Chloroflourocarbon (cfc) và tầng ozon

[C.H.V]

Tấm màn bảo vệ trái đất
Mặt trời tấn công trái đất bằng bức xạ điện từ có khoảng 53% tia hồng ngoại, 39% ánh sáng khả kiến và 8% tia tử ngoại. Trong đó, tia hồng ngoại có năng lượng thấp nhất và tia tử ngoại có năng lượng cao nhất trong bức xạ mặt trời. Tia tử ngoại có bước sóng trong khoảng 200-400nm, năng lượng tia này có thể cắt đứt một số liên kết hóa học hay phá hủy nhiều hệ sinh học. May mắn là hầu hết các tia tử ngoại từ bức xạ mặt trời không đến được bề mặt trái đất, nhờ vào sự hấp thu phần lớn tia tử ngoại của ozon (O₃) và oxy (O₂).

Tại sao ozon và oxy có thể hấp thu tia tử ngoại ?

Ozon tồn tại cân bằng hai cấu trúc, trong mỗi cấu trúc đều có liên kết đôi O=O và liên kết đơn O-O.

Thực tế, liên kết O-O tồn tại ở trạng thái trung gian giữa liên kết đôi và liên kết đơn, do quá trình chuyển vị quá nhanh, có thể xem liên kết này là “1,5”. Vì vậy, liên kết đôi O=O của oxy bền hơn liên kết “1,5” của ozon và cần nhiều năng lượng hơn để cắt đứt liên kết đôi này.


Bước sóng tia tử ngoại từ 200-400 nm được chia thành ba dãy:
- UV-A: 320-400nm. Hầu hết UV-A đến được bề mặt đất nhưng năng lượng yếu hơn UV-B và UV-C. UV-A được cho là nguyên nhân của sự lão hóa, tạo vết nhăn trên da, hay các loại ung thư da.
- UV-B: 280-320nm. Phần lớn bức xạ này được hấp thu bởi ozon trong khí quyển và một ít đến được mặt đất. Tia UV-B có khả năng phá hủy hoàn toàn DNA làm yếu hệ miễn dịch, ung thư da, mù mắt và là nguyên nhân chính phá hủy các hệ sinh vật biển.
- UV-C: 200-280nm. Bức xạ nguy hiểm này được hấp thu hoàn toàn bởi oxy và ozon trong khí quyển, nó có khả năng giết chết nhiều loài sinh vật.


Do liên kết đôi O=O của phân tử khí oxy bền hơn liên kết “1.5” của ozon, nên cần năng lượng lớn hơn để cắt đứt liên kết này. Tia UV-C (< 242 nm) được các phân tử khí oxy hấp thu để thưc hiện quá trình cắt đứt liên kết O=O tạo ra các đơn nguyên tử oxy. Bên cạnh đó, tia UV-B (<320 nm) được hấp thu bởi phân tử khí ozon để thực hiện quá trình phân ly ozon thành đơn nguyên tử.

Tầng ozon ở đâu ?


Bầu khí quyển trái đất gồm có tầng đối lưu, bình lưu và thượng tầng khí quyển. Tầng Ozon là một lớp dày có nồng độ ozon trung bình cao ở tầng khí quyển bình lưu.

Nồng độ ozon cao nhất ở tầng khí quyển bình lưu là 10¹⁹ phân tử ozon trong một mét khối khí (một con số lớn). Lấy một sự so sánh, mỗi khi con người thở (khoảng 0,5 lít) chứa khoảng 2 x 10²² cấu tử, khoảng 4 x 10²² cấu tử trong một lít hay 4 x 10²⁵ cấu tử trong một mét khối khí (1000 lít). Nói cách khác, tỷ trọng của ozon ở tầng bình lưu chỉ bằng 0,000001 lần tỷ trọng của không khí mỗi lần chúng ta hít thở. Nếu toàn bộ tầng ozon trong khí quyển được nén lại ở nhiệt độ 0^oC và áp suất 1 atm, thì bề dày của lớp ozon chỉ là 3mm, gần bằng độ dày của hai đồng xu 200 đồng xếp chồng lên nhau.

Tuy nhiên, lượng ozon này được trải đều ra nhiều kilomet trong không khí nên bề dày của tầng ozon lên đến 15km. Qua nhiều triệu năm không có các tác động từ con người, nồng độ ozon ở tầng khí quyển bình lưu là một con số ổn định. Trung bình các phân tử ozon bị phân hủy bởi các tác nhân hóa học hay hấp thu tia UV-B, thì đều được hình thành trở lại bằng nhiều quá trình khác, kết quả là nồng độ ozon không thay đổi, bảo vệ hệ sinh thái trên mặt đất bất chấp các bức xạ điện từ cực mạnh từ mặt trời.


Mô hình Chapman phát họa quá trình tạo và phân hủy ozon bằng hình sau:

Phản ứng 1: O2 hấp thu tia UV-C tạo oxy nguyên tử.
Phản ứng 2: O2 phản ứng với oxy nguyên tử tạo ozon.
Phản ứng 3: O3 hấp thu UV-B phân hủy thành O2 và oxy nguyên tử.
Phản ứng 4: O3 phản ứng với oxy nguyên tử tạo phân tử O2.

Tầng Ozon dần tan biến


Các nhà khoa học đã bắt đầu khảo sát nồng độ ozon ở tầng bình lưu cách đây 80 năm, lúc đó vẫn chưa có các trang thiết bị tinh vi để nghiên cứu, tuy nhiên các kết quả của họ vẫn có giá trị cho đến ngày hôm nay. Để vinh danh nhà khoa học G. M. B. Dobson, một nhà khoa học đã phát minh ra thiết bị đầu tiên trong việc khảo sát ozon, người ta đã lấy đơn vị nồng độ ozon trong không khí là Dobson (Dobson unit-DU), đơn vị này bằng 1 phân tử ozon trong 1 tỷ phân tử trong không khí hay 1 DU bằng 1 ppb Ozon. Vệ tinh khảo sát được sử dụng để tiến hành đo, kết quả cho thấy rằng hàm lượng ozon gần đường xích đạo khoảng 250 DU, và hàm lượng ozon ở cực bắc bán cầu khoảng 320 DU. Điều này cho thấy nồng độ ozon tăng cao hơn khi đi về hướng cực Bắc hay cực Nam trái đất.


Trong quá trình khảo sát ở Nam cực, bắt đầu từ năm 1979, đã bắt đầu có sự sụt giảm đáng kể lượng ozon ở tầng bình lưu, đặc biệt giảm mạnh vào tháng 9 đến tháng 11 trong năm.

Các số liệu này không như những điều các nhà khoa học mong đợi, họ cho rằng đã có các sai sót trong quá trình thu thập các số liệu. Nhưng trên thực tế, các máy tính đã được lập trình để loại bỏ những số liệu lệch quá xa so với kết quả thực, nên không có gì sai cả, đến năm 1985 thì kết quả đã được tin tưởng. Các số liệu khảo sát đều cho thấy cùng một kết quả có sự chênh lệch nồng độ ozon ở các tháng trong năm, nhưng thật khó để giải thích tại sao lượng ozon lại giảm mạnh vào tháng 9 đến tháng 11.

to be continue