THỦNG TẦNG OZONE VÀ HẬU QUẢ ĐẾN TRÁI ĐẤT

Trong tự nhiên ôzôn được tạo ra do các phản ứng quang hóa của oxy,oxit nitơ, đặc biệt ôzôn được tạo ra mạnh tại các tầng cao bình lưu của khí quyển, nơi mà cường độ các tia ánh sáng cứng

THỦNG TẦNG OZON

VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ TỚI HỆ SINH THÁI

MỞ ĐẦU

TẦNG OZONE CẦN THIẾT VỚI CHÚNG TA NHƯ THẾ

NÀO?

Tầng ozone rất quan trọng đối với sự sống trên Trái đất vì nó hấp thụ phần lớn tia cực tím của bức xạ mặt trời, không cho các tia này đến được Trái đất Nếu tầng ozone bị suy giảm, bức xạ UV sẽ đến Trái đất nhiều hơn và làm tăng bệnh ung thư da, đục thủy tinh thể ở mắt (cataract), lafmsarn lượng lương thực, ảnh hưởng

hệ sinh thái ở biển.

NỘI DUNG

PHẦN 1

TỔNG QUAN VỀ TẦNG OZONE

I.Giới thiệu chung về ozone và tầng ozone trong khí quyển

Ta cũng biết bầu khí quyển bao quanh Trái đất của chúng ta được chia ra làm nhiều tầng khác nhau: từ mặt đất lên đến độ cao 10km là tầng đối lưu và từ 10km trở lên đến 50km là tầng bình lưu, độ cao 50 – 85km là tầng trung lưu, tầng nhiệt năm ở

độ cao 85 – 100km và cuối cùng là tầng điện ly ở độ cao trên 800km Trong đó khoảng 90% luojc ozone trong khí quyển của chúng ta tập trung ở tầng bình lưu

Trong khí quyển, Ozone chiếm 1 tỷ lệ không lớn nhưng nó lại có vai trò đặc biệt quan trọng trong các quá trình vật lí xảy ra ở các lớp khí quyển trên cao Ozone phân ố rải rác trong lớp khí quyển từ mặt đất đến độ cao khoảng 50 – 60km, nhưng tập trng phần lớn ở độ cao 20 – 35km Theo chiề cao từ mặt đất đến độ cao 10km, lượng ozone thay đổi theo quy luật nào cả Đến độ cao từ 10km trở lên, lượng ozone tăng theo chiều cao và đạt cực đại ở độ cao từ 20 – 25km, sau đó lượng ozone giảm và trở nên không đáng kể ở độ cao 55 – 60km Mật độ trong bình của ozone trong lớp khí quyển dưới 60km vào khoảng 0,9.10-3kg/m3, lớn nhất khoảng 6,0.10-3kg/m3 Toàn bộ ozone trong khí quyển chỉ vào khoảng 3,2×109 tấn

Phân bố ozone trong khí quyển

Ngoài thay đổi theo chiều cao, lượng ozone còn biến thiên theo thời gian và theo

vĩ độ địa lí Các kết quả nghiên cứu 10 năm gần đây cho thấy độ dày dẫn xuất của ozone (tức độ dày của lớp ozone có trong cột không khí có tiết diện 1 đơn vị diện tích,

ở nhiệt độ 0°C và áp suất p=760 mmHg) ở tất cả các vĩ độ nhìn chung đều tăng vào mùa xuân, giảm vào mùa thu và mùa đông Vào cùng thời điểm trong năm, lượng ozone ở xích đạo nhỏ, càng về phía 2 cực, lượng ozone càng tăng

II Ozone

1 Tính chất vật lí:

- Ozone (O3) là chất khí có màu lam nhạt, có mùi hắc đặc trưng và trong suốt

- Ở nồng độ cao có màu xanh da trời, ở thể lỏng có màu lục thẫm…

- Nhiệt độ nóng chảy là -193oC, nhiệt độ sôi là -111,9oC; tỷ trọng (so với không khí) d = 1,658; trong môi trường nước có độ pH = 0 có thế Ôxy hoá khử là 2,07 V

- Ozone là chất hấp thụ mạnh các tia tử ngoại, tia nhìn thấy và tia hồng ngoại Ôzôn có khả năng hấp thụ cao nhất ở bước sóng là 254 nm đối với các tia tử ngoại, ở bước sóng là 600 nm đối với các tia nhìn thấy và ở bước sóng là 900 nm đối với tia hồng ngoại

