triệu tấn, thì tùy thuộc độ cao ổn định của đám mây nổ hạt nhân, sẽ thiết lập một trạng thái trong đó hàm lượng ôzôn trong toàn khí quyển của bán cầu chỉ còn từ 40 đến 70 % lượng tự nh[r]
(1)Sự nhiễm tồn cầu Mở đầu
Gia nhập từ nguồn khác nhau, chất làm nhiễm mang khí dịng khơng khí có trật tự (trung bình khoảng thời gian nhỏ lớn) lan truyền ảnh hưởng xáo trộn rối
Hệ thống dịng khơng khí khí phức tạp Thông thường, người ta phân biệt chuyển động qui mơ vừa, synop tồn cầu với kích thước phương ngang không vượt 100－200, 1000－2000 km vài nghìn km Khơng khí khí di chuyển không theo phương ngang, mà phương thẳng đứng Dưới tác động trao đổi rối chuyển động thẳng đứng, diễn vận chuyển tạp chất từ lớp khí tới lớp khác (chẳng hạn, từ lớp đối lưu sang lớp bình lưu) Thời gian lưu lại trung bình tạp chất không rơi lắng (nhẹ) khoảng năm lớp bình lưu, 1－4 tháng lớp đối lưu thượng 6－10 ngày lớp đối lưu hạ Với khoảng thời gian tồn vậy, tạp chất kịp lan truyền xa nhiều nghìn kilơmet khỏi nơi chúng gia nhập vào khí Với tốc độ trung bình (khoảng 30－35 m/s) dòng hướng tây quan trắc thấy lớp đối lưu thượng lớp bình lưu hạ vĩ độ trung bình, sơn khí kịp lan vòng quanh địa cầu vòng 10－12 ngày Tốc độ chuyển động khơng khí phương kinh tuyến nhỏ nhiều so với tốc độ vĩ hướng Do đó, sơn khí lan truyền từ đới vĩ độ tới đới vĩ độ khác, từ bán cầu bắc tới bán cầu nam, chậm nhiều so với lan truyền phương vĩ tuyến
Quan trắc gió đại lượng khí tượng khác nhiều vùng Trái Đất hoàn toàn chưa đủ Nếu theo dõi lan truyền sơn khí, ước lượng tốc độ dịng khơng khí Với vai trị đó, tạp chất sử dụng vật đánh dấu (trasser) dòng khí tồn cầu trao đổi rối
Các tạp chất phóng xạ
Những thập niên gần người ta nhận liệu đầy đủ lan truyền tạp chất phóng xạ, tạp chất nguy hiểm nhất, đặc biệt nguy hiểm “kỉ nguyên nguyên tử” bắt đầu diễn (từ năm bốn mươi) Độ phóng xạ khí tăng lên mạnh năm 50 đầu năm 60 vụ thử vũ khí hạt nhân lan tràn Mặc dù năm 1963 cấm thử vũ khí khí vũ trụ, số nước (Trung Quốc, Pháp) không tham gia Hiệp ước tiếp tục thử vũ khí hạt nhân Hậu vấn đề nhiễm phóng xạ khí giữ ngun tính thời tận ngày
Các tạp chất phóng xạ nhập vào khí từ bốn nguồn chia thành bốn nhóm Nhóm thứ gồm đồng vị số nguyên tố phóng xạ có vỏ Trái Đất sản phẩm phân hủy chất đó: rađơn (222
Rn), 210Pb (RaD), 210Bi (RaE), 210Pb (RaF) Nhóm thứ hai gồm đồng vị nguồn gốc vũ trụ tạo thành tương tác ngun tử khơng khí với xạ vũ trụ: 22
Na, 7Be, 32P, 33P, 14C, 3H Các đồng vị nguồn gốc nhân tạo - sản phẩm vụ nổ hạt nhân (14
