Giáo trình bảo vệ môi trường - Phần 1 Bảo vệ khí quyển - Chương 3 pot

57 58
Chơng 3
sự ô nhiễm khí quyển ton cầu
3.1. Mở đầu
Gia nhập từ những nguồn khác nhau, các chất lm ô nhiễm
đợc mang đi trong khí quyển bởi những dòng không khí có trật
tự (trung bình trong những khoảng thời gian nhỏ hoặc lớn) v
lan truyền dới ảnh hởng của xáo trộn rối.
Hệ thống các dòng không khí trong khí quyển khá phức
tạp. Thông thờng, ngời ta phân biệt chuyển động qui mô vừa,
synop v ton cầu với các kích thớc phơng ngang tuần tự
không vợt quá 100200, 10002000 km v vi nghìn km.
Không khí khí quyển di chuyển không chỉ theo phơng ngang,
m cả phơng thẳng đứng. Dới tác động của trao đổi rối v
những chuyển động thẳng đứng, sẽ diễn ra sự vận chuyển tạp
chất từ các lớp khí quyển ny tới các lớp khác (chẳng hạn, từ lớp
đối lu sang lớp bình lu). Thời gian lu lại trung bình của tạp
chất không rơi lắng (nhẹ) bằng khoảng 2 năm trong lớp bình
lu, 14 tháng trong lớp đối lu thợng v 610 ngy trong lớp
đối lu hạ. Với khoảng thời gian tồn tại nh vậy, các tạp chất
kịp lan truyền đi xa nhiều nghìn kilômet khỏi nơi chúng gia
nhập vo khí quyển. Với tốc độ trung bình (khoảng 3035 m/s)
của các dòng hớng tây vẫn quan trắc thấy trong lớp đối lu
thợng v lớp bình lu
hạ ở các vĩ độ trung bình, sôn khí kịp lan
vòng quanh địa cầu trong vòng 1012 ngy. Tốc độ chuyển động
của không khí trong phơng kinh tuyến nhỏ hơn nhiều so với
tốc độ vĩ hớng. Do đó, sôn khí lan truyền từ đới vĩ độ ny tới
đới vĩ độ khác, hoặc từ bán cầu bắc tới bán cầu nam, chậm hơn
nhiều so với lan truyền trên phơng vĩ tuyến.
Quan trắc về gió v các đại lợng khí tợng khác ở nhiều

vùng của Trái Đất hon ton cha đủ. Nếu theo dõi sự lan
truyền của sôn khí, chúng ta có thể ớc lợng đợc tốc độ của
các dòng không khí. Với vai trò đó, các tạp chất đợc sử dụng
nh l những vật đánh dấu (trasser) các dòng khí quyển ton
cầu v sự trao đổi rối.
3.2. Các tạp chất phóng xạ
Những thập niên gần đây ngời ta nhận đợc dữ liệu đầy
đủ hơn cả về sự lan truyền các tạp chất phóng xạ, bởi vì chính
những tạp chất đó l nguy hiểm nhất, v đặc biệt cng nguy
hiểm khi kỉ nguyên nguyên tử bắt đầu diễn ra (từ những năm
bốn mơi). Độ phóng xạ của khí quyển đã tăng lên mạnh trong
những năm 50 v đầu những năm 60 do các vụ thử vũ khí hạt
nhân lan trn. Mặc dù năm 1963 đã cấm thử vũ khí trong khí
quyển v trong vũ trụ, một số nớc (Trung Quốc, Pháp) không
tham gia Hiệp ớc v tiếp tục thử vũ khí hạt nhân. Hậu quả l
vấn đề ô nhiễm phóng xạ khí quyển vẫn giữ nguyên tính thời sự
cho đến tận ngy nay.
Các tạp chất phóng xạ nhập vo khí quyển từ bốn nguồn v
tuần tự đợc chia thnh bốn nhóm. Nhóm thứ nhất gồm các
đồng vị của
một số nguyên tố phóng xạ có trong vỏ Trái Đất v
các sản phẩm phân hủy những chất đó: rađôn (
222
Rn),
210
Pb
(RaD),
210
Bi (RaE),
210

Pb (RaF) Nhóm thứ hai gồm các đồng vị
nguồn gốc vũ trụ tạo thnh trong khi tơng tác các nguyên tử
không khí với bức xạ vũ trụ:
22
Na,
7
Be,
32
P,
33
P,
14
C,
3
H Các
đồng vị nguồn gốc nhân tạo sản phẩm các vụ nổ hạt nhân (
14
C,
3
H,
131
I,
90
Sr,
137
Cs,
144
Ce,
95
Zr ) tuần tự lm thnh các nhóm

thứ ba v thứ bốn.
59 60
Phần lớn các đồng vị phóng xạ trong khí quyển liên kết với
những hạt sôn khí. Sự rơi lắng những hạt ny trong trờng
trọng lực v sự rửa trôi bởi giáng thủy một mặt sẽ lm phức tạp
hóa việc sử dụng những quan trắc lan truyền đồng vị với t
cách l những vật đánh dấu các dòng không khí, nhng mặt
khác cho phép ta lợi dụng những quan trắc ny để nghiên cứu
các quá trình hình thnh mây, sơng mù v giáng thủy. Đo
hm lợng đồng vị đợc thực hiện trong các quả cầu thám
không, phòng thám không, máy bay v trong các thiết bị đặt
mặt đất bằng cách thổi một lợng không khí nhất định qua
những bộ lọc hiệu năng cao v sau đó xác định các đồng vị bức
xạ bêta nhờ phép phân tích hóa phóng xạ v các đồng vị phóng
xạ gamma nhờ phép phân tích trắc phổ. Số lợng lần đo trong
khí quyển tự do tơng đối ít (vì rất khó khăn v đắt giá). Đó chủ
yếu chỉ l những lần đo các sản phẩm nổ hạt nhân trên một số
vùng địa lý riêng biệt. Chúng tôi sẽ dẫn một số dữ liệu về sự
biến thiên hm lợng các chất phóng xạ trong khí quyển tự do
v ở lân cận mặt đất.
Trên hình 3.1 dẫn những trị số trung bình mùa của hm
lợng tổng cộng
90
Sr trong vùng nút đối lu (915 km), trong lớp
bình lu hạ (21 km) v bình lu trung (2140 km). Độ phóng xạ
90
Sr đã đạt những trị số cực đại ở bắc bán cầu vo mùa xuân
năm 1963, bởi vì trong nhiều năm trớc năm đó đã có nhiều vụ
thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển thuộc bắc bán cầu. ở nam
bán cầu, hm lợng

90
Sr đã đạt cực đại sau khoảng nửa năm, v
giá trị độ phóng xạ nhỏ hơn một số lần so với ở bắc bán cầu.

Hình 3.1. Biến thiên theo thời gian hm lợng tổng cộng
90
Sr ở bán cầu bắc (a)
v nam (b) trong các lớp 2140 km (1); 1521 km tại vĩ độ 3090
o
(2) v 030
o

