Giáo trình bảo vệ môi trường - Phần 1 Bảo vệ khí quyển - Chương 3 pot

57 58 Chơng 3 sự ô nhiễm khí quyển ton cầu 3.1. Mở đầu Gia nhập từ những nguồn khác nhau, các chất lm ô nhiễm đợc mang đi trong khí quyển bởi những dòng không khí có trật tự (trung bình trong những khoảng thời gian nhỏ hoặc lớn) v lan truyền dới ảnh hởng của xáo trộn rối. Hệ thống các dòng không khí trong khí quyển khá phức tạp. Thông thờng, ngời ta phân biệt chuyển động qui mô vừa, synop v ton cầu với các kích thớc phơng ngang tuần tự không vợt quá 100200, 10002000 km v vi nghìn km. Không khí khí quyển di chuyển không chỉ theo phơng ngang, m cả phơng thẳng đứng. Dới tác động của trao đổi rối v những chuyển động thẳng đứng, sẽ diễn ra sự vận chuyển tạp chất từ các lớp khí quyển ny tới các lớp khác (chẳng hạn, từ lớp đối lu sang lớp bình lu). Thời gian lu lại trung bình của tạp chất không rơi lắng (nhẹ) bằng khoảng 2 năm trong lớp bình lu, 14 tháng trong lớp đối lu thợng v 610 ngy trong lớp đối lu hạ. Với khoảng thời gian tồn tại nh vậy, các tạp chất kịp lan truyền đi xa nhiều nghìn kilômet khỏi nơi chúng gia nhập vo khí quyển. Với tốc độ trung bình (khoảng 3035 m/s) của các dòng hớng tây vẫn quan trắc thấy trong lớp đối lu thợng v lớp bình lu hạ ở các vĩ độ trung bình, sôn khí kịp lan vòng quanh địa cầu trong vòng 1012 ngy. Tốc độ chuyển động của không khí trong phơng kinh tuyến nhỏ hơn nhiều so với tốc độ vĩ hớng. Do đó, sôn khí lan truyền từ đới vĩ độ ny tới đới vĩ độ khác, hoặc từ bán cầu bắc tới bán cầu nam, chậm hơn nhiều so với lan truyền trên phơng vĩ tuyến. Quan trắc về gió v các đại lợng khí tợng khác ở nhiều vùng của Trái Đất hon ton cha đủ. Nếu theo dõi sự lan truyền của sôn khí, chúng ta có thể ớc lợng đợc tốc độ của các dòng không khí. Với vai trò đó, các tạp chất đợc sử dụng nh l những vật đánh dấu (trasser) các dòng khí quyển ton cầu v sự trao đổi rối. 3.2. Các tạp chất phóng xạ Những thập niên gần đây ngời ta nhận đợc dữ liệu đầy đủ hơn cả về sự lan truyền các tạp chất phóng xạ, bởi vì chính những tạp chất đó l nguy hiểm nhất, v đặc biệt cng nguy hiểm khi kỉ nguyên nguyên tử bắt đầu diễn ra (từ những năm bốn mơi). Độ phóng xạ của khí quyển đã tăng lên mạnh trong những năm 50 v đầu những năm 60 do các vụ thử vũ khí hạt nhân lan trn. Mặc dù năm 1963 đã cấm thử vũ khí trong khí quyển v trong vũ trụ, một số nớc (Trung Quốc, Pháp) không tham gia Hiệp ớc v tiếp tục thử vũ khí hạt nhân. Hậu quả l vấn đề ô nhiễm phóng xạ khí quyển vẫn giữ nguyên tính thời sự cho đến tận ngy nay. Các tạp chất phóng xạ nhập vo khí quyển từ bốn nguồn v tuần tự đợc chia thnh bốn nhóm. Nhóm thứ nhất gồm các đồng vị của một số nguyên tố phóng xạ có trong vỏ Trái Đất v các sản phẩm phân hủy những chất đó: rađôn ( 222 Rn), 210 Pb (RaD), 210 Bi (RaE), 210 Pb (RaF) Nhóm thứ hai gồm các đồng vị nguồn gốc vũ trụ tạo thnh trong khi tơng tác các nguyên tử không khí với bức xạ vũ trụ: 22 Na, 7 Be, 32 P, 33 P, 14 C, 3 H Các đồng vị nguồn gốc nhân tạo sản phẩm các vụ nổ hạt nhân ( 14 C, 3 H, 131 I, 90 Sr, 137 Cs, 144 Ce, 95 Zr ) tuần tự lm thnh các nhóm thứ ba v thứ bốn. 59 60 Phần lớn các đồng vị phóng xạ trong khí quyển liên kết với những hạt sôn khí. Sự rơi lắng những hạt ny trong trờng trọng lực v sự rửa trôi bởi giáng thủy một mặt sẽ lm phức tạp hóa việc sử dụng những quan trắc lan truyền đồng vị với t cách l những vật đánh dấu các dòng không khí, nhng mặt khác cho phép ta lợi dụng những quan trắc ny để nghiên cứu các quá trình hình thnh mây, sơng mù v giáng thủy. Đo hm lợng đồng vị đợc thực hiện trong các quả cầu thám không, phòng thám không, máy bay v trong các thiết bị đặt mặt đất bằng cách thổi một lợng không khí nhất định qua những bộ lọc hiệu năng cao v sau đó xác định các đồng vị bức xạ bêta nhờ phép phân tích hóa phóng xạ v các đồng vị phóng xạ gamma nhờ phép phân tích trắc phổ. Số lợng lần đo trong khí quyển tự do tơng đối ít (vì rất khó khăn v đắt giá). Đó chủ yếu chỉ l những lần đo các sản phẩm nổ hạt nhân trên một số vùng địa lý riêng biệt. Chúng tôi sẽ dẫn một số dữ liệu về sự biến thiên hm lợng các chất phóng xạ trong