GIÁO TRÌNH môn hóa môi TRƯỜNG

Khái niệm hệ sinh thái Vậy hệ sinh thái là tập hợp của quần xã sinh vật với môi trường vật lý mà nó tồn tại, ở đó các sinh vật tương tác với nhau và với môi trường để phát triển ổn định

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP TUY HOÀ

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ

TÀI LIỆU GIẢNG DẠY HỌC PHẦN HÓA MÔI TRƯỜNG DÙNG CHO SINH VIÊN CAO ĐẲNG

(LƯU HÀNH NỘI BỘ) PHÚ YÊN – 2011

CHƯƠNG 1: SINH THÁI VÀ MÔI TRƯỜNG

1.1 Sinh thái

1.1.1 Lịch sử phát triển và ý nghĩa của môn sinh thái học

Có thể tóm tắt lịch sử phát triển sinh thái học như sau

- Thời kỳ trước thế kỷ XIX :

Ngay từ những thời kỳ lịch sử xa xưa con người đã có những hiểu biết nhất định về “Sinhthái học” dù rằng họ không biết thuật ngữ này

Có thể nêu lên những công trình có đề cập đến sinh thái học như sau: Trong những côngtrình của nhà bác học Aristote (384 - 322 TCN) và các triết gia cổ Hy Lạp đều có nhiều dẫnliệu mang tính chất sinh thái khá rõ nét Trong công trình của mình, Aristote đã mô tả 500loài động vật cùng với các đặc tính như di cư, sự ngủ đông của các loài chim, khả năng tự

vệ của mực, các hoạt động xây tổ của chim

Hoặc như E Theophrate (371-286 TCN), người khai sinh môn học thực vật học đã chú ýđến ảnh hưởng của thời tiết, màu đất đến sự sinh trưởng, tuổi thọ của cây và thời kỳ quảchín, tác động qua lại giữa thảm thực vật với địa hình, địa lý Ông đã sử dụng các đặc điểmsinh thái làm cơ sở cho việc phân loại thực vật

B.G Lamark (1744-1829) là người đưa ra học thuyết tiến hóa đầu tiên, ông đã cho rằngảnh hưởng của các yếu tố môi trường là một trong những nguyên nhân quan trọng đối với

sự thích nghi và sự tiến hóa của sinh vật

- Thời kỳ thế kỷ XIX : Phải nói đây là thời kỳ phồn thịnh của sinh thái học, trong thời kỳnày đã có nhiều công trình nghiên cứu, nhiều tư liệu về sinh thái học Có thể nêu ra một sốnhà khoa học tiêu biểu :

A Hurmboldt (1769 - 1859) chú ý đến những điều kiện địa lý đối với thực vật

K Glogher (1833) viết về sự thay đổi của chim dưới ảnh hưởng của khí hậu

K Bergmann (1848) nói về qui luật thay đổi kích thước của các động vật máu nóng theovùng phân bố địa lý;

C Darwin (1809-1872) với tác phẩm nổi tiếng “Nguồn gốc của các loài do chọn lọc tựnhiên hay là sự bảo tồn các nòi thích nghi trong đấu tranh sinh tồn” cùng với một số côngtrình khác là những bằng chứng phong phú và hùng hồn cho học thuyết tiến hóa của ông

Đó cũng là nền móng của sinh thái học

Người đề xuất thuật ngữ “Sinh thái học” là nhà sinh học người Đức - E Haeckel 1919) trong quyển sách “ Sinh thái chung của cơ thể” Ông xác định sinh thái học là khoahọc chung về quan hệ giữa sinh vật và môi trường Ông cũng chính là người ủng hộ tíchcực học thuyết tiến hóa của C Darwin

(1834-Từ nửa sau của thế kỷ XIX, nội dung nghiên cứu của sinh thái học chủ yếu là các nghiêncứu về đời sống của động thực vật và sự thích nghi của chúng với nhân tố khí hậu Tiêubiểu như E Warming (Đan Mạch) trong công trình “Địa lý sinh thái thực vật” (1895) Thời kỳ từ thế kỷ XX đến nay: Đây là thời kỳ sinh thái học ngày càng được nghiên cứu sâu

Sự phát triển của hệ sinh thái đã làm cơ sở cho một học thuyết mới về sinh quyển do nhàkhoa học người Nga V.I Vernadki đề ra

Ý nghĩa của sinh thái học

Trong cuộc sống, sinh thái học đã có những thành tựu to lớn được con người ứng dụng vàonhững lĩnh vực như:

- Nâng cao năng suất vật nuôi và cây trồng trên cơ sở cải tạo các điều kiện sống của chúng

- Hạn chế và tiêu diệt các dịch hại, bảo vệ đời sống cho vật nuôi, cây trồng và đời sống của

cả con người

- Thuần hoá và di giống các loài sinh vật

- Khai thác hợp lý tài nguyên thiên nhiên, duy trì đa dạng sinh học và phát triển tài nguyêncho sự khai thác bền vững

- Bảo vệ và cải tạo môi trường sống cho con người và các loài sinh vật sống tốt hơn

Sinh thái học giờ đây là cơ sở khoa học, là phương thức cho chiến lược phát triển bền vữngcủa xã hội con người đang sống trên hành tinh kỳ vĩ này của Hệ thái dương

1.1.2 Khái niệm hệ sinh thái

Vậy hệ sinh thái là tập hợp của quần xã sinh vật với môi trường vật lý mà nó tồn tại,

ở đó các sinh vật tương tác với nhau và với môi trường để phát triển ổn định theo thời gian thông qua hoạt động của các chu trình sinh địa hoá và sự biến đổi năng lượng.

Hệ sinh thái trở thành một bộ phận cấu trúc của một hệ sinh thái duy nhất toàn cầu hay còngọi là sinh quyển (biosphere)

VD : Hệ sinh thái rừng quốc gia Cúc Phương, rừng ngập mặn, hệ sinh thái vùng cửa sông,

rạn san hô…

1.1.3 Cấu trúc của hệ sinh thái

Một hệ sinh thái điển hình được cấu trúc bởi các thành phần cơ bản sau đây:

- Sinh vật sản xuất (Producer - P)

- Sinh vật tiêu thụ (Consumer - C)

- Sinh vật phân hủy (Decomposer - D)

- Các chất vô cơ (CO2, O2 , H2O, CaCO3 )

- Các chất hữu cơ (protein, lipid, glucid, vitamin, enzym, hoocmon,…)

- Các yếu tố khí hậu (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, lượng mưa )

- Sinh vật phân hủy

+ Sinh vật sản xuất (Producer - P) là những sinh vật tự dưỡng (autotrophy), gồm các loàithực vật có màu xanh và một số nấm, vi khuẩn có khả năng quang hợp hoặc hóa tổng hợp.Chúng là thành phần không thể thiếu được trong bất kỳ hệ sinh thái hoàn chỉnh nào

+ Sinh vật tiêu thụ (Consumer - C ) là những sinh vật dị dưỡng (heterotrophy) bao gồm tất

cả các loài động vật và những vi sinh vật không có khả năng quang hợp và hóa tổng hợp,nói một cách khác, chúng tồn tại được là dựa vào nguồn thức ăn ban đầu do các sinh vật tựdưỡng tạo ra

Tuỳ theo đặc điểm tiêu thụ, sinh vật tiêu thụ được chia ra:

- Sinh vật tiêu thụ bậc 1 (C1): bao gồm những loài động vật ăn thực vật

- Sinh vật tiêu thụ bậc 2 (C2): Bao gồm sinh vật ăn thịt, sử dụng sinh vật tiêu thụ bậc 1 làmthức ăn

- Sinh vật tiêu thụ bậc 3 và bậc 4 (C3 và C4) có thể là sinh vật ăn thịt, sử dụng sinh vật tiêuthụ bậc 2 làm thức ăn Cũng có thể là ký sinh trùng sống ký sinh trên sinh vật tiêu thụ bậc1hoặc bậc 2 hoặc động vật ăn xác chết

+ Sinh vật phân hủy (Decomposer - D) là tất cả các vi sinh vật dị dưỡng, sống hoại sinh(saprophy) : vi sinh vật đất, nấm Chúng phân hủy các chất phức tạp, giải phóng ra môitrường những khoáng chất đơn giản hoặc các nguyên tố hóa học ban đầu tham gia vào chutrình (như CO2, O2, N2 )

1.1.4 Bản chất của hệ sinh thái

- Hệ sinh thái tồn tại một cách độc lập với các thành phần cấu tạo nên nó

- Các thành viên cấu trúc nên hệ tồn tại và phát triển hoàn toàn phụ thuộc vào nhau

- Một hệ sinh thái bất kỳ hay mỗi thành viên cấu trúc nên hệ có chức năng riêng, đều hoạtđộng nhịp nhàng để tạo nên hoạt động chức năng của cả hệ thống

- Hệ sinh thái là hệ động lực hở, tự điều chỉnh

1.1.5 Quá trình tổng hợp và phân huỷ vật chất trong hệ sinh thái

1.1.5.1 Quá trình tổng hợp vật chất

a Quang hợp của cây xanh

Nhờ có chất diệp lục mà thực vật và tảo là sinh vật duy nhất trên hành tinh lấy CO2 và nănglượng mặt trời để tổng hợp thành chất hữu cơ

CO2 + 12 H2O + năng lượng mặt trời (C6H12O6) + 6H2O + 6O2

b Quang hợp của vi khuẩn

Ngoài quang hợp của thực vật còn có sự đóng góp của các nhóm vi khuẩn mang màu choquá trình sản xuất chất hữu cơ như vi khuẩn lưu huỳnh màu xanh hay màu đỏ(Chlorobacteriaceae, Thiorhodaceae) Phần lớn chúng sống trong nước ngọt và nước mặn,nơi được chiếu sáng

Trong quang hợp của vi khuẩn, chất bị oxi hoá (cho điện tử) không phải là nước mà lànhhững chất vô cơ hay hữu cơ chứa lưu huỳnh như H2S

Chlorophil

2H2O + 3O2 + 2S  2H2SO4

c Hoá tổng hợp của vi khuẩn

Một quá trình nữa được nhắc đến trong thành phần của nhóm sinh vật sản xuất là quá trìnhhoá tổng hợp do một số nhóm vi khuẩn xác định Các vi khuẩn hoá tổng hợp lấy nănglượng từ phản ứng oxi hoá các hợp chất vô cơ để đưa cacbondioxit vào trong thành phầncủa tế bào chất Những hợp chất hữu cơ đơn giản trong hoá tổng hợp được biến đổi, chẳnghạn, từ NH3 thành nitrit, nitrit thành nitrat, sắt II thành sắt III…

Sự oxi hóa nitrat

- Bước đầu: Biến đổi amôni hay amoniac thành nitrit nhờ vi khuẩn nitrosomonas

- Chemolithoautotroph (vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn lưu huỳnh không màu, một số

vi khuẩn sinh khí metan và vi khuẩn oxi hoá sắt) sử dụng năng lượng nhờ sự oxi hoá NH3,

d Hiệu quả của quá trình tổng hợp vật chất

Trong đời sống của thực vật, năng lượng kiếm được từ quang hợp sử dụng cho các quátrình tự duy trì, tăng trưởng và hô hấp rất thay đổi

Trên cơ sở nhiều khảo nghiệm, năng lượng sử dụng của sinh vật tự dưỡng được đánh giá từ

