Trong tầng bình lưu của khí quyển ở độ cao khoảng 18- 40 km, các khí ozone tập trung lại với mật độ cao tạo nên một lớp giàu khí ozone gọi là tầng ozone.. Ở tầng bình lưu Ôzôn chiếm mộ
Trang 1Tổng quát về khí về khí ozon
1 Cấu trúc phân tử:
- Công thức hóa học: O3
- Phân tử ozone gồm 3 nguyên tử oxi liên kết bằng liên kết cộng hóa trị với góc O-O =116,8o và độ dài liên kết là 1.278Ao, kém bền vững hơn O2
- Khối lượng phân tử: 47.998 g mol-1
- Tồn tại ở dạng khí có màu hơi xanh.
- Ở 0oC tồn tại ở dạng khí với mật độ khoảng 2.144g.L-1
- Khả năng hòa tan trong nước (ở 0oC): 0.105g 100mL-1
- Nhiệt độ nóng chảy: - 192.5 oC
- Nhiệt độ sôi: - 111.90C
2.Chức năng của khí ozone:
- Là thành phần chủ yếu cấu tạo nên tầng ozone Trong tầng bình lưu của khí quyển ở độ cao khoảng 18- 40 km, các khí ozone tập trung lại với mật độ cao tạo nên một lớp giàu khí ozone gọi là tầng ozone.
- Là nguồn cung cấp khí O2 tự nhiên cho khí quyển bởi một số quá trình như: sự phân ly quang hóa, tác dụng với oxy nguyên tử…
- Được dùng để khử trùng: quần áo của bệnh nhân ở bệnh viện sau khi giặt xong, các xí nghiệp sản xuất thức ăn, nước chứa Cl …
- Khử mùi của không khí ( ví dụ: không khí sau các vụ cháy…)
1
Trang 2h√ (λ =242 nm)
- Diệt vi khuẩn trong thức ăn hoặc tại các bề mặt tiếp xúc và nấm trong trái cây và rau tươi
- Khử các chất gây ô nhiễm trong nước
- Được dùng trong việc tổng hợp các chất hóa học khác
- Tuy nhiên, đối với con người, khi tiếp xúc với khí ozone ở hàm lượng thấp gây cay, đau nhói mắt, đau đầu, mệt mỏi Ở hàm lượng cao gây xuất huyết, phù nề, khô cổ họng, già hóa màng phổi
- Đối với thực vật: phá hoại tế bào lá, hạn chế quá trình trao đổi chất, giảm tốc độ sinh trưởng.
3 Các phản ứng hình thành và phân hủy ozone
a Ở tầng bình lưu
Ôzôn chiếm một thành phần quan trọng , lớp ôzôn này có tác dụng như một màng bảo vệ tia cực tím với các sinh vật trên trái đất
Ôzôn được tạo thành bởi phản ứng quang hóa theo các bước sau:
O + O2 + M O + M
Chất M hấp thu năng lượng dư thừa được giải phóng từ phản ứng trên làm cho phân tử O3 bền hơn.
Phản ứng phân hủy ôzôn:
Với λ< 334nm thì sự phân ly quang hóa của ôzôn là 1 quá trình phức tạp dẫn tới việc tạo nên oxy ở trạng thái kích hoạt theo phản ứng :
O3 O + O2
Cơ chế của phản ứng phân hủy ôzôn chưa được giải thích cặn kẻ nhưng người ta cho rằng phản ứng có thể do:
Phản ứng này tăng nhanh khi có mặt một chất xúc tác K nào đó
K + O3 KO + O2
313<λ < 360nm
Trang 3KO + O K + O2
O + O3 2O2
* K có thể là những gốc có họat tính khác nhau như oxyt nitơ, gốc hyđro, nguyên tử Clo….
