III. MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ
3.1. Vấn đề môi trường toàn cầu
3.1.1. Hiệu ứng nhà kính và sự biến đổi khí hậu toàn cầu
a. Khái niệm
Hiệu ứng nhà kính, xuất phát từ effet de serre trong tiếng Pháp, do Jean Baptiste Joeseph Fourier lần đầu tiên đặt tên, dùng để chỉ hiệu ứng xảy ra khi năng lượng bức xạ của tia sáng mặt trời xuyên qua các cửa sổ hoặc mái nhà bằng kính, được hấp thụ và phân tán trở lại thành nhiệt lượng cho bầu không gian bên trong, dẫn đến việc sưởi ấm toàn bộ không gian bên trong chứ không phải chỉ những chỗ được chiếu sáng. Hiệu ứng này đã được sử dụng từ lâu trong các nhà kính trồng cây cũng như trong kiến trúc dùng năng lượng mặt trời một cách thụ động để tiết kiệm chất đốt sưởi ấm trong nhà.
Khi bức xạ mặt trời chiếu xuống trái đất, một phần bức xạ này sẽ phản xạ lại vào vũ trụ, phần còn lại xuyên qua bầu khí quyển truyền đến mặt đất dưới dạng bước sóng ngắn. Tại đây một phần
(1.16)
(1.17)
bức xạ sóng ngắn phản xạ lại, xuyên qua lớp khí nhà kính vào không gian vũ trụ và một phần đốt nóng trái đất. Trái đất hấp thụ phần năng lượng bức xạ sóng ngắn và trở thành vật bức xạ nhiệt vào khí quyển (bước sóng dài). Một phần bức xạ hồng ngoại sóng dài do trái đất phát ra được hấp thụ bởi các khí trong khí quyển (hơi nước, CO2, CH4, NOx,…) tạo thành một lớp lưới nhiệt bao trùm bề mặt trái đất, giữ cho khí quyển và bề mặt trái đất ở một nhiệt độ nhất định. Hiện tượng này giống như hiện tượng nhà kính trồng rau khi bức xạ mặt trời xuyên qua kính bị giữ lại làm cho nhiệt độ nhà kính tăng lên. Vì thế các khí có tính chất trên gọi là khí nhà kính. Lớp khí bao gồm các khí nhà kính gọi là lớp khí nhà kính. Không có lớp khí nhà kính thì bề mặt trái đất sẽ không giữ được bức xạ nhiệt, nhanh chóng lạnh đi dưới 0oC, không duy trì được nhiệt độ thích hợp đảm bảo cho sự sống của con người và sinh vật trên Trái đất.
Từ những khái niệm nêu trên có thể khái quát như sau: “Hiệu ứng nhà kính là hiện tượng
trong khí quyển tầng thấp (tầng đối lưu) tồn tại một lớp khí chỉ cho bức xạ sóng ngắn xuyên qua và giữ lại bức xạ nhiệt của mặt đất dưới dạng sóng dài, nhờ đó bề mặt Trái đất luôn có một nhiệt độ thích hợp đảm bảo duy trì sự sống trên Trái đất”
b. Bản chất của hiệu ứng nhà kính
Theo định luật Viên về quan hệ giữa phổ sóng bức xạ và nhiệt độ của vật bức xạ, bước sóng trung bình của năng lượng bức xạ từ vật thể có nhiệt độ T > 0oK được xác định bằng công thức : λtb (µm) = 2898/T (oK)
Mặt trời có nhiệt độ bề mặt khoảng 6000oK, nên theo công thức trên Mặt trời sẽ phát ra bức xạ có bước sóng trung bình bằng 0,5µm là bước sóng ngắn. Trong khi đó bề mặt trái đất có nhiệt độ trung bình bằng 298oK sẽ bức xạ năng lượng có độ dài bước sóng trong khoảng 5-30 µm (thuộc bước sóng dài). Các sóng dài bức xạ từ bề mặt Trái đất sẽ bị các khí nhà kính hấp thụ, Ví dụ: khí CO2 hấp thu các bức xạ trong các dải từ 13-15 µm; 2,7 – 4,3µm, khí CH4 hấp thụ các bức xạ trong dải phổ từ 8-10 µm, O3 hấp thu mạnh năng lượng trong giải phổ từ 9,5-10,6 µm, khí NOx hấp thu năng lượng trong giải phổ 9 µm, hơi nước hấp thụ mạnh năng lượng trong dải phổ 8 µm. Kết quả của các quá trình hấp thụ trên của các khí nhà kính tạo nên sự cân bằng nhiệt giữa bề mặt trái đất và lớp khí nhà kính, do đó giữ cho trái đất luôn có nhiệt độ nhất định. Quá trình này có bản chất tự nhiên nên còn được gọi là hiệu ứng nhà kính tự nhiên. Nếu không có hiệu ứng nhà kính tự nhiên thì nhiệt độ Trái đất chỉ vào khoảng -18oC.