khí quyển tự do v ở lân cận mặt đất. Trên hình 3.1 dẫn những trị số trung bình mùa của hm lợng tổng cộng 90 Sr trong vùng nút đối lu (915 km), trong lớp bình lu hạ (21 km) v bình lu trung (2140 km). Độ phóng xạ 90 Sr đã đạt những trị số cực đại ở bắc bán cầu vo mùa xuân năm 1963, bởi vì trong nhiều năm trớc năm đó đã có nhiều vụ thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển thuộc bắc bán cầu. ở nam bán cầu, hm lợng 90 Sr đã đạt cực đại sau khoảng nửa năm, v giá trị độ phóng xạ nhỏ hơn một số lần so với ở bắc bán cầu. Hình 3.1. Biến thiên theo thời gian hm lợng tổng cộng 90 Sr ở bán cầu bắc (a) v nam (b) trong các lớp 2140 km (1); 1521 km tại vĩ độ 3090 o (2) v 030 o (3), 915 km tại vĩ độ 3090 o (4) Đ mùa đông, X mùa xuân, H mùa hè, T mùa thu 61 62 Sau năm 1963, Liên Xô, Mỹ v Anh không thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển nữa, kết quả l hm lợng 90 Sr (cũng nh các đồng vị phóng xạ khác) trong lớp bình lu giảm (một chút tăng ở nửa sau năm 1967 tại bắc bán cầu có lẽ l do các vụ nổ hạt nhân của Trung Quốc hay Pháp). Trong lớp dới (015 km) tại đới vĩ độ 3090 o ở cả hai bán cầu hm lợng 90 Sr cực đại vo mùa đông v xuân v cực tiểu vo mùa thu. Theo các số liệu quan trắc trong các buồng thám không (trên vĩ độ 31 o ) ở lớp 2432 km, biến trình năm hm lợng 90 Sr có dạng ngợc lại: cực đại mùa hè v thu, cực tiểu cuối đông v xuân. Nh vậy, một lợng lớn các sản phẩm nổ hạt nhân từ lớp bình lu trung tại các vĩ độ trung bình v cao đi vo lớp bình lu hạ v sau đó vo lớp đối lu, dẫn tới cực đại rơi lắng v hm lợng 90 SR vo mùa thu ở gần mặt đất. Mặc dù các vụ nổ hạt nhân đợc tiến hnh trên những độ cao v những vĩ độ khác nhau, nhng chỉ khoảng trong một năm sau vụ nổ, trên bức tranh phân bố các sản phẩm phóng xạ ở lớp bình lu quan sát thấy nhiều nét giống nhau. Cực đại nồng độ tất cả các đồng vị nằm tại lớp bình lu chí tuyến trong lớp 2050 km, các cực đại thứ sinh trong lớp bình lu hạ v lớp đối lu thợng các vĩ độ trung bình v cao của bắc bán cầu. Tổng lợng rơi sôn khí phóng xạ đợc xác định trên lục địa v các đại dơng bằng cách thu nhận các mẫu trên những bảng bẫy có tính chất dính hoặc cấu trúc vải, các rãnh bẫy thnh cao khác nhau, các bình bẫy thnh cao thờng đặt trên độ cao 1 m. Những đợt đo nh vậy trong 2025 năm gần đây đang đợc tiến hnh một cách hệ thống hầu nh ở tất cả các nớc công nghiệp phát triển nhằm kiểm soát vô tuyến sự rơi các sản phẩm nổ hạt nhân xuống đất. Khối lợng chủ yếu các sôn khí phóng xạ đợc rửa trôi từ khí quyển v rơi xuống đất cùng với giáng thủy. Một bộ phận nhập cùng với bụi v các sôn khí dạng rắn khác (gọi l rơi khô). Việc tổng hợp các kết quả quan trắc trên mạng lới trạm v các tầu cho phép lập các bản đồ rơi sôn khí phóng xạ ton cầu (thí dụ, 90 Sr), đã dẫn tới kết luận rằng khối lợng sản phẩm nổ hạt nhân chủ yếu (theo tình hình năm 1967) nằm ở bắc bán cầu với hm lợng cực đại ở đới 3050 o VB. Theo số liệu đo đạc tại hơn 100 điểm phân bố gần 80 o KT trong đới 70 o VB 60 o VN, nồng độ 90 Sr ở lớp sát đất cực đại vo tháng ba tháng sáu trong đới 2040 o VB, trong đó từ năm 1963 đến năm 1967 các trị số cực đại đã giảm khoảng 20 lần. ở nam bán cầu, cực đại 90 Sr đã đạt đợc muộn hơn (vo cuối năm 1964) cũng trong đới 2030 o VN, trong đó nồng độ 90 Sr ở nam bán cầu khoảng 10 lần nhỏ hơn so với ở bắc bán cầu. Chúng tôi cũng sẽ dẫn thông tin về tốc độ rửa rơi ( m v ) v rơi khô ( c v ) các sôn khí phóng xạ (các tốc độ ny có mặt trong những biểu thức tính thông lợng tạp chất rơi xuống mặt đất: CvQ mm = v CvQ cc = , trong đó C nồng độ thể tích tạp chất tại 0=z ). Tốc độ c v đo đợc (theo dữ liệu của nhiều tác giả khác nhau) từ một vi phần trăm đến 0,51,0 cm/s, tốc độ tổng cộng + cm vv từ 0,10,3 đến 24 cm/s, v nó tăng khi lợng giáng thủy tháng tăng. Bán chu kỳ rửa rơi hay thời gian triết giảm (sau thời gian bằng , nồng độ tạp chất giảm 72,2=e lần) có bậc 10 3 10 4 s trong mây v 10 4 10 5 s trong giáng thủy (theo dữ liệu của B. I. Stro, K. P. Makhonko v nnk.). I. L. Korol đã thử ớc lợng các trị số lấy trung bình theo các đới vĩ độ (có tính tới lợng v thời gian kéo di giáng thủy cũng nh độ cao biên trên của mây). Chúng bằng khoảng 5 105,2 s ở khu vực xích đạo (10 o VB 20 o VN), 5 104 s tại các vùng cận nhiệt đới v vĩ độ trung bình v 10 6 s ở các vĩ độ cao ( 65> ). 