(3), 915 km tại vĩ độ 3090
o
(4)
Đ mùa đông, X mùa xuân, H mùa hè, T mùa thu
61 62
Sau năm 1963, Liên Xô, Mỹ v Anh không thử vũ khí hạt
nhân trong khí quyển nữa, kết quả l hm lợng
90
Sr (cũng nh
các đồng vị phóng xạ khác) trong lớp bình lu giảm (một chút
tăng ở nửa sau năm 1967 tại bắc bán cầu có lẽ l do các vụ nổ
hạt nhân của Trung Quốc hay Pháp). Trong lớp dới (015 km)
tại đới vĩ độ 3090
o
ở cả hai bán cầu hm lợng
90
Sr cực đại vo
mùa đông v xuân v cực tiểu vo mùa thu. Theo các số liệu

quan trắc trong các buồng thám không (trên vĩ độ 31
o
) ở lớp
2432 km, biến trình năm hm lợng
90
Sr có dạng ngợc lại: cực
đại mùa hè v thu, cực tiểu cuối đông v xuân. Nh vậy,
một lợng lớn các sản phẩm nổ hạt nhân từ lớp bình lu trung
tại các vĩ độ trung bình v cao đi vo lớp bình lu hạ v sau đó
vo lớp đối lu, dẫn tới cực đại rơi lắng v hm lợng
90
SR vo
mùa thu ở gần mặt đất.
Mặc dù các vụ nổ hạt nhân đợc tiến hnh trên những độ
cao v những vĩ độ khác nhau, nhng chỉ khoảng trong một
năm sau vụ nổ, trên bức tranh phân bố các sản phẩm phóng xạ
ở lớp bình lu quan sát thấy nhiều nét giống nhau. Cực đại
nồng độ tất cả các đồng vị nằm tại lớp bình lu chí tuyến trong
lớp 2050 km, các cực đại thứ sinh trong lớp bình lu hạ v
lớp đối lu thợng các vĩ độ trung bình v cao của bắc bán cầu.
Tổng lợng rơi sôn khí phóng xạ đợc xác định trên lục địa
v các đại dơng bằng cách thu nhận các mẫu trên những bảng
bẫy có tính chất dính hoặc cấu trúc vải, các rãnh bẫy thnh cao
khác nhau, các bình bẫy thnh cao thờng đặt trên độ cao 1 m.
Những đợt đo nh vậy trong 2025 năm gần đây đang đợc tiến
hnh một cách hệ thống hầu nh ở tất cả các nớc công nghiệp
phát triển nhằm kiểm soát vô tuyến sự rơi các sản phẩm nổ hạt
nhân xuống đất. Khối lợng chủ yếu các sôn khí phóng xạ đợc
rửa trôi từ khí quyển v rơi xuống đất cùng với giáng thủy. Một
bộ phận nhập cùng với bụi v các sôn khí dạng rắn khác (gọi l

rơi khô). Việc tổng hợp các kết quả quan trắc trên mạng lới
trạm v các tầu cho phép lập các bản đồ rơi sôn khí phóng xạ
ton cầu (thí dụ,
90
Sr), đã dẫn tới kết luận rằng khối lợng sản
phẩm nổ hạt nhân chủ yếu (theo tình hình năm 1967) nằm ở
bắc bán cầu với hm lợng cực đại ở đới 3050
o
VB. Theo số liệu
đo đạc tại hơn 100 điểm phân bố gần 80
o
KT trong đới 70
o
VB
60
o
VN, nồng độ
90
Sr ở lớp sát đất cực đại vo tháng ba tháng
sáu trong đới 2040
o
VB, trong đó từ năm 1963 đến năm 1967
các trị số cực đại đã giảm khoảng 20 lần. ở nam bán cầu, cực
đại
90
Sr đã đạt đợc muộn hơn (vo cuối năm 1964) cũng trong
đới 2030
o
VN, trong đó nồng độ
90

Sr ở nam bán cầu khoảng 10
lần nhỏ hơn so với ở bắc bán cầu.
Chúng tôi cũng sẽ dẫn thông tin về tốc độ rửa rơi (
m
v ) v
rơi khô (
c
v ) các sôn khí phóng xạ (các tốc độ ny có mặt trong
những biểu thức tính thông lợng tạp chất rơi xuống mặt đất:
CvQ
mm
= v CvQ
cc
= , trong đó C nồng độ thể tích tạp chất tại
0=z ). Tốc độ
c
v đo đợc (theo dữ liệu của nhiều tác giả khác
nhau) từ một vi phần trăm đến 0,51,0 cm/s, tốc độ tổng cộng
+
cm
vv từ 0,10,3 đến 24 cm/s, v nó tăng khi lợng giáng
thủy tháng tăng.
Bán chu kỳ rửa rơi hay thời gian triết giảm

(sau thời
gian bằng

, nồng độ tạp chất giảm 72,2=e lần) có bậc
10
3

10
4
s trong mây v 10
4
10
5
s trong giáng thủy (theo dữ liệu
của B. I. Stro, K. P. Makhonko v nnk.). I. L. Korol đã thử ớc
lợng các trị số

lấy trung bình theo các đới vĩ độ (có tính tới
lợng v thời gian kéo di giáng thủy cũng nh độ cao biên trên
của mây). Chúng bằng khoảng
5
105,2 s ở khu vực xích đạo (10
o
VB 20
o
VN),
5
104 s tại các vùng cận nhiệt đới v vĩ độ trung
bình v 10
6
s ở các vĩ độ cao (

65>

).
63 64
Ngời ta nhận thấy có mối liên hệ trực tiếp giữa nồng độ

137
Cs v hoạt độ của Mặt Trời.
Các vụ nổ hạt nhân thực hiện ở Trung quốc đang tiếp tục
lm ô nhiễm khí quyển bằng các tạp chất phóng xạ. Đợc mang
đi bởi các dòng không khí, chúng cũng rơi xuống lãnh thổ Liên
Xô. Sau mỗi vụ nổ, qua một khoảng thời gian lớn hay nhỏ (tùy
thuộc độ cao nâng lên của các sản phẩm nổ) thì nồng độ v sự
rơi lắng các tạp chất xuống mặt đất tăng lên. Các mức ô nhiễm
ở Liên Xô tăng lên về trung bình từ phía bắc xuống phía nam,
v từ phía tây sang phía đông. Những mức ô nhiễm phóng xạ
cao nhất đã quan trắc thấy ở vùng Primore, Trung á v Ngoại
Kapkazơ (theo số liệu của K. P. Makhonko v nnk., các năm
19751980).
Thời gian gần đây, ngời ta đã tiến hnh đánh giá về sự
biến đổi có thể có của trạng thái môi trờng dới ảnh hởng của
việc sử dụng trn lan vũ khí hạt nhân trong các cuộc chiến.
Theo báo cáo của Học viện Quốc gia Hoa Kỳ, do một nhóm nh
chuyên môn v chuyên gia chuẩn bị, thì khi kích nổ nguồn dự
trữ hạt nhân tổng công suất 10
4
triệu tấn (tức tơng ứng với
khoảng nửa công suất đã tích lũy) có thể gây nên những biến
đổi sau đây trong môi trờng:
a) Phát thải ôxit nitơ vo lớp bình lu sẽ kéo theo sự giảm
sút hm lợng chung của ôzôn 3070 %;
b) Giảm nhập lợng bức xạ cực tím sẽ lm giảm đáng kể
sản lợng nền nông nghiệp;
c) Các tia phóng xạ gây tổn thơng cho mọi sự sống trên
Trái Đất, lm gia tăng các bện ung th v các bệnh liên quan
đến gien.