• Với oxyt nitơ O3 + NO NO2 + O2 NO2 + O NO + O2
• Với gốc hydro
O3 + HO O2 + HOO˚
HOO˚ + O OH˚ + O2
• Với Clo:( do các khí lạnh bi phân ly, CFC, CFM )
Cl2 + O Cl˚ + ClO˚
b Ở tầng đối lưu
Ôzôn có nồng độ rất thấp ,chủ yếu là khuếch tán từ tầng bình lưu xuống hoặc do phản ứng hóa học của một
số thành phần khử trong không khí:
NO2 + h√ (202- 422nm)
NO + O
O + O2 + M O3 + M
Phản ứng phân hủy ôzôn :
• Do NOx :
O3 + NO NO2 + O2
→ Phản ứng này sẽ giải thích lí do tại các điểm giao thông thì hàm lượng ôzôn giảm đi( vì trong khói nhiên liệu có một phần đáng kể khí NOx).
• Do HO2
HO2 + O3 2O2
II Tổng quan về tầng khí quyển
3
Trang 4• Khái quát về bầu khí quyển:
- Khí quyển là lớp vỏ khí bao quanh Trái đất được cấu tạo bởi nhiều hợp chất khác nhau Thành phần và hàm lượng các chất này tùy thuộc vào điều kiện địa lý, khí hậu và phân bố theo chiều cao kể từ mặt đất trở lên.
- Càng lên cao áp suất càng giảm, ở độ cao100km, áp suất khí quyển chỉ bằng một phần triệu áp suất ở mặt đất.
- Cấu trúc của khí quyển có thể chia làm 2 phần:
• Phần trong gồm:tầng đối lưu, tầng bình lưu,tầng trung gian và tầng nhiệt(tầng ion).
• Phần ngoài chính là tầng điện ly.
• Các tầng được phân cách bởi những lớp mỏng gọi là lớp tạm dừng.
• Mỗi tầng khí quyển được đặc trưng bởi mức xác định của nhiệt độ và
áp suất với những đặc điểm riêng biệt của những hiện tượng vật lí, hóa học.
a Tầng đối lưu (trosposphere)
- Chiếm 70% khối lượng khí quyển Độ cao từ 0-11km,tính từ mặt đất Nhiệt độ từ + 40 đến -50◦C Tầng này quyết định khí hậu trái đất với thành phần chủ yếu là các khí: N2 (78.9%), O2 (20.94%), CO2 (0.03%) và hơi nước.
- Các dòng khí chuyển động theo chiều ngang lẫn chiều đứng,các chất
ô nhiễm sinh ra từ tự nhiên và họat động của con người dễ dàng bị xáo trộn để pha lõang hoặc biến đổi trong tầng đối lưu này.
- Phản ứng quan trọng trong tầng đối lưu là phản ứng tổng hợp quang hóa và phản ứng cố định nitơ để tổng hợp đạm.
b Tầng bình lưu (stratosphere):
- Độ cao từ 11-50 km Nhiệt độ từ -56 đến -2◦C Thành phần chủ yếu là O3, N2, O2 và một số gốc hóa học khác.
- Ozone đóng vai trò quan trọng trong tầng bình lưu, nó hoạt động như một lớp màng bao bọc bảo vệ trái đất khỏi những ảnh hưởng độc hại của tia tử ngọai từ Mặt trời chiếu xuống.
- Thời gian lưu của các phần tử hóa học ở vùng này khá lâu (do không khí xáo động chậm chạp, chỉ chuyển động theo phương nằm ngang) Vì vậy nếu có chất gây ô nhiễm bằng cách nào đó đi đến tầng bình lưu thì chúng sẽ gây nhiễm độc lâu dài nếu so sánh tác động của chúng với các chất khác ở tầng đối lưu dày đặc.
