SUY GIẢM ÔZÔN
NGUYỄN XUÂN CHÁNH
Vấn đề trái đất ấm lên do phát thải khí CO2 được đề cập nhiều nhưng việc sử dụng quá nhiều khí Chlorofluorocacbon (CFC) làm suy giảm ôzôn, thậm chí tạo ra lỗ thủng ôzôn hiện nay thế nào và có gì liên quan đến vấn đề trái đất ấm lên lại thường ít được biết đến hơn. Chúng ta sẽ tìm hiểu một số cơ sở vật lý của sự suy giảm ôzôn và cuộc đấu tranh toàn cầu đối với vấn đề phát thải CO2 cũng như CFC hiện nay diễn biến ra sao.
KHÍ QUYỂN VÀ TẦNG ÔZÔN
Kể từ mặt đất trở lên, các tầng khác nhau của khí quyển có một số đặc điểm sau:
- Tầng đối lưu: Từ bề mặt trái đất đến độ cao 7-17 km, tùy thuộc vào vĩ độ (ở 2 vùng cực là 7-10 km) và các yếu tố thời tiết. Không khí ở tầng này chuyển động rất mạnh theo chiều thẳng đứng và nằm ngang, làm cho nước thay đổi ở cả 3 trạng thái: Lỏng (mưa), hơi (mây mù) và rắn (tuyết, nước đá). Các hiện tượng như: Mưa, mưa đá, tuyết đều diễn ra ở tầng đối lưu.
- Tầng bình lưu (từ độ cao trên tầng đối lưu đến khoảng 50 km): ở đây không khí loãng, nước và bụi ít, không khí chủ yếu chuyển động theo chiều ngang và rất ổn định.
- Tầng trung lưu (từ khoảng 50 đến 80-85 km): Phần đỉnh của tầng này có một ít hơi nước, thỉnh thoảng có một vài vệt mây bạc, gọi là mây dạ quang.
- Tầng điện ly (từ 80-85 đến khoảng 640 km): Ôxy và nitơ ở tầng này ở trạng thái ion, vì thế gọi là tầng điện ly. Sóng vô tuyến phát ra từ một nơi nào đó trên bề mặt trái đất bị phản xạ qua tầng điện ly nên truyền đi được khá xa. Tại đây, do bức xạ, nhiều phản ứng hoá học xảy ra đối với ôxy nitơ, hơi nước, CO2 nên chúng bị tách ra thành nguyên tử, sau đó bị ion hóa trở thành các ion như NO+, O2+, NO-3, NO-2. Các ion này có thể phát ra sóng điện từ khi hấp thụ tia tử ngoại từ mặt trời chiếu đến.
- Tầng ngoài: Cách mặt đất 500-1.000 đến 10.000 km. Đây là vùng quá độ giữa khí quyển trái đất với khoảng không vũ trụ. Không khí ở đây rất loãng, các loại phân tử thưa thớt chuyển động với vận tốc cao, có những phân tử bay nhanh (thắng được sức hút của trái đất) ra ngoài khoảng không vũ trụ.
Nhiệt độ ở các tầng của khí quyển không được hiểu theo nghĩa thông thường là đặt nhiệt biểu vào để đo xem nhiệt biểu chỉ bao nhiêu độ mà nhiệt độ ở đây được tính theo tốc độ trung bình của các phân tử. Vì vậy, ở tầng ngoài, nhiệt độ có thể lên đến 2.5000C, nhưng nếu đưa một nhiệt biểu đặt ở tầng ngoài thì nó có thể chỉ dưới 00C (vì tuy chuyển động nhanh nhưng rất ít phân tử đập vào bầu nhiệt kế, không làm nóng bầu nhiệt kế được). Với định nghĩa nhiệt độ theo tốc độ phân tử (không khác với nhiệt độ hiểu theo nghĩa thông thường khi mật độ phân tử lớn) ta hiểu được ở tầng đối lưu, nhiệt độ thay đổi (từ nhiệt độ mặt đất 10-200C giảm dần đến -500C khi lên tới đỉnh tầng đối lưu). ở tầng trung lưu nhiệt độ giảm theo độ cao, từ 00C đến - 750C. tầng điện ly, nhiệt độ lại tăng dần lên đến 2.0000C ở đỉnh tầng. Và ở tầng ngoài, nhiệt độ từ 2.0000C lên đến 2.5000C ở đỉnh tầng, tức là ở nơi tiếp xúc với khoảng không vũ trụ. ở tầng bình lưu - nơi có nhiều loại khí tuy loãng hơn so với ở tầng đối lưu nhưng khá ổn định - có một tầng con gọi là tầng ôzôn theo cơ chế hình thành được đề cập dưới đây.