- Ozone dễ hoà tan trong nước hơn ôxy và sự hoà tan của ôzôn trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất riêng phần của nó trong không khí, khi nhiệt độ càng tăng khả năng hoà tan Ôzôn trong nước càng giảm

2 Tính chất hóa học:

- Ozone có hoạt tính oxi hoá rất cao, đóng vai trò như một tác nhân oxi hoá mạnh trong rất nhiều phản ứng hoá học như: phản ứng với các chất hữu cơ [Phenol, các hợp chất đa vòng, các hợp chất Amin, các hợp chất có liên kết đôi (C = C) và liên kết đơn (C-H)…] Ngoài ra ozone còn có khả năng khử mùi, màu, khử trùng đối với nước và nước thải

- Ozone không bền, dễ dàng bị phân huỷ thành oxi phân tử và oxi nguyên tử

VD: O3= O2 + O Ozon và các vấn đề liên quan đến thủng tầng ozone.

- Dễ dàng oxi hoá iodua đến iot tự do: O3 + 2KI + H2O = I2 + O2 + 2 KOH

- Giấy tẩm dung dịch Kali iodua và hồ tinh bột ( giấy iot tinh bột ) chuyển ngay thành màu xanh khi có mặt ozone trong không khí

- Tác dụng với các phân tử thuộc nhóm Halogen Flo, Clo, Brom, Iot

- Khử các chất gây ô nhiễm có trong nước bằng phương pháp hóa học (sắt, asen, hiđrô sulfid, nitơrit, và các chất hữu cơ phức tạp liên kết với nhau tạo ra "màu" của nước

3 Sự hình thành Ozone:

Trong tự nhiên ôzôn được tạo ra do các phản ứng quang hóa của oxy,oxit nitơ, đặc biệt ôzôn được tạo ra mạnh tại các tầng cao (bình lưu) của khí quyển, nơi mà cường độ các tia ánh sáng cứng (cực tím, tia X, v.v ) rất lớn

Ozone trong bầu khí quyển được tạo thành khi các tia cực tím chạm phải các phân tử oxy ,tạo thành hai nguyên tử oxy đơn ,được gọi là oxy nguyên tử Ôxy nguyên

tử kết hợp cùng một phân tử oxy tạo thành phân tủ ozon Phân tử ozone có hoạt tính cao, khi bị tia cực tím chạm phải, lại tách ra thành một phân tủ oxy và một oxy phân

tủ Đây là một quá trình liên tục gọi là chu kỳ oxi-ozone:

O 2 + Tia cực tím → O + O

O + O 2 → O 3

Trong công nghiệp, người ta tạo ozone bằng cách phóng điện trong ôxy hoặc trong không khí

4.Ứng dụng và độ độc hại của ozone:

Ứng dụng:

-Do ozone là tác nhân oxi hóa mạnh nên có thể dùng ozone để làm chất oxi hóa, khử trùng bệnh viện, tác nhân khử trùng trong xử lý nước thải, bảo quản hoa quả tươi (nước ozone) Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của ozone hiện nay là khử trùng nước uống Khử trùng nước uống bằng ozone có ưu điểm Ozone và các vấn đề liên quan đến thủng tầng ozone hơn hẳn so với khử trùng bằng clo (Cl2) vì dùng ozone

sẽ không lo tồn tại trong nước các sản phẩm Cloramin, là chất được cho là có khả năng gây ung thư

-Trong y khoa, ozon dùng để chữa răng sâu, một lượng nhỏ ozon dùng để chữa bệnh lao

Độ độc hại:

-Oxi là chất khí duy trì sự sống (nếu trong khí thở có ít hơn 15% oxi thì cơ thể đã

có thể chết ngạt), nhưng ozone lại là khí độc hại Ozone gây phù phổi nặng, làm co thắt

và tê liệt đường hô hấp khiến người bệnh không có phản ứng khi có các dị vật lọt vào