Cùng với hiện tượng hiệu ứng nhà kính tự nhiên thì đã xuất hiện hiệu ứng nhà kính nhân tạo do các hoạt động tiêu cực của con người tạo ra trong 100 năm nay. Trong đó, con người đã và đang tác động mạnh mẽ vào sự cân bằng nhạy cảm giữa hiệu ứng nhà kính tự nhiên và bức xạ mặt trời. Sự thay đổi nồng độ các khí nhà kính trong khí quyển trong vòng 100 năm lại đây (CO2 tăng 20 %, CH4 tăng 90%...) đã làm nhiệt độ Trái đất tăng lên 2oC, hoạt động kinh tế, sản xuất của con người
đã làm tăng các khí gây hiệu ứng nhà kính dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ của Trái đất. Theo tính toán của các nhà khoa học, nếu nồng độ CO2 tăng gấp đôi thì nhiệt độ của bề mặt Trái đất sẽ tăng khoảng 3oC.
Các số liệu quan trắc cho thấy, nhiệt độ của Trái đất đã tăng 0,5% trong khoảng thời gian từ năm 1885 – 1940 do sự thay đổi nồng độ CO2 trong khí quyển từ 0,027 -0,035%. Dự báo nếu con người không sớm có biện pháp khắc phục thì nhiệt độ Trái đất sẽ tăng từ 1,5 đến 4,5oC vào năm 2100.
c. Các tác động của Hiệu ứng nhà kính
(1) Tác động tích cực
Hiệu ứng nhà kính đóng vai trò cốt yếu trong việc duy trì môi trường sự sống trên trái đất. Nếu không có hiệu ứng nhà kính (giả sử không có khí nhà kính trong khí quyển) thì nhiệt độ trái đất chỉ được xác định bởi lượng bức xạ mặt trời trực tiếp truyền đến bề mặt trái đất. Lượng bức xạ được tính theo công thức:
Em = 4 πR2S(1 - A)
Trong đó: Em: lượng bức xạ mặt trời trực tiếp chiếu xuống trái đất R: bán kính trái đất
S: hằng số mặt trời (1372 W/m2)
A: hệ số Albedo của Trái đất (xấp xỉ 33%)
Nếu cho rằn trái đất phát ra các bức xạ giống như một vật đen, khi đó mỗi m2 bề mặt trái đất sẽ phát ra một bức xạ hồng ngoại theo định luật Stefan-Boltzman là: σ x Te4 (σ là hằng số Stefan- Boltzman). Như vậy, tổng lượng bức xạ hồng ngoại mà toàn bộ bề mặt trái đất phát ra sẽ là:
Ec = 4 πR2 σTe4
Giả sử có sự cân bằng bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất và bức xạ hồng ngoại phát ra từ bề mặt trái đất, nghĩa là đặt Em = Ec ta có thể thiết lập được phương trình tính nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất Tc như sau:
Thay các giá trị S, A, σ vào công thức trên ta được nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất là 255oK (tương đương với -18oC). Ở nhiệt độ 255 oK, Trái đất ở trạng thái đóng băng. Tuy nhiên, các phép đo thực tế chỉ ra rằng nhiệt độ trung bình của khí quyển và bề mặt Trái đất trong cả năm ở tất cả các khu vực là 299oK ( tương đương với 16oC), lớn hơn 255oK. Sự khác biệt này là do sự tồn tại của hiệu ứng nhà kính Trái đất mà ta chưa tính đến.
Như vậy, hiệu ứng nhà kính của Trái đất đã làm gia tăng nhiệt độ trung bình của khí quyển Trái đất từ -18oC lên 16oC, hạn chế sự thay đổi nhiệt độ bề mặt giữa ban ngày và ban đêm, giữa các mùa trong năm, cũng như các vùng khí hậu khác nhau trên trái đất. những tác động đó của hiệu ứng nhà kính đã làm cho môi trường bề mặt Trái đất là nơi lý tưởng cho sự tồn tại và phát triển của sinh vật và con người qua hàng triệu năm qua.
(2) Tác động tiêu cực
Hiện nay, sự gia tăng nồng độ khí nhà kính của khí quyển Trái đất và hậu quả của nó là sự gia tăng hiệu ứng nhà kính lại đang trở thành mối lo ngại của nhân loại. Nồng độ của các khí nhà kính hiện đang tăng nhanh chóng, do đó làm giảm khả năng tỏa nhiệt của Trái đất (khoảng 2%), có nghĩa là toàn trái đất giữ lại một lượng nhiệt tương đương 3 triệu tấn dầu đốt trong mỗi phút. Sự gia tăng
hiệu ứng nhà kính và nồng độ khí nhà kính của khí quyển có tác động tiêu cực mạnh mẽ tới khí hậu và các điều kiện môi trường.