30-40% tổng sản lượng sinh học sơ cấp (sản lượng sơ cấp thô P G ); Còn lại khoảng 60-70% được dùng làm thức ăn cho các loài sinh vật dị dưỡng gọi là sản lượng sơ cấp tinh

P N (năng lượng sơ cấp nguyên)

1.1.5.2 Quá trình phân huỷ vật chất

a Hô hấp hiếu khí

Chlorophil

Hô hấp hiếu khí là hoạt động chức năng của tất cả các loài sinh vật Hô hấp ngược với quátrình quang hợp, chúng sử dụng oxi phân tử để đốt cháy vật chất, tạo năng lượng cho cáchoạt động sống của cơ thể, đồng thời thải ra môi trường các sản phẩm cuối cùng của quátrình là CO2 và H2O

(C6H12O6) + 6O2 6CO2 + 6H2O + năng lượng

b Hô hấp kỵ khí

Hô hấp kỵ khí xảy ra không có sự tham gia của oxi phân tử Chất oxi hoá không phải là oxi

mà là chất vô cơ hay hữu cơ khác Hô hấp kỵ khí hay gặp dưới dạng hô hấp sunfat vànitrat

Hô hấp sunfat xảy ra trong các trầm tích giàu SO42- do các nhóm vi khuẩn nhưmetanococcus, desulfovibrio… Sự phân huỷ các chất được thực hiện theo phản ứng sauđây:

CH3-CO-COOH + H2O  CH3-COOH + CO2 + 2H+

2H+ + 1/4SO42-  1/4S 2- + H2O

Hô hấp nitrat diễn ra trong quá trình phản nitrat (denitrification) để biến đổi nitơ từ dạngnitrat trở về dạng NO, NH3, N2, N2O với sự tham gia của các vi khuẩn phản nitrat nhưPseudomonat, Escherichia, nấm… theo phản ứng sau:

C6H12O6 + 4NO3-  6CO2 + 6H2O + 2N2

c Sự lên men

Lên men là quá trình sản sinh năng lượng, khai thác năng lượng bằng con đường lên menthì phản ứng đường phân (glucolyse) rất đặc trưng đối với thuỷ sinh vật, tức là quá trình cắtngắn dần hexoza (C6H12O6) cho đến 2 phân tử puruvic Sản phẩm cuối cùng của sự lên menđường là axit lactic

C6H12O6  2CH3-CO-COOH + 4H+

2CH3-CO-COOH + 4H+  2CH3-CHOH-COOH (axit lactic)

Lên men là quá trình kỵ khí, được thực hiện do các vi sinh vật kỵ khí nghiêm ngặt (kỵ khíbắt buộc) hoặc kỵ khí tuỳ nghi

Ba dạng hô hấp trên ngự trị trong sinh quyển, tham gia vào quá trình phân huỷ vật chất đếndạng đơn giản nhất trả lại cho môi trường, nhờ đó vật chất được quay vòng và năng lượngđược biến đổi

d Vai trò của quá trình phân huỷ các chất hữu cơ trong hệ sinh thái

Sự phân huỷ vật chất có ý nghĩa quan trọng trong đời sống tự nhiên

- Tạo nên dãy thức ăn liên tục trong các hệ sinh thái

- Biến các chất trơ thành các chất có hoạt tính cao tham gia vào sự hình thành nguồn dinhdưỡng cho sinh giới

- Hình thành nên các vitamin, chất kháng sinh có giá trị điều hoà các quá trình sinh họctrong quần xã

- Làm trong sạch môi trường bằng các quá trình vật lý, hóa học và sinh học

1.1.6 Năng lượng và dòng năng lượng đi qua hệ sinh thái

1.1.6.1 Sự phân bố năng lượng trong môi trường

Tất cả các hệ thống sống trên hành tinh này tồn tại được là nhờ vào nguồn năng lượng vôtận của mặt trời Nguồn năng lượng này chuyển xuống trái đất dưới dạng sóng ánh sáng.Ánh sáng khi đi qua tầng khí quyển để đến được bề mặt trái đất bị suy giảm một phần docác khí , hơi nước, bụi…hấp thụ và phản xạ lại vũ trụ Những dải sóng khác nhau bị hấpthụ khác nhau Nói chung, bức xạ mặt trời xuống đến ngưỡng trên của khí quyển có cường

độ 2Cal/cm2/phút Khi qua lớp khí quyển bề mặt trái đất chỉ còn nhận được 67% nănglượng ban đầu, ứng với 1,34 Cal/cm2/phút

Các nghiên cứu đã xác định rằng khoảng 99% tổng năng lượng nằm trong vùng quang phổ

có bước sóng từ 1,136 đến 4000 µm; Khoảng 50% nguồn năng lượng đó (gồm cả ánh sángtrắng và bước sóng 0,38 – 0,77 µm).có ý nghĩa sinh thái quan trọng, được thực vật sử dụngcho quang hợp gọi là bức xạ quang hợp Thực vật hấp thụ rất mạnh các tia màu xanh vàmàu đỏ cũng như một lượng nhỏ các tia sóng dài hơn với các bước sóng 0,4 – 0,5 và 0,6 –0,7

Bảng Sự phát tán năng lượng và bức xạ mặt trời (%) trong sinh quyển (Hullbert, 1971)

1.1.6.2 Dòng năng lượng đi qua hệ sinh thái

Năng lượng đi qua hệ sinh thái qua các bậc dinh dưỡng của chuỗi thức ăn, một phần đượcsinh vật sử dụng cho hô hấp còn phần lớn biến đổi thành nhiệt thoát ra môi trường

Sơ đồ tổng quát của dòng năng lượng đi qua hệ sinh thái

Ta có thể nhận thấy rằng năng lượng đi qua hệ sinh thái theo dòng hay theo các kênh, do

đó nó chỉ sử dụng được một lần, phần lớn thoát ra môi trường dưới dạng nhiệt Nhiềunghiên cứu chỉ ra rằng trong sinh quyển khi chuyển từ bậc dinh dưỡng thấp lên bậc dinhdưỡng cao hơn liền kề, trung bình năng lượng thất thoát tới 90%, có nghĩa là sinh vật tiêuthụ ở bậc sau chỉ tích tụ được 10% năng lượng của bậc trước nó

Năng lượng thất thoát theo 3 con đường chính:

- Năng lượng chứa trong các sản phẩm mà sinh vật tiêu thụ không sử dụng

- Năng lượng được sử dụng từ thức ăn, nhưng không được đồng hoá thải ra môi trườngdưới dạng các chất bài tiết và chất trao đổi

- Năng luợng mất đi dưới dạng nhiệt hô hấp

Trong tổng số năng lượng rơi xuống hệ sinh thái, thì chỉ khoảng 50% đóng vai trò quantrọng đối với sự tiếp nhận của sinh vật sản xuất, tức là phần năng lượng chủ yếu thuộc phổnhìn thấy, hay còn gọi là "bức xạ quang hợp tích cực" Nhờ nguồn năng lượng này, thựcvật thực hiện quá trình quang hợp để tạo ra nguồn thức ăn sơ cấp, khởi đầu cho các xíchthức ăn Như vậy, thực vật là sinh vật duy nhất có khả năng "đánh cắp lửa Mặt Trời" đểlàm nên những kỳ tích trên hành tinh: nguồn thức ăn ban đầu và dưỡng khí (O2), nhữngđiều kiện thuận lợi, đảm bảo cho sự ra đời và phát triển hưng thịnh của mọi sự sống khác,trong đó có con người

Sản phẩm của quá trình quang hợp do thực vật tạo ra được gọi là "tổng năng suất sơ cấp"hay "năng suất sơ cấp thô" (ký hiệu là PG) Nó bao gồm phần chất hữu cơ được sử dụngcho quá trình hô hấp của chính thực vật và phần còn lại dành cho các sinh vật dị dưỡng Chẳng hạn, các loài thực vật đồng cỏ còn non thường chỉ tiêu hao 30% tổng năng lượng sơcấp, còn ở đồng cỏ già lên đến 70% Rừng ôn đới sử dụng 50 - 60%, còn rừng nhiệt đới 70

- 75% Từ mức sử dụng trung bình nêu trên của sinh vật sản xuất, tổng năng lượng sơ cấp

nguyên tích tụ trong mô thực vật trên toàn sinh quyển được đánh giá như sau: khoảng 70%thuộc về các hệ sinh thái trên cạn, còn 30% được hình thành trong các hệ sinh thái ở nước,chủ yếu là các đại dương

1.2 Môi trường

1.2.1 Khái niệm về môi trường và sự ô nhiễm môi trường

1.2.1.1 Khái niệm về môi trường

“Môi trường bao gồm các yếu tố tự nhiên và vật chất nhân tạo bao quanh con người, có ảnhhưởng đến đời sống, sản xuất, sự tồn tại, phát triển của con người và sinh vật.” (LuậtBVMT Việt Nam 2005)

Bách khoa toàn thư về môi trường (1994) đưa ra một định nghĩa đầy đủ và ngắn gọn hơn

về môi trường: “Môi trường là tổng thể các thành tố sinh thái tự nhiên, xã hội nhân văn vàcác điều kiện tác động trực tiếp hay gián tiếp lên phát triển, lên đời sống và hoạt động củacon người trong thời gian bất kỳ.”

1.2.1.2 Chức năng cơ bản của môi trường

Đối với sinh vật nói chung và con người nói riêng thì môi trường sống gồm có năm chứcnăng cơ bản sau:

· Môi trường là không gian sinh sống cho con người và thế giới sinh vật

· Môi trường là nơi chứa đựng các nguồn tài nguyên cần thiết cho đời sống và sản xuất củacon người

· Môi trường là nơi chứa đựng các chất phế thải do con người tạo ra trong cuộc sống và sảnxuất

· Giảm nhẹ các tác động có hại của thiên nhiên tới con người và sinh vật

· Môi trường có chức năng lưu trữ và cung cấp thông tin cho con người

1.2.1.3 Khái niệm ô nhiễm môi trường

Sự ô nhiễm là quá trình chuyển chất thải hoặc năng lượng vào môi trường đến mức có khảnăng gây tác hại đến sức khỏe con người, vật liệu và sự phát triển của sinh vật

Các tác nhân gây ô nhiễm bao gồm chất thải có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí và các dạngnăng lượng như nhiệt độ, tiếng ồn Trong môi trường tự nhiên luôn có yếu tố này Tuynhiên, môi trường chỉ gọi là ô nhiễm nếu nồng độ các chất trên đạt đến mức có khả năngtác động xấu đến con người, sinh vật và vật liệu

1.2.2 Các vấn đề gay cấn giữa môi trường và phát triển

Nói một cách cô đọng thì môi trường là tổng hợp các điều kiện sống của con người, pháttriển là quá trình cải tạo và cải thiện các điều kiện đó Giữa môi trường và phát triển dĩnhiên có mối quan hệ chặt chẽ Môi trường là địa bàn và đối tượng của phát triển

Trong phạm vi một quốc gia cũng như trên toàn thế giới, luôn luôn song song tồn tại 2 hệthống: Hệ thống kinh tế xã hội và hệ thống môi trường

Hệ thống kinh tế xã hội cấu thành bởi các thành phần sản xuất, lưu thông, phân phối, tiêudùng và tích luỹ, tạo nên một dòng năng lượng, chế phẩm, hàng hoá, phế thải lưu thônggiữa các phần tử cấu thành hệ

