Sự kiện
stratospheric phenomena of Earth
Đang tải bài viết từ Wikipedia…
Sự suy giảm tầng ozon bao gồm hai sự kiện liên quan được quan sát thấy kể từ cuối những năm 1970: sự giảm đều đặn khoảng 4% tổng lượng ozon trong bầu khí quyển của Trái Đất (tầng ozon) và sự sụt giảm lớn hơn nhiều vào mùa xuân của ozon tầng bình lưu xung quanh các vùng cực của Trái Đất. Hiện tượng sụt giảm ozone tại các vùng cực được gọi là lỗ thủng ozon. Ngoài các sự kiện tầng bình lưu này còn có các sự kiện suy giảm tầng ozon ở tầng đối lưu tại các cực vào mùa xuân.
Nguyên nhân chính của sự suy giảm tầng ozon và lỗ thủng ozon là do các hóa chất được hình thành trong sản xuất, đặc biệt là chất làm lạnh halocarbon, dung môi, thuốc phóng và tác nhân tạo bọt (các chất chlorofluorocarbon (CFCs), HCFCs, haloalkan), được gọi là các chất làm suy giảm tầng ozon (ozone-depleting substances, ODS). Các hợp chất này được đưa vào tầng bình lưu bằng cách trộn một cách hỗn loạn sau khi phát ra từ bề mặt, tốc độ trộn nhanh hơn nhiều so với tốc độ các phân tử có thể lắng xuống. Khi ở trong tầng bình lưu, chúng giải phóng các nguyên tử từ nhóm halogen thông qua quá trình phân ly quang học, việc này trở thành xúc tác cho sự phân hủy ozon (O3) thành oxy (O2). Cả hai loại suy giảm tầng ozon đều làm gia tăng khi lượng khí thải halocarbon tăng lên.
Sự suy giảm tầng ozon và lỗ thủng tầng ozon đã gây ra mối lo ngại trên toàn thế giới về việc gia tăng nguy cơ ung thư và các tác động tiêu cực khác. Tầng ozon ngăn chặn hầu hết các bước sóng có hại của tia cực tím (UV) đi qua bầu khí quyển của Trái Đất. Những bước sóng này gây ra ung thư da, cháy nắng, mù vĩnh viễn và đục thủy tinh thể, được dự đoán là sẽ tăng lên đáng kể do tầng ozon loãng, cũng như gây hại cho thực vật và động vật. Những lo ngại này đã dẫn đến việc thông qua Nghị định thư Montreal vào năm 1987, cấm sản xuất CFC, halogen và các hóa chất khác làm suy giảm tầng ozon.
Lệnh cấm này có hiệu lực từ năm 1989. Mức độ ozon ổn định vào giữa những năm 1990 và bắt đầu phục hồi vào những năm 2000, khi sự dịch chuyển của dòng tia ở bán cầu nam về phía cực nam đã dừng lại và thậm chí có thể đảo ngược. Sự phục hồi dự kiến sẽ tiếp tục trong thế kỷ tới, và lỗ thủng ozon dự kiến sẽ đạt mức trước năm 1980 vào khoảng năm 2075. Vào năm 2019, NASA đã báo cáo rằng lỗ thủng ozon trở nên nhỏ nhất kể từ khi nó được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1982.
Nghị định thư Montreal được coi là thỏa thuận quốc tế về môi trường thành công nhất cho đến nay.
Có ba dạng (hoặc thù hình) của oxy tham gia vào chu trình ozon-ôxy : nguyên tử oxy (O hoặc ôxy nguyên tử), khí oxy (O2), và khí ozone (O3). Ozone được hình thành trong tầng bình lưu khi các phân tử ôxy phân ly do quang năng sau khi hấp thụ các photon tử ngoại. Quá trình này chuyển đổi một O2 thành hai gốc oxy nguyên tử. Các gốc oxy nguyên tử sau đó kết hợp với phân tử O2 để tạo ra hai phân tử O3. Các phân tử ozone này hấp thụ tia cực tím (UV), sau đó ozone phân tách thành phân tử O2 và một nguyên tử oxy. Nguyên tử ôxy sau đó tham gia với một phân tử ôxy để tạo ra ozone. Đây là một quá trình liên tục, kết thúc khi một nguyên tử oxy tái kết hợp với một phân tử ozon để tạo ra hai phân tử O2.
O + O3 → 2 O2
Tổng lượng ozone trong tầng bình lưu được xác định bởi sự cân bằng giữa sản xuất quang hóa và việc tái tổ hợp trên.