Tuy nhiên, nhóm ny đã đi đến kết luận rằng, mặc dù đòn
tổng tấn công hạt nhân sẽ gây nên những hủy hoại to lớn, song
các hậu quả của nó không mang tính thảm họa ở qui mô ton
cầu trong khoảng thời gian một số thập niên, bởi vì sau 24
năm sẽ phục hồi hm lợng ôzôn trong khí quyển, còn sau 25
năm ton bộ sinh quyển sẽ trở lại trạng thái bình thờng (ngoại
trừ những quốc gia bị tấn công trực tiếp).
Liên hiệp các nh khoa học Mỹ đã không đồng ý với kết
luận ny, bởi vì khoa học hiện nay cha đánh giá đợc một cách
đủ xác định những hậu quả sinh học v kinh tế của những vụ
nổ với công suất cỡ 10
4
triệu tấn.
Theo những ớc lợng của Iu. A. Izrael, V. N. Petrov v Đ.
A. Severov, khi xảy ra vụ nổ công suất một số triệu tấn thì tổng
hm lợng ôzôn trong một cột thẳng đứng tại vùng nổ sẽ giảm
đi 2025 % v phục hồi khoảng sau 1 ngy, dới ảnh hởng của
vụ nổ với công suất một vi chục triệu tấn giảm 7580 % v
chu kỳ phục hồi tăng lên đến khoảng tuần lễ.
Nếu nh ở bắc bán cầu sẽ tiến hnh những vụ nổ tổng công
suất 10
4
triệu tấn, thì tùy thuộc độ cao ổn định của đám mây nổ
hạt nhân, sẽ thiết lập một trạng thái trong đó hm lợng ôzôn
trong ton khí quyển của bán cầu chỉ còn từ 40 đến 70 % lợng
tự nhiên của nó. Iu. A. Izrael chỉ ra rằng những kết quả tác
động của các vụ nổ tới sinh quyển v môi trờng sống sẽ gồm:
a) Sự ô nhiễm phóng xạ môi trờng dẫn tới sự tổn thơng
tia xạ (bức xạ gamma v bêta) v sự biến đổi các tính chất điện
của khí quyển (bao gồm cả của quyển ion);

b) Sự ô nhiễm khí quyển bởi sôn khí, kèm theo sự biến đổi
các tính chất bức xạ của khí quyển v hệ quả l sự biến đổi thời
tiết v khí hậu;
c) Sự ô nhiễm khí quyển bởi những chất dạng khí (mêtan,
êtilen v các khí khác) ảnh hởng tới các dòng bức xạ của Mặt
Trời v của Trái Đất v chế độ nhiệt của khí quyển;
65 66
d) Hỏa hoạn trn lan trong các thnh phố, rừng, trên
những khu vực khai thác khí v dầu.
Phân tích những tác động đó sẽ dẫn tới kết luận: những vụ
nổ hạt nhân, đặc biệt khi sử dụng rộng, sẽ dẫn tới không chỉ
những tác động hủy hoại qui mô địa phơng, m còn gây nên
những xáo trộn ton cầu nghiêm trọng mang lại những biến
đổi khí hậu không đảo ngợc đợc, sự phá hủy lớp ôzôn của Trái
Đất, xáo trộn hon ton sinh quyển.
3.3. Độ cao nâng lên của mây hạt nhân
Trong vụ nổ hạt nhân sẽ tạo thnh một quả cầu lửa nóng,
l nguồn phát xạ ánh sáng v sóng va đập. Tại thời điểm nổ,
nhiệt độ của quả cầu lửa bằng một số triệu độ Kelvin. Tuy
nhiên, chỉ qua 1015 s sau khi nổ, nhiệt độ của nó giảm xuống
đến 2
0003 000 K v quả cầu ngừng phát sáng. Tới thời điểm
kết thúc phát sáng, áp suất các khí ở bên trong quả cầu thực tế
không khác biệt so với áp suất không khí xung quanh.
Ngời ta qui ớc chia các vụ nổ hạt nhân thnh các vụ nổ
trong không khí, trên mặt đất v trong lòng đất (hay dới nớc).
Với vụ nổ trên không khí, quả cầu lửa không tiếp xúc với mặt
đất v ton bộ bụi phóng xạ chỉ tạo thnh từ tn d phóng xạ
(các mảnh vụn) của quả bom, nó bốc hơi trong khi nổ v sau đó
ngng tụ trong khi nguội lạnh. Với vụ nổ trên mặt đất, quả cầu

lửa tiếp xúc với mặt đất, do đó rất nhiều đất đá bị vỡ vụn chủ
yếu trong giai đoạn nhiệt độ quả cầu lửa còn khá cao, sẽ cuốn
hút vo quả cầu lửa. Trong điều kiện đó, lớp đất đá bề mặt
trong bán kính vi trăm mét bị bốc hơi v trộn lẫn với các sản
phẩm phóng xạ của vụ nổ. Những hạt rắn tạo thnh trong quá
trình nguội dần sẽ chính l các vật mang tính phóng xạ.
Vì nhiệt độ các chất khí bên trong quả cầu
i
T cao hơn nhiều
so với nhiệt độ không khí xung quanh
T
, còn áp suất thực tế
nh nhau, mật độ các khí
i

nhỏ hơn nhiều so với mật độ không
khí khí quyển

bao quanh quả cầu (

<
i
). Nhờ đó lực nổi bắt
đầu tác động (lực nổi ny bằng hiệu hai lực: lực đẩy Acsimet v
lực trọng trờng). Gia tốc thẳng đứng của quả cầu sẽ bằng
T
TTg
dt
zd
i

)(
2
2

=
.
Vì gia tốc ny dơng, nên quả cầu sau một thời gian treo bất
động sẽ tách khỏi mặt đất v bắt đầu nâng lên với tốc độ tăng
dần. Tuy nhiên, với thời gian, lực nổi v gia tốc do nó sinh ra
giảm dần (do hiệu nhiệt độ
TT
i
giảm). Sự giảm nhiệt độ của
quả cầu đang nâng lên gây bởi ba nguyên nhân: a) do sự giãn nở
đoạn nhiệt, b) do sự thu hút (liên kết) với không khí lạnh hơn
của môi trờng xung quanh, c) do mất nhiệt trong khi phát xạ.
ớc lợng độ nguội dần của quả cầu dới ảnh hởng của sự giãn
nở đoạn nhiệt có thể thực hiện theo phơng trình đoạn nhiệt
(phơng trình Poasson)
*



1

0
0

=
p
p
TT
ii
, (3.1)
trong đó

00
, pT
i
nhiệt độ v áp suất khí trong quả cầu tại độ
cao mực xuất phát (từ đó bắt đầu nâng lên). Hằng số
vp
cc /=


có mặt trong phơng trình ny bằng tỉ số các nhiệt dung, thực
tế không khác với trị số của nó trong trờng hợp không khí khí
quyển (
40,1

), vì khối lợng khí chủ yếu trong quả cầu l

*
Ta chú ý rằng gradient đoạn nhiệt )/( )/( TTcg
ipa
=

trong trờng hợp ny không thể
xem l không đổi, v do đó, không thể sử dụng quan hệ
zTT
a
i
i

=
0
để tính nhiệt độ.
67 68
không khí.
Tính toán theo phơng trình (3.1) cho thấy rằng, chỉ bằng
ảnh hởng của sự giãn nở đoạn nhiệt không thể giải thích đợc
sự hạ nhiệt độ quả cầu m ta quan trắc đợc. Trong thực tế, nếu
K 3000
0
=
i
T , thì nhiệt độ quả cầu tính theo phơng trình (3.1)
tại độ cao khoảng 16 km (
0
1,0 pp ) bằng 1560 K, tại độ cao
3032 km (
0