Trang 5Lớp oznone
- Sự tăng nhiệt độ ở tầng này có thể giải thích là do ôzôn ở đây hấp thụ tia tử ngoại và tỏa nhiệt
- Phản ứng chủ yếu ở tầng này là các phản ứng quang hóa của O3,O2,NOx,H2O sinh ra các gốc hóa học họat hóa, tiếp tục tham gia các phản ứng hóa học khác.
c Tầng trung lưu (mesosphere)
- Độ cao từ 50_80km Nhiệt độ từ -2 đến -92◦C Nhiệt độ giảm ở tầng này
có thể giải thích là do khả năng hấp thụ tia tử ngọai của các phân tử ôzôn giảm và ở mức độ thấp Thành phần chủ yếu là O2+,NO+,O+ và N2.
d Tầng nhiệt (thermosphere) hay tầng ion:
- Độ cao từ 85-100km Nhiệt độ từ -92 đến 1200◦C.
- Do tác dụng của bức xạ Mặt trời , nhiều phản ứng hóa học xảy ra với oxy,ôzôn, nitơ ,oxit nitơ, hơi nước, CO2…chúng được phân tách thàng nguyên tử sau đó ion hóa thành các ion O2-,O+, O,NO-,e-,CO32_ , NO2-, NO3- ,…và nhiều hạt bị ion hóa phản xạ sóng điện từ sau khi hấp thụ tia mặt trời ở vùng tử ngoại.
e Tầng điện ly hay tầng ngoài (exosphere):
- Độ cao lớn hơn 800km Nhiệt độ 1700◦C Thành phần :O+ ,He+, H+, các dòng plasma do mặt trời thải ra và bụi vũ trụ
III Tầng ozone và lỗ thủng tầng ozone
1 Quá trình hình thành tầng ozone
- Quá trình hình thành tầng ozone xảy ra vào thời
kỳ tiền khí quyển, cách đây khoảng 3 tỷ năm Khí
quyển sơ khai chỉ gồm N2 và H2 không có hơi
nước và O2 Quá trình tạo oxy trong khí quyển
cũng như hình thành tầng ozone là một giai đoạn
đặc biệt của lịch sử Trái Đất.
- Vào thời kỳ tiền khí quyển các chất hữu cơ đầu tiên xuất hiện dưới đáy đại dương, là do lớp nước có tác dụng lọc các tia tử ngoại và hầu như đại dương chứa các nguyên sinh dị bào kỵ khí tạo nên các chất hữu cơ nhờ quá trình lên men Sau đó, các chất hữu cơ được tổng hợp nhờ nguồn năng lượng bên ngoài thông qua quá trình tổng hợp quang học
và giải phóng oxy Trong quá trình này chất diệp lục có vai trò quyết định quan trọng Những các chất hữu cơ từ những chất có thế năng khử tương đối thấp rất nhạy cảm với sự oxy hóa bời oxy Sự không cân bằng hóa địa trên trái đất là động lực thúc đẩy của quá trình tạo oxy (oxy là chất oxy hóa, Fe2+và S2- là chất khử) Với sự phát triển của
5
Trang 6những chất này, oxy được tách ra nhờ phản ứng với Fe2+ hòa tan trong nước, quá trình dẫn tới việc tách các oxyt Fe3+ nằm trong đá và silicat trong các lớp đá trầm tích Do đó hàm lượng oxy trong khí quyển trong giai đoạn này tăng nhưng rất chậm.
- Khi phân tử abumin đầu tiên được tổng hợp, đó là những chất có thể trao đổi oxy sinh ra ở các vị trí nằm trong cấu tạo của chúng thì chu kỳ thứ 3 của sự tiến triển trái đất bắt đầu Các chất hữu cơ hữu sinh phát triển rất nhanh, trước hết là ở trong các đại dương Oxyt Fe2+ được oxy hóa với khối lượng lớn Hàm lượng oxy trong khí quyển tăng liên tục và đạt 1% hàm lượng oxy trong khí quyển như ngày nay ở giai đoạn này phần lớn oxy được sử dụng để lien kết với các chất có tính khử trong khí quyển và trong vỏ ngoài cùng của trái đất.
