Hoá môi trường - Chương 2: Khí quyển và hóa học của khí quyển

Hoá môi trường - Chương 2: Khí quyển và hóa học của khí quyển

CHƯƠNG KHÍ QUYỂN VÀ HĨA HỌC CỦA KHÍ QUYỂN 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHÔNG KHÍ 2.1.1 Cấu trúc khí Khí lớp không khí bề mặt trái đất, giới hạn, nhiên so với chiều dày trái đất (đường kính trái đất khoảng 6500km) lại lớp da mỏng bao quanh đất 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHÔNG KHÍ 2.1.1.1 Tầng đối lưu Tầng đối lưu (troposphere) chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển, độ cao từ đến 11 km, lên cao nhiệt độ giảm Độ cao tầng đối lưu thay đổi khoảng vài km, tùy thuộc vào yếu tố, nhiệt độ, bề mặt đất (khoảng km hai cực, 18 km vùng xích đạo) Tầng định khí hậu Trái đất, thành phần chủ yếu N2, O2, CO2 nước 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHÔNG KHÍ 2.1.1.1 Tầng đối lưu Khí khí tập trung chủ yếu tầng đối lưu, với khối lượng khoảng 4,12.1015 so với tổng khối lượng khí khí 5,15×1015 Mật độ khơng khí nhiệt độ tầng đối lưu khơng đồng Mật độ khơng khí giảm nhanh theo độ cao (hàm số mũ)  Nếu khơng bị nhiễm, nhìn chung thành phần khí tầng đối lưu đồng nhất, có dịng đối lưu liên tục khối khơng khí tầng Tầng đối lưu vùng xốy, có cân tốc độ sưởi ấm làm lạnh vùng xích đạo hai đầu cực 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHÔNG KHÍ 2.1.1.1 Tầng đối lưu Phần tầng đối lưu có nhiệt độ thấp (vào khoảng −56°C) gọi đỉnh tầng đối lưu lớp dừng (tropopause), đánh dấu kết thúc xu hướng giảm nhiệt theo độ cao tầng đối lưu, bắt đầu có tăng nhiệt độ Ở đỉnh tầng đối lưu nhiệt độ thấp, nước bị ngưng tụ đơng đặc nên khơng thể khỏi tầng khí thấp Nếu khơng có đỉnh tầng đối lưu, đóng vai trị chắn hữu hiệu, nước bay lên tầng khí bên bị phân tích tác dụng xạ tử ngoại có lượng lớn Hydro tạo thành phản ứng phân tích khỏi khí (hầu hết hydro heli vốn có khí khỏi khí theo đường này) 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.1.2 Tầng bình lưu Tầng bình lưu (stratosphere) độ cao từ 11 đến 50 km, nhiệt độ tăng theo độ cao, từ − 56°C đến khoảng −2°C Thành phần chủ yếu tầng O3, ngồi cịn có N2, O2 số gốc hóa học khác Phía đỉnh tầng đối lưu phần tầng bình lưu tầng ozon, nhiệt độ tầng gần không đổi 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHÔNG KHÍ 2.1.1.2 Tầng bình lưu Ozon vùng đóng vai trị quan trọng, có tác dụng chắn bảo vệ cho sống bề mặt Trái đất, tránh tác dụng có hại tia tử ngoại từ ánh sáng Mặt trời O3 + hν (λ: 220 − 330 nm) → O2 + O + Q (làm tăng nhiệt độ) Trong tầng bình lưu, khơng khí bị khuấy động, thời gian lưu phần tử hóa học vùng lớn Nếu chất gây ô nhiễm cách xâm nhập vào tầng này, chúng tồn gây ảnh hưởng tác động thời gian dài nhiều so với ảnh hưởng chúng tầng đối lưu 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHÔNG KHÍ 2.1.1.3 Tầng trung lưu Tầng trung lưu (tầng trung quyển, mesosphere) độ cao từ 50 km đến 85 km, nhiệt độ giảm theo độ cao, từ − 2°C đến − 92°C, khơng có nhiều phần tử hóa học hấp thụ tia tử ngoại, đặc biệt ozon Thành phần hóa học chủ yếu tầng gốc tự O2+, NO+ tạo thành oxy nitơ oxit hấp thụ xạ tử ngoại