Tầng Ô zôn là gì? quá trình hình thành và nguyên nhân gây thủng tầng ô zôn

Tầng ôzôn là gì?

Tầng ôzôn (zone) là một lớp khí quyển trên bề mặt Trái Đất có tập trung hàm lượng ôzôn cao. Theo Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO), lớp ôzôn ở tầng bình lưu bảo vệ Trái Đất chống các tia cực tím của Mặt Trời phải mất lâu hơn 5 đến 15 năm so với dự báo mới có thể phục hồi hoàn toàn.

Lớp ôzôn ở tầng bình lưu của Trái Đất được tạo ra bởi Mặt Trời. Phân tử ôzôn được cấu thành từ 3 nguyên ôxi và cấu tạo này không bền vững, tuy nhiên nó cần rất nhiều năng lượng mới được tạo thành. Khi tia cực tím đến Trái Đất và va chạm với phân tử ôxi, nó sẽ tách phân tử ôxi thành hai nguyên tử ôxi.

Khi mỗi nguyên tử ôxi này gặp các phân tử ôxi khác, nó sẽ kết hợp lại và tạo thành một phân tử ôzôn.Quá trình này gọi là chu trình ôxi – ôzôn, và nó giúp chuyển năng lượng của tia cực tím thành nhiệt năng, từ đó giúp ngăn ngừa tác dụng có hại của tia cực tím đến con người. Nếu không có Mặt trời, Trái đất sẽ không có tầng ozone; nhưng nếu không có Mặt trời, thì chúng ta cũng chẳng cần tầng ozone nữa.

Tầng Ô zôn là gì? quá trình hình thành và nguyên nhân gây thủng tầng ô zôn
Trái đất (EARTH) và tầng Ôzôn.

Sự suy giảm Ôzôn

Sự suy giảm tầng ozon là hiện tượng giảm lượng ôzôn trong tầng bình lưu. Từ năm 1979 cho đến năm 1990 lượng ozon trong tầng bình lưu đã suy giảm vào khoảng 5%. Vì lớp ôzôn ngăn cản phần lớn các tia cực tím có hại không cho xuyên qua bầu khí quyển Trái Đất, sự suy giảm ôzôn đang được quan sát thấy và các dự đoán suy giảm trong tương lai đã trở thành một mối quan tâm toàn cầu, dẫn đến việc công nhận Nghị định thư Montreal hạn chế và cuối cùng chấm dứt hoàn toàn việc sử dụng và sản xuất các hợp chất cacbon của clo và flo (CFC – chlorofluorocacbons) cũng như các chất hóa học gây suy giảm tầng ôzôn khác như tetraclorit cácbon, các hợp chất của brôm (halon) và methylchloroform.

Sự suy giảm ôzôn thay đổi tùy theo vùng địa lý và tùy theo mùa. Lỗ thủng ôzôn dùng để chỉ sự suy giảm ôzôn nhất thời hằng năm ở hai cực Trái Đất, những nơi mà ôzôn bị suy giảm vào mùa Xuân (cho đến 70% ở 25 triệu km2 của Nam Cực và cho đến 30% ở Bắc Cực) và được tái tạo trở lại vào mùa hè. Nồng độ clo tăng cao trong tầng bình lưu, xuất phát khi các khí CFC và các khí khác do loài người sản xuất ra bị phân hủy, chính là nguyên nhân gây ra sự suy giảm này.

Trong các thảo luận chính trị công khai “suy giảm tầng ôzôn” đồng nghĩa với lý thuyết cho rằng xu hướng suy giảm ôzôn toàn cầu, được gây ra vì thải các khí CFC, sẽ tạo điều kiện cho các bức xạ cực tím đến mặt đất nhiều hơn.

Cường độ gia tăng của các bức xạ cực tím đang được nghi ngờ chính là nguyên nhân gây ra nhiều hậu quả trong sinh học, thí dụ như gia tăng các khối u ác tính, tiêu hủy các sinh vật phù du trong tầng có ánh sáng của biển.

Tầng Ô zôn là gì? quá trình hình thành và nguyên nhân gây thủng tầng ô zôn
Hình chụp lỗ thủng ôzôn lớn nhất ở Nam Cực từ trước đến nay vào tháng 9 năm 2000.

Quá trình hình thành ôzôn

Ôzôn trong bầu khí quyển được tạo thành khi các tia cực tím chạm phải các phân tử ôxy (O2), chứa hai nguyên tử ôxy, tạo thành hai nguyên tử ôxy đơn, được gọi là ôxy nguyên tử. Ôxy nguyên tử kết hợp cùng với một phân tử ôxy tạo thành ôzôn (O3). Phân tử ôzôn có hoạt tính cao, khi bị tia cực tím chạm phải, lại tách ra thành phân tử ôxy và một ôxy nguyên tử, một quá trình liên tục gọi là chu kỳ ôxy-ôzôn.

Trước khi bắt đầu xu hướng suy giảm ôzôn, lượng ôzôn trong tầng bình lưu được giữ ổn định nhờ vào cân bằng giữa tạo thành và phân hủy các phân tử ôzôn nhờ vào tia cực tím.

Nguyên nhân của lỗ thủng ôzôn

Lỗ thủng ôzôn Nam Cực là phần của tầng bình lưu Nam Cực mà mức độ ôzôn hiện tại đã giảm xuống chỉ còn 33% so với các trị trước năm 1975. 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.

Ánh sáng mặt trời ở các vùng địa cực dao động nhiều hơn ở các nơi khác và trong ba tháng mùa Đông hầu như là tối tăm không có bức xạ mặt trời. 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 quá trình quang hóa tham gia tuy phức tạp nhưng đã được tìm hiểu tốt.

Tầng Ô zôn là gì? quá trình hình thành và nguyên nhân gây thủng tầng ô zôn
Mức ôzôn tối thiểu hằng năm trong lỗ thủng ôzôn ở Nam Cực.

Quan sát chủ yếu là thông thường phần lớn các clo trong tầng bính lưu ở trong các “hợp chất chứa” bền, chủ yếu là các hydro clorua (HCl) và clo nitrat (ClONO2). Mặc dù vậy 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. 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. Trong mùa Đông, mặc dù có nhiều mây nhất, không có ánh sáng trên địa cực để thúc đẩy các phản ứng hóa học.

Phần lớn các ôzôn bị phá hủy ở phía dưới của tầng bình lưu đối ngược với việc giảm sút ôzôn ít hơn rất nhiều thông qua các phản ứng thể khí đồng nhất xảy ra trước hết là ở phía trên của tầng bình lưu. 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.

Hậu quả của giảm sút ôzôn

Vì tầng ôzôn hấp thụ tia cực tím từ mặt trời, giảm sút tầng ôzôn dự đoán sẽ làm tăng 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. Đấy là lý do dẫn đến Nghị định thư Montreal. Mặc dù các giảm sút của ôzôn ở tầng bình lưu gắn liền với các CFC và có nhiều lý lẽ trên lý thuyết để tin rằng giảm sút ôzôn sẽ dẫn đến tăng tia cực tím trên bề mặt Trái Đất, chưa có nhiều quan sát trực tiếp chứng minh liên hệ giữa giảm sút ôzôn và gia tăng tỷ lệ phát bệnh ung thư da ở con người.

nguồn: khoahoc.tv