Sự suy thoái ozone trong tầng bình lưu & những giải pháp bảo vệ tầng ozone
- Thứ năm - 22/08/2019 16:12
- In ra
- Đóng cửa sổ này
“Trong các vấn đề đáng lo ngại về môi trường hiện nay, vấn đề ozone và thủng tầng ozone là một vấn đề bức xúc và nghiêm trọng mang tính chất toàn cầu. Trái Đất rất dễ tổn thương bởi các tia cực tím của bức xạ Mặt Trời và tầng ozone có nhiệm vụ không cho các tia này đến được Trái Đất. Có thể khẳng định, tầng ozone có vai trò đặc biệt quan trọng đối với sự sống trên Trái Đất . Tầng Ozone bị phá hủy dẫn đến ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe con người và gây mất cân bằng hệ sinh thái. Tầng ozone chính là tấm lá chắn bảo vệ hành tinh của chúng ta.”
Các quá trình trên liên tục diễn ra cho tới khi hình thành các hợp chất HNO3, HCl và các loại axit khác theo nước mưa rơi xuống.
Trước sự gia tăng mức độ suy thoái tầng ozone, năm 1985 các quốc gia trên thế giới đã soạn thảo và ký kết các văn bản pháp lý quan trọng để bảo vệ môi trường trái đất: 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 hợp tác và hành động quốc tế nhằm nghiên cứu tầng ozone, bảo vệ tầng ozone trước các hoạt động của con người và bảo vệ sức khỏe của con người trước các thay đổi của tầng ozone. Theo đó, các quốc gia tham gia có nhiệm vụ:
- Hợp tác trong quan trắc, nghiên cứu trao đổi thông tin để hiểu rõ và đánh giá tốt hơn ảnh hưởng của các hoạt động con người tới tầng ozone và những ảnh 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 hoặc nhân tạo được coi là có khả năng làm thay đổi tính chất hóa lý của tầng ozone: các chất các bon, các chất nitrôgen, các chất clorin, các chất bromin, các chất hydrogen.
Công ước và Nghị định thư Montreal là các văn bản quốc tế để đi đến các giải pháp ngăn ngừa suy thoái và bảo vệ tầng ozone ở quy mô toàn cầu và quy mô từng quốc gia. Với sự hỗ trợ về tài chính của quốc tế, Việt Nam 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 tầng ozone.
1. Suy thoái ozone trong tầng bình lưu
Trong tầng bình lưu của khí quyển trái đất ở độ cao 18 – 40 km có một lớp giàu khí ozone gọi là tầng ozone. Tầng ozone xuất hiện trong khí quyển đồng thời với sự có mặt của khí oxy. Lượng khí ozone trong khí quyển vô cùng nhỏ, khoảng 4.10-7% thể tích. Nếu thu toàn bộ ozone trong khí quyển và đặt chúng trong điều kiện bình thường trên mặt đất dưới áp suất 1 at và 273 0K, thì ta sẽ có một lớp ozone dày 0,3 cm. Tuy nhiên, tầng ozone có vai trò cực kỳ quan trọng đối với đời sống sinh vật trái đất, vì nó có khả năng hấp thụ toàn bộ năng lượng bức xạ cực tím của mặt trời với bước sóng từ 2900 Å có tác dụng hủy diệt mọi sinh vật trên trái đất. Ngoài ra, tầng ozone còn hấp thụ cả bức xạ hồng ngoại nên được xem là ranh giới ngoài của sinh quyển.
Qúa trình tổng hợp và phân hủy ozone trong khí quyển vô cùng phức tạp. Theo phản ứng nhiệt động 3 O2 → 2 O3, ở nhiệt độ thấp chủ yếu là các phân tử oxy, còn ở nhiệt độ cao chủ yếu là nguyên tử oxy. Ở áp suất 1 at, không có vùng nhiệt nào có ưu thế tạo thành ozone. Vì vậy, sự tồn tại của ozone với nồng độ cao trong tầng bình lưu có thể giải thích theo phản ứng:
Trong tầng bình lưu của khí quyển trái đất ở độ cao 18 – 40 km có một lớp giàu khí ozone gọi là tầng ozone. Tầng ozone xuất hiện trong khí quyển đồng thời với sự có mặt của khí oxy. Lượng khí ozone trong khí quyển vô cùng nhỏ, khoảng 4.10-7% thể tích. Nếu thu toàn bộ ozone trong khí quyển và đặt chúng trong điều kiện bình thường trên mặt đất dưới áp suất 1 at và 273 0K, thì ta sẽ có một lớp ozone dày 0,3 cm. Tuy nhiên, tầng ozone có vai trò cực kỳ quan trọng đối với đời sống sinh vật trái đất, vì nó có khả năng hấp thụ toàn bộ năng lượng bức xạ cực tím của mặt trời với bước sóng từ 2900 Å có tác dụng hủy diệt mọi sinh vật trên trái đất. Ngoài ra, tầng ozone còn hấp thụ cả bức xạ hồng ngoại nên được xem là ranh giới ngoài của sinh quyển.