Ozone có thể bị phá hủy bởi một số chất xúc tác gốc tự do; quan trọng nhất là gốc hydroxyl (OH·), gốc oxit nitric (NO·), gốc clo (Cl·) và gốc brom (Br·). Dấu chấm là ký hiệu để chỉ ra rằng mỗi gốc có một electron chưa ghép đôi và do đó phản ứng cực kỳ mạnh. Tất cả những gốc tự do này đều có nguồn gốc tự nhiên và nhân tạo; hiện tại, hầu hết OH· và NO· trong tầng bình lưu là tự nhiên, nhưng hoạt động của con người đã làm tăng đáng kể hàm lượng clo và brom. Các nguyên tố này được tìm thấy trong các hợp chất hữu cơ ổn định, đặc biệt là chlorofluorocarbon, vốn có thể đi đến tầng bình lưu mà không bị phá hủy ở tầng đối lưu do khả năng phản ứng thấp. Khi ở trong tầng bình lưu, các nguyên tử Cl và Br được giải phóng khỏi các hợp chất mẹ do tác động của tia cực tím, ví dụ:
CFCl3 + bức xạ điện từ → Cl· +·CFCl2
Ozone là một phân tử có khả năng phản ứng cao, dễ dàng khử thành dạng oxy ổn định hơn với sự hỗ trợ của chất xúc tác. Các nguyên tử Cl và Br phá hủy các phân tử ozon thông qua nhiều chu trình xúc tác khác nhau. Trong ví dụ đơn giản nhất của một chu kỳ như vậy, một nguyên tử clo phản ứng với một phân tử ozone (O3), lấy một nguyên tử oxy để tạo thành clo monocide (ClO) và để lại một phân tử oxy (O2). ClO có thể phản ứng với phân tử ozone thứ hai, giải phóng nguyên tử clo và tạo ra hai phân tử ôxy. Viết tắt hóa học cho các phản ứng pha khí này là:
Ảnh hưởng tổng thể của hai phản ứng này là làm giảm lượng ozone, mặc dù tốc độ của các quá trình này có thể giảm do tác động của các chu kỳ rỗng. Các cơ chế phức tạp hơn cũng đã được phát hiện dẫn đến sự phá hủy ozone ở tầng bình lưu thấp hơn.
Một nguyên tử clo duy nhất sẽ liên tục phá hủy ozone (do là chất xúc tác) trong tối đa hai năm (quy mô thời gian để vận chuyển trở lại tầng đối lưu) ngoại trừ các phản ứng loại bỏ nó khỏi chu trình này bằng cách hình thành các chất chứa như hydro clorua (HCl) và clo nitrat (ClONO2). Brom thậm chí còn hiệu quả hơn clo trong việc phá hủy ozone theo tỷ lệ trên mỗi nguyên tử, nhưng lượng brom trong khí quyển hiện nay ít hơn nhiều. Cả clo và brom đều góp phần đáng kể vào sự suy giảm tổng thể tầng ozone. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng chỉ ra rằng các nguyên tử flo và iốt tham gia vào các chu trình xúc tác tương tự. Tuy nhiên, các nguyên tử flo phản ứng nhanh với nước và metan để tạo thành HF liên kết mạnh với tầng bình lưu của Trái Đất, trong khi các phân tử hữu cơ chứa iốt phản ứng rất nhanh trong tầng thấp của bầu khí quyển nên chúng không đến được tầng bình lưu với số lượng đủ lớn.
Một nguyên tử clo có thể phản ứng với trung bình 100.000 phân tử ozon trước khi nó bị loại bỏ khỏi chu trình xúc tác. Thực tế này cộng với lượng clo thải vào khí quyển hàng năm thông qua các chất chlorofluorocarbon (CFCs) và hydrochlorofluorocarbon (HCFCs) cho thấy sự nguy hiểm của CFC và HCFC đối với môi trường.
Năm 1970 giáo sư Paul Crutzen chỉ ra khả năng các oxide của nitơ từ phân bón và máy bay siêu thanh có thể làm thâm thủng tầng ozon.
Năm 1974 Frank Sherwood Rowland và Mario J. Molina nhận biết các CFC, giống như các khí khác, là chất xúc tác có hiệu quả cao khi phá vỡ các phân tử ozon.
James Lovelock (tác giả nổi tiếng của giả thuyết Gaia), trong chuyến đi biển Nam Đại Tây Dương vào năm 1971, khám phá rằng phần lớn các thành phần của CFC từ khi phát minh ra chúng vào năm 1930 vẫn còn tồn tại trong bầu khí quyển.
Crutzen, Rowland và Molina nhận giải thưởng Nobel về Hóa học năm 1995 cho những công trình của mình. Dựa trên các công trình của họ, các nhà khoa học dự tính nếu lượng sản xuất CFC tiếp tục tăng hằng năm 10% cho đến năm 1990 và sau đó không đổi, các khí CFC sẽ làm giảm 5% đến 10% lượng ozon toàn cầu vào năm 1995 và 30% đến 50% vào năm 2050.