Chu kỲ hình thành ôzôn
Chúng ta biết rằng, ôxy có 3 dạng: Nguyên tử ôxy (O, hay ôxy nguyên tử), khí ôxy (O2, hay ôxy lưỡng nguyên tử) và khí ôzôn (O3, hay ôxy 3 nguyên tử).
Ở tầng bình lưu, có nhiều loại khí, đặc biệt là ôxy. ánh sáng mặt trời chiếu đến tầng bình lưu làm cho nhiều phân tử khí ôxy trong đó biến thành ôzôn theo cơ chế sau: Trong ánh sáng mặt trời, nếu xếp theo thứ tự bước sóng từ nhỏ đến lớn thì có ánh sáng tử ngoại, ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng hồng ngoại. Chùm ánh sáng có bước sóng l cũng là chùm hạt photon có năng lượng của từng hạt là , với h là hằng số Planck và C là tốc độ ánh sáng. Vì hC là hằng số nên ánh sáng có bước sóng l càng ngắn thì năng lượng E của photon ánh sáng đó càng lớn. Tính ra thì chùm ánh sáng tử ngoại có bước sóng l nhỏ hơn 240 nanomet, tương ứng với chùm hạt photon có năng lượng E khá lớn, khi chiếu vào phân tử O2 đủ sức phân ly O2 ra thành 2 nguyên tử ôxy. Nguyên tử O bị tách ra đó lại có thể kết hợp với phân tử O2 tạo ra phân tử ôzôn O3. Phân tử ôzôn cũng có thể bị photon tử ngoại chiếu vào làm phân ly ra thành O2 và O. Nguyên tử O này lại có thể kết hợp với O2 tạo ra ôzôn. Như vậy, khi khí O2 bị tia tử ngoại chiếu vào thì liên tục xảy ra các hiện tượng phân ly, kết hợp, phân ly, trong đó có cả sự tái hợp nguyên tử O với phân tử ôzôn để tạo ra O2 ban đầu:
O + O3 = 2O2
Kết quả là, ở tầng bình lưu luôn tồn tại một tầng hấp thụ rất mạnh tia tử ngoại (người ta gọi đó là tầng ôzôn, với đặc điểm là hấp thụ tia tử ngoại rất mạnh). Vì có tầng ôzôn này nên phổ ánh sáng mặt trời đến trái đất bị thay đổi, phần tử ngoại đã yếu đi nhiều.
Sinh vật phát triển trên mặt đất qua quá trình tiến hóa hàng triệu năm trong điều kiện ánh sáng mặt trời chiếu đến đã lọc bỏ khá nhiều tia tử ngoại. Nếu vì một lý do nào đó mà tia tử ngoại của mặt trời chiếu đến mạnh lên thì sinh vật sẽ không thích nghi được.
SỰ SUY GIẢM ÔZÔN
Tầng ôzôn trong khí quyển đã được nghiên cứu một cách hệ thống từ năm 1930. Các nhà khoa học đã nhìn thấy vai trò đặc biệt quan trọng của tầng ôzôn đối với đời sống trên trái đất nên đã hợp tác ở tầm quốc tế để xây dựng và lắp đặt các loại máy móc, thiết bị trên mặt đất và trên vệ tinh để theo dõi nồng độ ôzôn ở nhiều nơi. Kết quả quan sát thực nghiệm cho thấy, trong vòng hơn 10 năm (1978-1991), tính từ vĩ tuyến 660 N đến 660 B (ở 2 cực xét riêng) lượng ôzôn trong khí quyển giảm đi 3%. Nhưng chỉ trong khoảng 3 năm sau đó (1991-1993), lượng ôzôn trong khí quyển đã giảm tới 4%, giảm nhanh hơn nhiều so với trước.
Ở 2 cực, đặc biệt là ở cực Nam, tình hình suy giảm ôzôn nghiêm trọng hơn. Có những nơi ôzôn trong khí quyển còn lại rất ít, người ta gọi là có lỗ thủng ôzôn. Đường kính của những lỗ thủng này ngày càng lớn. Mặc dù ở các vùng cực của trái đất là khu vực lạnh, ít người và sinh vật sinh sống nhưng các lỗ thủng ôzôn đã rộng đến mức người ta thấy có ảnh hưởng đến những nước đông dân vùng gần cực Bắc và cực Nam, trong đó có New Zealand và Australia.
Nồng độ ôzôn giảm đi đôi với cường độ tia tử ngoại chiếu xuống trái đất tăng, do đó nơi có lỗ thủng ở tầng ôzôn cũng là nơi tia tử ngoại từ mặt trời chiếu xuống ít bị ngăn cản, dẫn tới các nguy cơ đối với đời sống trên trái đất càng lớn. Các nhà khoa học đã phân tích khá kỹ các nguyên nhân làm suy giảm khí ôzôn và tác hại của tia tử ngoại đối với đời sống sinh vật.