Hệ thống môi trường với các thành phần môi trường thiên nhiên và môi trường xã hội Môitrường thiên nhiên cung cấp tài nguyên cho hệ kinh tế, đồng thời tiếp nhận chất thải từ hệkinh tế Chất thải này có thể ở lại hẳn trong môi trường tự nhiên hoặc qua chế biến rồi trởlại hệ kinh tế Một hoạt động kinh tế mà chất phế thải không thể sử dụng được trở lại hệkinh tế được xem như là hoạt động gây tổn hại đến môi trường, lãng phí tài nguyên khôngtái tạo được, sử dụng tài nguyên tái tạo được một cách quá mức khiến cho nó không thể hồiphục được hoặc hồi phục sau một thời gian rất dài

Các hoạt động phát triển luôn có hai mặt lợi và hại Bản thân thiên nhiên cũng có hai mặt,thiên nhiên là nguồn tài nguyên và phúc lợi đối với con người, nhưng đồng thời cũng lànguồn thiên tai, thảm hoạ đối với đời sống và sản xuất của con người

Khoa học kinh tế cổ điển không thể giải quyết thành công mối quan hệ phức tạp giữa pháttriển và môi trường Từ đó nảy sinh lý thuyết không tưởng về “đình chỉ phát triển” (zero ofnegative growth) cụ thể là cho tốc độ phát triển bằng không hoặc âm để bảo vệ nguồn tàinguyên của trái đất

Tại Hội nghị LHQ về MT con người họp năm 1972 tại Stockholm- Thụy Điển, các nhàkhoa học đã đi đến kết luận rằng, nguyên nhân của nhiều vấn đề quan trọng về MT khôngphải là do phát triển mà chính là hậu quả của sự kém phát triển Tư tưởng đó đã được thểhiện trong chiến lược phát triển 10 năm lần thứ nhất của LHQ Chiến lược đã đề cập tớimối quan hệ giữa phát triển với MT, dân số, tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ đất, bảo vệrừng,

Các mục tiêu phát triển KTXH và BVMT phải được gắn bó với nhau trong việc xây dựngmục tiêu, xác định chiến lược kế hoạch hóa, cũng như điều hành và quản lý việc thực hiệncác mục tiêu đó

1.2.3 Sự lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường

Phần lớn các chất gây ô nhiễm là những sản phẩm được sinh ra trong những vùng có địagiới hoàn toàn xác định, ví dụ các khu công nghiệp, các thành phố, các vùng nông nghiệp

phát triển… Một câu hỏi được đặt ra là bằng cách nào mà chúng có thể lan truyền đi xa để

có thể tác động lên thực vật, động vật ở các nơi khác, hay là làm thay đổi thành phần hoáhọc của khí quyển ở qui mô toàn cầu

Sự phân bố của các sinh vật trên trái đất hoàn toàn không phải là ngẫu nhiên Từ hai địacực cho đến đường xích đạo, trên cạn cũng như dưới nước, chúng được tổ chức thành cácquần xã sinh vật ít nhiều khép kín và tương đối độc lập mà tất cả các thành viên của chúngđều phụ thuộc lẫn nhau Mỗi nhóm thực vật và động vật có một chức năng riêng trong quần

xã này, và số lượng người sản xuất và người tiêu thụ ăn cỏ và ăn thịt bị giới hạn bởi mộtloạt yếu tố, trong đó quan trọng nhất là sự mất năng lượng (hơn 90%) xảy ra khi chuyển từmột nấc dinh dưỡng này sang một nấc dinh dưỡng khác Mặt khác, bản chất và số lượngcác cá thể thực vật và động vật thành viên của các quần xã này phụ thuộc chặt chẽ vào đất

và vào điều kiện khí hậu của địa phương mà chúng sống, tập hợp của các sinh vật và môitrường xung quanh tạo nên hệ sinh thái

Tuy nhiên sinh quyển không phải là sự lắp ghép đơn giản của các hệ sinh thái Không có hệsinh thái nào là hoàn toàn đóng kín Mặt khác năng lượng mà chúng chuyển hoá thành cácchất hữu cơ đều lấy từ mặt trời và sự vận hành của mỗi hệ ít nhiều đều bị ảnh hưởng củacác hệ bên cạnh Yếu tố quan trọng nhất là các nguyên tố hóa học cần thiết cho sự sống

“lưu thông” từ một hệ sinh thái này sang một hệ sinh thái khác qua trung gian của các chutrình sinh địa hoá Có thể nói trong sinh quyển các chu trình sinh địa hoá đóng vai tròtương tự như hệ tuần hoàn trong cơ thể con người Do đó hoàn toàn không ngạc nhiên làmột chất ô nhiễm được sinh ra ở một nơi nào đó lại có thể làm nảy sinh các phản ứng dâychuyền ở rất xa điểm xuất phát Một chất ô nhiễm nào đó, nếu không bị VSV phân huỷ quánhanh, và nếu tốc độ sinh ra nó lớn hơn tốc độ nó tự phân huỷ thì nó luôn luôn có hội lantruyền và tiếp xúc với các cơ thể sinh vật

Sự lan truyền của các chất ô nhiễm qua trung gian của các chuỗi thức ăn là được biết rõnhất VD: Trường hợp DDT chất này được dùng để chống muỗi và được rải nhiều năm liền

ở vùng ao hồ ở Long Island Người ta đã chọn sử dụng nồng độ thấp để không gây ra bất

cứ tác động trực tiếp nào có hại nào lên thuỷ sinh và động vật hoang dã Thế nhưng bấtchấp các biện pháp dự phòng đó, người ta vẫn nhận thấy sự thay đổi dần dần của quần thểđộng vật

Trong khi nước chỉ chứa 0,00005 ppm thuốc trừ sâu thì

Cá ăn cỏ chứa từ 0,23 – 0,94 ppm

Cá ăn thịt chứa từ 1,33 – 2,07 ppm

Chim ăn cá chứa đến 26,4 ppm

Như vậy thuốc trừ sâu đã tập trung dần dần trong quá trình chúng di chuyển dọc theo chuỗithức ăn, và do đó các liều “vô hại ” ban đầu đối với từng cá thể thì về lâu về dài lại gây ramối nguy hiểm cho cả quần xã

Các chu trình sinh địa hoá lớn (các chu trình của nước,cacbon, nitơ, photpho…) đóng vaitrò vận chuyển các nguyên tố và các hợp chất đi xa, chẳng hạn, người ta biết rằng DDTkhông bao giờ được sử dụng ở Nam cực nhưng người ta đã tìm thấy nó trong mỡ chimcánh cụt Chắc chắn là nó đã được vận chuyển bởi dòng nước

Trong suốt quá trình lưu chuyển dọc theo chuỗi thức ăn hay phát tán đi xa, các phân tử củacác chất ô nhiễm có thể không giữ nguyên bản chất của chúng Chúng có thể bị biến đổibởi các quá trình khác nhau và do đó làm xuất hiện những vấn đề mới Một ví dụ của hiệntượng này là trường hợp PAN peroxylacetyl nitrat Dưới tác dụng của các tia cực tím cótrong ánh sáng mặt trời, NOx và RH có trong khí thải của động cơ đốt trong phản ứng vớinhau tạo thành PAN và O3 Hai sản phẩm này độc hơn nhiều so với các chất ban đầu,chúng tác động lên đường hô hấp của người, kích thích sự hô hấp của thực vật

1.2.4 Ảnh hưởng của chất ô nhiễm đến con người

Ở đây chúng ta sẽ nói về các chất ô nhiễm quan trọng nhất với ý nghĩa chúng là các chất ônhiễm phổ biến, thường gây ra các bệnh nghiêm trọng và trong thực tế đã xảy ra các thảmhọa mà chúng là thủ phạm

Thủy ngân: Thủy ngân nguyên tố và các dẫn xuất của nó là những chất độc rất nguy hiểm

đối với người , đặc biệt là các dẫn xuất hữu cơ Ví dụ thảm họa ô nhiễm thủy ngân nghiêmtrọng ở vịnh Minamata (Nhật Bản) vào khoảng cuối năm 1953, người ta bắt đầu nhận thấynhững rối loạn thần kinh bất thường ở những người dân chài của vùng này mà người Nhậtgọi là bệnh kibyo, nghĩa là một bệnh bí ẩn Tất cả mọi người bị nhiễm bệnh , dù là nam haynữu, già hay trẻ đều có triệu chứng rối loạn hệ thần kinh ngoại vi và hệ thần kinh trungương, nhiều bệnh nhân trở nên kiệt sức nằm liệt giường và khoảng 40% người bị chết.Trong thảm họa này có khoảng 700 người bị nhiễm bệnh

Tương tự vào năm 1964 ở vùng Nigata Nhật Bản cũng có 500 người bị nhiễm độc thủyngân từ nước thải công nghiệp đổ vào sông Agano

Người ta nhận thấy rằng những người ăn nhiều cá trong khẩu phần ăn có nhiều nguy cơ bị

ô nhiễm thủyngân, chẳng hạn mức metyl thủy ngân trong máu của người dân Peru lànhững người ăn nhiều cá cao hơn khoảng 10 lần so với mức bình thường (82 ng/ml so với9,9 ng/ml) 29,5% dân cư có dấu hiện của bệnh thần kinh cảm giác

Những vụ nhiễm độc thủy ngân qui mô lớn cũng xảy ra khi ăn bánh mì làm từ bột mà khibảo quản hạt người ta dùng thuốc diệt nấm có chứa thủy ngân Tai nạm đã xảy ra ởPakistan, Guatemala và nghiêm trọng nhất là ở Irac vào năm 1971-1972

Cadimi: Hiện tượng nhiễm độc Cadimi được thông báo lần đầu vào năm 1955 Sự việc

xảy ra ở vùng mỏ Juntsu ở tỉnh Toyama, Nhật Bản Người Nhật gọi bệnh này là itai-itai, cónghĩa là làm đau Căn bệnh này giới hạn ở phụ nữ đã sinh nhiều lần, biểu hiện bằng sự đauxương nặng, dáng đi lạch bạch, xuất hiện chứng nhuyễn xương, nứt xương và có dấu hiệusuy yếu thận Ở vùng này người ta thường tưới ruộng bằng nước chảy ra từ các mỏ kẽm,chì, cacdimi, trong đó hàm lượng cacdimi lớn hơn bình thường khoảng 10 lần nhữngnghiên cứu về sau cho thấy rằng chính cacdimi là thủ phạm gây ra bệnh này

CHƯƠNG 2: KHÍ QUYỂN VÀ SỰ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

2.1 Cấu trúc của khí quyển

2.1.1 Tầng đối lưu (Trosposphere)

Chiếm 70% khối lượng của khí quyển ở độ cao 0 đến 11 km Lớp này đặc trưng bằng sựgiảm nhiệt độ theo độ cao, nhiệt độ thay đổi từ +40 đến -50 0C Tầng này quyết định khíhậu của trái đất, các hiện tượng thời tiết đều xảy ra trong tầng này Thành phần chủ yếu làkhí O2, N2, CO2 và hơi nước Nhiệt độ khí quyển ở gần mặt đất nóng do sự phát nhiệt củatrái đất