63 64 Ngời ta nhận thấy có mối liên hệ trực tiếp giữa nồng độ 137 Cs v hoạt độ của Mặt Trời. Các vụ nổ hạt nhân thực hiện ở Trung quốc đang tiếp tục lm ô nhiễm khí quyển bằng các tạp chất phóng xạ. Đợc mang đi bởi các dòng không khí, chúng cũng rơi xuống lãnh thổ Liên Xô. Sau mỗi vụ nổ, qua một khoảng thời gian lớn hay nhỏ (tùy thuộc độ cao nâng lên của các sản phẩm nổ) thì nồng độ v sự rơi lắng các tạp chất xuống mặt đất tăng lên. Các mức ô nhiễm ở Liên Xô tăng lên về trung bình từ phía bắc xuống phía nam, v từ phía tây sang phía đông. Những mức ô nhiễm phóng xạ cao nhất đã quan trắc thấy ở vùng Primore, Trung á v Ngoại Kapkazơ (theo số liệu của K. P. Makhonko v nnk., các năm 19751980). Thời gian gần đây, ngời ta đã tiến hnh đánh giá về sự biến đổi có thể có của trạng thái môi trờng dới ảnh hởng của việc sử dụng trn lan vũ khí hạt nhân trong các cuộc chiến. Theo báo cáo của Học viện Quốc gia Hoa Kỳ, do một nhóm nh chuyên môn v chuyên gia chuẩn bị, thì khi kích nổ nguồn dự trữ hạt nhân tổng công suất 10 4 triệu tấn (tức tơng ứng với khoảng nửa công suất đã tích lũy) có thể gây nên những biến đổi sau đây trong môi trờng: a) Phát thải ôxit nitơ vo lớp bình lu sẽ kéo theo sự giảm sút hm lợng chung của ôzôn 3070 %; b) Giảm nhập lợng bức xạ cực tím sẽ lm giảm đáng kể sản lợng nền nông nghiệp; c) Các tia phóng xạ gây tổn thơng cho mọi sự sống trên Trái Đất, lm gia tăng các bện ung th v các bệnh liên quan đến gien. Tuy nhiên, nhóm ny đã đi đến kết luận rằng, mặc dù đòn tổng tấn công hạt nhân sẽ gây nên những hủy hoại to lớn, song các hậu quả của nó không mang tính thảm họa ở qui mô ton cầu trong khoảng thời gian một số thập niên, bởi vì sau 24 năm sẽ phục hồi hm lợng ôzôn trong khí quyển, còn sau 25 năm ton bộ sinh quyển sẽ trở lại trạng thái bình thờng (ngoại trừ những quốc gia bị tấn công trực tiếp). Liên hiệp các nh khoa học Mỹ đã không đồng ý với kết luận ny, bởi vì khoa học hiện nay cha đánh giá đợc một cách đủ xác định những hậu quả sinh học v kinh tế của những vụ nổ với công suất cỡ 10 4 triệu tấn. Theo những ớc lợng của Iu. A. Izrael, V. N. Petrov v Đ. A. Severov, khi xảy ra vụ nổ công suất một số triệu tấn thì tổng hm lợng ôzôn trong một cột thẳng đứng tại vùng nổ sẽ giảm đi 2025 % v phục hồi khoảng sau 1 ngy, dới ảnh hởng của vụ nổ với công suất một vi chục triệu tấn giảm 7580 % v chu kỳ phục hồi tăng lên đến khoảng tuần lễ. Nếu nh ở bắc bán cầu sẽ tiến hnh những vụ nổ tổng công suất 10 4 triệu tấn, thì tùy thuộc độ cao ổn định của đám mây nổ hạt nhân, sẽ thiết lập một trạng thái trong đó hm lợng ôzôn trong ton khí quyển của bán cầu chỉ còn từ 40 đến 70 % lợng tự nhiên của nó. Iu. A. Izrael chỉ ra rằng những kết quả tác động của các vụ nổ tới sinh quyển v môi trờng sống sẽ gồm: a) Sự ô nhiễm phóng xạ môi trờng dẫn tới sự tổn thơng tia xạ (bức xạ gamma v bêta) v sự biến đổi các tính chất điện của khí quyển (bao gồm cả của quyển ion); b) Sự ô nhiễm khí quyển bởi sôn khí, kèm theo sự biến đổi các tính chất bức xạ của khí quyển v hệ quả l sự biến đổi thời tiết v khí hậu; c) Sự ô nhiễm khí quyển bởi những chất dạng khí (mêtan, êtilen v các khí khác) ảnh hởng tới các dòng bức xạ của Mặt Trời v của Trái Đất v chế độ nhiệt của khí quyển; 65 66 d) Hỏa hoạn trn lan trong các thnh phố, rừng, trên những khu vực khai thác khí v dầu. Phân tích những tác động đó sẽ dẫn tới kết luận: những vụ nổ hạt nhân, đặc biệt khi sử dụng rộng, sẽ dẫn tới không chỉ những tác động hủy hoại qui mô địa phơng, m còn gây nên những xáo trộn ton cầu nghiêm trọng mang lại những biến đổi khí hậu không đảo ngợc đợc, sự phá hủy lớp ôzôn của Trái Đất, xáo trộn hon ton sinh quyển. 