001,0 pp
) gần 800 K. Tại độ cao 16 km hiệu các
nhiệt độ của quả cầu v của môi trờng xung quanh (nhiệt độ
môi trờng xung quanh khoảng 220225

K) sẽ vẫn còn bằng
khoảng 1340 K nếu nh sự nguội dần diễn ra chỉ do sự giãn nở
đoạn nhiệt. Dĩ nhiên rằng, với sự hiện diện một hiệu nhiệt độ
lớn nh vậy, thì quả cầu tiếp tục nâng lên cao. Nhng theo số
liệu quan trắc, nhiệt độ quả cầu tại độ cao giữa 10 v 20 km
(tùy thuộc công suất vụ nổ) không còn khác với nhiệt độ khí
quyển nữa v quả cầu ngừng nâng lên. Nh vậy, ta đi đến kết
luận rằng sự giãn nở đoạn nhiệt l nguyên nhân quan trọng
lm nguội dần quả cầu, song hon ton không phải l nguyên
nhân duy nhất (thậm chí không phải l nguyên nhân chính).
Nhân tố chính có tác dụng lm lạnh quả cầu v lm tăng
thể thể tích của nó đó l sự lôi cuốn (sự liên kết) không khí
xung quanh vo trong đám mây phóng xạ đang nâng lên. Thể
tích quả cầu tại độ cao cực đại khoảng 1
000 lần lớn hơn so với
tại mực xuất phát; trong khi đó do sự giãn nở đoạn nhiệt thể
tích chỉ tăng lên 56 lần. Cơ chế lôi cuốn chủ yếu l cơ chế rối,
một số hạt không khí di chuyển từ khí quyển vo trong đám
mây, một số hạt khác từ đám mây ra ngoi khí quyển. Trong
quá trình những chuyển động ny, diễn ra sự vận chuyển nhiệt
v các tạp chất phóng xạ từ đám mây ra khí quyển.
Kể từ thời điểm quả cầu ngừng phát sáng, tức không còn l
quả cầu lửa nữa, thì nh các ớc lợng định lợng cho thấy,
nhân tố thứ ba sự phát xạ của đám mây không còn vai trò gì
đáng kể lm nguội lạnh đám mây.

Trong thnh phần của đám mây, bên cạnh các hạt phóng
xạ còn có những giọt nớc. Chúng xuất hiện do sự ngng tụ
lợng hơi nớc đã tạo thnh do kết quả bốc hơi nớc chứa trong
đất v đợc nâng lên khí quyển tại vùng trấn tâm nổ. Hơi nớc
đi vo đám mây còn l hơi nớc từ khí quyển xung quanh bị lôi
cuốn vo cùng với không khí. Chừng no nhiệt độ quả cầu cao
hơn nhiệt độ tới hạn của nớc (bằng 647 K), thì hơi nớc không
ngng tụ. Sau khi đạt nhiệt độ bằng 647 K, nhiệt độ giảm tiếp
kèm theo sự ngng tụ hơi nớc v tạo ra các giọt nớc. Mu của
đám mây: trắng v xám, chứng tỏ đám mây hạt nhân có chứa
các giọt nớc. Còn trớc khi bắt đầu quá trình ngng tụ, mu
của quả cầu lúc đầu trắ
ng lóa, sau đó l mu đỏ lửa v nâu tối.
Trong thời gian nâng lên, đám mây có dạng hình cây nấm.
Phần trên của cây nấm lúc đầu giống nh một xoáy toroit
mạnh, tốc độ quay của nó chậm dần trong khi nâng lên cao. Tại
độ cao cực đại, đám mây khá đồng nhất trong ton thể tích của
nó v có dạng một hình ellipsoit tròn xoay.
Sự nâng lên của đám mây diễn ra cho đến khi no nhiệt độ
của nó bắt đầu bằng nhiệt độ của khí quyển xung quanh. Về
phơng diện vật lý, rõ rng rằng sự nguội lạnh đám mây do tác
động xáo trộn (lôi cuốn) với không khí xung quanh (m nhân tố
ny l nhân tố chính) sẽ diễn ra cng chậm nếu kích thớc ban
đầu của quả cầu lửa cng lớn. Về phần mình, kích thớc của
quả cầu lửa cng lớn thì vụ nổ cng mạnh. Nh vậy, ta có kết
luận rằng độ cao nâng lên cực đại của đám mây phóng xạ, cũng
nh kích thớc của nó tại độ cao đó, tăng lên theo sự tăng công
suất
q của vụ nổ hạt nhân
*

. Trong bảng 3.1 dẫn các trị số độ
cao cực đại của đám mây hạt nhân, các kích thớc trong phơng

*
Đơn vị công suất vụ nổ l lợng nhiệt tỏa ra khi nổ 1 tấn trotil.
69 70
thẳng đứng v phuơng ngang của nó ứng với công suất nổ khác
nhau v một trạng thái trung bình của khí quyển.
Bảng 3.1. Độ cao nâng cực đại v kích thớc đám mây nổ hạt nhân mặt đất
Độ cao mây, km Độ cao mây, km
Công
suất nổ,
ngn
tấn
trên dới
Bán
kính
mây,
km
Công
suất nổ,
ngn
tấn
trên Dới
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 1 000 21,0 14,5 16,0
10 8,2 6,7 2,3 2 000 23,0 15,0 22,0
20 10,0 8,2 3,1 5 000 27,0 16,0 29,0
50 12,5 9,8 4,6
Từ bảng 3.1 suy ra rằng độ cao nâng lên cực đại biến thiên
giữa 2,7 v 27 km, còn bán kính giữa 0,7 v 29 km tơng ứng
với biến thiên công suất vụ nổ (tơng đơng trotil) từ 500 tấn
đến 5 triệu tấn. Ngoi công suất vụ nổ, các nhân tố khí tợng,
trớc hết l phân bố nhiệt độ v tốc độ gió theo độ cao (phân
tầng nhiệt v gió) có ảnh hởng tới độ cao nâng lên của mây hạt
nhân. Về mặt vật lý, hiển nhiên rằng phân tầng nhiệt của lớp
khí quyển cng ổn định thì độ cao san bằng nhiệt độ v độ cao
nâng lên của mây hạt nhân cng nhỏ.
3.4. ảnh hởng của các điều kiện khí tợng tới độ cao mây
hạt nhân
Giả sử hạt xê dịch theo phơng thẳng đứng từ mực
1
z , tại
đó nó có khối lợng
M
v nhiệt độ thế vị
)(z
i

tới mực zz

+ ,
nơi nó có khối lợng bằng
MM

+ v nhiệt độ thế vị )( zz
i

+ .
Tăng khối lợng hạt lên một lợng
M

đã diễn ra do sự liên
kết không khí xung quanh với hạt. Ta kí hiệu nhiệt độ thế vị
của không khí xung quanh tại độ cao
z
l )( z

. Trên cơ sở định
luật bảo ton nhiệt lợng
*
có thể viết
)()()()( zMzMzzMM
ii

+=++
,
từ đó
MM
zMzM
zz
i
i

)()(
)(



+
+
=+
. (3.2)
Biểu diễn nhiệt độ thế vị
)( zz


+ tại độ cao zz

+ dới
dạng tổng





)()( +=+ zzz , ta lập hiệu
)()( zzzz
i

++= ,
biểu thức ny nếu tính tới (3.2) đợc viết dới dạng

MM
MMzzM
zz
i



])()([
)(



+

=+
. (3.3)
Số hạng cuối cùng ở tử số biểu thức ny nhỏ không đáng kể so
với các số hạng khác. Ta viết hiệu
)( zz


+ dới dạng
z
zd
d
zzz
zd
d
zzz
i

])()([)()(






+=

+=+

v thế vo (3.3) ta có
0
1




=++

zd
d
zd

Md
Mzd
d



, (3.4)
trong đó các gia lợng (các vi phân) đợc biểu diễn dới dạng
zzdd )/(




= v zzddMM )/(


= v cắt bỏ số hạng nhỏ
)/( )/( )/( MzdzMdzdd




*
Theo phơng trình của định đề thứ nhất của nhiệt động lực học, khi không có sự xáo trộn
(không có nhập lợng nhiệt) nhiệt độ thế vị của hạt giữ nguyên không đổi ( const
=

).
Còn nhiệt độ thế vị biến đổi chỉ do ảnh hởng của lợng nhiệt tới trong trờng hợp ny
l thông lợng xáo trộn của hạt với không khí xung quanh.