- Cùng với quá trình này có sự tạo thành oxy nguyên tử và ozone là
do phản ứng quang hóa của phân tử oxy:
O2 h√ ( λ = 242 nm ) O + O
O + O2 + M (N2,O2) O3 + M
- Trong đó M là một phần tử nhân năng lượng giải phóng để ngăn cản quá trình phân ly của phân tử ozone.
- Phân tử ozone sau khi được tạo thành khuyếch tán vào tầng bình lưu, tập trung tích lũy thành tầng ozone Ngày nay không thể tìm thấy ở gần bề mặt trái đất một dạng tạo thành ozone như mô tả ở trên vì một phần đáng kể các tia năng lượng mặt trời (λ ≤ 340nm)
đã bị hấp thụ bởi lượng ozone của tầng bình lưu) theo cơ chế sau: O3 h√ ( λ ≤340 nm ) O2 + O
- Như vậy, khi tầng ozone hình thành các tia tử ngoại bị hấp thụ và tốc độ sinh ra oxy tăng lên do việc tạo thành các chất hữu cơ quang học trên trái đất và trong đại dương tăng lên dần và đạt giá trị như ngày nay Khi đó, sự tiến triển của khí quyển cũng như quá trình hình thành tầng ozone kết thúc
Vai trò của tầng ozone:
Tầng ozone có 2 chức năng cơ bản:
• Tầng ozone hấp thụ các tia UV B
• Tia tử ngoại của mặt trời gồm các tia:
- UV A: λ = 320-400 nm : tới được mặt đất
- UV B: λ = 290-320 nm : không tới được mặt đất do tầng ozone hấp thụ Ozone có khả năng hấp thụ cao nhất đối với bước sóng 600nm ở tia nhìn thấy và bước sóng 254nm
Trang 7- UV C: λ < 290nm : tầng mesosphere hấp thụ
• Theo nghiên cứu của các nhà khoa học thì tia UV B là tác nhân gây ra các đột biến gen của các tế bào da, các bệnh ngoài da Tầng ozone chỉ dày 2-3mm nhưng có tác dụng như một màng bảo vệ bức xạ cực tím đối với các sinh vật trên trái đất Tầng ozone được xem là cái ô bảo vệ loài người và thế giới động vật tránh khỏi tai họa do bức xạ tia
tử ngoại của mặt Trời gây ra.
• Ngoài ra, Ozon là thành phần cơ bản cần thiết của khí quyển vì nó có khả năng hấp thụ một phần tia tử ngoại và vì vậy năng lượng sẽ được tích trữ ở tầng cao của khí quyển Điều này sẽ có tác dụng quan trọng đối với thời tiết và sinh thái của Trái đất.
Thủng tầng ozone (ozone hole)
a Nguyên nhân thủng tầng ozone: có 3 nguyên nhân
- Nguyên nhân thứ nhất là do sử dụng chất frêon, dẫn xuất của halogen với mêtan, êtan Ví dụ: ClFCH2, Cl2F2C… Frêon được dùng nhiều trong
kỹ thuật và đời sống (tủ lạnh, dung môi mỹ phẩm, sơn, tẩy rửa…), chúng là khí trơ đối với các phản ứng hóa học, lý học thông thường Khi thải vào tầng đối lưu, chúng khuếch tán chậm chạp sang tầng bình lưu Dưới tác dụng của các tia tử ngoại, chúng phân ly và tạo ra các nguyên tử clo tự do, mỗi nguyên tử clo lại phản ứng dây chuyền với hàng trăm ngàn phân tử ozone và biến ozone thành oxy:
CF2Cl2 + hv ClO + CF2ClO
Cl0 +O3 ClO0 + O2
ClO0 +O Cl0 + O2
- Nguyên nhân thứ hai có thể là do Cl2 hoặc HCl sinh ra từ các quá trình
tự nhiên (núi lửa) và nhân tạo trực tiếp đi vào tầng bình lưu Cl2 tác dụng với tia tử ngoại và HCl phản ứng với OH tạo ra clo nguyên tử Cl0 tác dụng với ozone làm phân hủy ozone:
Cl2+ hν Cl0 +Cl0
Cl0 + O3 ClO0 +O2
ClO + hν Cl* +O
ClO +O Cl0 + O2
Hoặc: HCl + OH0 H2O + Cl0
Cl0 + O3 ClO0 + O2
ClO0 + O Cl0 + O2
7
λ
<303,5
Trang 8Nếu trong khí quyển có tồn tại CH4 và NO2 thì sẽ xảy ra các phản ứng sau giữa Cl* và ClO* với chúng:
Cl0 + CH4 HCl + CH30 (tạo mưa acid)
ClO0 + NO2 Cl O N
O
O
Clorinitrat
Clorinitrat là hợp chất tương đối bền, nó rất có ý nghĩa đối với việc làm giảm chu trình phân hủy ozone do giảm việc tạo thành Cl0 qua phản ứng với NO2.