3.3. Độ cao nâng lên của mây hạt nhân Trong vụ nổ hạt nhân sẽ tạo thnh một quả cầu lửa nóng, l nguồn phát xạ ánh sáng v sóng va đập. Tại thời điểm nổ, nhiệt độ của quả cầu lửa bằng một số triệu độ Kelvin. Tuy nhiên, chỉ qua 1015 s sau khi nổ, nhiệt độ của nó giảm xuống đến 2 0003 000 K v quả cầu ngừng phát sáng. Tới thời điểm kết thúc phát sáng, áp suất các khí ở bên trong quả cầu thực tế không khác biệt so với áp suất không khí xung quanh. Ngời ta qui ớc chia các vụ nổ hạt nhân thnh các vụ nổ trong không khí, trên mặt đất v trong lòng đất (hay dới nớc). Với vụ nổ trên không khí, quả cầu lửa không tiếp xúc với mặt đất v ton bộ bụi phóng xạ chỉ tạo thnh từ tn d phóng xạ (các mảnh vụn) của quả bom, nó bốc hơi trong khi nổ v sau đó ngng tụ trong khi nguội lạnh. Với vụ nổ trên mặt đất, quả cầu lửa tiếp xúc với mặt đất, do đó rất nhiều đất đá bị vỡ vụn chủ yếu trong giai đoạn nhiệt độ quả cầu lửa còn khá cao, sẽ cuốn hút vo quả cầu lửa. Trong điều kiện đó, lớp đất đá bề mặt trong bán kính vi trăm mét bị bốc hơi v trộn lẫn với các sản phẩm phóng xạ của vụ nổ. Những hạt rắn tạo thnh trong quá trình nguội dần sẽ chính l các vật mang tính phóng xạ. Vì nhiệt độ các chất khí bên trong quả cầu i T cao hơn nhiều so với nhiệt độ không khí xung quanh T , còn áp suất thực tế nh nhau, mật độ các khí i nhỏ hơn nhiều so với mật độ không khí khí quyển bao quanh quả cầu ( < i ). Nhờ đó lực nổi bắt đầu tác động (lực nổi ny bằng hiệu hai lực: lực đẩy Acsimet v lực trọng trờng). Gia tốc thẳng đứng của quả cầu sẽ bằng T TTg dt zd i )( 2 2 = . Vì gia tốc ny dơng, nên quả cầu sau một thời gian treo bất động sẽ tách khỏi mặt đất v bắt đầu nâng lên với tốc độ tăng dần. Tuy nhiên, với thời gian, lực nổi v gia tốc do nó sinh ra giảm dần (do hiệu nhiệt độ TT i giảm). Sự giảm nhiệt độ của quả cầu đang nâng lên gây bởi ba nguyên nhân: a) do sự giãn nở đoạn nhiệt, b) do sự thu hút (liên kết) với không khí lạnh hơn của môi trờng xung quanh, c) do mất nhiệt trong khi phát xạ. ớc lợng độ nguội dần của quả cầu dới ảnh hởng của sự giãn nở đoạn nhiệt có thể thực hiện theo phơng trình đoạn nhiệt (phơng trình Poasson) * 1 0 0 = p p TT ii , (3.1) trong đó 00 , pT i nhiệt độ v áp suất khí trong quả cầu tại độ cao mực xuất phát (từ đó bắt đầu nâng lên). Hằng số vp cc /= có mặt trong phơng trình ny bằng tỉ số các nhiệt dung, thực tế không khác với trị số của nó trong trờng hợp không khí khí quyển ( 40,1 ), vì khối lợng khí chủ yếu trong quả cầu l * Ta chú ý rằng gradient đoạn nhiệt )/( )/( TTcg ipa = trong trờng hợp ny không thể xem l không đổi, v do đó, không thể sử dụng quan hệ zTT a i i = 0 để tính nhiệt độ. 67 68 không khí. Tính toán theo phơng trình (3.1) cho thấy rằng, chỉ bằng ảnh hởng của sự giãn nở đoạn nhiệt không thể giải thích đợc sự hạ nhiệt độ quả cầu m ta quan trắc đợc. Trong thực tế, nếu K 3000 0 = i T , thì nhiệt độ quả cầu tính theo phơng trình (3.1) tại độ cao khoảng 16 km ( 0 1,0 pp ) bằng 1560 K, tại độ cao 3032 km ( 0 001,0 pp ) gần 800 K. Tại độ cao 16 km hiệu các nhiệt độ của quả cầu v của môi trờng xung quanh (nhiệt độ môi trờng xung quanh khoảng 220225 K) sẽ vẫn còn bằng khoảng 1340 K nếu nh sự nguội dần diễn ra chỉ do sự giãn nở đoạn nhiệt. Dĩ nhiên rằng, với sự hiện diện một hiệu nhiệt độ lớn nh vậy, thì quả cầu tiếp tục nâng lên cao. Nhng theo số liệu quan trắc, nhiệt độ quả cầu tại độ cao giữa 10 v 20 km (tùy thuộc công suất vụ nổ) không còn khác với nhiệt độ khí quyển nữa v quả cầu ngừng nâng lên. Nh vậy, ta đi đến kết luận rằng sự giãn nở đoạn nhiệt l nguyên nhân quan trọng lm nguội dần quả cầu, song hon ton không phải l nguyên nhân duy nhất (thậm chí không phải l nguyên nhân chính). Nhân tố chính có tác dụng lm lạnh quả cầu v lm tăng thể thể tích của nó đó l sự lôi cuốn (sự liên kết) không khí xung quanh vo trong đám mây phóng xạ đang nâng lên. Thể tích quả cầu tại độ cao cực đại khoảng 1 000 lần lớn hơn so với tại mực xuất phát; trong khi đó do sự giãn nở đoạn nhiệt thể tích chỉ tăng lên 56 lần. Cơ chế lôi cuốn chủ yếu l cơ chế rối, một số hạt không khí di chuyển từ khí quyển vo trong đám mây, một số hạt khác từ đám mây ra ngoi khí quyển. Trong quá trình những chuyển động ny, diễn ra sự vận chuyển nhiệt v các tạp chất phóng xạ từ đám mây ra khí quyển. Kể từ thời điểm quả cầu ngừng phát sáng, tức không còn l quả cầu lửa nữa, thì nh