Vì vậy, khi tiếp xúc lâu dài với ozone sẽ có nguy cơ bị tích tụ các dị vật trong phế quản

và phổi, là điều kiện có khả năng dẫn đến ung thư

-Ngưỡng cho phép của ozone trong khí thở là 0,2 mg/m3 (hay 0,1ppm), tuy nhiên nếu tiếp xúc lâu dài với ozone ngay cả trong điều kiện nồng độ thấp hơn ngưỡng cho phép này cũng sẽ làm con người mỏi mệt, đau đầu, viêm họng và niêm mạc mắt, v.v Còn nếu nồng độ ôzôn lớn hơn ngưỡng cho phép, người ta có thể bị phù phổi

-Tại các vùng công nghiệp tập trung có khói mù công nghiệp, vào mùa hè nồng

độ ôzôn trong khói mù có thể đạt 0,3-0,4 mg/m3 và rất nguy hại cho cuộc sống con người Đó là chưa kể tác động độc hại của các chất khác có trong khói mù

III Tầng Ozone

- Mật độ tập trung cao nhất của ozone trong khí quyển nằm ở tầng bình lưu – Stratophere ( khoảng 20-50 Km tính từ mặt đất) trong khu vực được biết đến như là tầng ozone

- Bề dày của tầng ozone được đo bằng đơn vị Dobson (DU) ( 1DU =0,01 mm)

và có giá trị từ 290-310 DU trên toàn cầu

Khi bề dày của lớp ozone giảm xuống thấp hơn 2/3 bề dày bình thường gọi là sự suy giảm tầng ozone

1.Vai trò của tầng ozone:

Tầng ozone ngăn 97-99% tia cực tím của bức xạ mặt trời không cho đến Trái đất, có tác dụng lọc tia UV nguy hại gây nguy hiểm cho thảm thực vật và có thể gây ung thư và bệnh đục thuỷ tinh thể ở người Nếu tầng ozone bị suy giảm 1% sẽ dẫn đến việc gia tăng tia cực tím ở tầng đối lưu khoảng 2% Tầng ozon chống sự xâm nhập và phá hủy của tia tử ngoại đối với trái đất

 Ozone ở tầng bình lưu:

- Tầng bình lưu (Stratosphere): ở độ cao từ 10-50 km Nhiệt độ và áp suất của tầng này tăng theo chiều cao Các nhà khoa học giải thích rằng sự gia tăng nhiệt độ là

do càng lên cao càng gần với lớp ozone Lớp ozone là lớp không khí nơi đó hàm lượng khí ozone rất cao, có khả năng hấp thu tia cực tím của mặt trời Lớp ozone xuất hiện ở

độ cao 18-30 km Nồng độ ozone cao nhất ở độ cao 20- 25 km, cao hơn 1000 lần so với tầng đối lưu (khoảng 10 ppm)

- Tầng bình lưu nằm ngay phía trên tầng đối lưu và ở phía dưới của tầng trung lưu

- Ozone liên tục được tạo ra và phân hủy trong tầng bình lưu Trước khi bắt đầu

xu hướng suy giảm ozone, lượng ozone trong tầng bình lưu được giữ ổn định nhờ vào cân bằng giữa tạo thành và phân hủy các phân tử ozone do tác động của tia cực tím

- 98% tia cực tím của bức xạ mặt trời (UV-B và UV-C) được hấp thụ ở tầng bình lưu để tạo thành và phá hủy ozone theo các quá trình tự nhiên Hiệu suất chuyển đổi giữa ozone và oxi là 300 triệu tấn/ngày

 Ozone ở tầng đối lưu:

- Tầng đối lưu (Troposphere): cao đến 10 km tính từ mặt đất, là tầng tiếp giáp với bề mặt trái đất Nhiệt độ và áp suất của tầng này giảm theo chiều cao Trên mặt đất có nhiệt độ trung bình là 15°C, lên đến độ cao 10 km chỉ còn từ - 50°C đến -80°C

- Tầng đối lưu là một tầng chuyển tiếp giữa lớp thấp nhất của bầu khí quyển Trái Đất và tầng bình lưu Tầng đối lưu trải dài chừng 10 dặm phía trên đường xích đạo

và khoảng 5 dặm phía trên các cực của Trái Đất Từ trước tới nay, không các vệt khí như như O3 (ozone), NOx (oxid nitơ, x=1,2 )Các vệt khí này thường thay đổi, có hàm lượng rất thấp (ppb, ppt) và thường là các chất ô nhiễm

-Ozone trong tầng này được hình thành từ các chất khí được tạo ra trong quá trình sản xuất công nghiệp, hoạt động của giao thông dưới tác dụng của bức xạ cực tím của mặt trời