Tác động đến khí quyển
Sự gia tăng nồng độ khí nhà kính gây nên sự thay dổi thành phần và chất lượng khí quyển, có hại cho môi trường sống của con người và các sinh vật trên trái đất. Nồng độ khí nhà kính và nhiệt độ không khí gia tăng có thể ảnh hưởng không bình thường tới tình trạng sức khỏe của nhiều vùng dân cư.
Tác động tới băng trên trái đất
Sự gia tăng hiệu ứng nhà kính và gia tăng nhiệt độ làm tan băng, mực nước biển dâng cao, ngập úng các vùng đất thấp, các đảo nhỏ trên biển, nơi sinh sống của phần đông cư dân trên thế giới. Theo tính toán của tiểu bang Liên chính phủ về biến đổi khí hậu, trong trường hợp kiểm soát tốt lượng phát thải khí nhà kính thì mực nước biển vẫn dâng cao 14 - 32 cm trong thế kỷ 21 và đạt mức cao nhất vào năm 2050. Nếu không có biện pháp kiểm soát hữu hiệu sự phát thải khí nhà kính thì mực nước biển có thể dâng cao từ 1-3m vào cuối thế kỷ 21.
Sự tan băng ở các cực trái đất và trên các đỉnh núi cao sẽ làm giảm diện tích các bề mặt phản xạ bức xạ Mặt trời, kéo theo đó là sự suy giảm hệ số Albedo, tương ứng với việc gia tăng dòng năng lượng đến bề mặt, làm gia tăng nhiệt độ trái đất.
Tác động đến biến đổi khí hậu của trái đất
Sự gia tăng nhiệt độ Trái đất bởi hiệu ứng nhà kính là nguyên nhân quan trọng nhất gây nên biến đổi khí hậu. Cường độ hoạt động của quá trình hoàn lưu khí quyển, chu trình tuần hoàn nước trong tự nhiên và các chu trình sinh địa hóa khác sẽ gia tăng, dẫn tới việc gia tăng mức độ tàn phá của các thiên tai đối với loài người như: bão, lụt, cuồng phòng, khô hạn, El Nino, La Nina,… Theo đó, tốc độ gió xoáy nhiệt đới có thể tăng lên 10-20%, độ cao của các con sóng thần tăng lên có thể quét sạch các đảo có người ở trên Thái Bình Dương.
Sự gia tăng hiệu nhà kính và biến đổi khí hậu sẽ làm di chuyển các đới khí hậu tồn tại hàng nghìn năm trên các vùng khác nhau của Trái đất, dẫn tới nguy cơ đe dọa sự sống của các loài sinh vật, các hệ sinh thái và hoạt động bình thường khác của con người. Các đới khí hậu nhiệt đới và xích đạo có xu hướng di chuyển lên các cực Trái đất. Nhiều hệ sinh thái không có đủ thời gian thích nghi với sự thay đổi của khí hậu sẽ suy thoái và bị tiêu diệt. Sự gia tăng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu trái đất cũng sẽ làm thay đổi năng suất sinh học của các hệ sinh thái, chất lượng và thành phần của khí quyển, sinh quyển, thạch quyển. Các thay đổi này ảnh hưởng rất lớn tới việc sản xuất và cung cấp lương thực, thực phẩm của thế giới.
d. Sự gia tăng hiệu ứng nhà kính hiện nay
Nguyên nhân chủ yếu của việc gia tăng hiệu ứng nhà kính là sự gia tăng nồng độ các khí nhà kính từ các hoạt động của con người. Các khí nhà kính chủ yếu đó là CO2, NOx, CH4, CFCs, hơi nước và O3.. Theo số liệu năm 1900, nồng độ và các đặc trưng chủ yếu của các loại khí nhà kính được trình bày ở bảng 1.11
Bảng 1.13: Nồng độ đặc trưng chủ yếu của các loại khí nhà kính
Loại khí nhà kính CO2 CFC CH4 NOx
Nồng độ hiện tại trong khí quyển (ppm) 351 0,00225 1,675 0,31
Hệ số nhà kính tương đương (so với CO2 = 1) 1 15000 25 230
Tỷ lệ gây ra hiệu ứng nhà kính (%) 57 25 12 6
Các hoạt động và tỷ lệ phần trăm phát thải khí nhà kính vào khí quyển Trái đất từ các hoạt động của con người thể hiện ở biểu đồ 1.6, 1.7:
Hình 1.6 : Tỷ lệ phát thải khí nhà kính từ các hoạt động của con người
Hình 1.7: Tỷ lệ phát thải khí nhà kính của các quốc gia trên thế giới (1990)
Các hoạt động phát thải khí nhà kính có thể kể đến như hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải, hoạt động nông nghiệp, các hoạt động khác…
+ Hoạt động công nghiệp: Trong số các hoạt động của con người thì công nghiệp là tác
nhân quan trọng phát thải khí nhà kính do sử dụng một lượng lớn nguyên liệu hóa thạch (than đá, dầu, khí đốt..). Ngoài CO2 các ngành công nghiệp cũng tạo nên các loại khí nhà kính khác như NOx, CH4…trong quá trình sản xuất phân bón, hóa chất, khai thác khoáng sản, chế biến thực phẩm…
+ Giao thông vận tải: sự phát triển nhanh của các phương tiện giao thông vận tải (đường bộ
đường biển, đường hàng không) của thế giới là các nguyên nhân tiềm tàng làm gia tăng khí nhà kính trong khí quyển trái đất.