71 72
ở vế trái của (3.4).
Phơng trình (3.4) l phơng trình vi phân bậc một đối với
hiệu cha biết (

) giữa các nhiệt độ thế vị của hạt (mây) v
của khí quyển. Trong trờng hợp tổng quát, các đại lợng
zd
Md
M

1
=

v
zd
d





=

có mặt ở vế trái (3.4) l những hm khá phức tạp của độ cao.
Khó nhất l xác định đại lợng

, nó biểu diễn khối lợng của
không khí bị lôi cuốn trên khối lợng đơn vị của hạt, tức tốc độ

lôi cuốn riêng.
Một giả thiết đơn giản nhất có thể đặt ra đối với các đại
lợng

v


đó l giả thiết chúng không phụ thuộc vo độ
cao (
const const,


). Với giả thiết ny, nghiệm của phơng
trình (3.4) sẽ có dạng

+= )( exp
0
z
, (3.5)
trong đó

0

hiệu các nhiệt độ thế vị ở mực xuất phát ( 0=z ).
Độ cao nâng lên của đám mây
m
z
đợc xác định từ điều
kiện
0=

. Trong (3.5), nếu cho
m
zz = v
0=

, ta đợc công
thức sau đây đối với
m
z :

+=








0
ln
1
m
z
. (3.6)
Công thức (3.6) có thể sử dụng chỉ trong những trờng hợp
khi độ cao nâng lên của đám mây không vợt ra khỏi phạm vi
lớp đối lu. Tuy nhiên, việc khái quát hóa các công thức (3.5) v
(3.6) sang các trờng hợp khi
m
z vợt trên độ cao nút đối lu
không phải l khó. Trên thực tế, nếu

H

hiệu số giữa các
nhiệt độ thế vị của mây v khí quyển tại mực nút đối lu

(
H
z
= ) đợc tính theo (3.5), thì nghiệm của phơng trình (3.4)
khi
H
z
> có thể viết dới dạng

Hình 3.2. Độ cao nâng lên của mây hạt nhân ở các đới vĩ độ khác nhau
1 nhiệt đới, 2, 3 các vĩ độ trung bình, mùa hè (2) v mùa đông (3), 4 các vĩ độ cao, 5
độ dy mây; những điểm gấp khúc trên các đờng cong tơng ứng với độ cao nút đối lu

+= )]([ exp
Hz
H
, (3.7)
trong đó



v



các trị số của những tham số


v

ở cao
hơn nút đối lu (vì trong lớp bình lu phân tầng gần với phân
tầng đẳng nhiệt, nên


có thể cho bằng 10 K/km). Công thức
rút ra từ (3.7) cho độ cao nâng lên của mây
m
z có dạng

+


+=
/
/
ln
1
H
m
Hz
. (3.8)
Hiệu
H

có mặt ở đây đợc tìm theo (3.5):
73 74

+= )( exp
0
H
H
. (3.9)
Kết quả tính toán
m
z
theo các công thức (3.8) v (3.9) với
các giá trị
H
,


trung bình đối với một số đới vĩ độ (vùng nhiệt
đới, các vĩ độ trung bình mùa hè v mùa đông, Bắc Băng
Dơng) v
10=



K/km,

4
105

=

cm

1
đợc dẫn trên hình 3.2.
3.5. Sự lắng đọng mây phóng xạ xuống mặt đất
Sự nâng lên của mây nổ hạt nhân sẽ kết thúc khi nhiệt độ
của nó bằng nhiệt độ không khí xung quanh. Sau đó, chuyển
động của mây đợc quyết định bởi hai nhân tố: tác động của
trọng lực kết hợp với các lực cản từ phía không khí v trờng
gió. Dới tác động của nhân tố thứ nhất, diễn ra quá trình hạ
xuống của các hạt phóng xạ, dới tác động của nhân tố thứ hai
quá trình vận chuyển mây trong phơng ngang.
Ta xét ảnh hởng của tốc độ gió lên quá trình lắng đọng
mây phóng xạ. Đơn giản nhất vấn đề ny đợc giải quyết trong
trờng hợp mây cấu tạo từ các hạt cùng kích thớc v tốc độ gió
không đổi cả về cờng độ lẫn hớng trên tất cả các độ cao. Trong
trờng hợp lý tởng ny, các quỹ đạo của các hạt sẽ l những
đờng thẳng với góc nghiêng so với trục
x
(hớng dọc theo gió)
bằng tỉ số
cw / ( w tốc độ rơi của các hạt, c tốc độ gió).
Khoảng cách trên phơng ngang
1
x

m một hạt nằm ở độ cao
1
z

tại thời điểm ban đầu di chuyển đợc, đợc xác định từ quan hệ
c
x
w
z
t
11
1
== , (3.10)
từ đó
11
z
w
c
x = , ở đây
1
t thời gian rơi của hạt từ độ cao
1
z .
Trong trờng hợp ny, vết của đám mây trên mặt đất về
hình dạng sẽ trùng với dạng của đám mây tại thời điểm đạt độ
cao cực đại. Theo (3.10), ta có
c lớn hơn w bao nhiêu lần, thì
chiều di của vết sẽ lớn hơn độ cao mây ngần ấy lần.
Trong những điều kiện thực, mây phóng xạ gồm các hạt
kích thớc khác nhau, còn tốc độ gió biến thiên với độ cao về độ

lớn v hớng.
Chúng ta sẽ xem rằng phân bố tốc độ gió với độ cao cho đến
thời điểm nổ hạt nhân đợc biết. Nó có thể nhận đợc hoặc bằng
quan trắc trực tiếp (cách tin cậy nhất), hoặc dựa trên dự báo. Ta
chia lớp khí quyển giữa mặt đất v ranh giới trên của đám mây
phóng xạ thnh một số lớp, độ dy mỗi lớp đợc chọn sao cho
trong phạm vi từng lớp tốc độ gió (độ lớn v hớng) có thể xem
l không phụ thuộc độ cao.








