CƠ SỞ khoa học môi trưỜng chưƠng các vấN ĐỀ chung về khoa học môi trưỜNG

Khí quyển Trái Đất có cấu trúc phân lớp, với các tầng đặc trưng từ dưới lên trên như sau: Tầng Đối lưu, tầng Bình lưu, tầng Trung quyển, tầng Nhiệt quyển và tầng Ngoại quyển (hình 8).

Hình 8. Cấu trúc của khí quyển theo chiều thảng đứng

Tầng Đối lưu (Troposphera) là tầng thấp nhất của khí quyển chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển, có nhiệt độ thay đổi giảm dần từ + 40⁰C ở lớp sát mặt đất tới - 50⁰C ở trên cao. Ranh giới trên của tầng Đối lưu trong khoảng 7 - 8 km ở hai cực và 16 - 18 km ở vùng xích đạo. Trong tầng này luôn có chuyển động đối lưu của khối không khí bị nung nóng từ mặt đất nên thành phần khí quyển khá đồng nhất. Tầng Đối lưu là nơi tập trung nhiều nhất hơi nước, bụi và các hiện tượng thời tiết chính như mây, mưa, tuyết, mưa đá, bão, v.v. Đánh dấu cho ranh giới của tầng Đối lưu và tầng Bình lưu là một lớp có chiều dày khoảng 1 km, ở đó có sự chuyển đổi từ xu hướng giảm nhiệt theo chiều cao sang xu hướng tăng nhiệt độ không khí khi lên cao. Lớp này được gọi là Đối lưu hạn.

Tầng Bình lưu (Stratosphera) nằm trên tầng Đối lưu, với ranh giới trên dao động trong khoảng độ cao 50 km. Nhiệt độ không khí của tầng Bình lưu có xu hướng tăng dần theo chiều cao, từ - 56⁰C ở phía dưới lên - 2⁰C ở trên cao. Không khí tầng Bình lưu loãng hơn, ít chứa bụi và các hiện tượng thời tiết. Ở độ cao khoảng 25 km trong tầng Bình lưu, tồn tại một lớp không khí giàu khí ôzôn (O₃) thường được gọi là tầng ôzôn. Tầng ôzôn có chức năng như một lá chắn của khí quyển, bảo vệ cho Trái Đất khỏi những ảnh hưởng độc hại của tia tử ngoại từ Mặt Trời chiếu xuống.

Tầng Trung quyển (Mesosphera) nằm ở bên trên tầng Bình lưu cho đến độ cao 80 km. Nhiệt độ tầng này giảm dần theo độ cao, từ - 2⁰C ở phía dưới giảm xuống 92⁰C ở lớp trên. Tầng Trung quyển ngăn cách với tầng Bình lưu bằng một lớp không khí mỏng dày khoảng 1 km, ở đó sự biến thiên nhiệt độ của khí quyển chuyển từ dương sang âm gọi là Bình lưu hạn.

Tầng Nhiệt quyển (Thermosphera) có độ cao từ 80 km đến 500 km, ở đây nhiệt độ không khí có xu hướng tăng dần theo độ cao, từ - 92⁰C đến +1200⁰C. Tuy nhiên, nhiệt độ không khí cũng thay đổi theo thời gian trong ngày, ban ngày thường rất cao và ban đêm thấp. Lớp chuyển tiếp giữa Trung quyển và Nhiệt quyển gọi là Trung quyển hạn.

Tầng Ngoại quyển (Exosphera) bắt đầu từ độ cao 500 km trở lên. Do tác động của tia tử ngoại, các phân tử không khí loãng trong tầng này bị phân huỷ thành các ion dẫn điện, các điện tử tự do. Tầng này là nơi xuất hiện cực quang và phản xạ các sóng ngắn vô tuyến. Nhiệt độ của tầng Ngoại quyển nhìn chung có xu hướng cao và thay đổi theo thời gian trong này. Thành phần khí quyển trong tầng có chứa nhiều các ion nhẹ như He⁺, H⁺, O⁺⁺. Giới hạn bên ngoài của khí quyển rất khó xác định, thông thường người ta ước định vào khoảng từ 1000 - 2000 km.

Cấu trúc tầng của khí quyển được hình thành do kết quả của lực hấp dẫn và nguồn phát sinh khí từ bề mặt Trái Đất, có tác động to lớn trong việc bảo vệ và duy trì sự sống Trái Đất. Thông thường, trong tầng Đối lưu thành phần các chất khí chủ yếu tương đối ổn định, nhưng nồng độ CO₂ và hơi nước dao động mạnh. Lượng hơi nước thay đổi theo thời tiết khí hậu, từ 4% thể tích vào mùa nóng ẩm tới 0,4 % khi mùa khô lạnh. Trong không khí của tầng Đối lưu thường có một lượng nhất định khí SO₂ và bụi. Trong tầng Bình lưu luôn tồn tại một quá trình hình thành và phân huỷ khí ôzôn, dẫn tới việc xuất hiện một lớp ôzôn mỏng có chiều dày vài cm. Hiện nay, do hoạt động của con người, lớp khí ôzôn có xu hướng mỏng dần, sự sống của con người và sinh vật trên Trái Đất đang bị đe doạ.