NO 2 + hv → NO + O

O + O 2 → O 3

- Khi tia cực tím chiếu vào ozone, nó chia ozone thành phân tử O2 và nguyên tử của oxi nguyên tử Oxi nguyên tử kết hợp với N2 để tạo thành các nitơ ocid; sau đó nó lại bị phá vỡ bởi ánh sáng nhìn thấy để tái tạo ozone

- Chu trình Nitơ ocid để tạo thành ozone cũng có thể bị phá vỡ do sự có mặt của hơi nước trong khí quyển vì nó làm biến đổi các nitơ ocid thành các dạng bền vững hơn

2 Quá trình phân hủy ozone trong không khí:

- Dưới tác dụng của các tia tử ngoại, phân tử Oxi có thể phân ly thành 2 nguyên

tử Oxi:

O 3 + hn (l = 220 – 330 nm) → O 2 + O + Q

-Ngoài ra ozone có thể bị phá hủy bởi các nguyên tử clo, Flo hay Brom trong bầu khí quyển Các nguyên tố này có trong một số hợp chất bền nhất định, đặc biệt là Chlorofluorocacbon (CFC), đi vào tầng bình lưu và được giải phóng bởi các tia cực tím

-Quan trọng nhất là các nguyên tử Clo được tạo thành như thế sẽ trở thành chất xúc tác phá huỷ các phân tử ozone trong một chu kỳ khép kín Trong chu kỳ này, một nguyên tử clo tác dụng với phân tử ozone, lấy đi một nguyên tử oxi (tạo thành ClO) và

để lại một phân tử oxi bình thường Tiếp theo, một ôxy nguyên tử tự do sẽ lấy đi oxi từ ClO và kết quả cuối cùng là một phân tử ôxy và một nguyên tử clo, bắt đầu lại chu kỳ Một nguyên tử clo đơn độc sẽ phân hủy khoảng 100.000 phân tử ozone

3.Nguyên nhân của việc thủng tầng ozone:

• Do giá lạnh, acid nitric kết tủa thành giọt với nước Khi nhiệt độ ở mức -80°C, nó sẽ lớn lên và tạo thành những tinh thể băng lớn Khí Chloroflurocarbon (CFC) và những giọt chất hóa học này bào mòn tầng ozone, là tác nhân chính phá hủy tầng ozone Nó là các phân tử bền vững nhưng khi gặp các tinh thể băng này sẽ gây phản ứng và chuyển hóa thành các chất hóa học gốc.Các chất hóa học này, mà y học thường gọi là

“các Ozone và các vấn đề liên quan đến thủng tầng ozon gốc tự do”, rất

dễ tạo phản ứng với ozone để trở lại trạng thái bền vững Kết quả là tầng ozone bị phá hủy thành khí oxi thông thường Trong số đó, phá hủy mạnh nhất là gốc chlor và brom Các nhà khoa học phát hiện chính hợp chất hóa học của Clo, Brom, Flo, thường được sử dụng trong các bình phun, xịt bằng áp lực đã phân hủy những hợp chất của ozone Đến tận giữa thập

kỷ 90, người ta mới phát hiện thêm một “thủ phạm tích cực” nữa đó chính

là chất thải công nghiệp đặc biệt là các khí NOx, CO2… Những chất thải loại này vẫn bền bỉ và dai dẳng bay vào bầu khí quyển và làm công việc phá hoại tầng ozone

• Mặt khác, lốc xoáy khí ngăn cản một phần ozone tràn tới bù đắp lỗ thủng, khiến nó ngày càng lan rộng Đồng thời, lốc xoáy này di chuyển đến những vùng sáng, có tia nắng mặt trời Sự di chuyển này có liên quan tới các khí gây hiệu ứng nhà kính thải vào tầng bình lưu

• Khi nền công nghiệp ngày càng hiện đại hóa, kéo theo quá trình sản xuất công nghiệp gia tăng đột biến là lượng khí thải CO2 lên bầu khí quyển tăng mạnh, gây mất cân bằng CO2 trong khí quyển và dẫn đến hàm lượng

CO2 vượt mức quy định gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến tầng ozone