Qúa trình tổng hợp và phân hủy ozone trong khí quyển vô cùng phức tạp. Theo phản ứng nhiệt động 3 O2 → 2 O3, ở nhiệt độ thấp chủ yếu là các phân tử oxy, còn ở nhiệt độ cao chủ yếu là nguyên tử oxy. Ở áp suất 1 at, không có vùng nhiệt nào có ưu thế tạo thành ozone. Vì vậy, sự tồn tại của ozone với nồng độ cao trong tầng bình lưu có thể giải thích theo phản ứng:
O2 + O + M ↔ O3 + M
Trong phản ứng này, M là hạt bất kỳ có mặt trong hệ cần để mang năng lượng phản ứng tổng hợp phân tử ozone. Khi nhiệt độ hệ cao, cân bằng của phản ứng nghiêng về phía tạo ra oxy, nên không thể xuất hiện phân tử ozone. Khi nhiệt độ hệ thấp và áp suất riêng phần của oxy nhỏ, thì phản ứng nghiêng về phía tạo ozone. Vì vậy, điều kiện để tồn tại một lớp ozone đủ lớn bao gồm: nhiệt độ khí quyển thấp đảm bảo chiều phản ứng nghiêng về phía phải và nồng độ nguyên tử oxy đủ lớn. Điều kiện nồng độ nguyên tử oxy cao có thể tồn tại nhờ phản ứng phân hủy các phân tử oxy bởi dòng các hạt chuyển động nhanh. Như vậy, tại độ cao từ 18 – 40 km, bức xạ sóng ngắn của Mặt trời phân hủy các phân tử oxy thành các nguyên tử và kết hợp chúng thành ozone, còn bức xạ sóng dài lại phân hủy phân tử ozone thành oxy.
Diện tích lỗ thủng của tầng ozone ở Nam Cực đo được vào khoảng 21,2 triệu km², bằng diện tích của 3 nước Mỹ, Canada và Mexico cộng lại.
Các nhà khoa học tại Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia (NOAA) và Cơ quan Hàng không và Không gian Quốc gia Mỹ (NASA) thông báo diện tích lỗ thủng của tầng ozone Nam Cực được ghi nhận cực đại hiện nay vào ngày 22-9-2012 là 21,2 triệu km² (bằng diện tích của cả khu vực Bắc Mỹ).
Như đã biết, ở độ cao 25 km, nồng độ ozone đạt giá trị cực đại nhờ áp suất oxy và nhiệt độ thấp và phản ứng tổng hợp ozone xảy ra theo phản ứng:
O2 + O + M ↔ O3 + M
Trong khi đó, ở độ cao thấp hơn cường độ bức xạ mặt trời sóng ngằn giảm thì quá trình phân hủy ozone lại chiếm ưu thế. Các phân tử
Oxy và O do nhẹ hơn sẽ chuyển động lên cao, còn các phần tử ozone rơi xuống. Như vậy, hình thành mưa ozone từ trên xuống các tầng thấp hơn. Theo tính toán lượng mưa ozone đạt giá trị 3.10 9 tấn/ năm. Do vậy, sự thay đổi nồng độ ozone ở tầng đối lưu phụ thuộc dòng “mưa ozone” nói trên. Bức xạ mặt trời ở Bác Bán Cầu thàng 10 đến tháng 4 nhỏ hơn từ tháng 4 đến tháng 10, nên nồng độ ozone ở Bắc Bán Cầu vào kỳ xuân hè tăng rõ rệt trong tầng đối lưu, ngược lại với xu thế tương tự ở Nam Bán Cầu. Nồng độ ozone giảm dần khi xuống mặt đất và đạt giá trị khoảng 20 – 60 μg/ cm3, có giá trị cao ở khu vực bờ biển và trên các khu rừng.