2.1.2 Tầng bình lưu (Stratosphere)

Tầng bình lưu ở độ cao từ 11 đến 50 km, được đặc trưng bằng sự tăng nhiệt độ theo độ cao,nhiệt độ thay đổi từ - 56 0C đến -2 0C Thành phần chủ yếu của tầng này là O3, N2, O2 vàmột số gốc hoá học khác Tầng này còn có tên gọi là tầng ozon, có vai trò ngăn chặn tiacực tím từ mặt trời chiếu xuống trái đất Ozon đóng vai trò quan trọng, nó như một lớpmàng bao bọc bảo vệ trái đất khỏi tia tử ngoại

Do sự xáo trộn yếu nên thời gian lưu của các chất hoá học ở tầng này khá lâu Sự tăng nhiệt

độ ở tầng bình lưu được giải thích là do ozon hấp thụ tia tử ngoại và toả nhiệt

2.1.3 Tầng trung gian (Mesosphere)

Tầng trung gian ở độ cao từ 50 đến 85 km, nhiệt độ thay đổi từ -2 đến -92 0C Tầng nàyngăn cách với tầng bình lưu bởi một lớp tạm dừng đánh dấu bởi sự biến thiên nhiệt độ,nghĩa là ở tầng này nhiệt độ giảm theo chiều tăng của độ cao Thành phần các chất chủ yếu

ở tầng này gồm O2+, NO +, N2

2.1.4 Tầng nhiệt (Thermosphere)

Tầng nhiệt hay còn gọi là tầng ion, ở độ cao từ 85 đến 100 km, nhiệt độ tăng từ -92 đến

12000C Tại đây do tác dụng của bức xạ mặt trời, nhiều phản ứng hoá học xảy ra với O2,

O3, N2, hơi nước, CO2… Chúng bị phân tách thành nguyên tử và sau đó ion hoá thành cácion O2 , O+, O, NO+, e-, CO32-, NO2-, NO3-…

2.1.5 Tầng điện ly hay tầng ngoài (Exosphere)

Tầng điện ly bao quanh trái đất ở độ cao lớn hơn 800km Ở tầng này có mặt các ion He+ (<

1500 km), H+ (> 1500 km) Một phần hydro có thể được tách ra và đi vào vũ trụ Mặt kháccác dòng plasma và bụi vũ trụ cũng đi vào khí quyển Nhiệt độ tầng này tăng rất nhanh, tớikhoảng 1700 0C

Hình 2.1 Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao trong khí quyển

Mặc dù có nhiều quá trình hoá lý xảy ra trong khí quyển nhưng thành phần không khí gần

bề mặt trái đất về cơ bản vẫn không đổi

Không khí được cấu tạo từ nhiều khí khác nhau, trong đó thành phần chính là khí N2chiếm khoảng 78% thể tích, khí oxi chiếm khoảng 21% thể tích, tiếp theo là khí CO2,Argon và hàng loạt các thành phần vết chiếm 0,002% thể tích

Nồng độ các khí trong khí quyển thay đổi liên tục theo không gian, thời gian, vị trí địa lý(các quá trình tự nhiên núi lửa, thiên tại, đốt nhiên liệu, quá trình phát tán, biến đổi hoáhọc…)

Một thành phần quan trọng khác trong khí quyển, đó là các cấu tử không phải dạng khí mà

là hạt lơ lửng và bụi Đường kính của chúng từ 10-6 đến 10 -1 mm và dao động trong phạm

vi rộng từ kích thước phân tử đến các hạt kích thước lớn Các hạt này sinh ra trong các quátrình tự nhiên và nhân tạo Những chất này được thu hồi do lắng hoặc ngưng tụ ở bề mặttrái đất Tốc độ lắng phụ thuộc vào đường kính hạt

Hàm lượng oxi, nitơ, ozon và các phân tử nước trong khí quyển cũng thay đổi theo chiềucao

Hình 2.2 Biến thiên nồng độ của các thành phần chính trong khí quyển

Nguyên nhân dẫn đến sự biến thiên ozon là do phản ứng hợp thành và phân ly quang hoá.Chu kỳ ozon trong khí quyển ở dạng đơn giản bao gồm các phản ứng quang hóa phân hủyozon, oxy và những phản ứng nhiệt giữa nguyên tử oxy với phân tử oxy và ozon

2.3 Ô nhiễm không khí

2.3.1 Vai trò của khí quyển

Môi trường sống: Cung cấp môi trường thuận lợi để duy trì sự sống: nhiệt độ, độ ẩm, khí

O2, CO2…, là môi trường để vận chuyển nước từ đại dương vào đất liền, tham gia vào quátrình tuần hoàn nước

Khí quyển có tác dụng khuếch tán, hấp thụ và lọc một phần các bức xạ từ mặt trời, khôngcho chúng chiếu toàn bộ xuống mặt đất

Cơ chế hoạt động của màn chắn khí quyển cho phép hoặc ngăn cản các bức xạ có nănglượng và bước sóng nhất định Những khoảng bước sóng cho phép lọt qua màn chắn gọi làcửa sổ khí quyển

Tia tử ngoại nguy hiểm ( < 0,28 μm) bị tầng ozon hấp thu:

Có khoảng 60 -70% bức xạ mặt trời đến được trái đất, trong đó:

- 10 % tia tử ngoại

- 45 % ánh sáng thấy được

- 45% tia hồng ngoại

2.3.2 Sự cần thiết của không khí cho cuộc sống con người

Không khí có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với con người Con người có thể không uốngnước từ 2 đến 4 ngày, không ăn trong 2 tuần nhưng không thể thiếu không khí trong vàiphút Người ta có thể đun sôi nước, nấu chín thức ăn để hạn chế ảnh hưởng do ô nhiễmnhưng họ phải thở không khí xung quanh ngay cả lúc không khí đó bị ô nhiễm Chính vìvậy mà không khí có vai trò rất quan trọng đối với con người

Bảng 2.1 chỉ ra lượng không khí sạch một người cần để thở hằng ngày Tuỳ vào trạng tháihoạt động mà nhu cầu không khí sạch (oxi ) sẽ thay đổi thích hợp Từ các số liệu trên ta cóthể tính được nhu cầu về không khí sạch hằng ngày cho một gia đình, một thành phố haymột quốc gia

Nghỉ ngơi

Lao động nhẹ

7,428

10.60040.400

1245

Các thuật ngữ

Chất ô nhiễm sơ cấp: Là những chất thải ra trực tiếp từ nguồn ô nhiễm vào không khí ở

dạng độc hại

Chất ô nhiễm thứ cấp: Là những chất tạo thành do các phản ứng hoá học xảy ra trong

không khí của các chất ô nhiễm sơ cấp với các thành phần khí quyển

Nguồn phát thải phân tán: Là những chất không thải qua ống khói, ví dụ: Bụi do xói mòn

đất, khai thác mỏ, nghiền đá, xây dựng

Các chất ô nhiễm phổ biến

Đạo luật về không khí sạch 1970 (Clean Air Act) của Mỹ đã chỉ định 7 chất ô nhiễm chính

là oxit lưu huỳnh, oxit cacbon, bụi, hydrocacbon, oxit nitơ, chất oxi hoá quang hoá và chìcần phải kiểm soát nồng độ để bảo đảm chất lượng không khí xung quanh

Các chất ô nhiễm không phổ biến

EPA đã ban hành tiêu chuẩn phát thải (emission standard) cho một số chất ô nhiễm khôngthuộc nhóm cơ bản nhưng có tính chất đặc biệt độc hại Trong nhóm này gồm có các hợpchất amiang, benzen, thuỷ ngân, berilium, PCBs ( Polychlorinated Biphenyls) và VinylClorua Hầu hết các hợp chất này không có nguồn phát thải tự nhiên

Nhóm chất ô nhiễm gây mất mỹ quan

Ngoài nhóm những chất độc hại không phổ biến, còn có một số tác nhân ô nhiễm gâynhững biến đổi không mong muốn trong đặc điểm vật lý hoá học của khí quyển như: tiếng

ồn, mùi hôi, ô nhiễm ánh sáng

Phát thải: Sự thải của các chất vào khí quyển Điểm hoặc bề mặt từ đó sự phát thải xảy ra

gọi là nguồn Thuật ngữ emission được dùng để mô tả sự thải và tốc độ thải Thuật ngữ nàycòn sử dụng cho tiếng ồn, nhiệt…

Nồng độ phát thải

Nồng độ của chất ô nhiễm không khí phát ra ở điểm thải

Tiêu chuẩn chất lượng không khí xung quanh TCVN 5937 -1995 (mg/m 3 )

TT Thông số Trung bình 1 giờ Trung bình 8 giờ Trung bình 24 giờ

Biểu diễn nồng độ chất ô nhiễm không khí

Đơn vị biểu diễn nồng độ chất ô nhiễm không khí thường sử dụng: mg/l, μg/m3, mg/m3,g/m3, ppm, ppb

Mối liên hệ chuyển đổi giữa nồng độ mg/m3 và ppm phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ củakhông khí

Ở 25 o C và 1at (1,0133 bars)

mg/m3 = ppm x M/24,45

Ở 0 o C và 1at (1,0133 bars)

mg/m3 = ppm x M/22,4

M: Khối lượng phân tử của chất khí

2.3.4 Phân loại nguồn ô nhiễm không khí

2.3.4.1 Phân loại theo tính chất nguồn phát sinh:

a Nguồn tự nhiên

- Ô nhiễm do hoạt động của núi lửa: Nham thạch từ núi lửa chứa nhiều khói bụi, giàu lưuhuỳnh và metan và những loại khí khác Các chất ô nhiễm chính là SO2, H2S và CH4

- Cháy rừng: Khi rừng bị cháy nhiều chất độc hại bốc lên và toả ra trong một khu vực rộnglớn Các chất ơ nhiễm chính là khĩi, tro bụi và các sản phẩm cháy.