các ớc lợng định lợng cho thấy, nhân tố thứ ba sự phát xạ của đám mây không còn vai trò gì đáng kể lm nguội lạnh đám mây. Trong thnh phần của đám mây, bên cạnh các hạt phóng xạ còn có những giọt nớc. Chúng xuất hiện do sự ngng tụ lợng hơi nớc đã tạo thnh do kết quả bốc hơi nớc chứa trong đất v đợc nâng lên khí quyển tại vùng trấn tâm nổ. Hơi nớc đi vo đám mây còn l hơi nớc từ khí quyển xung quanh bị lôi cuốn vo cùng với không khí. Chừng no nhiệt độ quả cầu cao hơn nhiệt độ tới hạn của nớc (bằng 647 K), thì hơi nớc không ngng tụ. Sau khi đạt nhiệt độ bằng 647 K, nhiệt độ giảm tiếp kèm theo sự ngng tụ hơi nớc v tạo ra các giọt nớc. Mu của đám mây: trắng v xám, chứng tỏ đám mây hạt nhân có chứa các giọt nớc. Còn trớc khi bắt đầu quá trình ngng tụ, mu của quả cầu lúc đầu trắ ng lóa, sau đó l mu đỏ lửa v nâu tối. Trong thời gian nâng lên, đám mây có dạng hình cây nấm. Phần trên của cây nấm lúc đầu giống nh một xoáy toroit mạnh, tốc độ quay của nó chậm dần trong khi nâng lên cao. Tại độ cao cực đại, đám mây khá đồng nhất trong ton thể tích của nó v có dạng một hình ellipsoit tròn xoay. Sự nâng lên của đám mây diễn ra cho đến khi no nhiệt độ của nó bắt đầu bằng nhiệt độ của khí quyển xung quanh. Về phơng diện vật lý, rõ rng rằng sự nguội lạnh đám mây do tác động xáo trộn (lôi cuốn) với không khí xung quanh (m nhân tố ny l nhân tố chính) sẽ diễn ra cng chậm nếu kích thớc ban đầu của quả cầu lửa cng lớn. Về phần mình, kích thớc của quả cầu lửa cng lớn thì vụ nổ cng mạnh. Nh vậy, ta có kết luận rằng độ cao nâng lên cực đại của đám mây phóng xạ, cũng nh kích thớc của nó tại độ cao đó, tăng lên theo sự tăng công suất q của vụ nổ hạt nhân * . Trong bảng 3.1 dẫn các trị số độ cao cực đại của đám mây hạt nhân, các kích thớc trong phơng * Đơn vị công suất vụ nổ l lợng nhiệt tỏa ra khi nổ 1 tấn trotil. 69 70 thẳng đứng v phuơng ngang của nó ứng với công suất nổ khác nhau v một trạng thái trung bình của khí quyển. Bảng 3.1. Độ cao nâng cực đại v kích thớc đám mây nổ hạt nhân mặt đất Độ cao mây, km Độ cao mây, km Công suất nổ, ngn tấn trên dới Bán kính mây, km Công suất nổ, ngn tấn trên Dới Bán kính mây, km 0,5 2,7 2,1 0,7 100 14,6 11,0 6,1 1 3,3 2,4 0,9 200 17,0 12,0 8,0 2 4,6 3,7 1,2 500 19,0 13,0 12,0 5 7,0 5,5 1,7 1 000 21,0 14,5 16,0 10 8,2 6,7 2,3 2 000 23,0 15,0 22,0 20 10,0 8,2 3,1 5 000 27,0 16,0 29,0 50 12,5 9,8 4,6 Từ bảng 3.1 suy ra rằng độ cao nâng lên cực đại biến thiên giữa 2,7 v 27 km, còn bán kính giữa 0,7 v 29 km tơng ứng với biến thiên công suất vụ nổ (tơng đơng trotil) từ 500 tấn đến 5 triệu tấn. Ngoi công suất vụ nổ, các nhân tố khí tợng, trớc hết l phân bố nhiệt độ v tốc độ gió theo độ cao (phân tầng nhiệt v gió) có ảnh hởng tới độ cao nâng lên của mây hạt nhân. Về mặt vật lý, hiển nhiên rằng phân tầng nhiệt của lớp khí quyển cng ổn định thì độ cao san bằng nhiệt độ v độ cao nâng lên của mây hạt nhân cng nhỏ. 3.4. ảnh hởng của các điều kiện khí tợng tới độ cao mây hạt nhân Giả sử hạt xê dịch theo phơng thẳng đứng từ mực 1 z , tại đó nó có khối lợng M v nhiệt độ thế vị )(z i tới mực zz + , nơi nó có khối lợng bằng MM + v nhiệt độ thế vị )( zz i + . Tăng khối lợng hạt lên một lợng M đã diễn ra do sự liên kết không khí xung quanh với hạt. Ta kí hiệu nhiệt độ thế vị của không khí xung quanh tại độ cao z l )( z . Trên cơ sở định luật bảo ton nhiệt lợng * có thể viết )()()()( zMzMzzMM ii +=++ , từ đó MM zMzM zz i i )()( )( + + =+ . (3.2) Biểu diễn nhiệt độ thế vị )( zz + tại độ cao zz + dới dạng tổng )()( +=+ zzz , ta lập hiệu )()( zzzz i ++= , biểu thức ny nếu tính tới (3.2) đợc viết dới dạng MM MMzzM zz i ])()([ )( + =+ . (3.3) Số hạng cuối cùng ở tử số biểu thức ny nhỏ không đáng kể so với các số hạng khác. Ta viết hiệu )( zz + dới dạng z zd d zzz zd d zzz i ])()([)()( += +=+ v thế vo (3.3) ta có 0 1 =++ zd d zd Md Mzd d , (3.4) trong đó các gia lợng (các vi phân) đợc biểu diễn dới dạng zzdd )/( = v zzddMM )/( = v cắt bỏ số hạng nhỏ )/( )/( )/( MzdzMdzdd * Theo phơng trình của định đề thứ nhất của nhiệt động lực học, khi không có sự xáo trộn (không có nhập lợng nhiệt) nhiệt độ thế vị của hạt giữ nguyên không đổi ( const = ). Còn nhiệt độ thế vị biến đổi chỉ do ảnh hởng của lợng nhiệt tới trong trờng hợp ny l thông lợng xáo trộn của hạt với không khí xung quanh. 