Hình 3.3. Sơ đồ giải thích việc xây dựng
vết của đám mây phóng xạ trên mặt đất

Giả sử
n
ccc , , ,
21
chỉ các vectơ tốc độ gió trong các lớp 1,
2, 3, ,
n
với độ dy khoảng 1 km (số thứ tự lớp tăng từ mặt đất
tới đỉnh đám mây).
Ta theo dõi sự lắng đọng của các hạt mây với kích thớc xác
định no đó. Tốc độ rơi các hạt phụ thuộc vo bán kính

r
v độ
cao
z
.
75 76
Nếu độ dy các lớp đợc chọn sao cho các hạt kích thớc cố
định đi qua các lớp trong cùng một thời gian (
iii
wzt / =
const= ), thì rõ rng độ dy các lớp đó cng lên cao cng phải
tăng lên (
i
w
tăng khi tăng độ cao).
Tất cả các hạt từ lớp thứ nhất lắng xuống đất sau thời gian
11

1

/ wzt = . Trong đó, vết phóng xạ trên mặt đất trùng về
hớng với vectơ tốc độ gió
1
c trong lớp ny (vectơ OB
1
trên hình
3.3). Chiều di vết
1
l sẽ bằng
1

1
1
1

11
z
w
c
tcl ==
.
Ta sẽ theo dõi chuyển động các hạt từ lớp thứ hai
*
. Trong
suốt khoảng thời gian
22

2

/ wzt = , các hạt phóng xạ của lớp
ny sẽ di chuyển trên phơng ngang theo hớng vectơ
2
c . Đến
cuối khoảng
2

t , các hạt của lớp thứ hai sẽ di chuyển trên
phơng ngang một khoảng cách
2

22
tcl = tới điểm
A
(xem hình
3.3). Trong suốt khoảng thời gian tiếp theo
1

t , các hạt của lớp
thứ hai sẽ di chuyển trên phơng ngang theo hớng vectơ tốc độ
1
c . Đến cuối khoảng thời gian
1

2

tt + , các hạt của lớp thứ hai
sẽ rơi xuống đất tại điểm
2
B . Nh vậy, để xác định vị trí các hạt
rơi xuống đất từ lớp thứ hai, cần cộng các vectơ
2

2
tc
v
1

1
tc
:

1

12

22
tt += ccOB .
Dễ thấy rằng, chúng ta sẽ đi đến chính điểm
2
B , nếu từ
chấn tâm nổ
O lúc đầu ta đặt vectơ
1

11
t= cOB , sau đó ta cộng
nó với vectơ
2

221
t= cBB , tức trong biểu thức cuối cùng ta đổi
chỗ các số hạng. Rơi xuống điểm
1
B sẽ l những hạt m tại thời

*
Tất cả những lập luận tiếp theo tơng ứng với các hạt nằm trên ranh giới
trên của lớp.

điểm ban đầu nằm ở ranh giới trên của lớp thứ nhất.
Bằng cách lập luận đúng nh vậy, chúng ta sẽ chỉ ra rằng

để xác định vị trí điểm
i
B trên mặt đất m những hạt phóng xạ
tại thời điểm đầu nằm ở ranh giới trên của lớp
i sẽ rơi xuống
đó, ta cần xây dựng tổng các vectơ
iiii
tttt
1

12

21

1
, , . . . , ,

cccc .
Trong đó gốc của vectơ thứ nhất l chấn tâm nổ, còn đầu mút
của mỗi vectơ trớc l gốc của các vectơ tiếp theo (hình 3.4).
Vì độ dy các lớp đã đợc chọn sao cho thời gian rơi của các
hạt trong từng lớp cùng l một (
n
ttt
2

1
. . . === ), nên thay vì
xây dựng tổng các vectơ
2

21

1
, tt cc , có thể xây dựng tổng các
vectơ tốc độ gió
21
, cc Sự thay thế nh vậy có lẽ sẽ có nghĩa l
chỉ thay đổi tỉ lệ của phép dựng đồ thị.
Tất cả những lập luận trớc đây tơng ứng với các hạt bán
kính xác định. Đối với các hạt bán kính khác, hớng chuyển
động trong mỗi lớp sẽ giữ nguyên nh trong trờng hợp thứ
nhất, nhng độ di các vectơ
OB
1
, B
1
B
2
, sẽ thay đổi. Ta kí
hiệu
z

v
z

l các bán kính lớn nhất v bé nhất
*
của các hạt
phóng xạ gặp thấy trong mây, còn

w

v w

tuần tự các tốc độ
rơi của các hạt đó. Thời gian rơi của các hạt bán kính
r

v
r


qua lớp thứ
i ta sẽ tìm từ các biểu thức:
i
i
i
i
i
i
w
z
t
w
z
t


=

=






; .
Vì mối phụ thuộc của tốc độ rơi từ độ cao (qua nhiệt độ) đối
với các hạt bán kính khác nhau thực tế nh nhau, nên chuyển
sang các hạt kích thớc khác không ảnh hởng tới việc chọn độ

*
Về lý thuyết trong mây có những hạt với mọi kích thớc (từ 0 đến
max
r
). Tuy nhiên, thực
tế trong mỗi đám mây có thể chỉ ra một bán kính cực tiểu v một bán kính cực đại, giữa
chúng chứa tới hơn 99 % tất cả các hạt.
77 78
dy lớp: nếu các lớp đợc chọn sao cho
ttt
2

1
. . . === , thì ta
cũng có

ttt

==

=


2

1
. . . , ttt

==

=


2

1
. . . . Nhng dĩ nhiên
ttt



, cụ thể l ttt

>>

. Quãng đờng m các hạt

có bán kính cực tiểu đi đợc trên phơng ngang sau khoảng thời
gian
i
t

, trong khoảng thời gian đó chúng nằm ở trong lớp
i
z ,
bằng
ii
tc . Vì đoạn tcOB
11
= , nên
ttOBtttctc
1

1

1
//

=

=


.


Hình 3.4. Diện tích nhiễm phóng xạ khi tốc độ gió biến đổi theo độ cao

1 diện tích rơi phóng xạ, 2 hiệu chỉnh do khuếch tán rối
Nếu tăng
1
OB lên tt /

lần, ta sẽ tìm đợc vị trí điểm
1
B

của
các hạt với bán kính
r

m tại thời điểm đầu tiên đã nằm ở ranh
giới trên của lớp
1

z . Vì các đoạn
21
BB ,
32
BB , cũng phải đợc
tăng lên đúng chừng ấy lần, nên dễ dng chỉ ra rằng để xác
định vị trí của các điểm
2
B ,
3
B , m các hạt từ ranh giới trên
của các lớp thứ hai, thứ ba, sẽ đi đến đó, cần phải tăng các
đoạn

2
OB ,
3
OB , lên tt /

lần. Đờng gấp khúc
321
BBBO


đợc xây dựng bằng cách đó sẽ l vết của các hạt phóng xạ bán
kính cực tiểu. Nếu giảm các đoạn
1
OB ,
2
OB , đi tt /

lần, ta
sẽ nhận đợc vết
321
BBBO

của các hạt bán kính cực đại. Diện
tích nằm giữa các đờng gấp khúc
321
BBBO

v
321
BBBO

biểu thị
vết phóng xạ của đám mây nổ hạt nhân trên mặt đất. Trên hình
3.4, mỗi đoạn
1
BO

,
2
BO

, đã đợc tăng lên, còn
1
BO

,
2
BO

,
đã đợc giảm đi
7
1
độ di của mình với mục đích tính gần đúng
ảnh hởng của sự trao đổi rối tới mây phóng xạ.
Dễ thấy rằng những hạt phóng xạ thuộc tất cả các kích
thớc m tại thời điểm đầu đã nằm trong lớp
i , sau khi rơi
xuống đất, sẽ phân bố dọc theo đờng thẳng
iii

