Tài liệu Đề tài "Khí quyển và hóa học khí quyển" pdf

I H C QU C GIA TP H CHÍ MINHĐẠ Ọ Ố Ồ I H C KHOA H C T NHIÊNĐẠ Ọ Ọ Ự KHOA MÔI TR NGƯỜ ĐỀ TÀI: KHÍ QUYỂN VÀ HÓA HỌC KHÍ QUYỂN GVHD: Cô TÔ TH HI NỊ Ề NHÓM TH:NHÓM 9 TP. H Chí Minh Ngày 09 tháng 10 n m 2009ồ ă 1 MỤC LỤC M C L CỤ Ụ 2 le of Contents 2 le of Contents DANH SÁCH NHÓM 9 STT HỌ TÊN MSSV 1 Lê Hữu Lợi 0717051 2 Nguyễn Văn Nam 0717064 3 Huỳnh Quốc Nghiêm 0717069 4 Nguyễn Phan Tú 0717114 5 Nguyễn Anh Tuấn 0717130 2 MỤC LỤC I. KHÍ QUYỂN VÀ HÓA HỌC KHÍ QUYỂN Khí quyển bao gồm một lớp mỏng của hỗn hợp các chất khí bao phủ bề mặt trái đất. Ngoại trừ nước, không khí tầng khí quyển gồm có nitrogen chiếm 78.1% về thể tích, oxygen chiếm 21%, argon chiếm 0.9% và CO 2 chiếm 0.03%. Thông thường, không khí 3 chứa 1-3% hơi nước về thể tích. Thêm vào đó, không khí còn chứa một lượng lớn các chất khí có nồng độ thấp dưới mức 0.002%, bao gồm neon, helium, methane, krypton, nitrous oxide, hydrogen, xenon, sulfur dioxide, ozone, nitrogen dioxide, ammonia và carbon monoxide. Khí quyển được chia thành nhiều lớp dựa trên nguyên tắc nhiệt độ. Trong đó, lớp chiếm phần đáng kể nhất là tầng đối lưu kéo dài từ bề mặt trái đất tới độ cao khoảng 11 km, và sau đó là tầng bình lưu từ khoảng 11 km tới xấp xỉ 50 km. Nhiệt độ của tầng đối lưu dao động từ khoảng trung bình 15 0 C ở mặt nước biển tới khoảng trung bình -56 0 C ở ngưỡng cực đại của nó. Nhiệt độ trung bình của tầng bình lưu tăng từ -56 0 C ở ngưỡng cực đại của tầng đối lưu tới -2 0 C ở ngưỡng cực đại của nó. Nguyên nhân của sự tăng nhiệt độ này là do sự hấp thụ năng lượng tia tử ngoại của mặt trời bởi khí ozone (0 3 ) từ tầng bình lưu. Nhiều khía cạnh khác nhau của hóa học môi trường về khí quyển được thảo luận ở phần 9-14. Điểm đặc trưng quan trọng nhất của hóa học khí quyển là sự xuất hiện của các phản ứng quang hóa, là kết quả của quá trình hấp thụ các lượng tử ánh sáng bởi các phân tử, ký hiệu là hν. (Năng lượng, E, của một photon của ánh sáng nhìn thấy được hay ánh sáng tử ngoại được đưa ra bởi phương trình E = hν, trong đó h là hằng số Planck còn ν là tần số tia sáng, tỉ lệ nghịch với chiều dài bước sóng của tia sáng. Bức xạ tia tử ngoại có tần số cao hơn ánh sáng nhìn thấy được và, vì vậy, nó càng có khả năng phá vỡ liên kết hóa học trong các phân tử hấp thụ nó hơn). Một trong những phản ứng quang hóa quan trọng nhất là nguyên nhân cho sự hiện diện của ozone trong tầng bình lưu, được hình thành khi O 2 hấp thụ mạnh năng lượng bức xạ tia tử ngoại trong bước sóng khoảng 135 – 176 nanometers (nm) và khoảng 240 – 260 nm trong tầng bình lưu: O 2 + hν  O + O (2.3.1) Nguyên tử oxygen được sản xuất bởi sự phân ly quang hóa của O 2 phản ứng với phân tử oxygen để sản sinh ra ozone, O 3 , O + O 2 + M  O 3 + M (2.3.2) trong đó M là yếu tố thứ ba, ví dụ như là phân tử N 2 , yếu tố này hấp thụ một lượng lớn năng lượng từ phản ứng. Ozone được hình thành rất hữu hiệu trong việc hấp thụ bức xạ tử ngoại có chiều dài bước sóng từ 220 nm tới 330 nm, việc này là nguyên nhân làm cho nhiệt độ quan trắc trong tầng bình lưu tăng lên. Ozone giữ vai trò như là một máy lọc quý 4 giá để loại bỏ bức xạ tử ngoại khỏi tia nắng mặt trời. Nếu các bức xạ này tới được bề mặt trái đất thì nó có thể gây ra bệnh ung thư da và những tác hại khác tới các sinh vật sống. Khí Oxide trong khí quyển Oxide của carbon, sulfur và nitrogen là các thành phần quan trọng của khí quyển và là các chất ô nhiễm mức độ cao. Trong đó, carbon dioxide, CO 2 , chiếm thành phần nhiều nhất. Đây là một thành phần không khí tự nhiên, và là một chất khí cần thiết cho sự phát triển của thực vật. Tuy nhiên, nồng độ của carbon dioxide trong không khí, hiện nay đã vào khoảng 360 phần triệu (ppm) về thể tích, và mức độ này tiếp tục tăng khoảng 1 ppm mỗi năm. Như đã thảo luận ở Chương 14, việc tăng lượng CO 2 trong khí quyển có thể là nguyên nhân làm cho không khí toàn cầu ấm lên, đây chính là hiệu ứng nhà kính, dẫn tới một hậu quả vô cùng nghiêm trọng cho bầu khí quyển toàn cầu và sự sống trên trái đất. Mặc dù không phải là hiểm họa toàn cầu nhưng carbon monoxide, CO, có thể là một mối đe dọa nghiêm trọng tới sức khỏe bởi vì nó ngăn cản máu vận chuyển oxygen tới các mô trong cơ thể. Hai chất khí ô nhiễm nghiêm trọng nhất của oxide nitrogen là nitric oxide, NO, và nitrogen dioxide, NO 2 , gọi chung là “NO x ”. Những khí này có khuynh hướng đi vào tầng khí quyển như là NO, và các quá trình quang hóa trong khí quyển có thể biến đổi NO thành NO 2 . Những phản ứng sau đó có thể dẫn đến sự hình thành muối nitrat ăn mòn hay acid nitric, HNO 3 . NO 2 là chất khí quan trọng đặc thù trong hóa học khí quyển bởi vì sự phân ly quang hóa của chất khí này bởi ánh sáng có bước sóng ngắn hơn 430 nm để sản xuất ra các nguyên tử O có khả năng gây phản ứng cao. Đây chính là bước đầu tiên trong sự hình thành sương mù quang hóa. Sulfur dioxide, SO 2 , là một sản phẩm có khả năng gây phản ứng của quá trình đốt cháy sulfur có chứa các chất đốt như là than đá có hàm lượng sulfur cao. Một phần của khí SO 2 này bị biến đổi trong khí quyển để trở thành acid sulfuric, H 2 SO 4 , thường là chất đóng góp chủ yếu vào quá trình gây mưa acid. Hydrocarbon và sương mù quang hóa Hydrocarbon nhiều nhất có trong bầu khí quyển là methane, CH 4 , thoát ra dưới mặt đất từ các nguồn như là khí đốt tự nhiên và được sản xuất bởi quá trình lên men các chất hữu cơ. CH 4 là một trong những hydrocarbon trong không khí ít có khả năng phản ứng 5 nhất và được sản xuất bởi các nguồn khuếch tán, vì vậy sự tham gia của nó trong sự hình thành các sản phẩm ô nhiễm của phản ứng quang hóa là tối thiểu. Những hydrocarbon không khí gây ô nhiễm quan trọng nhất là những phản ứng sản xuất như là sự phát thải khí xe hơi.Với sự có mặt của NO, trong điều kiện nghịch đảo nhiệt độ, (xem chương 11), độ ẩm thấp, và ánh sáng mặt trời, những hydrocarbon này sản sinh ra sương mù quang hóa không mong đợi được biểu hiện bởi sự hiện diện của các hạt vật chất tối mờ có thể nhìn thấy được, các chất oxy hóa như ozone và các loài hữu cơ độc hại như aldehydes. Hạt vật chất Các