phá vỡ các gió xoáy vào trung tuần tháng 12. Khi ấm lên, không khí giàu ôzôn bay về các vĩ độ thấp, các đám mây tầng bình lưu bị phá hủy, các quá trình làm giảm sút ôzôn ngưng lại và lỗ thủng ôzôn được hàn gắn trở lại. Ở Bắc Cực, giảm sút nhiều nhất là vào mùa đông và xuân, lượng giảm dao động từ năm này sang năm khác nhiều hơn ở Nam Cực: khi tầng bình lưu lạnh hơn giảm sút tăng lên đến 30%. Các phản ứng trên mây tầng bình lưu ở địa cực rất quan trọng. Các đám mây này chỉ tạo thành trong nhiệt độ rất lạnh; tầng bình lưu ở

11

12

Nam Cực lạnh hơn ở Bắc Cực vì thế mà các lỗ thủng ôzôn được hình thành trước tiên ở Nam Cực và cũng vì thế mà các lỗ thủng ở Bắc Cực không to bằng.

d. Hậu quả của giảm sút ôzôn

- Vì tầng ôzôn hấp thụ tia cực tím từ mặt trời nên sự giảm sút tầng ôzôn dự đoán sẻ cường độ tia cực tím ở bề mặt Trái Đất, có thể dẫn đến nhiều thiệt hại bao gồm cả gia tăng bệnh ung thư da.

Thí dụ: theo một nghiên cứu khi tăng 10% các tia cực tím có năng lượng cao được liên kết với tăng 19% các khối u ác tính ở đàn ông và 16% ở phụ nữ.

- Cho đến nay lỗ thủng tầng ôzôn ở các địa điểm tiêu biểu chỉ vào khoảng vài phần trăm. Nếu sự thâm thủng ở mức độ cao được quan sát thấy ở lỗ thủng ôzôn trở thành chung cho toàn cầu, các tác động thực chất có thể sẽ tăng nhiều hơn nữa. Thí dụ như một nghiên cứu mới đây cho thấy việc tiêu hủy một lượng lớn các phiêu sinh vật 2 triệu năm trước trùng khớp với một sao băng đến gần. Các nhà nghiên cứu cho rằng sự hủy diệt được gây bởi vì lớp ôzôn suy yếu đi trong thời gian này khi các bức xạ từ sao băng tạo thành các ôxít của nitơ

làm chất xúc tác phá hủy ôzôn (các phiêu sinh vật đặc biệt rất nhạy đối với tác động của tia cực tím và rất quan trọng trong dây chuyền thức ăn dưới biển.

- Mặc khác, tăng cường bức xạ tia cực tím có thể cũng ảnh hưởng đến mùa màng. Sản lượng nhiều loại cây trồng có tầm quan trọng về kinh tế như lúa phụ thuộc vào quá trình cố định nitơ của vi khuẩn lam cộng sinh ở rễ cây. Mà vi khuẩn lam rất nhạy cảm với ánh sáng cực tím và có thể bị chết khi hàm lượng tia cực tím gia tăng.

- Bên cạnh các ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ cực tím đối với sinh vật, gia tăng tia cực tím trên bề mặt sẽ làm gia tăng lượng ôzôn ở tầng đối lưu. Ở mặt đất ôzôn thông thường được công nhận là một yếu tố gây nguy hiểm đến sức khỏe vì ôzôn có độc tính cao do tính ôxy hóa mạnh. Vào thời điểm này ôzôn trên mặt đất được tạo thành chủ yếu qua tác dụng của bức xạ cực tím đối với các khí thải từ xe cộ.

- Ngoài ra, giảm bớt ôzôn ở tầng bình lưu sẽ tạo ra xu hướng gia tăng các quá trình quang hóa sản xuất ôzôn ở tầng thấp hơn (tầng đối lưu) làm phát sinh các chất ô nhiễm thứ cấp.

e. Các biện pháp phục hồi và bảo vệ tầng O3

- Năm 1985, các quốc gia trên thế giới đã soạn thảo và ký về các văn bản pháp lý quan trọng để bảo vệ môi trường trái đất, trong đó có Công ước Viên về bảo vệ tầng ozone và Nghị định thư Montreal về các chất làm suy giảm tầng ozone.