71 72 ở vế trái của (3.4). Phơng trình (3.4) l phơng trình vi phân bậc một đối với hiệu cha biết ( ) giữa các nhiệt độ thế vị của hạt (mây) v của khí quyển. Trong trờng hợp tổng quát, các đại lợng zd Md M 1 = v zd d = có mặt ở vế trái (3.4) l những hm khá phức tạp của độ cao. Khó nhất l xác định đại lợng , nó biểu diễn khối lợng của không khí bị lôi cuốn trên khối lợng đơn vị của hạt, tức tốc độ lôi cuốn riêng. Một giả thiết đơn giản nhất có thể đặt ra đối với các đại lợng v đó l giả thiết chúng không phụ thuộc vo độ cao ( const const, ). Với giả thiết ny, nghiệm của phơng trình (3.4) sẽ có dạng += )( exp 0 z , (3.5) trong đó 0 hiệu các nhiệt độ thế vị ở mực xuất phát ( 0=z ). Độ cao nâng lên của đám mây m z đợc xác định từ điều kiện 0= . Trong (3.5), nếu cho m zz = v 0= , ta đợc công thức sau đây đối với m z : += 0 ln 1 m z . (3.6) Công thức (3.6) có thể sử dụng chỉ trong những trờng hợp khi độ cao nâng lên của đám mây không vợt ra khỏi phạm vi lớp đối lu. Tuy nhiên, việc khái quát hóa các công thức (3.5) v (3.6) sang các trờng hợp khi m z vợt trên độ cao nút đối lu không phải l khó. Trên thực tế, nếu H hiệu số giữa các nhiệt độ thế vị của mây v khí quyển tại mực nút đối lu ( H z = ) đợc tính theo (3.5), thì nghiệm của phơng trình (3.4) khi H z > có thể viết dới dạng Hình 3.2. Độ cao nâng lên của mây hạt nhân ở các đới vĩ độ khác nhau 1 nhiệt đới, 2, 3 các vĩ độ trung bình, mùa hè (2) v mùa đông (3), 4 các vĩ độ cao, 5 độ dy mây; những điểm gấp khúc trên các đờng cong tơng ứng với độ cao nút đối lu += )]([ exp Hz H , (3.7) trong đó v các trị số của những tham số v ở cao hơn nút đối lu (vì trong lớp bình lu phân tầng gần với phân tầng đẳng nhiệt, nên có thể cho bằng 10 K/km). Công thức rút ra từ (3.7) cho độ cao nâng lên của mây m z có dạng + += / / ln 1 H m Hz . (3.8) Hiệu H có mặt ở đây đợc tìm theo (3.5): 73 74 += )( exp 0 H H . (3.9) Kết quả tính toán m z theo các công thức (3.8) v (3.9) với các giá trị H , trung bình đối với một số đới vĩ độ (vùng nhiệt đới, các vĩ độ trung bình mùa hè v mùa đông, Bắc Băng Dơng) v 10= K/km, 4 105 = cm 1 đợc dẫn trên hình 3.2. 3.5. Sự lắng đọng mây phóng xạ xuống mặt đất Sự nâng lên của mây nổ hạt nhân sẽ kết thúc khi nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ không khí xung quanh. Sau đó, chuyển động của mây đợc quyết định bởi hai nhân tố: tác động của trọng lực kết hợp với các lực cản từ phía không khí v trờng gió. Dới tác động của nhân tố thứ nhất, diễn ra quá trình hạ xuống của các hạt phóng xạ, dới tác động của nhân tố thứ hai quá trình vận chuyển mây trong phơng ngang. Ta xét ảnh hởng của tốc độ gió lên quá trình lắng đọng mây phóng xạ. Đơn giản nhất vấn đề ny đợc giải quyết trong trờng hợp mây cấu tạo từ các hạt cùng kích thớc v tốc độ gió không đổi cả về cờng độ lẫn hớng trên tất cả các độ cao. Trong trờng hợp lý tởng ny, các quỹ đạo của các hạt sẽ l những đờng thẳng với góc nghiêng so với trục x (hớng dọc theo gió) bằng tỉ số cw / ( w tốc độ rơi của các hạt, c tốc độ gió). Khoảng cách trên phơng ngang 1 x m một hạt nằm ở độ cao 1 z tại thời điểm ban đầu di chuyển đợc, đợc xác định từ quan hệ c x w z t 11 1 == , (3.10) từ đó 11 z w c x = , ở đây 1 t thời gian rơi của hạt từ độ cao 1 z . Trong trờng hợp ny, vết của đám mây trên mặt đất về hình dạng sẽ trùng với dạng của đám mây tại thời điểm đạt độ cao cực đại. Theo (3.10), ta có c lớn hơn w bao nhiêu lần, thì chiều di của vết sẽ lớn hơn độ cao mây ngần ấy lần. Trong những điều kiện thực, mây phóng xạ gồm các hạt kích thớc khác nhau, còn tốc độ gió biến thiên với độ cao về độ lớn v hớng. Chúng ta sẽ xem rằng phân bố tốc độ gió với độ cao cho đến thời điểm nổ hạt nhân đợc biết. Nó có thể nhận đợc hoặc bằng quan trắc trực tiếp (cách tin cậy nhất), hoặc dựa trên dự báo. Ta chia lớp khí quyển giữa mặt đất v ranh giới trên của đám mây phóng xạ thnh một số lớp, độ dy mỗi lớp đợc chọn sao cho trong phạm vi từng lớp tốc độ gió (độ lớn v hớng) có thể xem l không phụ thuộc độ cao. Hình 3.3. Sơ đồ giải thích việc xây dựng vết của đám mây phóng xạ trên mặt đất Giả sử n ccc , , , 21 chỉ các vectơ tốc độ gió trong các lớp 1, 2, 3, , n với độ dy khoảng 1 km (số thứ tự lớp tăng từ mặt đất tới đỉnh đám mây). Ta theo dõi sự lắng đọng của các hạt mây với kích thớc xác định no đó. Tốc độ rơi các hạt phụ thuộc vo bán kính r v độ cao z . 