TẠI SAO ÔZÔN BỊ SUY GIẢM MẠNH?
Lượng ôzôn trong tầng bình lưu lâu nay ổn định được là nhờ có sự cân bằng của ôzôn sinh ra do quang hoá (tia tử ngoại gây ra phản ứng hoá học) và mất đi do tái hợp. Ngoài ra, ôzôn cũng dễ bị huỷ hoại do những chất có trong tự nhiên như là các gốc (OH-), (NO-) hoặc Cl-, Br- Tuy nhiên, trong nhiều năm, sản xuất công nghiệp phát triển mạnh, trong đó có việc dùng các loại khí, đặc biệt là khí CFC (nhiều nhất là ở các máy làm lạnh và làm hơi nén để phun hóa chất). Khí CFC bao gồm các phân tử CFCl3 rất ít bị phân hủy, khi thải ra, chúng bay lên không trung, đến tầng bình lưu thì bị tia tử ngoại chiếu mạnh nên xảy ra phản ứng:
CFCl3 + hv = CFCl2 + Cl
Cl tác dụng với ôzôn:
Cl + O3 g ClO + O2
ClO + O3 g Cl + 2O2
Đặc biệt, nguyên tử Cl ở đây làm nhiệm vụ như là xúc tác, không tham gia vào phân tử hình thành cuối cùng là O2 nên tiếp tục tồn tại để làm nhiệm vụ chuyển ôzôn thành O2. Qua theo dõi cho thấy, khi nguyên tử Cl được hình thành do tách từ phân tử CFCl3 ra, trong khoảng thời gian 2 năm, thì nguyên tử đó cứ tồn tại, hủy hoại phân tử ôzôn cho đến khi bị khuếch tán ra khỏi tầng bình lưu. Tính ra, một nguyên tử Cl huỷ hoại 100.000 phân tử ôzôn.
Còn một số chất khác có thể huỷ hoại ôzôn như hợp chất có chứa Br, nhưng trên thực tế thì CFC là chất chủ yếu. Xét về mặt lịch sử, chất CFC mới được sản xuất vào năm 1928, là chất khí trơ, không độc hại, không gây rỉ, không bắt lửa (không cháy). ở áp suất khí quyển, CFC ở dạng khí, nhưng khi nén mạnh ở áp suất cao thì hóa lỏng. Vì vậy, chất CFC được sử dụng nhiều trong máy làm lạnh, điều hòa nhiệt độ, sản xuất chất xốp từ chất dẻo Chỉ riêng trong năm 1986, nhờ loại khí này mà ngành công nghiệp thế giới đã thu được 700 tỷ USD nhưng lại gây ra hiện tượng suy giảm ôzôn rất mạnh.
LỖ THỦNG ôzôn
Ở 2 cực của trái đất, lượng ôzôn trong bầu khí quyển tương ứng không những giảm mạnh mà còn tạo ra lỗ thủng ôzôn. Đường kính các lỗ thủng ôzôn này thay đổi theo mùa nhưng nhìn chung tăng dần với tốc độ nhanh. Nguyên nhân là do khi trái đất quay đã làm khí quyển quay theo. Nhưng trục quay của trái đất là trục Nam - Bắc nên ở gần xích đạo, vận tốc quay (vận tốc thẳng) trên mặt đất rất lớn, còn ở 2 cực vận tốc rất nhỏ. Do vậy, ở 2 cực, không khí của khí quyển như là ở chỗ tù đọng của xoáy khí, tạo ra đám mây ở tầng bình lưu của 2 cực, phía dưới nhiều hơn phía trên. Nhiều chất tích tụ ở đám mây này, đặc biệt là các phân tử khí CFC. Về mùa đông (thực tế kéo dài khoảng 3 tháng), mặt trời không chiếu đến khiến cho ở đây lạnh và tối, đám mây như đọng lại. Về mùa xuân, nhờ ánh sáng mặt trời cung cấp năng lượng mà các phản ứng quang hóa xảy ra, vừa làm ấm đám mây, vừa giải phóng các khí như CFC bị giam giữ. Cùng với việc tia tử ngoại của mặt trời chiếu vào nên quá trình hủy hoại ôzôn diễn ra mạnh, tạo lỗ thủng ôzôn (nói là lỗ thủng nhưng thực ra là thủng ở phía dưới, còn phía trên vẫn còn một lượng ôzôn vào khoảng 50%). Vào khoảng cuối tháng 12 hàng năm, khi dòng xoáy giảm, các đám mây tập trung ở các cực giảm theo thì lỗ thủng ôzôn dần khép lại. Nói tóm lại, lỗ thủng ôzôn tồn tại theo mùa.