- Bão cát: gây nên do giĩ mạnh và bão, mưa bào mịn đất sa mạc, đất trồng và giĩ thổi tunglên trời thành bụi

- Đại dương: Sương mù bốc lên và bụi nước do sĩng đập vào bờ được giĩ từ đại dươngthổi vào đất liền cĩ chứa nhiều tinh thể muối, chủ yếu là natri clorua

- Thực vật: Sản sinh và phĩng thích vào khơng khí một lượng đáng kể chất ơ nhiễm: Cácbào tử thực vật, nấm, phấn hoa

- Vi sinh vật: Lơ lửng trong khơng khí với số lượng rất lớn, đặc biệt là nơi đơng người;Bệnh viện, nhà ga, cửa hàng, văn phịng (hệ thống lạnh)…

b Nguồn nhân tạo

- Nguồn nhân tạo: Phát sinh do hoạt động của con người

+ Giao thơng vận tải Các phương tiện giao thơng vận tải khi hoạt động thải vàokhơng khí từ 150-200 chất, trong đĩ cĩ các chất ơ nhiễm chủ yếu là bụi, các khí oxitcacbon (COx: CO, CO2), hydrocacbon, chì

+ Sản xuất cơng nghiệp Các ngành cơng nghiệp phát triển đi kèm với ơ nhiễmkhơng khí như: sản xuất phân bĩn, hố chất, luyện kim, hố dầu, giấy, cơng nghiệp thuộc

da, … Phần lớn khí thải sinh ra do đốt các sản phẩm dầu mỏ với các chất ơ nhiễm là CO2,

CO, NOx, SO2…

Bảng 2.2 Các chất ô nhiễm đặc trưng

Ngành cơng nghiệp năng lượng

1 Nhà máy nhiệt điện, lị nung, nồi

hơi đốt bằng nhiên liệu hĩa thạch:

than đá, dầu mỏ (DO, FO)

Bụi, SOx, NOx, COx, hydrocacbon, aldehyt

Ngành cơng nghiệp luyện kim

chì Ngành cơng nghiệp hố chất

3 Sản xuất hố chất cơ bản Axit

sunfuric, Amoniac, Xút – clo SOx (SO2, SO3) NH3 Cl2, HCl

4 Sản xuất phân bĩn Superphotphat,

phân lân nung chảy, Ure Bụi, HF, SiF4, SO3 CO, CO2, NH3,

SO2

metylmercaptan, dimetylsunfit…),clo

11 Sản xuất nhựa, cao su, chất dẻo Bụi, mùi hôi, hợp chất lưu huỳnh

Ngành công nghiệp thực phẩm

13 Chế biến sữa, thịt, cá, hải sản Mùi hôi, clo, tác nhân lạnh (NH3,

CFC… )

2.3.4.2 Phân loại nguồn ô nhiễm theo tính chất phát thải

Có ba loại nguồn phát thải ô nhiễm không khí

← - Nguồn đường: các con đường dành cho các phương tiện giao thông vận tải nhưđường bộ dành cho xe máy, ô tô; đường xe lửa cho tàu hoả; đường thủy, đường hàngkhông Giao thông vận tải là một trong những nguồn ô nhiễm không khí chính ở đô thị.Chúng tạo ra các chất ô nhiễm không khí gồm bụi, oxit cacbon (CO, CO2), dioxit lưuhuỳnh (SO2), oxit nitơ (NOx), hydrocacbon, tetraetyl chì Bụi sinh ra do cuốn đất cát từđường khi lưu thông và bụi sinh ra trong khói thải của xe

← - Nguồn điểm: ống khói của các nguồn đốt riêng lẻ, bãi chứa chất thải,

← - Nguồn vùng: trong khu công nghiệp tập trung nhiều nhà máy có ống thải khí,đường ô tô nội thành, nhà ga, cảng, sân bay

2.3.5 Phân loại chất ô nhiễm không khí

2.3.5.1 Theo nguồn gốc phát sinh

- Chất ô nhiễm sơ cấp: Là những chất trực tiếp thoát ra từ các nguồn và tự chúng đã có đặctính độc hại Ví dụ: khí SO2, NO, H2S, NH3, CO

- Chất ô nhiễm thứ cấp: Bao gồm những chất được tạo ra trong khí quyển do tương tác hoáhọc giữa các chất ô nhiễm sơ cấp với các chất có sẵn trong khí quyển Ví dụ: SO3, H2SO4,

NO2, HNO3…

2.3.5.2 Dựa vào trạng thái vật lý

- Rắn, lỏng, khí và hơi, ô nhiễm vật lý

2.3.5.3 Dựa vào kích thước hạt

Dựa vào kích thước hạt chất ô nhiễm được chia thành

2.3.6 Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí

Chất lượng môi trường không khí được đặc trưng bằng các chỉ tiêu nồng độ các chất ônhiễm trong không khí Nồng độ các chất ô nhiễm càng nhỏ thì chất lượng không khí càngtốt

Tiêu chuẩn môi trường là những chuẩn mực, giới hạn cho phép, được quy định dùng làm

cơ sở pháp lý để quản lý môi trường (kiểm tra, kiểm soát môi trường, xử lý các vi phạmmôi trường và đánh giá tác động môi trường…)

Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí bao gồm:

- Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí xung quanh

1 + TCVN 5937-1995 Chất lượng không khí - Tiêu chuẩn chất lượng không khí xungquanh

2 + TCVN 5938-1995 Chất lượng không khí -Nồng độ tối đa cho phép của một sốchất độc hại trong không khí xung quanh

- Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí tại khu vực sản xuất hoặc nhà máy, xínghiệp có nguồn ô nhiễm được xác định trong phạm vi tường rào của cơ sở

- Tiêu chuẩn chất lượng môi trường nguồn thải: đối với khí thải từ ống khói của nhà máy,

3 + TCVN 6438:1998 Chất lượng không khí – khí thải phương tiện giao thông đường

Bức xạ Mặt trời bao gồm các phần tử ngoại (UV), khả kiến (VIS), hồng ngoại (IR), sau khi

đi vào khí quyển Trái đất, thành phần UV bị tầng ozon hấp thụ, chỉ còn phần VIS và mộtphần IR đến được mặt đất và bị mặt đất hấp thụ

Sau khi hấp thụ năng lượng, mặt đất bức xạ trở lại vào khí quyển các bức xạ bướcsóng dài hơn bước sóng của ánh sáng đã được hấp thụ, các bức xạ này chủ yếu là bức xạ IR.Bức xạ IR từ mặt đất bị khí nhà kính trong khí quyển hấp thụ và tỏa ra nhiệt, làm khí hậu ấmlên

Nếu xét về khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ của các phân tử khí nhà kính, thì

CO2 là loại khí có khả năng hấp thụ kém hơn rất nhiều các khí nhà kính khác (Bảng 2.3).Song trong thực tế, do nồng độ của CO2 trong tầng đối lưu cao hơn rất nhiều nên phầnđóng góp của khí này vào hiệu ứng nhà kính là cao nhất

Hơi nước trong không khí hấp thụ bức xạ hồng ngoại nhiều hơn tất cả các khí nhàkính khác, nhưng do nồng độ của hơi nước trong tầng đối lưu gần như không thay đổi nênphần đóng góp của nó không được xem là yếu tố chính làm gia tăng hiệu ứng nhà kính

Khí CO 2 :

Từ biểu đồ nêu trên ta thấy vai trò quan trọng trong việc gây hiệu quả nhà kính làkhí CO2, loại khí mà hầu hết các quá trình công nghệ sản xuất điện năng bằng nhiên liệuhoá thạch đều có liên quan đến

Ở thời kỳ tiền công nghiệp, nồng độ khí CO2 trong khí quyển ổn định khoảng 270ppm Công nghiệp và mức sống càng phát triển nhu cầu năng lượng của nhân loại ngàycàng nhiều thì nồng độ khí CO2 trong khí quyển càng tăng và đạt mức khoảng 350 ppm ởthời kỳ hiện nay Ngoài ra nạn cháy rừng, phá rừng, tăng dân số… cũng là nguyên nhânlàm cho nồng độ khí CO2 trong khí quyển không ngừng tăng cao

Biểu đồ diễn biến nồng độ CO2 trong khí quyển theo số liệu của tổ chức quốc tế vềthay đổi khí hậu toàn cầu IPCC

Khí mêtan:

Metan là thành phần chính trong khí đốt thiên nhiên, nó được hình thành trong nhiềuquá trình vi sinh kỵ khí Nó còn là loại khí đầm lầy sinh ra từ quá trình phân huỷ vi trùng,

gỗ mục, rác…

Khí CH4 hấp thụ tia hồng ngoại mạnh hơn gấp 20 lần so với khí CO2 ở bước sóng λ

= 8 – 12 µm - khoảng cửa sổ bức xạ hồng ngoại của trái đất Do đó, với nồng độ thấp, khí

CH4 cũng đóng vai trò rất quan trọng trong việc gây hiệu ứng nhà kính

Khí N 2 O:

Khí N2O không gây tác hại gì trực tiếp cho sức khoẻ con người Người ta sử dụngkhí N2O để điều chế thuốc giảm đau trong nha khoa, trong thể dục thể thao, nhưng nó làloại khí nhà kính rất mạnh Một phân tử N2O có hiệu quả hấp thụ tia hồng ngoại ở khoảngbước sóng λ = 8 – 12 µm gấp 200 lần so với phân tử CO2

Khí CFC:

CFC được sử dụng để làm môi chất lạnh trong các hệ thống máy lạnh, máy điều hoàkhông khí từ hơn 50 năm qua nhờ những tính chất nhiệt động học rất phù hợp và ổn địnhcủa chúng Trong công nghiệp người ta còn sử dụng CFC để chế tạo chất xốp cứng làm vậtliệu cách nhiệt, làm chất tẩy rửa

Trong quá trình sử dụng vận hành hệ thống máy lạnh do rò rỉ hoặc do xả môi chấtlạnh khi sửa chữa, từ đó CFC có mặt trong khí quyển và tham gia vào các chất khí nhàkính

Hai chất CFC được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật lạnh ngay từ thời kỳ đầu làCFC 11 (CCl3F) và CFC 12 (CCl2F2)

CFC là chất gây hiệu ứng nhà kính cực kỳ mạnh, nếu so với khí CO2 thì CFC mạnhhơn gấp từ 12.000 – 16.000 lần

Về mặt độc tố học thì các chất CFC có thể nói là không gây tác hại trực tiếp cho sứckhoẻ của con người Ở nồng độ 5.000 ppm CFC 11 mới gây ảnh hưởng đến hệ tim mạch và

ở nồng độ 35000 ppm trong 10 phút mới có thể gây mê Tuy nhiên, những giới hạn nồng

độ nêu trên khó có thể xảy ra trong thực tế

Nếu không có các nỗ lực triệt để nhằm hạn chế phát thải các khí nhà kính, thì theo

dự báo hiệu ứng này sẽ gia tăng mạnh mẽ trong thế kỷ 21

Sử dụng các mô hình máy tính để tính toán dự đoán những thay đổi về khí hậu dohậu quả của hiệu ứng nhà kính, người ta đã thu được các kết luận quan trọng sau:

Nếu không có các nỗ lực triệt để nhằm hạn chế phát thải các khí nhà kính, thì theo dự báohiệu ứng này sẽ gia tăng mạnh mẽ trong thế kỷ 21

Sử dụng các mô hình máy tính để tính toán dự đoán những thay đổi về khí hậu dohậu quả của hiệu ứng nhà kính, người ta đã thu được các kết luận quan trọng sau:

1 Nhiệt độ trung bình toàn cầu đến năm 2050 sẽ cao nhất trong vòng 150.000 năm gầnđây

2 Trong thế kỷ 21 tốc độ thay đổi nhiệt độ trung bình toàn cầu sẽ cao nhất so với

10.000 năm gần đây.