Tình trạng suy thoái tầng ozone bình lưu xảy ra mạnh mẽ ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt là hai cực trái đất. Tại Nam cực, kể từ khi phát hiện lỗ thủng ozone ở đây vào năm 1985, theo số liệu của các cơ quan nghiên cứu quốc thế, kích thước lỗ thủng tầng ozone không ngừng tăng lên, đạt 27,2 triệu km2 vào 19/9/1998 và 28,3 triệu km2 vào 3/9/2000/ Hiện nay, theo NASA kích thước lỗ thủng đã ổn định, nhưng nồng độ ozone trong lỗ thủng tiếp tục giảm.
Như đã biết, ở độ cao 25 km, nồng độ ozone đạt giá trị cực đại nhờ áp suất oxy và nhiệt độ thấp và phản ứng tổng hợp ozone xảy ra theo phản ứng:
O2 + O + M ↔ O3 + M
Trong khi đó, ở độ cao thấp hơn cường độ bức xạ mặt trời sóng ngằn giảm thì quá trình phân hủy ozone lại chiếm ưu thế. Các phân tử
Oxy và O do nhẹ hơn sẽ chuyển động lên cao, còn các phần tử ozone rơi xuống. Như vậy, hình thành mưa ozone từ trên xuống các tầng thấp hơn. Theo tính toán lượng mưa ozone đạt giá trị 3.10 9 tấn/ năm. Do vậy, sự thay đổi nồng độ ozone ở tầng đối lưu phụ thuộc dòng “mưa ozone” nói trên. Bức xạ mặt trời ở Bác Bán Cầu thàng 10 đến tháng 4 nhỏ hơn từ tháng 4 đến tháng 10, nên nồng độ ozone ở Bắc Bán Cầu vào kỳ xuân hè tăng rõ rệt trong tầng đối lưu, ngược lại với xu thế tương tự ở Nam Bán Cầu. Nồng độ ozone giảm dần khi xuống mặt đất và đạt giá trị khoảng 20 – 60 μg/ cm3, có giá trị cao ở khu vực bờ biển và trên các khu rừng.
Tình trạng suy thoái tầng ozone bình lưu xảy ra mạnh mẽ ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt là hai cực trái đất. Tại Nam cực, kể từ khi phát hiện lỗ thủng ozone ở đây vào năm 1985, theo số liệu của các cơ quan nghiên cứu quốc thế, kích thước lỗ thủng tầng ozone không ngừng tăng lên, đạt 27,2 triệu km2 vào 19/9/1998 và 28,3 triệu km2 vào 3/9/2000/ Hiện nay, theo NASA kích thước lỗ thủng đã ổn định, nhưng nồng độ ozone trong lỗ thủng tiếp tục giảm.
Đồ thị cho thấy tầng ozone nhỏ lại trong năm 2012
2. Tác động của việc suy thoái ozone
Ozone có nhiều dải hấp thụ từ dải hồng ngoại cho tới cực tím. Bức xạ mặt trời khi xuống mặt mặt đất chia ra làm hai vùng: vùng hoạt động có bước sóng 0,28 – 0,315 µm (cực tím A) và 0,315 – 0,4 µm (cực tím B). Ở nồng độ vừa phải, bức xạ cực tím có tác động tích cực (tạo nên vitamin A), nhưng ở nồng độ cao gây nên bỏng và ung thư da ở người và giảm tốc độ phát triển của động thực vật. Mặc dù cường độ bức xạ mặt trời (UVR) phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng UNEP và WHO ước tính rằng: nếu ozone bình lưu giảm 1% thì sẽ tăng 2% UVR trên bề mặt trái đất và do đó tăng 0,6 – 0,8% ca đục thủy tinh thể, 2% ca mắc ung thư da không sắc tố, 0,6% tỷ lệ mắc sắc tố ác tính. Nếu ozone bình lưu giảm 10% thì ung thư da không sắc tố tăng 24%, nếu suy giảm 30% sẽ tăng gấp đôi và khi giảm 50% sẽ tăng gấp 4 lần. Đối với mắt, ozone bình lưu suy giảm 1% thì sẽ tăng 0,6 - 0,8% số ca đục thủy tinh thể, có nghĩa là từ 100.000 – 150.000 người trên thế giới mắc bệnh mỗi năm. Đối với hệ miễn dịch của con người, bức xạ cực tím (UVB) làm xáo trộn các quy tắc của hệ miễn dịch, các kháng thể chống lại bệnh tật và làm giảm khả năng của cơ thể chống lại các bênh ung thư da không sắc tố, ung thư da sắc tố, dị ứng…
Bên cạnh việc gây bệnh đối với con người, UVB có ảnh hưởng rất lớn tới năng suất sơ cấp của thực vật. Theo số liệu nghiên cứu ở Châu Nam Cực, thì UVB đã làm giảm 23% năng suất sơ cấp của thực vật phù du, nguồn thức ăn của 500 – 700 triệu tấn thân mềm và 120 loài cá, 80 loài chim biển, 6 loại hải cẩu, 15 loài cá voi.