- Công ước Viên được ký kết năm 1985 gồm 21 điều khoản có mục đích cơ bản là xây dựng sự hợp tác và hành động quốc tế nhằm nghiên cứu tầng ozone, bảo vệ tầng sức khỏe con người trước các thay đổi của tầng ozone. Trong đó các quốc gia có nhiệm vụ:

12

13

- Hợp tác trong quan trắc, nghiên cứu, trao đổi thông tin để hiểu rõ và đáng giá tốt hơn ảnh hưởng của các hoạt động con người tới tầng ozone và những ành hưởng đến sức khỏe con người và môi trường do biến đổi tầng ozone.

- Chấp nhận các biện pháp và hợp tác trong việc phối hợp các chính sách để kiểm soát, hạn chế, giảm bớt hoặc ngăn chặn các hoạt động có ảnh hưởng có hại do sự biến đổi hoặc gây nên sự biến đổi tầng ozone

- Hợp tác trong việc hệ thống hóa các biện pháp và tiêu chuẩn đã nhất trí để thực hiện công ước và các văn bản kèm theo

- Hợp tác với các cơ quan quốc tế có thẩm quyền để thi hành có hiệu quả công ước và các văn bản liên quan

- Công ước đã liệt kê những chất có nguồn gốc tự nhiên và nhân tạo có khả năng làm thay đổi tầng ozone từ đó nhằm hạn chế sử dụng và tạo ra các chất đó để bảo vệ tầng ozone.

- Nghị định thư Montreal về các chất làm suy giảm tầng ozone (năm 1987), đã đưa ra các biện pháp cụ thể giải quyết vấn đề suy giảm tầng ozone, đặc biệt là biện pháp ngừng sản xuất và sử dụng đối với các chất có chứa Cl (CFC). Nghị định thư đã đặt ra thời điểm và mức độ cần kiểm soát đối với từng loại chất gây ra sự suy thoái tầng ozone, đặt ra các cơ chế tài chính, hỗ trợ kỹ thuật, trao đổi thông tin và chuyển giao công nghệ giữa các nước tham gia ký kết với nhauvà giữa các quốc gia với các tổ chức quốc tế có thẩm quyền. Việt Nam cũng đã tham gia ký công ước ngày 26/1/1994, cùng nhiều quốc gia khác đang có những cố gắng chuyển đổi các công nghệ sử dụng CFC sang các công nghệ ít gây suy thoái tấng ozone.

- Ngày 3/9 vừa qua nhân kỷ niệm 20 năm của nghi định Montreal và ngày quốc tế bảo vệ tầng ozone16/9, đại diện vụ hợp tác quốc tế của Việt Nam cho biết đến năm 2010 sẽ cấm nhập khẩu các chất chính gây suy thoái tầng ozone

- Ông Lương Đức Khoa, điều phối viên văn phòng bảo vệ tầng ozone và biến đổi khí hậu cho biết: trong vòng hai năm nữa Việt Nam và quốc tế sẽ hoàn tất việc loại trừ hoàn toàn tiêu thụ CFC và halon, kết thúc một giai đoạn quan trọng trong việc thực hiện Nghị định thư Montreal.

- Hiện nay, đã có 191 nước và cộng đồng Châu Âu phê chuẩn nghị định thư Montreal. Các nước này đã loại trừ được 97% lượng sản xuất và sử dụng các chất chính làm suy giảm tầng ozone, từ 1,5 tỷ tấn vào năm 1989 xuống còn 52 triệu tấn, các chất này sẽ được loại trừ hoàn toàn vào năm 2009

f. Tương lai của sự giảm sút ôzôn

Chấp nhận và củng cố Nghị định thư Montreal đã làm giảm thải các khí CFC, nồng độ phần lớn các hợp chất quan trọng trong khí quyển đang giảm đi. Các chất này đang được giảm dần trong khí quyển. Vào năm 2015 lỗ thủng ôzôn ở Nam Cực sẽ chỉ giảm đi khoảng một triệu km2 trên 25 triệu km2; tầng ôzôn Nam Cực phục hồi hoàn toàn nhanh nhất là vào năm 2050 hay chậm hơn. Mặc dù vậy vẫn còn một cảnh báo nhỏ. Sự ấm lên toàn cầu từ CO2