75 76 Nếu độ dy các lớp đợc chọn sao cho các hạt kích thớc cố định đi qua các lớp trong cùng một thời gian ( iii wzt / = const= ), thì rõ rng độ dy các lớp đó cng lên cao cng phải tăng lên ( i w tăng khi tăng độ cao). Tất cả các hạt từ lớp thứ nhất lắng xuống đất sau thời gian 11 1 / wzt = . Trong đó, vết phóng xạ trên mặt đất trùng về hớng với vectơ tốc độ gió 1 c trong lớp ny (vectơ OB 1 trên hình 3.3). Chiều di vết 1 l sẽ bằng 1 1 1 1 11 z w c tcl == . Ta sẽ theo dõi chuyển động các hạt từ lớp thứ hai * . Trong suốt khoảng thời gian 22 2 / wzt = , các hạt phóng xạ của lớp ny sẽ di chuyển trên phơng ngang theo hớng vectơ 2 c . Đến cuối khoảng 2 t , các hạt của lớp thứ hai sẽ di chuyển trên phơng ngang một khoảng cách 2 22 tcl = tới điểm A (xem hình 3.3). Trong suốt khoảng thời gian tiếp theo 1 t , các hạt của lớp thứ hai sẽ di chuyển trên phơng ngang theo hớng vectơ tốc độ 1 c . Đến cuối khoảng thời gian 1 2 tt + , các hạt của lớp thứ hai sẽ rơi xuống đất tại điểm 2 B . Nh vậy, để xác định vị trí các hạt rơi xuống đất từ lớp thứ hai, cần cộng các vectơ 2 2 tc v 1 1 tc : 1 12 22 tt += ccOB . Dễ thấy rằng, chúng ta sẽ đi đến chính điểm 2 B , nếu từ chấn tâm nổ O lúc đầu ta đặt vectơ 1 11 t= cOB , sau đó ta cộng nó với vectơ 2 221 t= cBB , tức trong biểu thức cuối cùng ta đổi chỗ các số hạng. Rơi xuống điểm 1 B sẽ l những hạt m tại thời * Tất cả những lập luận tiếp theo tơng ứng với các hạt nằm trên ranh giới trên của lớp. điểm ban đầu nằm ở ranh giới trên của lớp thứ nhất. Bằng cách lập luận đúng nh vậy, chúng ta sẽ chỉ ra rằng để xác định vị trí điểm i B trên mặt đất m những hạt phóng xạ tại thời điểm đầu nằm ở ranh giới trên của lớp i sẽ rơi xuống đó, ta cần xây dựng tổng các vectơ iiii tttt 1 12 21 1 , , . . . , , cccc . Trong đó gốc của vectơ thứ nhất l chấn tâm nổ, còn đầu mút của mỗi vectơ trớc l gốc của các vectơ tiếp theo (hình 3.4). Vì độ dy các lớp đã đợc chọn sao cho thời gian rơi của các hạt trong từng lớp cùng l một ( n ttt 2 1 . . . === ), nên thay vì xây dựng tổng các vectơ 2 21 1 , tt cc , có thể xây dựng tổng các vectơ tốc độ gió 21 , cc Sự thay thế nh vậy có lẽ sẽ có nghĩa l chỉ thay đổi tỉ lệ của phép dựng đồ thị. Tất cả những lập luận trớc đây tơng ứng với các hạt bán kính xác định. Đối với các hạt bán kính khác, hớng chuyển động trong mỗi lớp sẽ giữ nguyên nh trong trờng hợp thứ nhất, nhng độ di các vectơ OB 1 , B 1 B 2 , sẽ thay đổi. Ta kí hiệu z v z l các bán kính lớn nhất v bé nhất * của các hạt phóng xạ gặp thấy trong mây, còn w v w tuần tự các tốc độ rơi của các hạt đó. Thời gian rơi của các hạt bán kính r v r qua lớp thứ i ta sẽ tìm từ các biểu thức: i i i i i i w z t w z t = = ; . Vì mối phụ thuộc của tốc độ rơi từ độ cao (qua nhiệt độ) đối với các hạt bán kính khác nhau thực tế nh nhau, nên chuyển sang các hạt kích thớc khác không ảnh hởng tới việc chọn độ * Về lý thuyết trong mây có những hạt với mọi kích thớc (từ 0 đến max r ). Tuy nhiên, thực tế trong mỗi đám mây có thể chỉ ra một bán kính cực tiểu v một bán kính cực đại, giữa chúng chứa tới hơn 99 % tất cả các hạt. [...]