(2)nhưng mặt khác - cho phép ta lợi dụng quan trắc để nghiên cứu trình hình thành mây, sương mù giáng thủy Đo hàm lượng đồng vị thực cầu thám khơng, phịng thám khơng, máy bay thiết bị đặt mặt đất cách thổi lượng khơng khí định qua lọc hiệu cao sau xác định đồng vị xạ bêta nhờ phép phân tích hóa phóng xạ đồng vị phóng xạ gamma nhờ phép phân tích trắc phổ Số lượng lần đo khí tự tương đối (vì khó khăn đắt giá) Đó chủ yếu lần đo sản phẩm nổ hạt nhân số vùng địa lý riêng biệt Chúng dẫn số liệu biến thiên hàm lượng chất phóng xạ khí tự lân cận mặt đất
Trên hình 3.1 dẫn trị số trung bình mùa hàm lượng tổng cộng 90Sr vùng nút đối lưu (9－15 km), lớp bình lưu hạ (21 km) bình lưu trung (21－40 km) Độ phóng xạ 90
Sr đạt trị số cực đại bắc bán cầu vào mùa xuân năm 1963, nhiều năm trước năm có nhiều vụ thử vũ khí hạt nhân khí thuộc bắc bán cầu Ở nam bán cầu, hàm lượng 90Sr đạt cực đại sau khoảng nửa năm, giá trị độ phóng xạ nhỏ số lần so
với bắc bán cầu
(3)và nam (b) lớp 21－40 km (1); 15－21 km vĩ độ 30－90o (2) 0－30o (3), 9－15 km vĩ độ 30－90o (4)
Đ - mùa đông, X - mùa xuân, H - mùa hè, T - mùa thu
Sau năm 1963, Liên Xô, Mỹ Anh không thử vũ khí hạt nhân khí nữa, kết hàm lượng 90Sr (cũng đồng vị phóng xạ khác) lớp bình lưu giảm (một chút tăng
nửa sau năm 1967 bắc bán cầu có lẽ vụ nổ hạt nhân Trung Quốc hay Pháp) Trong lớp (0－15 km) đới vĩ độ 30－90o hai bán cầu hàm lượng 90Sr cực đại vào mùa đông xuân cực tiểu vào mùa thu Theo số liệu quan trắc buồng thám không (trên vĩ độ 31o) lớp 24－32 km, biến trình năm hàm lượng 90Sr có dạng ngược lại: cực
đại - mùa hè thu, cực tiểu - cuối đông xuân Như vậy, lượng lớn sản phẩm nổ hạt nhân từ lớp bình lưu trung vĩ độ trung bình cao vào lớp bình lưu hạ sau vào lớp đối lưu, dẫn tới cực đại rơi lắng hàm lượng 90SR vào mùa thu gần mặt đất
Mặc dù vụ nổ hạt nhân tiến hành độ cao vĩ độ khác nhau, khoảng năm sau vụ nổ, tranh phân bố sản phẩm phóng xạ lớp bình lưu quan sát thấy nhiều nét giống Cực đại nồng độ tất đồng vị nằm lớp bình lưu chí tuyến lớp 20－50 km, cực đại thứ sinh - lớp bình lưu hạ lớp đối lưu thượng vĩ độ trung bình cao bắc bán cầu
Tổng lượng rơi sơn khí phóng xạ xác định lục địa đại dương cách thu nhận mẫu bảng bẫy có tính chất dính cấu trúc vải, rãnh bẫy thành cao khác nhau, bình bẫy thành cao thường đặt độ cao m Những đợt đo 20－25 năm gần tiến hành cách hệ thống tất nước công nghiệp phát triển nhằm kiểm sốt vơ tuyến rơi sản phẩm nổ hạt nhân xuống đất Khối lượng chủ yếu sơn khí phóng xạ rửa trơi từ khí rơi xuống đất với giáng thủy Một phận nhập với bụi sơn khí dạng rắn khác (gọi rơi khô) Việc tổng hợp kết quan trắc mạng lưới trạm tầu cho phép lập đồ rơi sơn khí phóng xạ tồn cầu (thí dụ, 90Sr), dẫn tới kết luận khối lượng sản phẩm nổ hạt nhân chủ yếu (theo tình hình
năm 1967) nằm bắc bán cầu với hàm lượng cực đại đới 30－50 oVB Theo số liệu đo đạc 100 điểm phân bố gần 80 oKT đới 70 o