Tầng ozone còn có khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời ở dải hồng ngoại, không cho chúng đi sâu vào tầng đối lưu. Do vậy, tầng ozone có vai trò nhất định trong việc làm nóng lên bầu khí quyển, đặc biệt là lớp khí quyển sát mặt đất. Khí ozone tạo nên một tác động tương đối nhỏ đối với việc gia tăng hiệu ứng nhà kính (<10%). Tuy nhiên, tác nhân suy giảm tầng ozone đang là nguyên nhân làm cho mức độ tác động tiêu cực của hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu ngày càng trở nên trầm trọng hơn.
3. Các giải pháp bảo vệ tầng ozone
Trong các nguyên nhân gây suy thoái tầng ozone, thì sự di chuyển hóa chất có nguồn gốc nhân tạo đến tầng ozone, các chất vô cơ gây suy thoái như: NOx, OH, H2O hoặc các tác nhân hữu cơ như CFC, halon - hợp chất của clorua, bromua. Ví dụ, halon 1211 (CBrClF2) hoặc halon (CBrF3)…và các chất hữu cơ khác. Sơ đồ mô tả tác động phân hủy các phân tử ozone của một số chất có các dạng sau:
Bên cạnh việc gây bệnh đối với con người, UVB có ảnh hưởng rất lớn tới năng suất sơ cấp của thực vật. Theo số liệu nghiên cứu ở Châu Nam Cực, thì UVB đã làm giảm 23% năng suất sơ cấp của thực vật phù du, nguồn thức ăn của 500 – 700 triệu tấn thân mềm và 120 loài cá, 80 loài chim biển, 6 loại hải cẩu, 15 loài cá voi.
Tầng ozone còn có khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời ở dải hồng ngoại, không cho chúng đi sâu vào tầng đối lưu. Do vậy, tầng ozone có vai trò nhất định trong việc làm nóng lên bầu khí quyển, đặc biệt là lớp khí quyển sát mặt đất. Khí ozone tạo nên một tác động tương đối nhỏ đối với việc gia tăng hiệu ứng nhà kính (<10%). Tuy nhiên, tác nhân suy giảm tầng ozone đang là nguyên nhân làm cho mức độ tác động tiêu cực của hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu ngày càng trở nên trầm trọng hơn.
3. Các giải pháp bảo vệ tầng ozone
Trong các nguyên nhân gây suy thoái tầng ozone, thì sự di chuyển hóa chất có nguồn gốc nhân tạo đến tầng ozone, các chất vô cơ gây suy thoái như: NOx, OH, H2O hoặc các tác nhân hữu cơ như CFC, halon - hợp chất của clorua, bromua. Ví dụ, halon 1211 (CBrClF2) hoặc halon (CBrF3)…và các chất hữu cơ khác. Sơ đồ mô tả tác động phân hủy các phân tử ozone của một số chất có các dạng sau:
Trước sự gia tăng mức độ suy thoái tầng ozone, năm 1985 các quốc gia trên thế giới đã soạn thảo và ký kết các văn bản pháp lý quan trọng để bảo vệ môi trường trái đất: 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 hợp tác và hành động quốc tế nhằm nghiên cứu tầng ozone, bảo vệ tầng ozone trước các hoạt động của con người và bảo vệ sức khỏe của con người trước các thay đổi của tầng ozone. Theo đó, các quốc gia tham gia có nhiệm vụ:
- Hợp tác trong quan trắc, nghiên cứu trao đổi thông tin để hiểu rõ và đánh giá tốt hơn ảnh hưởng của các hoạt động con người tới tầng ozone và những ảnh 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 hoặc nhân tạo được coi là có khả năng làm thay đổi tính chất hóa lý của tầng ozone: các chất các bon, các chất nitrôgen, các chất clorin, các chất bromin, các chất hydrogen.
Công ước và Nghị định thư Montreal là các văn bản quốc tế để đi đến các giải pháp ngăn ngừa suy thoái và bảo vệ tầng ozone ở quy mô toàn cầu và quy mô từng quốc gia. Với sự hỗ trợ về tài chính của quốc tế, Việt Nam 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 tầng ozone.