3 Mức nước đại dương sẽ tăng một cách đáng kể, do khi nhiệt độ tăng thì khốilượng riêng của nước giảm, băng tan Một số đảo nhỏ, các vùng đất thấp ven bờ sẽ bị nhấnchìm trong nước Những thay đổi này dự đoán có thể xảy ra trong thế kỷ 22

4 Mức nước một số hồ sẽ bị giảm đáng kể do tốc độ bay hơi tăng

5 Sự ấm lên toàn cầu sẽ xảy ra không đồng nhất cả về không gian lẫn thời gian Lụcđịa sẽ bị ấm lên mạnh hơn đại dương, đặc biệt đáng lưu ý ở các vĩ tuyến cao ở phía Bắcvào mùa đông, do đó làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa các cực với vùng xích đạo cóthể dẫn đến suy giảm các dòng đối lưu của Trái đất

Ngoài các hệ quả được dự đoán bằng mô hình máy tính trên, có thể còn có một số

hệ quả khác mà mô hình máy tính chưa thể kết luận được:

1 Sự thay đổi thời tiết của địa phương hay khu vực, phạm vi tác động của các cơnbão nhiệt đới và tần suất bão ở khu vực vĩ tuyến trung bình

2 Đáp ứng của các hệ sinh thái, mùa màng nông nghiệp với sự ấm lên toàn cầu

3 Ảnh hưởng của các sự kiện xảy ra đột ngột chưa tiên đoán được, ví dụ sự thay đổiđáng kể về hoạt động của các vành đai đại dương, sự thay đổi của các lớp băng

* Sự suy giảm ozon trên tầng bình lưu

Tầng ozon

Ozon có mặt khắp trong khí quyển, nhưng ở tầng đối lưu nồng độ của ozon chỉ ởdạng vết Nồng độ ozon đạt giá trị cực đại (8 − 10 ppm) ở khu vực trên đỉnh tầng đối lưu vàphần dưới của tầng bình lưu (độ cao từ khoảng 15 đến 35 km) tạo thành tầng ozon

Các phản ứng tạo thành và phân hủy ozon trong tầng bình lưu

Trong tầng bình lưu ozon được tạo thành, đồng thời cũng bị phân hủy dưới tác dụngcủa bức xạ tử ngoại từ ánh sáng Mặt trời Bức xạ tử ngoại thường được chia làm ba vùng:UV-A (λ = 320 − 400 nm); UV-B (λ = 290 − 320 nm) và UV-C (λ < 290 nm) Các phảnứng tạo thành và phân hủy ozon trong tầng bình lưu:

− Phản ứng tạo thành ozon:

O + O2 + M → O3 + M (b)Phản ứng tạo thành ozon xảy ra nhiều hơn ở lớp không khí phía trên vùng xích đạo,

do tại đây ánh sáng Mặt trời chứa nhiều bức xạ UV-C hơn ở hai vùng cực

− Phản ứng phân hủy ozon:

ozon, do đó mỗi nguyên tử hay phân tử X có thể phân hủy hàng ngàn phân tử ozon trướckhi phản ứng xúc tác bị kết thúc do X phản ứng với một phân tử khác ozon.

Phản ứng phân hủy ozon bởi cấu tử X nêu trên cũng có thể bị gián đoạn, do X hay

XO tham gia các phản ứng khác, ví dụ:

Cl (X) + CH4 → CH3 + HCl (h)ClO (XO, với X = Cl) + NO2 + M → M + ClONO2 (i)

NO2 (XO, với X = NO) + OH + M → M + HNO3 (k)

Vì vậy, các phân tử HNO3, HCl, ClONO2 được xem là nơi chứa tạm thời của các tácnhân xúc tác phân hủy ozon

2.4.2.3 Sự suy giảm nồng độ ozon trong tầng bình lưu

Hoạt động nhân tạo đã đưa vào tầng bình lưu ngày càng nhiều các khí gây phân hủyozon (N2O, NO, NO2, CFCs, halons, các hợp chất hydrocacbon brom hóa, ) Các hợp chấtnày hoặc là đóng vai trò của X, XO trong các phản ứng (e), (f), hoặc chuyển hóa để tạo ra

X, XO (xem các phần trước)

Do nồng độ của ozon trong tầng bình lưu luôn biến động khoảng vài phần trăm theongày, mùa hay năm, nên rất khó xác định được hoạt động của con người có phải là nguyênnhân chính gây ra các thay đổi này không, trừ khi có một biến động nồng độ lớn xảy ra tạimột khu vực nào đó

Năm 1985, các nhà khoa học của một đoàn thám hiểm Nam cực đã phát hiện thấy sựsuy giảm đáng kể nồng độ ozon vào mùa Xuân tại khu vực này Hiện tượng này tiếp tục

được phát hiện vào các năm sau và được nhắc đến với tên gọi lỗ thủng tầng ozon (khi nồng

độ ozon tại một khu vực trong tầng ozon giảm đi hơn 50% thì được xem là đã xuất hiện lỗthủng tầng ozon tại khu vực đó)

• Nguyên nhân của lỗ thủng tầng ozon ở Nam cực

Do có sự chênh lệch nhiệt độ giữa vùng cực và các vùng ở vĩ độ thấp hơn, lại đượcbao quanh bởi đại dương, nên vào mùa Đông ở Nam cực thường xuất hiện các cơn gió xoáyrất mạnh tạo thành cơn lốc ở độ cao 10 đến 15 km Với đặc điểm của địa hình và nhiệt độriêng, nên khác với cơn lốc mùa Đông ở Bắc cực chỉ tồn tại vài ngày, lốc Nam cực tồn tạisuốt mùa Đông, cô lập một vùng không khí phía trên Nam cực và chỉ tan đi khi mùa Xuânđến

Hình 2.16 Sơ đồ mô tả lốc xoáy hình thành vào mùa Đông ở Nam cực

(a): Mặt cắt ngang: một số phản ứng xảy ra trên bề mặt các hạt băng trong PSC.(b): Mặt cắt đứng: lốc xoáy hình thành chủ yếu ở tầng bình lưu Vùng gió mạnh cô lập khối

không khí phía trong con lốc với phần không khí bên ngoài

Do không khí phía trên Nam cực rất khô (chứa khoảng 4 đến 6 ppmv hơi nước), nênquá trình ngưng tụ tạo mây chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất thấp Khi nhiệt độ của khu vực giữatầng đối lưu và tầng bình lưu xuống thấp hơn −75°C thì bắt đầu tạo thành những đám mâychứa các hạt HNO3.3H2O (nitric acid trihydrate − NAT) đông đặc gọi là mây tầng bình lưu

vùng cực loại 1 (Type 1 PSC − polar stratospheric clouds) Mây loại này chứa các hạt rắn

nhỏ tương tự các tinh thể băng có đường kính trung bình khoảng 1 µm với diện tích bề mặtlớn

Các hạt rắn này hấp thụ oxit nitơ và giữ chúng lại trong pha rắn dưới dạng HNO3, do

đó trong pha khí không thể xảy ra phản ứng kết hợp ClO với NO2 (phản ứng (i) đã nêu trên,phản ứng này có vai trò ngăn chặn quá trình phân hủy ozon của clo)

Trong lúc đó, chlorine nitrat ClONO2 có sẵn trong tầng bình lưu lại bị phân hủy trên

bề mặt các hạt rắn này:

ClONO2 + H2O → HOCl + HNO3

ClONO2 + HCl → Cl2 + HNO3

(các phản ứng này không xảy ra trong pha khí khi không có bề mặt hạt rắn) làm tăng lượng

Cl2 và HOCl là các chất cung cấp Cl cho quá trình phân hủy ozon

Khối không khí bên trong cơn lốc bị cô lập không thể tiếp xúc, hòa trộn với khôngkhí bên ngoài Vì vậy, không khí bên trong cơn lốc không còn chứa các nitơ oxit, ngược lại

đã tích tụ một lượng đáng kể các tác nhân (Cl2, HOCl) có thể bị phân hủy tạo thành gốc tự

do Cl Quá trình này tiếp diễn trong suốt các tháng mùa Đông không có ánh sáng Mặt trời

Khi Mặt trời mọc vào mùa Xuân, bức xạ tử ngoại của ánh sáng Mặt trời phân hủy

Cl2 và HOCl tạo ra một lượng lớn Cl tự do làm phân hủy ozon rất nhanh chóng

Vào cuối mùa Xuân, cơn lốc ở Nam cực tan dần, không khí bên ngoài và bên trong

cơn lốc đã có thể hòa trộn với nhau Lúc này lượng clo tự do tạo thành đã bị khuếch tánbớt, đồng thời do sự có mặt của nitơ oxit từ không khí bên ngoài nên quá trình phân hủyozon chậm dần lại Vùng ozon bị suy giảm này di chuyển về phía Xích đạo (qua Úc hayNam Mỹ) và được hồi phục dần.

Bắc cực ít lạnh hơn so với Nam cực, tại đây cũng không tồn tại cơn lốc kéo dài suốtmùa Đông, nên sự suy giảm tầng ozon cũng không mạnh mẽ như ở Nam cực

Hình 2.17 Lỗ thủng lớn nhất của tầng ozon ở Nam cực ghi nhận được (21- 30/9/2006)

• Hậu quả của sự suy giảm của nồng độ ozon trong tầng bình lưu

Tầng ozon hấp thụ bức xạ tử ngoại bước sóng trong khoảng 230 − 320 nm Bức xạnày chủ yếu thuộc nhóm UV-B Bức xạ nhóm UV-B có thể hủy hoại ADN và một số hệsinh học

− Đối với thực vật: tác hại của bức xạ UV-B đối với thực vật đã được ghi nhận, tuy

nhiên tác hại này không đáng kể nếu thời gian ảnh hưởng không đủ dài Ngoài ra, các nhàkhoa học cũng có thể chọn loại giống cây có khả năng chống chịu được loại bức xạ này.Đáng quan tâm hơn cả là tác hại của UV-B lên thực vật phù du Đây là loại thực vật có liênquan trực tiếp đến năng suất sinh học của đại dương 70% lượng thực vật phù du xuất phát

từ đại dương ở vùng cực Đây lại là nơi xảy ra tình trạng suy giảm tầng ozon đáng lưu ýnhất Sự suy giảm năng suất sinh học của đại dương sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sinh vật và

xa hơn nữa là ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn

− Đối với con người: UV-B có thể gây các tác hại nhẹ đến con người như làm da

cháy nắng, lóa mắt, lão hóa da, đục thủy tinh thể, ung thư da hay ung thư mắt Ngoài ra,UV-B còn ảnh hưởng có hại đến hệ miễn dịch da, do đó làm các bệnh liên quan đến da nhưsởi, sốt rét, phong,… trở nên phức tạp hơn

2.4.2 Vấn đề vùng

* Mưa axit

Khí SOx và NOx bị oxit hoá trong khí quyển trong thời gian dài từ vài giờ đến nhiều ngày

và biến thành axit sunfuric và axit nitric Các axit này bị mưa hấp thụ và theo mưa rơixuống đất thành mưa axit

Độ axit được đặc trưng bằng thông số pH:

pH = -log 10 (Hoạt tính của ion H+ tính theo mol/l)

Trị số pH càng nhỏ thì độ axit càng mạnh Nước tinh khiết có độ pH= 7, NaOH có pH=14.Thông thường nếu khí quyển hoàn toàn trong sạch , không bị ô nhiễm bởi các loại khí SO2

và NOx thì độ pH của nước mưa khoảng 5,6 tức là đã thuộc vào tính axit do khí CO2 trongkhí quyển tác dụng với nước mưa theo phản ứng sau đây:

CO2 + H2O < > H2CO3 < -> H+ + HCO3

-Mưa axit là sự kết hợp của mưa, sương mù, tuyết, mưa đá với oxít lưu huỳnh, oxit nitơ sinh

ra do quá trình đốt cháy các nhiên liệu khoáng tạo thành axit sunfuric và axit nitric có nồng

độ loãng (pH<5,6), rồi theo mưa, tuyết rơi xuống mặt đất Từ những năm 1950, ở Mỹ đãxuất hiện mưa axit Năm 1979, ở Trung Quốc mưa axit lần đầu tiên xuất hiện ở khu vựcsông Trường Giang, phía Đông cao nguyên Thanh Hải và bồn địa Tứ Xuyên