VB － 60 oVN, nồng độ 90Sr lớp sát đất cực đại vào tháng ba - tháng sáu đới 20－40 oVB, từ năm 1963 đến năm 1967 trị số cực đại giảm khoảng 20 lần Ở nam bán cầu, cực đại 90Sr đạt muộn (vào cuối
(4)Người ta nhận thấy có mối liên hệ trực tiếp nồng độ 137Cs hoạt độ Mặt Trời
Các vụ nổ hạt nhân thực Trung quốc tiếp tục làm nhiễm khí tạp chất phóng xạ Được mang dịng khơng khí, chúng rơi xuống lãnh thổ Liên Xô Sau vụ nổ, qua khoảng thời gian lớn hay nhỏ (tùy thuộc độ cao nâng lên sản phẩm nổ) nồng độ rơi lắng tạp chất xuống mặt đất tăng lên Các mức ô nhiễm Liên Xô tăng lên trung bình từ phía bắc xuống phía nam, từ phía tây sang phía đơng Những mức nhiễm phóng xạ cao quan trắc thấy vùng Primore, Trung Á Ngoại Kapkazơ (theo số liệu K P Makhonko nnk., năm 1975－1980)
Thời gian gần đây, người ta tiến hành đánh giá biến đổi có trạng thái mơi trường ảnh hưởng việc sử dụng tràn lan vũ khí hạt nhân chiến Theo báo cáo Học viện Quốc gia Hoa Kỳ, nhóm nhà chun mơn chun gia chuẩn bị, kích nổ nguồn dự trữ hạt nhân tổng cơng suất 104
triệu (tức tương ứng với khoảng nửa cơng suất tích lũy) gây nên biến đổi sau môi trường:
a) Phát thải ơxit nitơ vào lớp bình lưu kéo theo giảm sút hàm lượng chung ôzôn 30－70 %;
b) Giảm nhập lượng xạ cực tím làm giảm đáng kể sản lượng nơng nghiệp;
c) Các tia phóng xạ gây tổn thương cho sống Trái Đất, làm gia tăng bện ung thư bệnh liên quan đến gien
Tuy nhiên, nhóm đến kết luận rằng, địn tổng cơng hạt nhân gây nên hủy hoại to lớn, song hậu khơng mang tính thảm họa qui mơ tồn cầu khoảng thời gian số thập niên, sau 2－4 năm phục hồi hàm lượng ơzơn khí quyển, cịn sau 25 năm tồn sinh trở lại trạng thái bình thường (ngoại trừ quốc gia bị công trực tiếp)
Liên hiệp nhà khoa học Mỹ khơng đồng ý với kết luận này, khoa học chưa đánh giá cách đủ xác định hậu sinh học kinh tế vụ nổ với công suất cỡ 104
(5)Theo ước lượng Iu A Izrael, V N Petrov Đ A Severov, xảy vụ nổ cơng suất số triệu tổng hàm lượng ôzôn cột thẳng đứng vùng nổ giảm 20－25 % phục hồi khoảng sau ngày, ảnh hưởng vụ nổ với công suất vài chục triệu - giảm 75－80 % chu kỳ phục hồi tăng lên đến khoảng tuần lễ
Nếu bắc bán cầu tiến hành vụ nổ tổng công suất 104
triệu tấn, tùy thuộc độ cao ổn định đám mây nổ hạt nhân, thiết lập trạng thái hàm lượng ơzơn tồn khí bán cầu cịn từ 40 đến 70 % lượng tự nhiên Iu A Izrael kết tác động vụ nổ tới sinh môi trường sống gồm:
a) Sự nhiễm phóng xạ mơi trường dẫn tới tổn thương tia xạ (bức xạ gamma bêta) biến đổi tính chất điện khí (bao gồm ion);
b) Sự nhiễm khí sơn khí, kèm theo biến đổi tính chất xạ khí hệ biến đổi thời tiết khí hậu;
c) Sự nhiễm khí chất dạng khí (mêtan, êtilen khí khác) ảnh hưởng tới dịng xạ Mặt Trời Trái Đất chế độ nhiệt khí quyển;
d) Hỏa hoạn tràn lan thành phố, rừng, khu vực khai thác khí dầu