Mặc dù vậy, lỗ thủng ozon ở Nam Cực với 91 đơn vị Dobson do Farman, Gardiner và Shanklin khám phá (đăng trên báo Nature vào tháng 5 năm 1985) vẫn là một sự kiện ngạc nhiên. Trong tầng bình lưu giá lạnh ở Nam Cực các phản ứng hóa học trong các đám mây tầng bình lưu ở địa cực gây nên sự thâm thủng nhanh hơn dự đoán, gây sự chú ý của toàn cầu.
Cùng thời gian đó, đo đạc từ vệ tinh nhân tạo cho thấy ozon bị thâm thủng nặng ở Nam Cực. Mặc dù vậy, các dữ kiện này đầu tiên bị coi là vô lý và bị bác bỏ bởi các thuật toán kiểm tra chất lượng dữ kiện (chúng bị xem là lỗi và bị sàng lọc ra vì các trị nhỏ ngoài dự đoán); lỗ thủng ozon chỉ được khám phá qua các dữ liệu của vệ tinh khi các dữ liệu thô được xử lý lại sau khi lỗ thủng ozon được chứnh minh qua quan sát tại chỗ.
Thâm thủng ozon được quan sát thấy trên toàn cầu nhưng nhiều nhất là ở các vĩ độ cao (tức là gần các địa cực). Thí dụ được biết đến nhiều nhất là lớp ozon ở Nam Cực bị mỏng đi hằng năm vào mùa xuân ở địa cực.
Từ năm 1981 UNEP bảo trợ cho một loạt các báo cáo về đánh giá khoa học sự thâm thủng ozon. Bản mới nhất là của năm 2002.
Phần lớn các giảm sút ozon được công bố thuộc về phần phía dưới của tầng bình lưu. Tuy vậy, lỗ hổng ozon thường không được đo bằng nồng độ của ozon ở độ cao này (chỉ vào khoảng vài phần triệu – parts per million) mà qua giảm sút của cột ozon trên một điểm ở mặt đất, thường được thể hiện bằng đơn vị Dobson. Dùng các thiết bị như Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) người ta đã quan sát thấy cột ozon giảm sút rõ rệt trong mùa xuân và đầu hè ở Nam cực so sánh với thập niên 1970 và trước đó.
Sự sụt giảm tới 70% trong cột ozon được quan sát thấy ở vùng biển (bán cầu nam) mùa xuân trên Nam Cực và được báo cáo lần đầu tiên vào năm 1985 (Farman và cộng sự) đang tiếp tục. Tổng lượng ozon ở Nam Cực trong tháng 9 và tháng 10 tiếp tục thấp hơn 40–50 phần trăm so với giá trị lượng tại lỗ thủng ozon kể từ những năm 1990. Các xu hướng "chữa lành" lỗ thủng này đã được báo cáo vào năm 2016. Năm 2017, NASA thông báo rằng lỗ thủng tầng ozon yếu nhất kể từ năm 1988 do điều kiện ấm của tầng bình lưu. Dự kiến lỗ thủng này sẽ được phục hồi vào khoảng năm 2070.
Lượng ozon bị mất đi thay đổi theo từng năm ở Bắc Cực hơn là ở Nam Cực. Sự suy giảm mạnh nhất ở Bắc Cực là vào mùa đông và mùa xuân, lên tới 30% khi tầng bình lưu lạnh nhất.
Các phản ứng diễn ra trên các đám mây tầng bình lưu ở cực (PSCs) đóng một vai trò quan trọng trong việc tăng cường sự suy giảm tầng ozon. PSC hình thành dễ dàng hơn trong cái lạnh khắc nghiệt của tầng bình lưu Bắc Cực và Nam Cực. Đây là lý do tại sao các lỗ thủng ozon lần đầu tiên hình thành và mạnh nhất ở Nam Cực. Các mô hình ban đầu không tính đến PSC và dự đoán sự suy giảm dần dần trên toàn cầu, đó là lý do tại sao việc xuất hiện đột ngột của lỗ thủng tầng ozon ở Nam Cực gây ngạc nhiên cho nhiều nhà khoa học.
Nói chính xác thì sự suy giảm tầng ozon ở các vĩ độ trung bình xuất hiện nhiều hơn là các lỗ hổng. Tổng ozon trong các cột đo được đã giảm xuống dưới giá trị trước năm 1980 trong khoảng thời gian từ 1980 đến 1996 ở các vĩ độ trung bình. Ở các vĩ độ trung bình phía bắc, lượng ozon sau đó đã tăng từ giá trị tối thiểu khoảng 2% từ năm 1996 đến năm 2009 khi các quy định có hiệu lực và lượng clo trong tầng bình lưu giảm. Ở các vĩ độ trung bình của Nam bán cầu, tổng lượng ozon không đổi trong khoảng thời gian đó. Không có xu hướng thay đổi nào đáng kể nào ở vùng nhiệt đới, phần lớn là do các hợp chất chứa halogen chưa có thời gian để phá vỡ và giải phóng các nguyên tử clo và brom ở các vĩ độ nhiệt đới.