hạt được kết tập từ một vài phân tử hay vài mẫu bụi có thể dễ dàng nhìn thấy được bằng mắt thường được tìm thấy trong khí quyển và được thảo luận chi tiết ở chương 10. Một số các hạt không khí, như là muối biển được hình thành do sự bay hơi của nước từ các giọt bụi nước biển nhỏ, là tự nhiên và thậm chí có lợi cho thành phần nước biển. Những hạt rất nhỏ gọi là hạt nhân ngưng tụ đóng vai trò là tổ chức cho hơi nước trong khí quyển ngưng tụ lại và rất cần thiết cho sự hình thành của các giọt mưa. Các hạt keo trong khí quyển được gọi là sol khí. Các sol khí này được hình thành do sự nghiền nhỏ một lượng lớn vật chất và được biết đến như là các sol khí phân tán, trong khi các hạt được hình thành từ các phản ứng hóa học của khí đốt là các sol khí ngưng tụ; cái sau có xu hướng nhỏ hơn cái trước. Các hạt nhỏ hơn nhìn chung là có hại nhất vì chúng có xu hướng phân tán ánh sáng lớn và có khả năng được hô hấp nhiều nhất (có xu hướng được hít vào phổi). Nhiều hạt vật chất khoáng sản trong bầu không khí ô nhiễm thường ở trạng thái là các oxide và các hợp chất khác được tạo ra trong suốt quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch có hàm lượng tro cao. Các hạt nhỏ hơn của tro bay đi vào các lò đốt nhiên liệu và được thu thập hiệu quả trong một hệ thống ống khói được trang bị tốt. Tuy nhiên, một số tro bay cũng thoát ra khỏi ống khói và đi vào trong khí quyển. Không may, những tro bay này thường có xu hướng phát triển thành các hạt nhỏ và như vậy sẽ gây ảnh hưởng nặng tới sức khỏe con người, thực vật và tầm nhìn. II. TẦM QUAN TRỌNG CỦA KHÍ QUYỂN 6 Khí quyển là một lớp bảo vệ nuôi dưỡng toàn bộ sự sống trên trái đất và bảo vệ sự sống khỏi môi trường thù địch ở ngoài không gian. Khí quyển là nguồn gốc của CO 2 cho sự quang hợp của cây xanh và của O 2 cho hô hấp. Nó cung cấp nitrogen có khả năng làm đông lại các vi khuẩn và sản xuất ra ammonia được thực vật sử dụng để sản xuất ra nước liên kết hóa học nitrogen, một thành phần cần thiết cho các phân tử sống. Như là một phần cơ bản của chu trình thủy văn (hình 3.1), khí quyển vận chuyển nước từ các đại dương vào trong đất liền, do đó nó đóng vai trò như là bộ ngưng tụ trong một thiết bị chưng cất lớn sử dụng năng lượng mặt trời. Không may là khí quyển cũng được sử dụng như là một khu đất thải rác của nhiều nguyên liệu gây ô nhiễm – từ SO 2 cho tới khí Freon đông lạnh – một thực tế gây nhiều thiệt hại tới thảm thực vật và cơ thể sinh vật, rút ngắn tuổi thọ con người, và làm thay đổi các đặc tính của chính bầu khí quyển. Trong vai trò quan trọng như là một tấm khiên bảo vệ của mình, bầu khí quyển hấp thụ hầu hết các tia vũ trụ từ ngoài không gian và bảo vệ các loài sinh vật khỏi tác động của các tia này. Nó cũng hấp thụ phần lớn các bức xạ điện từ mặt trời, cho phép truyền tải một lượng đáng kể bức xạ chỉ trong vùng 300 - 2500 nm (gần tia cực tím, có thể nhìn thấy và gần tia hồng ngoại) và 0.01 - 40 m (sóng vô tuyến). Bằng cách hấp thụ bức xạ điện từ có bước sóng dưới 300 nm, khí quyển lọc ra khỏi không khí các bức xạ cực tím nguy hiểm có khả năng gây tổn hại nghiêm trọng tới các sinh vật sống. Thêm vào đó, vì nó hút lại nhiều các bức xạ hồng ngoại có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời lại được phát thải vào không gian, bầu khí quyển ổn định nhiệt độ của trái đất, ngăn ngừa cực trị nhiệt độ khủng khiếp xảy ra trên hành tinh và mặt trăng thiếu không khí đáng kể. III. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA KHÍ QUYỂN Khoa học khí quyển giải thích về sự chuyển động của khối khí trong khí quyển, sự cân bằng nhiệt độ không khí, và thành phần hóa học của không khí và các phản ứng. Để hiểu được hóa học khí quyển và ô nhiễm không khí, điều quan trọng là phải có một sự đánh giá tổng thể về bầu khí quyển, thành phần của nó và tính chất vật lý như đã được thảo luận ở đầu chương này. Thành phần của khí quyển 7 Không khí trong khoảng vài km từ mặt đất đến đường chân trời bao gồm hai thành phần chính là: Nitrogen, 78.08% (về thể tích) Oxygen, 20.95% và hai thành phần phụ là: Argon, 0.934% Carbon dioxide, 0.036% trong thành phần của argon, còn có thêm bốn khí hiếm nữa: Neon, 1.818 x 10 -3 % Helium, 5.24 x 10 -4 % Krypton, 1.14 x 10 -4 % Xenon, 8.7 x 10 -6 % và khí pha loãng như quy định trong bảng 9.1. Không khí trong khí quyển có thể còn chứa từ 0.1–5% nước về thể tích, với mức bình thường từ 1–3%. Khí % thể tích Nguồn phát sinh Quá trình đưa vào bầu khí quyển CH 4 CO N 2 O 1.6 x 10 -4 ~1.2 x 10 -5 3 x 10 -5 Sinh vật Quang hóa, con người Sinh vật Quang hóa , ánh Quang hóa Quang hóa Quang hóa 8 NO X HNO 3 NH 3 H 2 H 2 O 2 HO HO 2 H 2 CO CS 2 OCS SO 2 CCl 2 F 2 H 3 CCCl 3 10 -10 -10 -6 10 -9 -10 -7 10 -8 -10 -7 5 x 10 -5 10 -8 -10 -6 10 -13 -10 -10 10 -11 -10 -9 10 -8 -10 -7 10 -9 -10 -8 10 -8 ~2 x 10 -8 2.8 x 10 -5 ~10 -8 sang, con người Quang hóa Sinh vật Sinh vật , quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Con người, sinh vật Con người, sinh vật, quang hóa Con người , quang hóa, núi lửa Con người Con người Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa (Bảng 9.1. Các khí pha loãng trong không khí khô nằm gần mặt đất) Sự biến thiên áp suất và mật độ theo độ cao Như bất cứ ai đã có kinh nghiệm với độ cao này cũng biết, mật độ khí quyển giảm mạnh với độ cao ngày càng tăng do hệ quả của các định luật chất khí và trọng lực. Hơn 99% tổng khối lượng của khí quyển nằm trong vòng khoảng 30 km (khoảng 20 dặm) từ bề mặt trái đất. So với đường kính của trái đất thì độ cao này là vô cùng nhỏ bé, do đó đây không là phải một sự phóng đại khi mô tả đặc điểm của bầu khí quyển như là một lớp bảo vệ “lụa mỏng”. Mặc dù tổng khối lượng của bầu không khí toàn cầu là vô cùng lớn, 9 khoảng 5.14 x 10 15 tấn, tuy nhiên nó vẫn chỉ bằng một phần triệu tổng khối lượng của trái đất. Thực tế là việc giảm áp suất khí quyển theo hàm mũ của độ cao phần lớn là xác định các đặc tính của khí quyển. Lý tưởng là khi không có sự tham gia của các khí hỗn tạp và ở nhiệt độ tuyệt đối không đổi, T, áp suất ở bất kỳ độ cao nào, P h , sẽ được cho dưới dạng hàm mũ, P h = P 0 e -Mgh/RT (9.3.1) trong đó P 0 là áp suất ở độ cao bằng không (mặt nước biển); M là khối lượng mol trung bình của không khí (28.97 g/mol trong tầng đối lưu); g là gia tốc của trọng lực (981 cm/s 2 ở mặt nước biển); h là độ cao so với mặt nước biển đơn vị là cm; và R là hằng số khí (8.314 x 10 7 erg x deg -1 x mol -1 ). Các đơn vị này được đưa ra trong hệ thống cgs (cm-g- sec) để cho thống nhất; độ cao có thể chuyển đổi sang m hoặc km cho phù hợp. Yếu tố RT/Mg được định nghĩa là thang đo chiều cao, đại diện cho sự gia tăng độ cao khi giảm áp suất với hàm mũ e -1 . Ở nhiệt độ trung bình của mặt nước biển là 288 0 K, thang đo chiều cao là 8 x 10 5 cm hoặc 8 km; ở độ cao 8 km, áp suất chỉ vào khoảng 39% ở mực nước biển. Sự chuyển đổi của phương trình 9.2.1 sang dạng logarit (cơ số 10) và h sang km được cho bởi biểu thức sau Log P h = Log P 0 - RT xMgh 303.2 10 5 (9.3.2) và nếu áp suất của mặt nước biển chính xác bằng 1 atm thì sẽ được biểu thức sau: Log P h = - RT xMgh 303.2 10 5 (9.3.3) Đồ thị của P h và nhiệt độ tỷ lệ nghịch với độ cao được biểu diễn bằng hình 9.1. Đồ thị của P h là phi tuyến tính bởi vì sự biến thiên phát sinh từ sự biến thiên phi tuyến tính về nhiệt độ với độ cao sẽ được thảo luận sau trong phần này và trong sự pha trộn của các khối khí. Các đặc tính của khí quyển rất khác nhau theo độ cao, thời gian (mùa), vị trí (vĩ độ), và thậm chí là hoạt động năng lượng mặt trời. Cực trị của nhiệt độ và áp suất được minh họa trong hình 9.1. Ở độ cao rất cao, các dạng thường phản ứng như là nguyên tử oxygen, O, tồn tại trong một thời gian dài. Hiện tượng đó xảy ra bởi vì áp suất sẽ rất thấp ở những 10 [...]... tầng ngoại khí quyển tạo thành từ những phân tử 12 hay ion có thể bị rò rỉ ra ngoài khí quyển kéo dài ra xa hơn nữa là thượng tầng khí quyển, nơi này hiếm có không khí và nhiệt độ có thể tăng cao tới 1200 0C do sự thu hút rất nhiều bức xạ có bước sóng xấp xỉ 200 nm do hình thái khí của tầng này IV VẬN CHUYỂN NĂNG LƯỢNG TRONG KHÍ QUYỂN Tính chất vật lí và hóa học đặc trưng của khí quyển và cán cân nhiệt... khối khí cũng như các năng lượng vật lý trong khí quyển – nhiệt độ, gió, và sự chuyển hóa của nước, chủ yếu là từ thể lỏng sang thể hơi hoặc ngược lại Các hiện tượng khí tượng sẽ ảnh hưởng đến các tính chất hóa học của khí quyển Ví dụ, trước khi việc kiểm soát khí thải hiện đại có hiệu lực, các hiện tượng khí tượng xác định trạm phát điện nào thải khí có pha thêm SO 2 được phân tán trong không khí với... suất (đường đậm) và nhiệt độ (đường gạch) với độ cao Sự phân tầng của khí quyển Khí quyển được phân tầng dựa trên mối quan hệ cơ bản của nhiệt độ và mật độ không khí do sự ảnh hưởng giữa những quy trình vật lí và quang hóa trong không khí Đới thấp nhất của khí quyển kéo dài từ mực nước biển đến đến độ cao từ 10-16 km là tầng đối lưu, tiêu biểu bởi cấu tạo đồng nhất thông thường của không khí là sự giảm... không khí từ vùng áp cao đến vùng áp thấp Dòng không khí đối lưu phần 20 lớn được hình thành bằng cách nung nóng các khối không khí Có nghĩa là khối không