TÁC HẠI DO SUY GIẢM ôzôn
Giảm ôzôn có nghĩa là tia tử ngoại của mặt trời chiếu mạnh xuống trái đất. ánh sáng mặt trời chiếu đến có nhiều tia tử ngoại, do các photon tử ngoại có năng lượng lớn nên gây ra nhiều tác động xấu tới cơ thể người và động, thực vật. Điển hình là:
- Bệnh ung thư Carcinomas: Bệnh ung thư ở tế bào da này có liên quan đến tia tử ngoại bởi khi nó chiếu nhiều vào da làm cho các phân tử ADN ở da bị rối loạn, ảnh hưởng đến quá trình nhân ADN. Loại ung thư này tuy nhẹ, không dẫn tới tử vong nhưng việc chữa trị lâu dài và tốn kém. Tổng hợp từ nhiều số liệu, các nhà nghiên cứu đã đi tới kết luận: Nếu giảm 1% nồng độ ôzôn ở tầng bình lưu thì sẽ làm tăng 2% số bệnh nhân ung thư Carcinomas.
- Bệnh ung thư melanoma: Khối u ác tính ở da này ít xảy ra hơn nhưng nguy hiểm, 15-20% số bệnh nhân mắc bệnh này đã tử vong. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi tia tử ngoại chiếu mạnh hơn 10% thì số bệnh nhân bị ung thư melanoma tăng khoảng 20%.
- Bệnh đục thủy tinh thể: Người ta biết chắc rằng, khi tia tử ngoại chiếu vào mắt thì tác hại rõ rệt nhất là thủy tinh thể chóng bị đục, khiến mắt bị mờ đi. Các nghiên cứu cho thấy, ảnh hưởng này đối với nam khác nữ, đối với người da trắng khác người da màu. Tuy nhiên, việc lấy được một số liệu thống kê cụ thể là khó vì không cho phép làm thí nghiệm trực tiếp trên nhiều người.
- Tăng ôzôn ở tầng đối lưu: Khi ôzôn ở tầng bình lưu giảm thì tia tử ngoại chiếu mạnh xuống các phân tử khí ở tầng đối lưu thấp gần mặt đất, nơi con người và các sinh vật đang sống. Ngoài việc tác động lên các cơ thể sinh vật, tia tử ngoại còn sinh ra nhiều ôzôn ở tầng đối lưu. Ôzôn nhiều gây hại cho sức khỏe vì gây ôxy hoá mạnh.
- Làm hại cây cỏ: Nhiều loại cây, đặc biệt là cây lúa, việc sinh trưởng phụ thuộc nhiều vào một loại vi khuẩn có tên là cyanobacteria thường trực đồn trú ở rễ cây, làm nhiệm vụ bắt giữ nitơ (đạm). Loại vi khuẩn này lại nhạy cảm với tia tử ngoại, dễ bị tiêu diệt khi bị tia này chiếu mạnh.
CUỘC ĐẤU TRANH CHỐNG SUY GIẢM ôzôn
Trước đây, việc trên khí quyển hình thành một tầng ôzôn có tác dụng bảo vệ, ngăn cản không cho tia tử ngoại chiếu xuống mặt đất chưa được biết đến một cách cụ thể. Sau năm 1930, các nhà khoa học đã khẳng định được tầm quan trọng của tầng ôzôn và tìm ra được những dẫn chứng cụ thể về khí CFC hủy hoại tầng ôzôn vào năm 1976. Kể từ thời gian này, các nhà khoa học của các nước: Mỹ, Canada, Thụy Điển, Na Uy đã khởi xướng phong trào giảm thiểu và tiến đến hủy bỏ việc dùng khí CFC trong sản xuất công nghiệp. Chính phủ Mỹ, Cộng đồng châu Âu đã đưa ra các chính sách hạn chế sử dụng CFC và đề nghị các nhà khoa học tích cực tìm các chất thay thế khí CFC. Năm 1985, hơn 20 quốc gia (chủ yếu là các quốc gia sản xuất nhiều CFC) đã ký Công ước Vienne về bảo vệ tầng ôzôn và 2 năm sau (1987), hơn 40 nước đã ký Nghị định thư Montreal... Nhờ các kết quả nghiên cứu cũng như các biện pháp trên mà từ năm 2005, mức độ ôzôn trên khí quyển tạm ổn định. Cộng đồng quốc tế đã lấy ngày 16 tháng 9 hàng năm là Ngày thế giới bảo vệ tầng ôzôn.