BBBO

.
Nếu tốc độ gió biến đổi theo thời gian, thì dựng toán đồ thứ
hai tơng ứng với các điều kiện sẽ diễn ra sau 2, 4, 6 giờ kể từ
thời điểm nổ. Vùng rơi của các hạt ứng với thời điểm đã cho
đợc xác định bằng cách nội suy giữa các toán đồ liên tiếp nhau.
Thông thờng, tổng thời gian rơi lắng gần của các sản
phẩm phóng xạ vụ nổ hạt nhân bằng 68 giờ đối với những quả
bom công suất trung bình v lớn. Kích thớc của vùng chịu
nhiễm dao động trong những phạm vi rộng tùy thuộc vo tốc độ
gió v sự biến thiên của nó với độ cao. Với t cách lm thí dụ,
trên hình 3.5 dẫn những diện tích nhiễm phóng xạ đợc tính
bằng máy tính ứng với hai dạng phân bố tốc độ gió theo độ cao
sau 0,5, 1, 2 v 6 giờ kể từ thời điểm nổ (công suất vụ nổ 1 triệu
tấn). Trờng hợp thứ nhất trong số những trờng hợp đó tốc
độ gió đã ít biến đổi về hớng cho tới những độ cao lớn (gần 20
km); do đó, các đờng đẳng mức phóng xạ trông giống nh
những hình ellip vơn di trên hớng gió. Trong trờng hợp thứ
hai, tốc độ gió trong lớp đến 20 km biến đổi mạnh về hớng, do
79 80
đó, các đờng đẳng mức phóng xạ có dạng gần với đờng tròn.
Diện tích nhiễm trong trờng hợp thứ hai nhỏ hơn rất nhiều,
còn mức phóng xạ lớn hơn so với trờng hợp thứ nhất.

Hình 3.5. Thí dụ tính diện tích nhiễm phóng xạ sau 0,5, 1, 2 v 6 giờ kể từ
thời điểm nổ ứng với gió ít biến đổi tới độ cao 20 km (a) v ứng với hớng
gió biến đổi mạnh tới độ cao 20 km (b)
Các chữ số trên đờng đẳng trị mức phóng xạ (R/h)
Vì trong khí quyển có rất nhiều dạng trắc diện tốc độ gió,

nên từ những gì vừa nhận xét trên đây, suy ra rằng diện tích
vùng nhiễm các hạt phóng xạ có thể có hình dạng rất khác nhau
cho dù các vụ nổ công suất nh nhau.
Gió trung bình. Ngoi sơ đồ dự báo tình hình phóng xạ ở
khu vực nổ hạt nhân đã xem xét trên đây có tính đến sự biến
đổi của tốc độ gió, còn một phơng pháp phổ biến rộng rãi nữa,
đó l phơng pháp dự báo theo cái gọi l gió trung bình, hay gió
trung bình hữu hiệu. Đó l tổng vectơ các tốc độ gió từ mặt đất
tới đỉnh trên vòm mây hạt nhân tại thời điểm mây đạt độ cao
cực đại, đem chia cho số vectơ đã đợc lấy tổng.
Bằng phơng pháp đồ thị, gió trung bình đợc xác định nh
sau. Từ chấn tâm nổ, ta đặt các vectơ tốc độ gió giống nh khi
xây dựng hình 3.4. Nếu bây giờ nối điểm
O trên hình ny với
đầu mút của vectơ tiếp theo (tức với điểm
6
B ) v đoạn
6
OB chia
ra thnh sáu phần bằng nhau (trong trờng hợp ny), thì vectơ
OC sẽ l gió trung bình (về môđun v hớng). Nếu dự báo tình
hình phóng xạ đợc thực hiện theo gió trung bình, thì các đờng
đẳng mức phóng xạ đợc biểu diễn dới dạng những hình ellip
với trục lớn phụ thuộc vo tốc độ gió trung bình, còn trục nhỏ
bằng khoảng 0,1 độ di trục lớn (hình 3.6).
Từ những lập luận trên, rút ra rằng gió trung bình trong
lớp từ mặt đất đến mực
n
z có thể với độ chính xác thỏa mãn
thay thế bởi tốc độ gió

*c tại độ cao *
z
ở giữa lớp đó: 2/*
n
zz = .
Thật vậy, với độ cao vòm trên của đám mây hạt nhân (tại thời
điểm nó ổn định) bằng 6 km, với t cách l gió trung bình có thể
sử dụng tốc độ gió đo ở độ cao 3 km, hay gió địa chuyển xác định
theo bản đồ khí áp mặt 700 hPa; với độ cao vòm trên 911 km
(công suất vụ nổ 1020 nghìn tấn), với độ chính xác hon ton
thỏa mãn, gió trung bình bằng tốc độ gió đo ở độ cao 5 km, hay
gió địa chuyển xác định theo bản đồ khí áp mặt 500 hPa. Các số
liệu gió lấy từ bản đồ 300 hPa có thể sử dụng để dự báo tình
hình phóng xạ (theo hệ phơng pháp gió trung bình) xảy ra với
những vụ nổ công suất 2050 nghìn tấn.
81 82

Hình 3.6. Sơ đồ xây dựng vết mây phóng xạ trên mặt đất
theo phơng pháp gió trung bình (
7,6=c
m/s)
Từ những lập luận v những thí dụ trên đây, suy ra rằng
dự báo tình hình phóng xạ theo gió trung bình có thể sử dụng
chỉ với t cách l phép gần đúng thứ nhất (khá thô).
3.6. Vấn đề ôzôn khí quyển
Ôxy ba nguyên tử (O
3
) gọi l ôzôn. Mặc dù với lợng vô
cùng nhỏ trong khí quyển, nó đang giữ vai trò cực kỳ quan
trọng trong các quá trình v hiện tợng khí quyển. Lớp ôzôn có

chức năng nh một chiếc khiên che chắn cho các cơ thể sống, kể
cả con ngời, khỏi tác động hủy diệt của bức xạ cực tím khắc
nghiệt của Mặt Trời.
Ôzôn hấp thụ mạnh bức xạ cực tím với bớc sóng 0,220,29
m (với cực đại hấp thụ tại
255,0=

m).
Các chỉ số hấp thụ ôzôn trong vùng phổ ny lớn đến mức
bức xạ Mặt Trời hon ton bị hấp thụ ngay ở phần cao nhất của
lớp ôzôn trên độ cao 4550 km v hơn. Nhờ đó, nhiệt độ không
khí ở phần trên của lớp bình lu (trên độ cao khoảng 50 km)
tăng đến những trị số gần bằng không.
Các tia cực tím có hoạt tính sinh học cao: chúng lm chết
nhiều loại vi khuẩn, lm rám nắng v thậm chí gây bỏng da
ngời, trợ giúp thnh tạo vitamin D trong cơ thể thúc đẩy tăng
trởng v ngăn ngừa bệnh còi xơng trẻ em. Tuy nhiên, chỉ
những liều lợng không lớn, bức xạ cực tím mới có ích. Chúng ta
đợc biết những tác hại của sự phơi nắng thái quá v liên hệ
của nó với bệnh ung th. V đó l trong điều kiện chỉ có một
phần rất nhỏ các tia hoạt tính sinh học (với bớc sóng 0,290,32
m) đi tới mặt đất. Trong trờng hợp không có quyển ôzôn, thì
những tia cực tím hoạt tính sinh học có khả năng lm thay đổi
hẳn tất cả các quá trình sinh học, v có thể l ton bộ sự sống
hữu cơ trên Trái Đất. Từ đó trở nên dễ hiểu, vì sao ngời ta rất
chú ý tới công cuộc nghiên cứu ôzôn khí quyển. Mối quan tâm
ny đặc biệt mạnh mẽ hơn trong những năm gần đây, sau khi
ngời ta phát hiện thấy sự giảm sút đột ngột hm lợng ôzôn
phía trên lục địa Nam Cực hiện tợng lỗ thủng ôzôn.
Chúng tôi sẽ đa ra một số dẫn liệu về ôzôn (thông tin đầy