khí gần mặt đất ấm lên, trở nên nhẹ hơn và do đó sẽ bay lên và được thay thế bởi không khí lạnh và dày đặc hơn Gió và các dòng không khí có liên quan nhiều đến các hiện tượng ô nhiễm không khí Gió sẽ mang và phân tán các chất ô nhiễm không khí Trong... nóng vào không khí nhiều hơn, việc duy trì và tăng cường làm cho chuyển động của nó hướng lên trên trong khí quyển Không khí nổi lên từ bề mặt sẽ tạo ra một vùng áp thấp mà không khí xung quanh sẽ di chuyển vào đó VI HIỆN TƯỢNG NGHỊCH NHIỆT VÀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ Sự chuyển động phức tạp của không khí trên bề mặt trái đất là nhân tố cốt yếu trong sự tạo thành và phân tán các hiện tượng ô nhiễm không khí. .. động mãnh liệt của sự phát xạ các tia cực tím năng lượng cao Nếu điều này xảy ra, khí hydro được tạo ra sẽ thoát khí quyển của trái đất và biến mất (phần lớn khí hydro và khí heli được tạo ra hiện nay trong bầu khí quyển trái đất bị mất theo cách này) Hình 9.2 Sự phân tầng của khí quyển Lớp khí quyển đối lập ở ngay trên tầng đối lưu là tầng bình lưu, nơi mà nhiệt độ tăng lên cao nhất là -20C với sự gia... tiết và bão Như đã nêu trước đó, mặt phân giới của hai khối khí khác nhau về nhiệt độ, mật độ, và dung tích nước được gọi là front Một khối khí lạnh di chuyển sao cho nó thay thế khối khí ấm được gọi là front lạnh, còn một khối khí ấm thay thế một khối khí lạnh được 24 gọi là front nóng Vì không khí lạnh dày đặc hơn không khí nóng nên không khí trong một khối khí lạnh của một front lạnh sẽ đẩy khối khí. .. loại và lượng mưa, và áp suất không khí Tất cả những yếu tố này có liên quan chặt chẽ với nhau Những thay đổi dài hạn và các xu hướng trong một khu vực địa lý cụ thể trong các yếu tố trên bao gồm thời tiết được miêu tả là khí hậu, một thuật ngữ được định nghĩa và thảo luận ở mục 9.6 Năng lượng nước trong khí quyển và dịch chuyển khối Các động lực đằng sau thời tiết và khí hậu là việc phân phối và tái... thấp và lạnh đi bởi sự giản nở bay lên gọi là cột đối lưu không khí Vì không khí lạnh đi, nước sẽ bắt đầu ngưng tụ và năng lượng được giải phóng; đây là con đường chủ đạo mà năng lượng được chuyển từ mặt đất đến khu vực cao trong khí quyển Là kết quả của ngưng tụ của nước và mất năng lượng, không khí được chuyển đổi từ không khí nóng ẩm tới lạnh, rồi khô Thêm vào đó, sự chuyển động của các phần không khí. .. bắt đầu Không khí khô nóng ở bề mặt của vùng có áp lực cao tăng độ ẩm lần nữa, hơi ẩm và chu kỳ bắt đầu trở lại Hình 9.5 Tuần hoàn chuyển động của các khối khí và nước; hấp thu và giải phóng năng lượng như nhiệt tiềm ẩn trong hơi nước Khí hậu toàn cầu 22 Các yếu tố được thảo luận ở trên quyết định và miêu tả các chuyển động của khối khí đều liên quan tới sự chuyển động không khí, độ ẩm, và năng lượng . LỤC I. KHÍ QUYỂN VÀ HÓA HỌC KHÍ QUYỂN Khí quyển bao gồm một lớp mỏng của hỗn hợp các chất khí bao phủ bề mặt trái đất. Ngoại trừ nước, không khí tầng khí quyển. người Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa Quang hóa (Bảng 9.1. Các khí pha loãng trong không khí