• Tầng ozone bị suy giảm do con người thải các chất khí CFC (chloroflurocacbon) và các chất ODS (ozone depleting substances) khác vào khí quyển CFCs được sử dụng làm chất sinh hàn, chất tạo bọt, dung môi…Các chất ODS khác bao gồm: Methyl bromide ( làm thuốc trừ sâu), Halons (trong các bình chữa cháy), Methyl chloroform (dùng làm dung môi trong nhiều nghành công nghệ)

• Việc xả khói bụi và các chất hóa học vào bầu không khí đã gây ảnh hưởng xấu đến tầng ozone Ví dụ về các chất độc là Cacbon monoxide, Sulfur dioxide, các chất

4.Hiện trạng về tầng ozone:

Con người bắt đầu tiến hành đo đạc tầng ozone từ các trạm trên mặt đất vào năm 1956 ở vịnh Halley, Nam cực Đầu những năm 1970 con người bắt đầu tiến hành

đo đạc tầng ozone từ các vệ tinh Tuy nhiên, các đo đạc tổng hợp chỉ bắt đầu tiến hành vào năm 1978 bởi vệ tinh Nimbus-7 Một nghiên cứu ở diện rộng đã cho rằng trên bình diện toàn cầu tầng ozone đã bị suy giảm 2,5% trong khoảng thời gian từ 1969 -1986,

và thêm 3% nữa từ năm 1986 -1993 98% tia cực tím của bức xạ mặt trời (B và UV-C) được hấp thụ ở tầng bình lưu để tạo thành và phá hủy ozone theo các quá trình tự nhiên Và các số liệu đo đạc về diện tích của lỗ thủng từ năm 1979 đến nay:

Năm 1979: Việc đo lỗ thủng tầng ozone bằng vệ tinh lần đầu tiên được NASA

thực hiện vào năm này

Năm 1998: Lỗ thủng lớn che phủ 10,5 triệu dặm vuông vào tháng 9 năm 1998

Đó là kích thước lớn kỷ lục trước năm 2000

Năm 2000: Lỗ thủng tầng ozone khổng lồ đạt tới 11,4 triệu dặm vuông vào

tháng 9 năm 2000 Đó là lỗ thủng lớn nhất đã từng đo được Diện tích xấp xỉ ba lần diện tích nước Mỹ Sau đó, năm 2003, lỗ thủng tầng ozone che phủ 11,1 triệu dặm vuông là lỗ thủng lớn thứ 2

Năm 2001: Vào tháng 9 năm 2001, lỗ thủng tầng ozone bao phủ khoảng 10

triệu dặm vuông Lỗ thủng này nhỏ hơn năm 2000, nhưng vẫn lớn hơn tổng diện tích của Nước Mỹ, Canada và Mêxico

Năm 2002: Lỗ thủng tầng Ôzôn thu hẹp lại và tháng 9 năm Ozon và các vấn đề

liên quan đến thủng tầng ozon Nhóm 1 DH06MT Trường ĐH Nông Lâm TP HCM 13

2002 là lỗ thủng nhỏ nhất từ năm 1998 Lỗ thủng ở Nam Cực năm 2002 không những nhỏ hơn năm 2000 và 2001, mà còn tách ra thành 2 lỗ riêng biệt Kích thước nhỏ 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

Năm 2003: Lỗ thủng tầng Ôzôn che phủ 11,1 triệu dặm vuông, và là lỗ thủng

kỷ lục đứng thứ hai Năm 2000 là năm lỗ thủng lớn nhất Lỗ thủng lớn do gió lặng và thời tiết rất lạnh

Năm 2004: Tháng 9 năm 2004, lỗ thủng là 9,4 triệu dặm vuông Lỗ thủng này

nhỏ hơn năm 2003, có thể do thời tiết Cực Nam tương đối ấm

Năm 2005: Lỗ thủng ở tầng Ôzôn phía trên Cực Nam xuất hiện lớn hơn năm

ngoái nhưng vẫn nhỏ hơn năm 2003 Lỗ thủng năm 2005 che phủ khoảng 10 triệu dặm vuông 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 Kích thước lỗ thủng năm

2005 gần mức trung bình năm 1995-2004 Lỗ thủng này lớn hơn năm 2004, nhưng nhỏ hơn năm 2003

Năm 2008: lỗ thủng tầng ozone ở Nam Cực có diện tích đến 27 triệu km2 Con

số này lớn hơn nhiều so với diện tích lớn nhất của nó được ghi nhận năm 2007 là 25 triệu km2