2.3.3. Sol khí

Sol khí là một thành phần quan trọng khác của khí quyển Trái Đất, đó là các hạt bụi và các hạt lơ lửng. Đường kính của Sol khí dao động từ 10 ^{- 6} đến 10 ^{- 1} mm, tương ứng với kích thước các phân tử cho tới kích thước của các hạt bụi lắng. Các hạt này sinh ra trong các quá trình tự nhiên và nhân tạo của Trái Đất. Ước tính khối lượng phát sinh của các hạt Sol khí có kích thước lớn hơn 10 ^{- 2} mm có trong khí quyển Trái Đất trình bày trong bảng 8. Phần lớn các hạt Sol khí có kích thước bé nên tốc độ lắng đọng trong khí quyển Trái Đất rất nhỏ, khoảng vài phần m/s đối với hạt kích thước m và vài phần m/s đối với các hạt có kích thước lớn hơn 10 ^{- 2} mm. Ở lớp không khí có độ cao khoảng 18 km so với mặt đất, nồng độ hạt Sol khí có kích thước từ 0,1 - 1m khá đậm đặc. Thời gian tồn lưu của các hạt Sol khí có kích thước m trong tầng Trung quyển là 5 - 10 năm, trong tầng Bình lưu là 0,5 - 5 năm, trong tầng Đối lưu là 0,01 - 0,1 năm. Chính các hạt Sol khí có kích thước xấp xỉ m là nguyên nhân làm giảm độ trong suốt của khí quyển Trái Đất và là tác nhân ảnh hưởng mạnh mẽ tới thời tiết và khí hậu.

Bảng 8. Khối lượng các hạt Sol khí có mặt trong khí quyển Trái Đất

Bức xạ Mặt Trời là nguồn năng lượng chủ yếu để duy trì sự sống trên Trái Đất. Bức xạ đó, khi truyền xuống Trái Đất với một phổ sóng rất rộng. Bầu khí quyển Trái Đất có tác dụng khuếch tán, hấp thụ và lọc một phần các tia bức xạ Mặt Trời, không cho chúng chiếu toàn bộ xuống bề mặt. Vì vậy, khí quyển không chỉ là nơi cung cấp không khí cho hoạt động sống của sinh vật còn là màn chắn đối với các tác động có hại của tia sáng Mặt Trời. Cơ chế hoạt động của màn chắn khí quyển là cho phép hoặc ngăn cản các tia sáng có năng lượng với bước sóng hoặc tần số nhất định). Những khoảng cho phép lọt qua các bước sóng được gọi là cửa sổ khí quyển. Cấu trúc của phổ bức xạ Mặt Trời và độ rộng của các cửa sổ khí quyển được trình bày trên hình 9.

Hình 9. Cấu trúc phổ bức xạ Mặt Trời và màn chắn khí quyển

Các phản ứng trên liên tục xảy ra trong khí quyển, dẫn tới sự ổn định và tồn tại tầng ôzôn của Trái Đất.

Trong thực tế hiện nay, chiều dày và nồng độ ôzôn trong lớp ôzôn của Trái Đất liên tục suy thoái bởi các nguyên nhân xuất phát từ hoạt động của con người trên mặt đất. Một trong các tác nhân quan trọng nhất đó là khí clorofluorocacbon (gọi tắt là CFC), metan (CH₄), các khí oxit nitơ (NO, N₂O). Các khí trên, có khả năng tác dụng với ôzôn biến nó thành O₂.

Cơ chế tác động của khí CFC có thể trình bày theo sơ đồ sau:

Các phản ứng dây chuyền trên diễn ra liên tục, cho tới khi nguyên tử Cl hoá hợp được với H₂ có trong khí quyển thành HCl và gây mưa axit. Theo tính toán, một nguyên tử Cl được giải phóng từ khí CFC dưới tác động của tia tử ngoại, có thể phá huỷ hàng nghìn phân tử ôzôn. Các nguyên tử Br, phân tử NO và OH ^- cũng có các tính chất tương tự như của Cl. Ví dụ:

Quá trình này kết thúc, khi tạo thành HNO₃ theo mưa rơi xuống.

Khí CFC thường được sử dụng trong kỹ thuật lạnh để chạy máy điều hoà, tủ lạnh và các hệ thống lạnh công nghiệp trên Thế giới. Các chất khí cacbua hydro như metan thường tạo ra trong quá trình phân huỷ xác chết động thực vật và khai thác dầu khí, nhiên liệu hoá thạch, v.v. Các loại ôxit nitơ, phát sinh từ việc cháy nhiên liệu trong các động cơ chạy bằng chất đốt lỏng, phân huỷ của phân bón hoá học gốc nitơ; các nguồn tự nhiên như sấm chớp, núi lửa v.v. Sự suy thoái tầng ôzôn trên phạm vi Toàn cầu đòi hỏi phải hạn chế việc làm phát sinh ra trong khí quyển các loại khí như: CFC, CH₄, axit nitơ, v.v. Trong đó, việc hạn chế và sử dụng khí CFC là biện pháp hàng đầu. Việc nghiên cứu hiện trạng suy thoái tầng ôzôn và sử dụng các khí thay thế cho CFC, đang được cộng đồng quốc tế và các quốc gia trên Thế giới quan tâm. Quá trình suy thoái tầng ôzôn thường diễn ra mạnh mẽ ở các vĩ độ lớn, nơi tập trung các nước phát triển của Thế giới. Vì vậy, chương trình ôzôn đang được sự ủng hộ mạnh mẽ về tài chính của các nước phát triển.

Theo dự đoán của các nhà khoa học, đến năm 2030 sự suy thoái tầng ôzôn trên phạm vi Toàn cầu theo xu thế hiện nay có thể đạt tới 6,5% và 16% ở các nước vĩ độ từ 60^o trở lên. Trong trường hợp chương trình kiểm soát quốc tế các chất phá huỷ tầng ôzôn hoạt động có hiệu quả, thì sự suy thoái tầng ôzôn vẫn còn ở mức 2% trên toàn Thế giới và 8% ở các quốc gia có vĩ độ cao hơn 60^o.