đủ hơn có trong các giáo trình chuyên môn khác). Ôzôn đợc
quan sát thấy trong lớp từ mặt đất tới độ cao khoảng 70 km,
nhng khối lợng chủ yếu của nó tập trun
g trong lớp 1555 km
v cực đại nồng độ ở lớp 2025 km. Tổng hm lợng ôzôn (
X )
biểu diễn thnh một cột thẳng đứng, nếu qui nó về áp suất tiêu
chuẩn (1013 hPa) tại nhiệt độ 0
o
C, dao động từ 1 đến 6 mm.
Đại lợng
X đợc gọi l độ dy qui chuẩn của lớp ôzôn.
Theo những số liệu đo hm lợng ôzôn bằng những thiết bị
thám sát ôzôn v từ vệ tinh (bắt đầu từ tháng tám năm 1967),
hm lợng riêng ôzôn (tỉ số mật độ ôzôn trên mật độ không khí,
thờng đợc biểu diễn thnh phần triệu của đơn vị, tức đại
lợng 10
6

r
) về trung bình theo bắc bán cầu đã đạt cực tiểu
(gần 288 phần triệu) vo các năm 19611962, cực đại (khoảng
308 phần triệu) các năm 19721974. Về trung bình theo nam
bán cầu, trị số cực đại (gần 305 phần triệu) đạt vo năm 1958,
cực tiểu (gần 295 phần triệu) các năm 19641965.
Trong vòng một năm, cực đại
r
đợc quan sát thấy vo
mùa xuân, còn cực tiểu mùa thu. Về trung bình theo bắc bán
cầu,

r
bằng 330350 phần triệu vo tháng t v 270275 phần
triệu vo tháng mời. ở các vĩ độ cao, các trị số cực đại
r
(mùa
83 84
xuân) cao hơn so với trung bình bán cầu. Thật vậy, cực đại
r
ở
nam bán cầu mùa xuân (tháng mời) đạt 340 phần triệu tại
vùng cận cực v 410 phần triệu tại vùng cực.
Hm lợng ôzôn trong những thập niên gần đây về trung
bình theo các bán cầu v theo ton địa cầu nói chung tăng (ở
bắc bán cầu tăng khoảng 40 phần triệu trong thời kỳ 1956
1970). Tuy nhiên, quan sát thấy những dao động lớn của
r
từ
năm ny tới năm khác. Thật vậy, đầu những năm sáu mơi
hm lợng ôzôn giảm, ngời ta cho rằng điều đó liên quan tới sự
tăng nồng độ các ôxit nitơ (có tác động phá hủy ôzôn) trong lớp
bình lu do ảnh hởng của những vụ thử vũ khí hạt nhân lan
trn trong những năm ấy (một số tác giả khác đã liên hệ những
dao động nồng độ ôzôn với hoạt độ Mặt Trời).
Mặc dù về những dao động hm lợng ôzôn trớc đây cũng
đã đợc biết, song nó giảm đột ngột bên trên Nam Cực l một
điều bất ngờ. Thay vì cực đại thông thờng quan sát thấy vo
mùa xuân (thờng lớn hơn 340 phần triệu), bắt đầu từ năm
1979 vo tháng mời mỗi năm, cho đến tận 1986, đã quan sát
thấy sự giảm mạnh tổng hm lợng ôzôn lỗ thủng ôzôn đã
hình thnh. Diện tích lỗ thủng mỗi năm một lớn hơn, đạt tới

một số triệu kilômet vuông vo các năm 19841985.
Bắt đầu từ năm 1982, ở tâm lỗ thủng bắt đầu hình thnh
một vùng cực đại tơng đối hm lợng ôzôn (gần 250 phần
triệu), xung quanh nó duy trì một vòng hm lợng ôzôn thấp.
Một số giả thuyết về sự thnh tạo lỗ thủng ôzôn đã đợc
đa ra. Giả thuyết thứ nhất liên hệ sự hình thnh lỗ thủng với
chu trình 11 năm của hoạt động Mặt Trời. Các năm 19751986
ứng với chu trình thứ 21 rất mạnh của hoạt động Mặt Trời (tại
cực đại hoạt độ, số vết đen trên Mặt Trời trong chu trình ny đã
đạt tới 170, trong khi ở điều kiện trung bình, số đó chỉ l 100
110). Do ảnh hởng của bức xạ Mặt Trời, trong lớp trung quyển
v lớp bìn
h lu thợng, hm lợng các ôxit nitơ tăng vo
những năm cực đại hoạt độ, tăng 5060 % so với điều kiện trung
bình. Sự vận chuyển NO
x
tiếp sau tới phần giữa của lớp bình
lu (độ cao 2030 km) v những phản ứng quang hóa của chu
trình nitơ
NO + O
3
NO
2
+ O
2
, NO
2
+ O NO + O
2
, O

3
+ O 2O
2
dẫn tới lm giảm hm lợng ôzôn. Ngoi chu trình nitơ, các
phản ứng của các chu trình clo, hyđrôgien, bromclo v một số
chu trình khác có thể lm giảm O
3
, trong đó các phản ứng xảy
ra nhanh hơn nhiều nếu có mặt các mây trong lớp bình lu.
Tuy nhiên, cơ chế quang hóa nitơ liên quan với hoạt độ Mặt
Trời mâu thuẫn với một thực tế l trong chu trình thứ 19, cũng
l một chu trình rất mạnh (số vết đen lúc cực đại đạt tới 180),
nhng ngời ta không hề quan sát thấy một sự giảm hm lợng
ôzôn đáng kể.
Giả thuyết thứ hai liên hệ sự thnh tạo lỗ thủng ôzôn với
hon lu chung khí quyển. Nếu nh hon lu lm tăng dòng
các ôxit nitơ nguồn gốc nhân sinh (cũng nh các ôxit clo,
brôm ) từ các vĩ độ thấp v trung bình đi tới các vĩ độ cao, thì
do ảnh hởng của các phản ứng đã nói tới ở trên, hm lợng
ôzôn sẽ giảm.
Sự vận chuyển các tạp chất nhân sinh đợc thực hiện bởi
những dòng không khí chuyển động có trật tự (kiểu các nhân
hon lu) cũng nh trong quá trình di chuyển các xoáy synop
(xoáy thuận v xoáy nghịch) giữa các đới vĩ độ.
Tuy nhiên, ta không hiểu tại sao ở bắc bán cầu, nơi các hợp
chất của clo, brôm v các hợp chất khác phá hủy ôzôn nhập vo
lớp bình lu nhiều hơn so với ở nam bán cầu m cơ chế liên
quan tới vận chuyển các tạp chất nhân sinh lại không hề biểu
lộ, không trong một mùa no cả.
Vấn đề ôzôn nói chung v lỗ thủng ôzôn nói riêng cần phải

đợc nghiên cứu tiếp về mặt lý thuyết v thực nghiệm.