+ Hoạt động nông nghiệp: sản xuất nông nghiệp là ngành đóng góp đáng kể lượng phát thải
khí nhà kính. Sự gia tăng dân số và kéo theo đó là gia tăng sản xuất nông nghiệp tạo nên nhu cầu mở rộng diện tích đất canh tác, tăng tiêu thụ phân bón và hoạt động chế biến sản phẩm nông nghiệp. Hoạt động canh tác lúa nước, bón phân hữu cơ phát thải một lượng lớn khí CH4. Hoạt động chăn nuôi gia súc cũng là một nguồn phát sinh khí CO2 và CH4. Những tác nhân trên góp tới 13% tổng lượng phát thải khí nhà kính vào khí quyển Trái đất.
+ Các hoạt động khác
e. Các biện pháp giảm thiểu
- Các quốc gia trên thế giới cần chú trọng cải tiến công nghệ, áp dụng sản xuất sạch hơn, tiết kiệm năng lượng đặc biệt là ở các nước đang phát triển
- Các quốc gia trên thế giới, đặc biệt là các nước có nền khoa học kỹ thuật phát triển cũng cần nghiên cứu các nguồn năng lượng thay thế, đặc biệt là năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, nhằm hạn chế sự phát thải CO2, NOx. Sử dụng nhiều hơn các nguồn năng lượng không chất thải như năng lượng mặt trời, sức gió, thủy điện, thủy triều…
- Xây dựng và áp dụng các công ước quốc tế về bảo vệ môi trường như Công ước khung về biến đổi khí hậu, Nghị định thư Kyoto, Lộ trình Bali về biến đổi khí hậu
+ Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu và Nghị định thư Kyoto
Công ước được thông qua ngày 9/5/1992 và được mở để ký kết tại Hội nghị Liên hợp quốc về Môi trường và phát triển tháng 6/1992 tại Rio De Janero. Công ước có hiệu lực từ ngày 21/3/1994, 90 ngày sau khi nhận được sự phê chuẩn của 50 nước. Hiện tại có 180 nước đã tham gia vào công ước này và Việt Nam cũng là một nước thành viên.
Công ước khung của Liên hợp Quốc về biến đổi khí hậu nhằm ổn định nồng độ khí nhà kính trong khí quyển để bảo vệ hệ thống khí hậu trên Trái đất, đảm bảo an ninh lượng thực và tạo điều kiện cho sự phát triển kinh tế - xã hội của loài người một cách bền vững.
Công ước khung về biến đổi khí hậu quy định các quốc gia tham gia phải đảm bảo 5 nguyên tắc: •Các nước phải bảo vệ hệ thống khí hậu
•Cần phải xem xét đầy đủ những nhu cầu riêng và hoàn cảnh đặc thù của các nước đang phát triển.
•Các nước phải thực hiện những biện pháp phòng ngừa, ngăn ngừa và giảm nhẹ nguyên nhân gây ra biến đổi khí hậu.
•Các quốc gia có quyền đẩy mạnh sự phát triển bền vững.
•Các quốc gia phải hợp tác để đẩy mạnh một hệ thống kinh tế quốc tế mở cửa và tương trợ. Bên cạnh 5 nguyên tắc mà các nước tham gia Công ước về biến đổi khí hậu của Liên hợp Quốc phải thực hiện thì các nước tham gia vào Công ước này, đặc biệt là các nước phát thải một lượng lớn khí nhà kính thì phải thực hiện giảm phát thải 5% của năm 1990 và đạt mức tối thiểu nhất vào năm 2008 theo Nghị định thư Kyoto về kiểm soát phát thải khí nhà kính.