- Nguyên nhân thứ 3 là do các khí sinh ra bởi các hoạt động nhân tạo như: CO,CH4,NOx và các hoạt chất hữu cơ (khói quang hóa) Các chất này tham gia phản ứng với các gốc tồn tại ở tầng bình lưu trở thành chất hoạt hóa và tham gia quá trình phân hủy ozone.Ví dụ:
NO xuất hiện do quá trình oxy hóa N2 và O2 dưới ảnh hưởng của việc phóng điện trong khí quyển.
N2O ở bề mặt trái đất sinh ra do kết quả của các hoạt động vi sinh (quá trình phân hủy các chất hữu cơ bằng vi khuẩn, quá trình khử nitrat bằng sinh học).Ở tầng đối lưu, N2O có khả năng phản ứng rất yếu Khi N2O phát tán lên tầng bình lưu và hấp thu các tia tử ngoại sóng ngắn hoặc bị phân ly bởi nguyên tử oxy hoạt hóa thì ta có chuỗi phản ứng:
N2O + hv NO + N
N2O + O 2NO
N2O + O N2 + O2
NO sinh ra trong khí quyển sẽ tham gia vào vòng phân hủy ozone
O3 + NO NO2 + O2
NO2 + O3 NO + O2
Hay:
CO + OH0 +CO2 CO2 + HOO0
HOO0 + O3 HO0 + O2
- Như vậy, sự giảm 40% nồng độ ozone ở các cực Trái đất mà các nhà khoa học đã ghi nhận được có thể là do con người đã sử dụng quá nhiều chất tải lạnh frêon, các chất sinh ra từ hoạt động của con người như:CO,CH4, NOx, Cl2, HCl,…
Trang 9- Các hoạt động của con người đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra NOx trong tầng bình lưu Nhờ trở lực thấp nên các máy bay phản lực siêu âm bay trong tầng bình lưu đạt được tốc độ siêu âm nhưng nó lại thải ra một lượng lớn NOx, Lượng NOx này sẽ tham gia vào các phản ứng quang hóa và góp phần thúc đẩy quá trình phân hủy ozone và làm thủng tầng ozone.
b Lịch sử của lỗ thủng tầng ozone.
Sau khi phát hiện ra lỗ thủng tầng ozone cách đây hơn 20 năm Từ đó đến nay qua các năm các nhà khoa học đã theo dõi và đo sự lớn lên cũng như nhỏ lại của lỗ thủng tầng ozone ở Nam Cực và có được kết quả như sau.
Năm 1979: Các nhà khoa học của NASA bắt đầu đo
lỗ thủng tầng ozone bằng vệ tinh lần đầu tiên
Năm 1998 Lỗ thủng lớn đã che phủ hơn 10,5 triệu dặm vuông (27.19 triệu km2) vào tháng 9 năm 1998 Đó là kích thước lớn kỷ lục của lỗ thủng tầng
ozone trước năm 2000
Năm 2000 Lỗ thủng tầng ozone khổng lồ đạt tới 11,4 triệu dặm
vuông (29.53 triệu km2) vào tháng 9 năm 2000 Đó là lỗ thủng lớn
nhất đã từng đo được Diện tích của nó xấp xỉ ba lần diện tích nước
Mỹ Sở dĩ vậy là do trong năm 2000 thời tiết của trái đất có gió lặng
và lạnh bất thường.