xa 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHÔNG KHÍ 2.1.1.4 Tầng nhiệt lưu  Tầng nhiệt lưu (tầng nhiệt, tầng ion, thermosphere), độ cao từ 85 đến 500 km Nhiệt độ tầng tăng từ − 92°C đến 1200°C Trong tầng này, tác dụng xạ Mặt trời, nhiều phản ứng hóa học xảy với oxy, ozon, nitơ, nitơ oxit, nước, CO2 , chúng bị phân tách thành nguyên tử sau ion hóa thành ion O2+, O+, O, NO+ , e-, NO2-, NO3-, nhiều hạt bị ion hóa phản xạ sóng điện từ sau hấp thụ xạ Mặt trời vùng tử ngoại xa (UV-C, λ < 290 nm) 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ NGOÀI RA Ngồi tầng trên, người ta cịn có khái niệm tầng điện ly hay tầng ngồi (exosphere) tầng ion (ionosphere) Tầng bao quanh Trái đất độ cao lớn 800 km, có chứa ion oxy O+ (ở độ cao < 1500 km), heli He+ (< 1500 km) hydro H+ (> 1500 km) Một phần hydro tầng tách vào vũ trụ (khoảng vài nghìn năm) Mặt khác, dòng plasma Mặt trời phát bụi vũ trụ (khoảng g/km2) vào khí Trái đất Nhiệt độ tầng tăng nhanh đến khoảng 1700°C 2.3 Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 2.3.1 Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.3 Các chất nhiễm khí + Tác động vật lý bụi lên khí V= Trong đó: g.d2 (ρ1 − ρ ) 18.η V: tốc độ lắng, cm/s g: gia tốc trọng trường, cm/s2 ρ1: khối lượng riêng hạt bụi, g/cm3 ρ2: khối lượng riêng khơng khí, g/cm3 µ: độ nhớt khơng khí, poise d: đường kính hạt 2.3 Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1 Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.3 Các chất nhiễm khí + Tác động vật lý bụi lên khí  Kích thước hạt bụi thường thể đường kính hạt bụi, đơi người ta biểu thị bán kính hạt Tốc độ lắng bụi hàm phụ thuộc kính thước hạt bụi khối lượng riêng Tốc độ lắng quan trọng việc xác định ảnh hưởng bụi khí Với hạt bụi hình cầu có đường kính lớn xấp xỉ µm, q trình lắng tn theo định luật Stock 2.3 Ơ NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 2.3.1 Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.3 Các chất nhiễm khí + Tác động vật lý bụi lên khí  Định luật Stock sử dụng để biểu thị ảnh hưởng đường kính hạt bụi có dạng khơng hình cầu Những đường kính gọi đường kính Stock  Hầu hết loại sol khí khơng biết đường kính khối lượng riêng  Nếu giả sử khối lượng riêng khơng khí g/cm3, đường kính tính theo phương trình gọi đường kính sa lắng rút gọn 2.3 Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2 Hậu nhiễm khơng khí - Mưa acid - Hiệu ứng nhà kính - Suy giảm tầng ozon 2.3 Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 2.3.2 Hậu quả của nhiễm khơng khí 2.3.2.1 Mưa acid  Mưa acid kết hợp mưa, sương mù, tuyết, mưa đá với oxit lưu huỳnh, oxit nitơ sinh q trình đốt cháy nhiên liệu khống tạo thành acid sunfuric, acid nitric có nồng độ lỗng (pH < 5,6), theo mưa tuyết rơi xuống Mặt đất  Các nguy hại mưa acid chủ yếu làm cho sơng hồ bị acid hố, cối bị khô héo, loại cá bị chết, đe dọa sức khỏe người  Dựa vào di chuyển gió, mây mưa acid từ vùng đến vùng khác nên phạm vi nguy hại rộng lớn 2.3 Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 2.3.2 Hậu quả của ô nhiễm khơng khí 2.3.2.1 Mưa acid 2.3 Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 