Các vụ phun trào núi lửa lớn đã được chứng minh là có tác động đáng kể đến tầng ozon mặc dù tác động làm suy giảm tầng ozon không đồng đều, như được quan sát thấy với vụ phun trào năm 1991 của núi Pinatubo ở Philippines.
Sự suy giảm tầng ozon cũng giải thích phần lớn sự giảm nhiệt độ của tầng bình lưu và tầng đối lưu trên. Nguồn gốc của sự ấm áp của tầng bình lưu là sự hấp thụ bức xạ cực tím của ozon, do đó ozon giảm dẫn đến làm mát. Một số quá trình làm mát ở tầng bình lưu cũng được dự đoán do sự gia tăng các khí nhà kính như CO2 và bản thân các khí CFC; tuy nhiên, sự làm lạnh do ozon tạo ra dường như chiếm ưu thế.
Dự đoán về mức ozon vẫn còn khó khăn, nhưng độ chính xác của các dự đoán của các mô hình về các giá trị quan sát và sự thống nhất giữa các kỹ thuật mô hình khác nhau đã tăng đều đặn. Dự án Giám sát và Nghiên cứu ozon Toàn cầu của Tổ chức Khí tượng Thế giới — Báo cáo số 44 ủng hộ Nghị định thư Montreal, nhưng lưu ý rằng Đánh giá của UNEP năm 1994 đã đánh giá quá cao sự mất mát ozon trong giai đoạn 1994–1997.
Các chlorofluorocarbon (CFCs) và các chất làm suy giảm tầng ozon halogen hóa khác (ODS) là nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm tầng ozon do con người tạo ra. Tổng lượng halogen hiệu dụng (clo và brom) trong tầng bình lưu có thể được tính toán và được gọi là lượng clo hữu hiệu tương đương ở tầng bình lưu (EESC).
CFC với tư cách làm chất làm lạnh được Thomas Midgley, Jr. phát minh vào những năm 1930. Chúng được sử dụng trong điều hòa không khí và các thiết bị làm mát, làm chất đẩy phun aerosol trước những năm 1970, và trong quy trình làm sạch các thiết bị điện tử tinh vi. Chúng cũng xuất hiện như là sản phẩm phụ của một số quá trình hóa học. Không có nguồn khai thác tự nhiên quan trọng nào cho các hợp chất này - sự hiện diện của chúng trong khí quyển hầu như do con người sản xuất. Như đã đề cập ở trên, khi các hóa chất làm suy giảm tầng ozon đến tầng bình lưu, chúng sẽ bị tia cực tím phân ly để giải phóng các nguyên tử clo. Các nguyên tử clo hoạt động như một chất xúc tác, và mỗi nguyên tử có thể phá vỡ hàng chục nghìn phân tử ozon trước khi bị loại bỏ khỏi tầng bình lưu. Với tuổi thọ của các phân tử CFC, thời gian phục hồi tầng ozon được tính bằng thập kỷ. Người ta tính rằng một phân tử CFC mất trung bình khoảng 5 đến 7 năm để đi từ tầng mặt đất lên đến tầng trên của bầu khí quyển, và nó có thể ở đó khoảng một thế kỷ, phá hủy tới một trăm nghìn phân tử ozone trong thời gian đó.
1,1,1-Trichloro-2,2,2-trifluoroethane, còn được gọi là CFC-113a, là một trong bốn chất hóa học nhân tạo mới được phát hiện trong khí quyển bởi một nhóm nghiên cứu tại Đại học East Anglia. CFC-113a là loại CFC duy nhất được biết đến có lượng khí dồi dào trong khí quyển vẫn đang tăng lên. Nguồn gốc của nó vẫn còn là một bí ẩn, nhưng việc sản xuất bất hợp pháp bị một số người nghi ngờ. CFC-113a dường như đã được tích lũy mà không suy giảm kể từ năm 1960. Từ năm 2012 đến năm 2017, nồng độ của khí này trong khí quyển đã tăng 40%.
Một nghiên cứu của một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế được công bố trên tạp chí Nature cho thấy từ năm 2013, khí thải chủ yếu từ Đông Bắc Trung Quốc đã giải phóng một lượng lớn hóa chất bị cấm Chlorofluorocarbon-11 (CFC-11) vào bầu khí quyển. Các nhà khoa học ước tính rằng nếu không có hành động nào, lượng khí thải CFC-11 này sẽ làm trì hoãn quá trình phục hồi lỗ thủng tầng ozon tới một thập kỷ.
Nội dung từ bài Wikipedia “Suy giảm ozon”, theo giấy phép CC BY-SA 4.0.