Năm 2001 Vào tháng 9 năm 2001, lỗ thủng tầng ozone bao phủ
khoảng 10 triệu dặm vuông (25.9 triệu km2) nhỏ hơn năm 2000,
nhưng nó vẫn lớn hơn tổng diện tích của Nước Mỹ, Canada và
Mexico
Năm 2002 Lỗ thủng tầng ozone có thu hẹp lại và tháng 9 năm 2002 là
lỗ thủng nhỏ nhất từ năm 1998 Không những nhỏ hơn năm 2000 và
2001, mà còn tách ra thành 2 lỗ riêng biệt Điều này được giải thích là
có thể do điều kiện nóng ấm không bình thường và sự phân tách có
thể do các khu vực thời tiết của tầng bình lưu khác thường trong năm
2002.
9
Trang 10Năm 2003 Lỗ thủng tầng ozone che phủ 11,1 triệu dặm vuông (28 triệu km2), và là lỗ thủng kỷ lục đứng thứ hai sau lỗ thủng năm 2000
Năm 2004 Tháng 9 năm 2004, lỗ thủng là 9,4 triệu dặm vuông (24.35
triệu km2) Lỗ thủng này nhỏ hơn năm 2003 do có thể thời tiết Cực
Nam tương đối ấm hơn những năm khác
Năm 2005 Lỗ thủng ở tầng ozone phía trên Cực Nam xuất
hiện lớn hơn năm 2004 nhưng vẫn nhỏ hơn năm 2003 vì
theo số liệu về thời tiết của Tổ chức Khí tượng Thế giới
(WMO) cho thấy mùa đông 2005 ấm hơn năm 2003, nhưng
lạnh hơn năm 2004 Lỗ thủng năm 2005 che phủ khoảng
10 triệu dặm vuông (25.9 triệu km2) Kích thước lỗ thủng
năm 2005 gần mức trung bình năm 1995-2004 và diện tích
này tương đương diện tích toàn bộ Châu Âu
Năm 2006: vào tháng 10 thì diện tích lỗ thủng đo đựợc là
17.6 triệu km2 Như vậy, tính tới năm 2005 thì lỗ thủng
tầng ozone lớn nhất đo được là vào năm 2000 với 29.53
triệu km2
c Hiện trạng thủng tầng ozone
- Ngày nay, diễn biến lớn lên hay thu nhỏ lại của tầng ozone rất thất thường đơn cử như vào đầu tháng 9 năm nay theo một thông cáo đầu tiên của Tổ chức Khí tượng Thế giới (OMM), lỗ thủng tầng ozone phía trên Nam cực đã xuất hiện sớm hơn thường lệ Cũng theo dự báo thì lỗ thủng này đã đạt mức tối đa vào tháng 8 với diện tích là gần 27 triệu kilomet vuông và sau đó bắt đầu co lại theo thường lệ.
- Không chỉ riêng ở Nam Cực, Bắc Cực cũng đã xuất hiện lỗ thủng từ nhiều năm trước đây và cũng đang lớn dần lên trong những năm gần đây tuy nhiên do thời tiết không giá lạnh bằng Nam Cực nên lỗ thủng tầng ozone không nghiêm trọng bằng ở Nam Cực Đơn cử như sau năm 1980 thì các nhà khoa học thậm chí còn không tìm thấy ozon trong các mẫu khí lấy ở lỗ hổng tầng ozon ở Nam cực Trong khi đó, hiện tượng mất ozon ở Bắc cực xảy ra không thường xuyên và ngay cả khi thời điểm mất ozon cao nhất cũng chưa đạt mức độ báo động ở Bắc bán cầu