2.3.2 Hậu quả của nhiễm khơng khí 2.3.2.1 Mưa acid 2.3 Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2 Hậu quả của nhiễm khơng khí 2.3.2.1 Mưa acid 2.3 Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 2.3.2 Hậu quả của ô nhiễm không khí 2.3.2.2 Hiệu ứng nhà kính  Nhiệt độ Trái đất định cân lượng Mặt trời và lượng xạ nhiệt từ bề mặt Trái đất  Bức xạ nhiệt Mặt trời xạ sóng ngắn dễ dàng xuyên qua lớp khí nhà kính (CO2, NOx, CH4, CFC ), xạ nhiệt từ Trái đất xạ nhiệt sóng dài nên khơng thể xun qua lớp khí nhà kính này, làm cho nhiệt độ khí quanh Trái đất nóng lên gọi hiệu ứng nhà kính 2.3 Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2 Hậu quả của nhiễm khơng khí 2.3.2.2 Hiệu ứng nhà kính Hình 2.14 Hiệu ứng nhà kính 2.3 Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 2.3.2 Hậu quả của ô nhiễm khơng khí 2.3.2.2 Hiệu ứng nhà kính Hình 2.15 Các nguồn gây hiệu ứng nhà kính 2.3 Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 2.3.2 Hậu quả của nhiễm khơng khí 2.3.2.2 Hiệu ứng nhà kính  Gia tăng số lượng khí nhà kính CO2, CFC, ơzơn (O3), NO2, N2O Tỉ lệ tác động chúng hiệu ứng nhà kính là: CO2: 50%, CFC: 20%, CH4: 16%, O3:8%, N2O:6%  Các khí khơng hấp thu xạ Mặt trời nên xạ hồng ngoại từ Trái đất bị khí nhà kính hấp thu, ngăn khơng cho lượng ngồi khơng gian, khiến cho nhiệt độ khí tăng lên, sinh hiệu ứng nhiệt  Các khí nhà kính khí có khả hấp thu xạ hồng ngoại Như trình bày phần trước, khí nitơ, oxy argon 2.3 Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2 Hậu quả của nhiễm khơng khí 2.3.2.3 Sự suy giảm tầng ơzơn  Suy giảm tầng ơzơn việc đưa vào bầu khí số khí thải có tác dụng làm suy giảm tầng ôzôn  Hiện nay, tầng ôzôn khí Trái đất ngày mỏng  Những chất gây suy giảm tầng ozôn Việc sử dụng rộng rãi chất CFC (Chloroflourcarbons) Hợp chất oxit nitơ  Phương sách bảo vệ tầng ơzơn có hiệu bước giảm dần tới cấm hẳn việc sản xuất sử dụng CFC hợp chất hóa học phá hoại tầng ơzơn 2.3 Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 2.3.2 Hậu quả của nhiễm khơng khí 2.3.2.3 Sự suy giảm tầng ơzơn Hình 2.20 Lỗ thủng tầng ơzơn 2.3 Ơ NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 2.3.2 Hậu quả của nhiễm khơng khí 2.3.2.4 Biến đổi khí hậu  Tất yếu tố góp phần làm cho thiên nhiên khả tự điều chỉnh vốn có Trái đất nóng lên mang lại tác động bất lợi sau đây:  Mực nước biển dâng cao  Thời tiết Trái đất bị đảo lộn Hình 2.21 Diễn biến nhiệt độ khí theo thời gian ... TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ Hình 2.2 Sự biến đổi nhiệt độ khí 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ Hình 2.3 Sự biến đổi áp suất khí 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ. .. Kr N2O H2 18 5,2 1,0 - 1,5 1,1 0,5 0,5 200 - 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ Hình 2.4 Thành phần khí 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHÔNG KHÍ Thời gian lưu định... O+, O, NO+ , e-, NO 2-, NO 3-, nhiều hạt bị ion hóa phản xạ sóng điện từ sau hấp thụ xạ Mặt trời vùng tử ngoại xa (UV-C, λ < 290 nm) 2.1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ NGOÀI