13

14

được dự đoán sẽ làm lạnh tầng bình lưu. Hâu quả của việc này là một gia tăng tương đối của thâm thủng ôzôn và chu kỳ của các lỗ thủng. Lỗ thủng ôzôn được tạo thành là do có các đám mây tầng bình lưu trên địa cực; tạo thành các đám mây này lại có một nhiệt độ giới hạn mà trên trên nhiệt độ đó các đám mây sẽ không được tạo thành. Tầng bình lưu ở Bắc Cực lạnh đi có thể sẽ mang lại các điều kiện tương tự như các điều kiện gây ra lỗ thủng ở Nam Cực. Thế nhưng hiện nay điều này vẫn còn chưa rõ ràng.

IV. Các câu hỏi thảo luận

1. Mối liên hệ giữa hiệu ứng nhà kính và lỗ thủng tầng ozone:

Bình thường, trái đất phải tỏa ra một lượng năng lượng vào vũ trụ ngang với số năng lượng mà nó hấp thụ được từ mặt trời. Năng lượng mặt trời đến trái đất dưới dạng bức xạ sóng ngắn. Một phần bức xạ được bề mặt trái đất và khí quyển phản xạ trở lại vũ trụ. Tuy nhiên, phần lớn bức xạ đó xuyên qua khí quyển sưởi ấm bề mặt trái đất và gửi năng lượng này trở

lại vũ trụ dưới dạng sóng dài bức xạ tia hồng ngoại. Một phần bức xạ hồng ngoại do trái đất phát ra được hấp thụ bởi hơi nước, CO2 , NOx , CFC… và một số khí nhà kính khác làm ấm trái đất. Tuy nhiên, do nồng độ các khí nhà kính hiện đang tăng lên nhanh chóng, do đó nó làm giảm khả năng tỏa nhiệt của Trái Đất.

Các khí như hơi nước, CO2 , NOx , CFC…được sinh ra do các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người, khí chúng ở tầng đối lưu sẽ làm cho trái đất nóng lên, nhiệt được giữ lại ở lớp khí quyển gần bề mặt trái đất. Việc phát thải ra các khí này ảnh hưởng nghiêm trọng đến tầng ozone.

a. Khi năng lượng (nhiệt) được giữ lại ở lớp khí quyển gần bề mặt trái đất thì lớp khí quyển ở bên trên sẽ càng bị lạnh đi. Đó là điều kiện để hình thành nên đám mây bình lưu ở tầng bình lưu. Khi đám mây này hình thành sẽ làm gia tăng các phản ứng trên tầng bình lưu làm thủng tầng ozone.

b. Khi một phần các khí nhà kính trên khuếch tán lên tầng bình lưu sẽ tác dụng với các phân tử O3 làm giảm tầng ozone.

Như vậy, khi các khí nhà kính tăng lên thì vừa gây ra hiệu ứng nhà kính, vừa gây ra lổ thủng tầng ozone.

2. Tóm tắt cơ chế thủng tầng ozone ở Nam Cực. Giải thích vì sao lỗ thủng ozone ở Bắc Cực nhỏ

hơn Nam Cực

ở Nam Cực vào mùa đông hình thành các gió xoáy địa cực, hơn 50% ôzôn vùng phía dưới của tầng bình lưu bị phân hủy trong mùa xuân.

Nhiệt độ không khí ở vào khoảng -80°C hay lạnh hơn gần như trong suốt mùa Đông đã tạo nên các đám mây ở tầng bình lưu trên địa cực

14

15

tạo nên bề mặt cho các phản ứng hóa học gia tăng tốc độ phân hủy các phân tử ôzôn của các khí quang hóa.

Các đám mây thể lấy đi NO2 từ khí quyển bằng cách biến đổi chúng thành axít nitric, ngăn không cho ClO vừa được tạo thành có thể bị biến đổi trở lại ClONO2 tăng ClO và Clo tự do.

Như vậy, Các phản ứng trên mây tầng bình lưu ở địa cực rất quan trọng. Các đám mây này chỉ tạo thành trong nhiệt độ rất lạnh; tầng bình lưu ở Nam Cực lạnh hơn ở Bắc Cực vì thế mà các lỗ thủng ôzôn được hình thành trước tiên ở Nam Cực và cũng vì thế mà các lỗ

thủng ở Bắc Cực không to bằng.

15