Phân tích tác động dẫn tới kết luận: vụ nổ hạt nhân, đặc biệt sử dụng rộng, dẫn tới tác động hủy hoại qui mô địa phương, mà cịn gây nên xáo trộn tồn cầu nghiêm trọng - mang lại biến đổi khí hậu khơng đảo ngược được, phá hủy lớp ôzôn Trái Đất, xáo trộn hoàn toàn sinh
Độ cao nâng lên mây hạt nhân
Trong vụ nổ hạt nhân tạo thành cầu lửa nóng, nguồn phát xạ ánh sáng sóng va đập Tại thời điểm nổ, nhiệt độ cầu lửa số triệu độ Kelvin Tuy nhiên, qua 10－15 s sau nổ, nhiệt độ giảm xuống đến 000－3 000 K cầu ngừng phát sáng Tới thời điểm kết thúc phát sáng, áp suất khí bên cầu thực tế khơng khác biệt so với áp suất khơng khí xung quanh
(6)(7)Kể từ thời điểm cầu ngừng phát sáng, tức không cịn cầu lửa nữa, ước lượng định lượng cho thấy, nhân tố thứ ba - phát xạ đám mây - khơng cịn vai trị đáng kể làm nguội lạnh đám mây
Trong thành phần đám mây, bên cạnh hạt phóng xạ cịn có giọt nước Chúng xuất ngưng tụ lượng nước tạo thành kết bốc nước chứa đất nâng lên khí vùng trấn tâm nổ Hơi nước vào đám mây nước từ khí xung quanh bị lơi vào với khơng khí Chừng nhiệt độ cầu cao nhiệt độ tới hạn nước (bằng 647 K), nước khơng ngưng tụ Sau đạt nhiệt độ 647 K, nhiệt độ giảm tiếp kèm theo ngưng tụ nước tạo giọt nước Màu đám mây: trắng xám, chứng tỏ đám mây hạt nhân có chứa giọt nước Cịn trước bắt đầu trình ngưng tụ, màu cầu lúc đầu trắng lóa, sau màu đỏ lửa nâu tối
Trong thời gian nâng lên, đám mây có dạng hình nấm Phần nấm lúc đầu giống xoáy toroit mạnh, tốc độ quay chậm dần nâng lên cao Tại độ cao cực đại, đám mây đồng tồn thể tích có dạng hình ellipsoit trịn xoay Sự nâng lên đám mây diễn nhiệt độ bắt đầu nhiệt độ khí xung quanh Về phương diện vật lý, rõ ràng nguội lạnh đám mây tác động xáo trộn (lơi cuốn) với khơng khí xung quanh (mà nhân tố nhân tố chính) diễn chậm kích thước ban đầu cầu lửa lớn Về phần mình, kích thước cầu lửa lớn vụ nổ mạnh Như vậy, ta có kết luận độ cao nâng lên cực đại đám mây phóng xạ, kích thước độ cao đó, tăng lên theo tăng công suất vụ nổ hạt nhân
Đơn vị công suất vụ nổ lượng nhiệt tỏa nổ trotil
Trong bảng 3.1 dẫn trị số độ cao cực đại đám mây hạt nhân, kích thước phương thẳng đứng phuơng ngang ứng với cơng suất nổ khác trạng thái trung bình khí
Bảng 3.1. Độ cao nâng cực đại kích thước đám mây nổ hạt nhân mặt đất Cơng suất nổ, ngàn
tấn
Độ cao mây, km
trên
Bán kính mây, km Cơng suất nổ, ngàn
Độ cao mây, km
trên Dưới
Bán kính mây, km
0,5 2,7 2,1 0,7 100 14,6 11,0 6,1
1 3,3 2,4 0,9 200 17,0 12,0 8,0
2 4,6 3,7 1,2 500 19,0 13,0 12,0
5 7,0 5,5 1,7 000 21,0 14,5 16,0
(8)20 10,0 8,2 3,1 000 27,0 16,0 29,0
50 12,5 9,8 4,6