Mối nguy hại của mưa axit là làm cho sông hồ bị axit hóa, cây cối bị khô héo, các loại cá bịchết , đe dọa sức khỏe con người Dựa vào di chuyển của gió, mây mưa axit có thể đi từvùng này đến vùng khác nên phạm vi nguy hại càng rộng lớn

- Rừng bị hủy diệt: mưa axit làm tổn thương lá cây, trở ngại quá trình quang hợp , làm cho

lá cây bị vàng úa và rơi rụng Mưa axit làm cho chất dinh dưỡng trong đất bị tan mất, cótác dụng phá hoại sự cố định đạm của vi sinh vật và sự phân giải các chất hữu cơ, làm giảm

độ màu mỡ của đất Mưa axit còn cản trở sự sinh trưởng của bộ rễ làm suy giảm khả năngchống bệnh và sâu hại Toàn Châu Âu có khoảng 14% rừng bị những cơn mưa axit tàn phá,riêng nước Đức bị tàn phá tới 50% Rừng trên thế giới bị mưa axit tàn phá, tổn thất về gỗhằng năm đã vượt quá 10 tỉ đô la

- Nước hồ bị axit hóa: Mưa axit làm ô nhiễm nguồn nước trong hồ và phá hỏng các loạithức ăn, uy hiếp sự sinh tồn của các loài cá và các sinh vật khác trong nước Ở Thụy điển

có hơn 9 vạn hồ thì 22% hồ đã bị axit hóa với mức độ khác nhau; 80% nước hồ của Nauy

bị axit hóa

- Sản lượng nông nghiệp bị giảm: mưa axit làm yếu khả năng quang hợp của cây, phá hoạicác tổ chức bên trong, khiến cho cây trồng mọc rất khó khăn Mưa axit còn ức chế việcphân giải các chất hữu cơ và cố định đạm trong đất, rửa trôi các nguyên tố dinh dưỡngtrong đất (Ca, Mg, K) làm cho đất bị nghèo hóa Theo điều tra của Nhật Bản, mưa axit làmmột số cây ngũ cốc và lúa mì bị giảm đến 30% sản lượng Mưa axit còn hòa tan các kimloại độc hại (Hg, Cd, Al…) do đó làm giảm giá trị sử dụng của sản phẩm nông nghiệp,thậm chí không thể dùng được

- Làm tổn hại đến sức khỏe con người: Khí SO2 là chất chủ yếu gây mưa axit, rất nguyhiểm cho sức khỏe của con người Khi hít phải SO2 với nồng độ nhất định hô hấp sẽ bị kích

thích mạnh Liều SO2 gây nnguy hiểm sau 30 đến 60 phút hít thở là 260 – 130 mg/m3 Độctính chung của SOx là gây rối loạn chuyển hóa protein và đường, thiếu vitamin B và C, ứcchế enzym oxydaza Hấp thu lượng lớn SO2 có khả năng gây bệnh cho hệ tạo huyết và tạo

ra methemoglobin tăng cường quá trình oxi hóa Fe2+ thành Fe3+

- Gây ăn mòn vật liệu, công trình kiến trúc: Thành cổ Athen nổi tiếng và tượng nhân sư của

Ai Cập do bị những trận mưa axit mà ngày càng bị xâm thực hỏng dần

* Khói quang hoá

Ô nhiễm không khí đô thị cổ điển

Ô nhiễm không khí đô thị cổ điển, phát sinh ra thuật ngữ “sương khói” là vấn đề của nhữngthành phố Tây Âu và Bắc Mỹ những thập niên 1950 và 1960 Khói mù Luân Đôn là ví dụđiển hình nhất Trong suốt những tháng mùa đông dài lạnh lẽo, người dân Luân Đônthường đốt than kém chất lượng trong lò sưởi trong nhà Khói đen thải vào không khí quanhững ống khói trên trần nhà mang theo nhiều bồ hóng và khí Sunfua dioxit

Thời lỳ lạnh đặc trưng bởi tốc độ gió chậm và tầng xáo trộn rất mỏng Các hạt bồ hóng vàkhí trong không khí tạo thành một hỗn hợp khói (smoke) và sương mù (fog), kết hợp 2 từnày lại ta được thuật ngữ “smog” Khí SO2 và axit sunfuric tạo thành từ đó làm cho các hạtkhói mù có tính axit cao, gây kích thích mắt, mũi và khí quản của người dân Trong thời kỳkhói mù như vậy năm 1952 có rất nhiều người phải nhập viện và trên 4000 người khác đãchết ở khu vực Luân Đôn trong một giai đoạn kéo dài khoảng vài ngày

Các giai đoạn tương tự đã xảy ra ở các thành phố khác của Châu Âu và Bắc Mỹ Nó đã tạonên những thúc đẩy đầu tiên về việc quản lý chất lượng không khí ở những nước này.Người ta đã áp dụng nhiều phương pháp để giảm các nguy cơ xảy ra các dạng ô nhiễm loạinày Dần dần sử dụng nhiên liệu trong nước chuyển từ than có hàm lượng S cao sang dầu

có S thấp và khí tự nhiên chứa ít S hơn Hơn nữa quá trình đốt khí và dầu sạch hơn đốtthan, vì dầu và khí hoà trộn tốt hơn Các ngành công nghiệp và nhà máy điện phải bố tríống khói cao trên 100m, nghĩa là trên tầng xáo trộn trong điều kiện khí tượng ưu thế tronggiai đoạn thời tiết lạnh này

Những điều kiện đặc biệt của khói mù cổ điển này đã biến mất ở hầu hết các vùng trên thếgiới, nhưng sức khoẻ của con người vẫn còn bị đe doạ bởi lượng hạt và SO2 quá cao trongkhí quyển

Ô nhiễm không khí đô thị hiện tại

Vấn đề ô nhiễm không khí ở các đô thị hiện đại khó có thể mô tả bằng các thuật ngữ thốngnhất Nó lệ thuộc nhiều vào trạng thái khí tượng điển hình và mức độ phát triển kinh tế

Như đã nói trên, không thể mô tả đơn giản về chất lượng không khí đô thị Có thể chia tìnhtrạng ô nhiễm không khí đô thị thành 2 loại chung: Khói mù mùa hè và khói mù mùa đông.Khói mù mùa hè đặc trưng bởi các phản ứng quang hoá dẫn đến có nhiều chất oxi hoá (đặcbiệt là ozon) và xảy ra ở các vĩ độ cao và trung chỉ trong mùa hè và ở những vùng nhiệt đớitrong suốt năm Khói mù mùa đông đặc trưng bởi nhiều hạt và xảy ra ở những vĩ độ cao vàtrung chủ yếu trong mùa đông

Khói mù mùa hè hay khói mù quang hóa

Trong khí quyển ở tầng đối lưu, hàm lượng ozon thấp khoảng 50ppb, ở độ cao sát mặtbiển, hàm lượng ozon khoảng 20-40 ppb và đạt cực đại vào mùa hè từ 40 – 60 ppb Ozontham gia vào phản ứng quang hóa cùng với sản phẩm của quá trình quang hóa là các gốchoạt tính như: OH, NO, O, O2, HO2… lại tiếp tục tham gia phản ứng với các hợp chấthydrocacbua (là những chất không hấp thụ sóng ngắn), các oxit nitơ trong khí quyển sẽhình thành nhiều chất ô nhiễm thứ cấp như andehyt, peroxyl acetyl nitrat Tập hợp tất cảcác chất trên tạo thành khói quang hóa trong khí quyển Như vậy khói quang hóa đượckhởi đầu bởi tia mặt trời cùng với sự phân li của NO2 thành NO và O là bước quan trọngnhất

Tính chất vật lý của nó là khói có màu vàng nâu, làm giảm tầm nhìn, cùng với sự có mặtcủa những chất có hại tới hô hấp, gây chảy nước mắt Bốn điều kiện quan trọng trước khixảy ra việc hình thành khói quang hóa

NOx + tia nắng + RH + nhiệt độ trên 18oC

Cơ chế của sự hình thành khói quang hóa

a Phản ứng quang hóa cơ bản tạo nguyên tử oxi

NO2 + hγ (λ <= 410 nm)  NO + O

b Các phản ứng với oxi

O2 + O  O3

O3 + NO  NO2 + O2

Do phản ứng thứ hai xảy ra rất nhanh nên nồng độ ozon vẫn còn thấp cho đến khi nồng độ

NO giảm xuống Xe ô tô phát thải NO có tác dụng giữ O3 ở nồng độ thấp ổn định

Ở bước sóng dưới 310 nm, ozon sẽ bị thủy phân tạo thành các gốc hydroxyl (OH) tự do:

O3 + hγ (λ <= 310 nm)  O2 + O

O + H2O  2OH

Các gốc OH này khá hoạt động khiến tất cả các hợp chất khác trong khí quyển có thể thamgia vào quá trình hóa học, như RH

Khói mù mùa đông

Loại khói mù này đặc trưng bởi mức độ ô nhiễm không khí cao do nguồn thải các hạt vàđiều kiện thời tiết không đổi Ở những vùng vĩ tuyến cao, tốc độ xử lý ô nhiễm giảm (bềmặt trái đất băng giá) và năng lượng sử dụng tăng vì thời tiết lạnh góp phần làm tăng nồng

độ chất ô nhiễm

Trong những năm gần đây, một số nghiên cứu dịch tễ học ở Mỹ cũng như ở Châu Âu đãtìm được những bằng chứng cho thấy các hạt mịn và cực mịn có tác động tiêu cực đến sứckhỏe của con người ở những nồng độ thấp hơn người ta tưởng nhiều Không chỉ nhữngthông số khó theo dõi như chức năng phổi ở những người bị bệnh hen bị ảnh hưởng khôngtốt trong những này mức ô nhiễm tăng nhẹ, mà cả những số người nhập viện và tỉ lệ tửvong cũng gia tăng

Cơ chế gây độc của ảnh hưởng này cho đến nay vẫn chưa rõ, nhưng vì ảnh hưởng này rất

rõ rệt nên EPA đang tiến hành chỉnh sửa lại các tiêu chuẩn chất lượng không khí cho cácloại hạt Nếu được công bố ta sẽ thấy trên một nửa dân cư của các đô thị trên thế giới đangsống trong điều kiện nồng độ chất ô nhiễm không khí cao hơn tiêu chuẩn cho phép Nguồnhạt ô nhiễm đô thị chính là do giao thông đường bộ, khói thuốc lá, nhiên liệu cho nấu ăn,sản xuất công nghiệp…

CHƯƠNG 3 NƯỚC VÀ SỰ Ô NHIỄM NGUỒN NƯỚC

3.1 Nguồn nước và phân bố nước trong tự nhiên

Khối lượng nước ở trạng thái tự do trên trái đất là 1,3859 tỉ km3 (M.I.Lvotvis, A A.Xokolop - 1974), chỉ chưa đến 1% so với trữ lượng nước ở lớp vỏ giữa của trái đất (khoảng

200 tỉ km3) Nước ngọt chỉ chiếm 2,53% (35 triệu km3) Trong đó, phần lớn lại là nướcđóng băng ở các vùng cực và vùng băng hà Chỉ còn một phần rất nhỏ 1/7000 lượng nướctrên địa cầu có vai trò quan trọng trong việc bảo tồn sự sống trên hành tinh Đó là lượngnước ngọt trong sông hồ, suối, lượng ẩm trong không khí và trong lòng đất