... ôzôn v từ vệ tinh (bắt đầu từ tháng tám năm 19 67), hm lợng riêng ôzôn (tỉ số mật độ ôzôn trên mật độ không khí, thờng đợc biểu diễn thnh phần triệu của đơn vị, tức đại lợng 10 6 r ) về trung bình theo bắc bán cầu đã đạt cực tiểu (gần 288 phần triệu) vo các năm 19 611 962, cực đại (khoảng 30 8 phần triệu) các năm 19 7 219 74 Về trung bình theo nam bán cầu, trị số cực đại (gần 30 5 phần triệu) đạt vo năm 19 58,... thuyết thứ nhất liên hệ sự hình thnh lỗ thủng với chu trình 11 năm của hoạt động Mặt Trời Các năm 19 7 519 86 ứng với chu trình thứ 21 rất mạnh của hoạt động Mặt Trời (tại cực đại hoạt độ, số vết đen trên Mặt Trời trong chu trình ny đã đạt tới 17 0, trong khi ở điều kiện trung bình, số đó chỉ l 10 0 11 0) Do ảnh hởng của bức xạ Mặt Trời, trong lớp trung quyển v lớp bình lu thợng, hm lợng các ôxit nitơ tăng... 295 phần triệu) các năm 19 6 419 65 Trong vòng một năm, cực đại r đợc quan sát thấy vo mùa xuân, còn cực tiểu mùa thu Về trung bình theo bắc bán cầu, r bằng 33 035 0 phần triệu vo tháng t v 270275 phần triệu vo tháng mời ở các vĩ độ cao, các trị số cực đại r (mùa 82 xuân) cao hơn so với trung bình bán cầu Thật vậy, cực đại r ở nam bán cầu mùa xuân (tháng mời) đạt 34 0 phần triệu tại vùng cận cực v 410 phần. .. đoạn OB2 , OB3 , lên t / t lần Đờng gấp khúc OB1 B2 B3 đợc xây dựng bằng cách đó sẽ l vết của các hạt phóng xạ bán kính cực tiểu Nếu giảm các đoạn OB1 , OB2 , đi t / t lần, ta sẽ nhận đợc vết OB1B 2B3 của các hạt bán kính cực đại Diện tích nằm giữa các đờng gấp khúc OB1 B2 B3 v OB1B 2B3 biểu thị vết phóng xạ của đám mây nổ hạt nhân trên mặt đất Trên hình 3. 4, mỗi đoạn OB1 , OB 2 , đã... độ, tăng 5060 % so với điều kiện trung 83 bình Sự vận chuyển NOx tiếp sau tới phần giữa của lớp bình lu (độ cao 2 030 km) v những phản ứng quang hóa của chu trình nitơ NO + O3 NO2 + O2, NO2 + O NO + O2, O3 + O 2O2 dẫn tới lm giảm hm lợng ôzôn Ngoi chu trình nitơ, các phản ứng của các chu trình clo, hyđrôgien, bromclo v một số chu trình khác có thể lm giảm O3, trong đó các phản ứng xảy ra nhanh hơn... chọn sao cho t1 = t 2 = = t , thì ta cũng có t1 = t 2 = = t , t1 = t 2 = = t Nhng dĩ nhiên t t t , cụ thể l t > t > t Quãng đờng m các hạt có bán kính cực tiểu đi đợc trên phơng ngang sau khoảng thời gian t i , trong khoảng thời gian đó chúng nằm ở trong lớp z i , bằng c i t i Vì đoạn OB1 = c1 t , nên c1 t = c1 t t / t = OB1 t / t Hình 3. 4 Diện tích... vo mùa xuân (thờng lớn hơn 34 0 phần triệu), bắt đầu từ năm 19 79 vo tháng mời mỗi năm, cho đến tận 19 86, đã quan sát thấy sự giảm mạnh tổng hm lợng ôzôn lỗ thủng ôzôn đã hình thnh Diện tích lỗ thủng mỗi năm một lớn hơn, đạt tới một số triệu kilômet vuông vo các năm 19 8 419 85 Bắt đầu từ năm 19 82, ở tâm lỗ thủng bắt đầu hình thnh một vùng cực đại tơng đối hm lợng ôzôn (gần 250 phần triệu), xung quanh nó... ôzôn (thông tin đầy đủ hơn có trong các giáo trình chuyên môn khác) Ôzôn đợc quan sát thấy trong lớp từ mặt đất tới độ cao khoảng 70 km, nhng khối lợng chủ yếu của nó tập trung trong lớp 15 55 km v cực đại nồng độ ở lớp 2025 km Tổng hm lợng ôzôn ( X ) biểu diễn thnh một cột thẳng đứng, nếu qui nó về áp suất tiêu chuẩn (10 13 hPa) tại nhiệt độ 0 oC, dao động từ 1 đến 6 mm Đại lợng X đợc gọi l độ dy qui... độ gió biến đổi theo độ cao 1 diện tích rơi phóng xạ, 2 hiệu chỉnh do khuếch tán rối Nếu tăng OB1 lên t / t lần, ta sẽ tìm đợc vị trí điểm B1 của các hạt với bán kính r m tại thời điểm đầu tiên đã nằm ở ranh giới trên của lớp z1 Vì các đoạn B1 B2 , B2 B3 , cũng phải đợc tăng lên đúng chừng ấy lần, nên dễ dng chỉ ra rằng để xác 77 định vị trí của các điểm B2 , B3 , m các hạt từ ranh giới trên... phóng xạ ở 79 80 Hình 3. 6 Sơ đồ xây dựng vết mây phóng xạ trên mặt đất theo phơng pháp gió trung bình ( c = 6,7 m/s) Từ những lập luận v những thí dụ trên đây, suy ra rằng dự báo tình hình phóng xạ theo gió trung bình có thể sử dụng chỉ với t cách l phép gần đúng thứ nhất (khá thô) 3. 6 Vấn đề ôzôn khí quyển Ôxy ba nguyên tử (O3) gọi l ôzôn Mặc dù với lợng vô cùng nhỏ trong khí quyển, nó đang giữ vai . 2,7 2 ,1 0,7 10 0 14 ,6 11 ,0 6 ,1 1 3, 3 2,4 0,9 200 17 ,0 12 ,0 8,0 2 4,6 3, 7 1, 2 500 19 ,0 13 ,0 12 ,0 5 7,0 5,5 1, 7 1 000 21, 0 14 ,5 16 ,0 10 8,2 6,7 2 ,3 2 000 23, 0 15 ,0 22,0 20 10 ,0 8,2 3 ,1 5 000. gian 11 1 / wzt = . Trong đó, vết phóng xạ trên mặt đất trùng về hớng với vectơ tốc độ gió 1 c trong lớp ny (vectơ OB 1 trên hình 3. 3). Chiều di vết 1 l sẽ bằng 1 1 1 1 11 z w c tcl. phần triệu) vo các năm 19 611 962, cực đại (khoảng 30 8 phần triệu) các năm 19 7 219 74. Về trung bình theo nam bán cầu, trị số cực đại (gần 30 5 phần triệu) đạt vo năm 19 58, cực tiểu (gần 295 phần