Từ bảng 3.1 suy độ cao nâng lên cực đại biến thiên 2,7 27 km, cịn bán kính - 0,7 29 km tương ứng với biến thiên công suất vụ nổ (tương đương trotil) từ 500 đến triệu Ngoài cơng suất vụ nổ, nhân tố khí tượng, trước hết phân bố nhiệt độ tốc độ gió theo độ cao (phân tầng nhiệt gió) có ảnh hưởng tới độ cao nâng lên mây hạt nhân Về mặt vật lý, hiển nhiên phân tầng nhiệt lớp khí ổn định độ cao san nhiệt độ độ cao nâng lên mây hạt nhân nhỏ
(9)(10)Hình 3.2. Độ cao nâng lên mây hạt nhân đới vĩ độ khác
1 - nhiệt đới, 2, - vĩ độ trung bình, mùa hè (2) mùa đơng (3), - vĩ độ cao, - độ dày mây; điểm gấp khúc đường cong tương ứng với độ cao nút đối lưu
Sự lắng đọng mây phóng xạ xuống mặt đất
(11)Ta xét ảnh hưởng tốc độ gió lên q trình lắng đọng mây phóng xạ Đơn giản vấn đề giải trường hợp mây cấu tạo từ hạt kích thước tốc độ gió khơng đổi cường độ lẫn hướng tất độ cao Trong trường hợp lý tưởng này, quỹ đạo hạt đường thẳng với góc nghiêng so với trục x (hướng dọc theo gió) tỉ số w/c (w-tốc độ rơi hạt, c-tốc độ gió) Khoảng cách phương ngang x1 mà hạt nằm độ cao z1 thời điểm ban đầu di chuyển được, xác định từ quan hệ
Trong trường hợp này, vết đám mây mặt đất hình dạng trùng với dạng đám mây thời điểm đạt độ cao cực đại Theo (3.10), ta có c lớn w lần, chiều dài vết lớn độ cao mây ngần lần
Trong điều kiện thực, mây phóng xạ gồm hạt kích thước khác nhau, cịn tốc độ gió biến thiên với độ cao độ lớn hướng
Chúng ta xem phân bố tốc độ gió với độ cao thời điểm nổ hạt nhân biết Nó nhận quan trắc trực tiếp (cách tin cậy nhất), dựa dự báo Ta chia lớp khí mặt đất ranh giới đám mây phóng xạ thành số lớp, độ dày lớp chọn cho phạm vi lớp tốc độ gió (độ lớn hướng) xem khơng phụ thuộc độ cao
(12)(13)Nếu tốc độ gió biến đổi theo thời gian, dựng toán đồ thứ hai tương ứng với điều kiện diễn sau 2, 4, kể từ thời điểm nổ Vùng rơi hạt ứng với thời điểm cho xác định cách nội suy toán đồ liên tiếp
(14)Hình 3.5. Thí dụ tính diện tích nhiễm phóng xạ sau 0,5, 1, kể từ thời điểm nổ ứng với gió biến đổi tới độ cao 20 km (a) ứng với hướng gió biến đổi mạnh tới độ cao 20 km (b) Các chữ số đường đẳng trị - mức phóng xạ (R/h)
Vì khí có nhiều dạng trắc diện tốc độ gió, nên từ vừa nhận xét đây, suy diện tích vùng nhiễm hạt phóng xạ có hình dạng khác cho dù vụ nổ cơng suất
Gió trung bình Ngồi sơ đồ dự báo tình hình phóng xạ khu vực nổ hạt nhân xem xét
(15)Hình 3.6. Sơ đồ xây dựng vết mây phóng xạ mặt đất
Từ lập luận thí dụ đây, suy dự báo tình hình phóng xạ theo gió trung bình sử dụng với tư cách phép gần thứ (khá thơ)
Vấn đề ơzơn khí
Ơxy ba ngun tử (O3) gọi ơzơn Mặc dù với lượng vơ nhỏ khí quyển, giữ
vai trị quan trọng q trình tượng khí Lớp ôzôn có chức khiên che chắn cho thể sống, kể người, khỏi tác động hủy diệt xạ cực tím khắc nghiệt Mặt Trời
(16)đây, sau người ta phát thấy giảm sút đột ngột hàm lượng ơzơn phía lục địa Nam Cực - tượng “lỗ thủng ôzôn”