3.1.1 Vòng tuần hoàn nước

Trong tự nhiên nước luôn vận động và thay đổi trạng thái theo một chu trình bay hơi,ngưng tụ, hoá rắn liên tục Chu trình cơ bản gồm 5 quá trình căn bản: mưa – dòng chảy –thấm – bốc hơi – ngưng tụ và thành mưa

Vòng tuần hoàn nước chính là sự tồn tại và vận động của nước trên mặt đất, trong lòng đất

và trong bầu khí quyển của trái đất Vòng tuần hoàn nước đã và đang diễn ra từ hàng tỉnăm và tất cả sự sống trên trái đất đều phụ thuộc vào nó, trái đất chắc hẳn sẽ là một nơikhông thể sống được nếu không có nước

Hình 3.1 Vòng tuần hoàn nước

Bức xạ sóng ngắn của mặt trời là nguồn cung cấp năng lượng cho chu trình nước Khoảng1/3 bức xạ mặt trời đi tới bề mặt trái đất đã được sử dụng trong chu trình Một phần nănglượng bức xạ tới mặt đất đã chuyển hoá thành nhiệt năng làm cho tầng thấp của khí quyểnnóng lên Năng lượng này hâm nóng lớp nước mặt ở các thể lỏng và rắn làm chúng bốchơi

Hơi nước có trong khí quyển không chỉ do hiện tượng bay hơi từ nước mặt mà còn do sựthoát hơi nước từ cây cối Lượng nước mưa rơi xuống một phần thấm vào đất, một phầnkhác chảy tràn trên mặt đất, phần còn lại được động vật và thực vật sử dụng

Mặt trời điều khiển vòng tuần hoàn nước bằng việc làm nóng nước trên những đại dương,làm bốc hơi nước vào trong không khí Những dòng khí bốc lên đem theo hơi nước vàotrong khí quyển, gặp nơi có nhiệt độ thấp hơn hơi nước bị ngưng tụ thành những đám mây.Những dòng không khí di chuyển những đám mây khắp toàn cầu, những phân tử mây vachạm vào nhau, kết hợp với nhau, gia tăng kích cỡ và rơi xuống thành giáng thủy (mưa).Giáng thuỷ dưới dạng tuyết được tích lại thành những núi tuyết và băng hà có thể giữ nướcđóng băng hàng nghìn năm Trong những vùng khí hậu ấm áp hơn, khi mùa xuân đến,tuyết tan và chảy thành dòng trên mặt đất, đôi khi tạo thành lũ Phần lớn lượng giáng thuỷrơi trên các đại dương; hoặc rơi trên mặt đất và nhờ trọng lực trở thành dòng chảy mặt Mộtphần dòng chảy mặt chảy vào trong sông theo những thung lũng sông trong khu vực, vớidòng chảy chính trong sông chảy ra đại dương Dòng chảy mặt, và nước thấm được tích luỹ

và được trữ trong những hồ nước ngọt Mặc dù vậy, không phải tất cả dòng chảy mặt đềuchảy vào các sông Một lượng lớn nước thấm xuống dưới đất Một lượng nhỏ nước đượcgiữ lại ở lớp đất sát mặt và được thấm ngược trở lại vào nước mặt (và đại đương) dướidạng dòng chảy ngầm Một phần nước ngầm chảy ra thành các dòng suối nước ngọt Nướcngầm tầng nông được rễ cây hấp thụ rồi thoát hơi qua lá cây Một lượng nước tiếp tục thấmvào lớp đất dưới sâu hơn và bổ sung cho tầng nước ngầm sâu để tái tạo nước ngầm (đá sátmặt bảo hoà), nơi mà một lượng nước ngọt khổng lồ được trữ lại trong một thời gian dài.Tuy nhiên, lượng nước này vẫn luân chuyển theo thời gian, có thể quay trở lại đại dương,nơi mà vòng tuần hoàn nước “kết thúc” và lại bắt đầu

Bảng 3.1 Các chu kỳ tuần hoàn nước trong thủy quyển

Nguồn: Tăng Văn Đoàn, Trần Đức Hạ - 2001

3.1.2 Các quá trình chuyển hoá nước giữa các dạng tồn tại của nước trên trái đất 3.1.2.1 Quá trình bốc hơi

Bốc hơi nước là một quá trình nước chuyển từ thể lỏng sang thể hơi hoặc khí Bốc hơinước là đoạn đường đầu tiên trong vòng tuần hoàn mà nước chuyển từ thể lỏng thành hơinước trong khí quyển Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng các đại dương, biển, hồ và sôngcung cấp gần 90% độ ẩm của khí quyển qua bốc hơi, với 10% còn lại do thoát hơi của cây Bốc hơi nước từ các đại dương là cách chính để nước được luân chuyển vào trong khíquyển Diện tích rất lớn của các Đại Dương (trên 70% diện tích bề mặt của trái đất đượcbao phủ bởi các đại dương) cung cấp những cơ hội lớn cho quá trình bốc hơi diễn ra Trênphạm vi toàn cầu lượng nước bốc hơi cũng bằng với lượng giáng thủy Mặc dù vậy, tỉ lệgiữa lượng nước bốc hơi và lượng giáng thuỷ biến đổi theo vùng địa lý Thông thường trêncác đại dương lượng bốc hơi nhiều hơn lượng giáng thủy, trong khi đó trên mặt đất, lượnggiáng thủy vượt quá lượng bốc hơi Phần lớn lượng nước bốc hơi từ các đại dương rơi ngaytrên đại dương qua quá trình giáng thủy Chỉ khoảng 10% của nước bốc hơi từ các đạidương được vận chuyển vào đất liền và rơi xuống thành giáng thuỷ Khi bốc hơi, một phân

tử nước tồn tại trong khí quyển khoảng 10 ngày

Cũng giống như tất cả các thành phần khác trong vòng tuần hoàn nước, quan hệ giữa mưa

và dòng chảy cũng biến đổi theo thời gian và không gian

3.1.2.3 Sự thoát hơi

Thoát hơi: là quá trình hơi nước thoát ra từ các cây trồng vào khí quyển

Thoát hơi là quá trình nước được vận chuyển từ các rễ cây đến các lỗ nhỏ bên dưới bề mặt

lá, ở đây nước chuyển sang trạng thái hơi và thoát vào khí quyển Do đó, thoát hơi thựcchất là bốc hơi của nước từ lá cây Lượng nước bốc thoát hơi từ cây trồng ước tính chiếmkhoảng 10% của hàm lượng nước trong khí quyển

Các nhân tố khí quyển tác động đến bốc thoát hơi nước

Lượng nước bốc thốt hơi từ cây cối biến đổi lớn theo thời gian và khơng gian Một sốnhân tố tác động đến tốc độ bốc thốt hơi nước:

Nhiệt độ:Tốc độ bốc thốt hơi tăng lên khi nhiệt độ tăng, đặc biệt trong mùa phát triển củacây trồng khi nhiệt độ khơng khí ấm hơn

Giĩ và sự di chuyển của khơng khí: Sự di chuyển của các lớp khơng khí xung quanh mộtcây tăng lên làm cho bốc thốt hơi cũng tăng cao

Loại cây: Loại cây khác nhau sẽ thốt hơi nước với tốc độ khác nhau Các loại cây sốngtrong vùng khơ cằn thì thốt hơi ít hơn các loại cây khác Ví dụ cây xương rồng để giữ lạilượng nước quý báu bằng cách giảm bớt sự thốt hơi hơn các cây trơng khác

3.1.2.4 Thấm

Sự thấm là sự di chuyển của nước từ mặt đất vào trong lịng đất hay các khe nứt của đá Bất cứ nơi nào trên thế giới, một phần lượng nước mưa và tuyết đều thấm xuống lớp đất và

đá dưới bề mặt Lượng thấm bao nhiêu phụ thuộc vào một số các nhân tố

Một phần lượng nước thấm xuống sẽ được giữ lại trong những tầng đất nơng, ở đĩ nĩ cĩthể chảy vào sơng nhờ thấm qua bờ sơng Một phần nước thấm xuống sâu hơn, bổ sung chocác tầng nước ngầm Nếu tầng nước ngầm nơng hoặc đủ độ rỗng để cho phép nước chảy tự

do qua nĩ, con người cĩ thể khoan các giếng trong tầng nước ngầm này và sử dụng nướccho những mục đích của mình Nước ngầm cĩ thể di chuyển được những khoảng cách dàihoặc được trữ lại trong tầng nước ngầm trong một thời gian dài trước khi quay trở lại bềmặt hoặc qua thấm vào các thuỷ vực khác, như thấm vào các sơng và đại dương

3.1.3 Nước mặt

Nước mặt gồm các nguồn nước từ các dòng chảy trên bề mặt, có mặt thoáng thườngxuyên tiếp xúc với không khí ở đại dương, biển, ao, hồ, sông, suối

1.1.3.1 Nước đại dương

Đại dương là kho chứa nước Lượng nước khổng lồ được trữ trong các đại dương trongthời gian dài hơn là được luân chuyển qua vịng tuần hồn nước Ước tính cĩ khoảng1.338.000.000 km3 nước được trữ trong đại dương, chiếm khoảng 96,5%, và đại dươngcũng cung cấp khoảng 90% lượng nước bốc hơi vào trong vịng tuần hồn nước

Thời kỳ khí hậu lạnh hơn nhiều đỉnh núi băng và những sơng băng được hình thành, mộtlượng nước trái đất khá lớn được tích lại dưới dạng băng làm giảm bớt lượng nước trongnhững thành phần khác của vịng tuần hồn nước Điều này thì ngược lại trong thời kỳ ấm.Cuối kỷ băng hà những sơng băng bao phủ 1/3 bề mặt trái đất, và mực nước các đại dương

thì thấp hơn ngày nay khoảng 122 m Cách đây khoảng 3 triệu năm, khi trái đất ấm hơn,mực nước của các đại dương cĩ thể đã cao hơn hiện nay khoảng 50 m

Luân chuyển nứơc trong các đại dương

Cĩ những dịng chảy trong đại dương di chuyển một khối lượng lớn nước khắp thế giới Sự

di chuyển này ảnh hưởng lớn đến vịng tuần hồn nước và khí hậu Dịng Gulf Stream đượcbiết đến nhiều như là một dịng biển nĩng trong vùng Đại Tây Dương, vận chuyển nước từvùng Vịnh Mexico ngang qua Đại Tây Dương hướng đến nước Anh Với tốc độ 97 km/ngày (60 dặm/ngày), dịng Gulf Stream đem theo một lượng nước nhiều bằng 100 lần tất cảcác sơng trên trái đất Xuất phát từ những vùng khí hậu ấm, dịng Gulf mang theo nước ấmhơn đến Bắc Đại Tây Dương, làm ảnh hưởng đến khí hậu của một vài vùng, như phía tâynước Anh

Đại dương có 5 đặc điểm quan trọng để phân biệt với biển Đại dương lớn hơn biển

Bảng 3.2 Diện tích và độ sâu các đại dương và biển lớn

sâu

TT Tên biển Diện tích Độ sâu

trungbình

1 Thái Bình Dương 178.700.000 4.267 1 Địa Trung Hải 2.500.000 1.433