Chúng đưa số dẫn liệu ôzôn (thông tin đầy đủ có giáo trình chun mơn khác) Ơzơn quan sát thấy lớp từ mặt đất tới độ cao khoảng 70 km, khối lượng chủ yếu tập trung lớp 15－55 km cực đại nồng độ lớp 20－25 km Tổng hàm lượng ôzôn (X) biểu diễn thành cột thẳng đứng, qui áp suất tiêu chuẩn (1013 hPa) nhiệt độ oC, dao động từ đến mm Đại lượng X gọi độ dày qui chuẩn
lớp ôzôn
Mặc dù dao động hàm lượng ôzôn trước biết, song giảm đột ngột bên Nam Cực điều bất ngờ Thay cực đại thông thường quan sát thấy vào mùa xuân (thường lớn 340 phần triệu), năm 1979 vào tháng mười năm, tận 1986, quan sát thấy giảm mạnh tổng hàm lượng ơzơn - lỗ thủng ơzơn hình thành Diện tích lỗ thủng năm lớn hơn, đạt tới số triệu kilômet vuông vào năm 1984－1985 Bắt đầu từ năm 1982, tâm lỗ thủng bắt đầu hình thành vùng cực đại tương đối hàm lượng ôzôn (gần 250 phần triệu), xung quanh trì vịng hàm lượng ơzơn thấp
Một số giả thuyết thành tạo lỗ thủng ôzôn đưa Giả thuyết thứ liên hệ hình thành lỗ thủng với chu trình 11 năm hoạt động Mặt Trời Các năm 1975－1986 ứng với chu trình thứ 21 mạnh hoạt động Mặt Trời (tại cực đại hoạt độ, số vết đen Mặt Trời chu trình đạt tới 170, điều kiện trung bình, số 100－ 110) Do ảnh hưởng xạ Mặt Trời, lớp trung lớp bình lưu thượng, hàm lượng ôxit nitơ tăng - vào năm cực đại hoạt độ, tăng 50－60 % so với điều kiện trung bình Sự vận chuyển NOx tiếp sau tới phần lớp bình lưu (độ cao 20－30 km) phản ứng
quang hóa chu trình nitơ
(17)dẫn tới làm giảm hàm lượng ơzơn Ngồi chu trình nitơ, phản ứng chu trình clo, hyđrơgien, brom-clo số chu trình khác làm giảm O3, phản ứng xảy
nhanh nhiều có mặt mây lớp bình lưu
Tuy nhiên, chế quang hóa nitơ liên quan với hoạt độ Mặt Trời mâu thuẫn với thực tế chu trình thứ 19, chu trình mạnh (số vết đen lúc cực đại đạt tới 180), người ta không quan sát thấy giảm hàm lượng ôzôn đáng kể
Giả thuyết thứ hai liên hệ thành tạo lỗ thủng ơzơn với hồn lưu chung khí Nếu hồn lưu làm tăng dịng ôxit nitơ nguồn gốc nhân sinh (cũng ôxit clo, brôm ) từ vĩ độ thấp trung bình tới vĩ độ cao, ảnh hưởng phản ứng nói tới trên, hàm lượng ôzôn giảm
Sự vận chuyển tạp chất nhân sinh thực dòng khơng khí chuyển động có trật tự (kiểu nhân hồn lưu) q trình di chuyển xoáy synop (xoáy thuận xoáy nghịch) đới vĩ độ
Tuy nhiên, ta không hiểu bắc bán cầu, nơi hợp chất clo, brôm hợp chất khác phá hủy ôzôn nhập vào lớp bình lưu nhiều so với nam bán cầu mà chế liên quan tới vận chuyển tạp chất nhân sinh lại không biểu lộ, không mùa
Vấn đề ôzôn nói chung lỗ thủng ơzơn nói riêng cần phải nghiên cứu tiếp mặt lý thuyết thực nghiệm
……… Thư viện Học liệu Mở Việt Nam (VOER) tài trợ Vietnam Foundation vận hành tảng Hanoi Spring Các tài liệu tuân thủ giấy phép Creative Commons Attribution 3.0 trừ
Vietnam Foundation g Hanoi Spring