Hoá môi trường - Chương 2: Khí quyển và hóa học của khí quyển

CHƯƠNG 2
KHÍ QUYỂN
VÀ HĨA HỌC CỦA KHÍ QUYỂN


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ

2.1.1. Cấu trúc khí quyển
Khí quyển là lớp không khí trên
bề mặt trái đất, không có giới hạn,
tuy nhiên so với chiều dày của trái
đất (đường kính trái đất khoảng
6500km) thì nó lại như một lớp da
rất mỏng bao quanh quả đất.


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ

2.1.1.1. Tầng đối lưu
Tầng

đối lưu (troposphere) chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển, ở độ

cao từ 0 đến 11 km, càng lên cao nhiệt độ càng giảm.
Độ

cao của tầng đối lưu có thể thay đổi khoảng vài km, tùy thuộc vào các

yếu tố, nhiệt độ, bề mặt đất... (khoảng 8 km ở hai cực, 18 km ở vùng xích

đạo).
Tầng

này quyết định khí hậu của Trái đất, thành phần chủ yếu là N2, O2,

CO2 và hơi nước.


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ

2.1.1.1. Tầng đối lưu

Khí

trong khí quyển tập trung chủ yếu ở tầng đối lưu, với khối lượng

khoảng 4,12.1015 tấn so với tổng khối lượng khí trong khí quyển là
5,15×1015 tấn.
Mật

độ khơng khí và nhiệt độ trong tầng đối lưu không đồng nhất. Mật độ

khơng khí giảm rất nhanh theo độ cao (hàm số mũ).


Nếu khơng bị ơ nhiễm, thì nhìn chung thành phần của khí quyển ở tầng

đối lưu khá đồng nhất, do có dịng đối lưu liên tục của các khối khơng khí
trong tầng.

Tầng

đối lưu là một vùng xốy, do có sự mất cân bằng trong tốc độ sưởi

ấm và làm lạnh giữa vùng xích đạo và ở hai đầu cực.


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ

2.1.1.1. Tầng đối lưu
Phần

trên cùng của tầng đối lưu có nhiệt độ thấp nhất (vào khoảng −56°C)
được gọi là đỉnh tầng đối lưu hoặc lớp dừng (tropopause), đánh dấu sự kết
thúc xu hướng giảm nhiệt theo độ cao trong tầng đối lưu, và bắt đầu có sự
tăng nhiệt độ.
Ở

đỉnh tầng đối lưu do nhiệt độ rất thấp, hơi nước bị ngưng tụ và đơng đặc
nên khơng thể thốt khỏi tầng khí quyển thấp.
Nếu

khơng có đỉnh tầng đối lưu, đóng vai trị như tấm chắn rất hữu hiệu,
hơi nước có thể bay lên các tầng khí quyển bên trên và sẽ bị phân tích dưới
tác dụng của bức xạ tử ngoại có năng lượng lớn.
Hydro

tạo thành do phản ứng phân tích sẽ thốt khỏi khí quyển (hầu hết
hydro và heli vốn có trong khí quyển đã thốt khỏi khí quyển theo con

đường này).


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ

2.1.1.2. Tầng bình lưu
Tầng

bình lưu (stratosphere) ở độ cao từ 11 đến 50 km, nhiệt độ tăng theo

độ cao, từ − 56°C đến khoảng −2°C.
Thành

phần chủ yếu của tầng này là O3, ngồi ra cịn có N2, O2 và một số

gốc hóa học khác.
Phía

trên đỉnh tầng đối lưu và phần dưới của tầng bình lưu là tầng ozon,

nhiệt độ trong tầng này gần như không đổi.


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ

2.1.1.2. Tầng bình lưu
Ozon

ở vùng này đóng một vai trị cực kỳ quan trọng, nó có tác dụng như

lá chắn bảo vệ cho cuộc sống trên bề mặt Trái đất, tránh được tác dụng có
hại của tia tử ngoại từ ánh sáng Mặt trời.
O3 + hν (λ: 220 − 330 nm) → O2 + O + Q (làm tăng nhiệt độ)
Trong

tầng bình lưu, khơng khí ít bị khuấy động, do đó thời gian lưu của

các phần tử hóa học ở vùng này khá lớn.
Nếu

các chất gây ơ nhiễm bằng cách nào đó xâm nhập vào tầng này, thì

chúng sẽ tồn tại và gây ảnh hưởng tác động trong một thời gian dài hơn
nhiều so với ảnh hưởng của chúng ở tầng đối lưu.


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ

2.1.1.3. Tầng trung lưu
Tầng

trung lưu (tầng trung quyển, mesosphere) ở độ cao từ 50 km đến 85

km, nhiệt độ giảm theo độ cao, từ − 2°C đến − 92°C, do khơng có nhiều các
phần tử hóa học hấp thụ tia tử ngoại, đặc biệt là ozon.
Thành

phần hóa học chủ yếu trong tầng này là các gốc tự do O2+, NO+

được tạo thành do oxy và nitơ oxit hấp thụ bức xạ tử ngoại xa.


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ

2.1.1.4. Tầng nhiệt lưu


Tầng nhiệt lưu (tầng nhiệt, tầng ion, thermosphere), ở độ cao từ

85 đến trên 500 km.
Nhiệt

độ trong tầng này tăng từ − 92°C đến 1200°C. Trong tầng

này, do tác dụng của bức xạ Mặt trời, nhiều phản ứng hóa học xảy
ra với oxy, ozon, nitơ, nitơ oxit, hơi nước, CO2..., chúng bị phân
tách thành nguyên tử và sau đó ion hóa thành các ion O2+, O+, O,
NO+ , e-, NO2-, NO3-,... và nhiều hạt bị ion hóa phản xạ sóng điện từ
sau khi hấp thụ bức xạ Mặt trời ở vùng tử ngoại xa (UV-C, λ <
290 nm).


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QỦN VÀ THÀNH PHẦN
KHƠNG KHÍ

NGOÀI RA

Ngồi

các tầng trên, người ta cịn có khái niệm tầng điện ly hay tầng ngoài

(exosphere) và tầng ion (ionosphere).
Tầng

ngoài bao quanh Trái đất ở độ cao lớn hơn 800 km, có chứa các ion

oxy O+ (ở độ cao < 1500 km), heli He+ (< 1500 km) và hydro H+ (> 1500
km). Một phần hydro ở tầng này có thể tách ra và đi vào vũ trụ (khoảng vài
nghìn tấn năm).
Mặt

khác, các dòng plasma do Mặt trời phát ra và bụi vũ trụ (khoảng 2

g/km2) cũng đi vào khí quyển Trái đất. Nhiệt độ của tầng này tăng rất nhanh
đến khoảng 1700°C.


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ

NGOÀI RA
Tầng

ion là khái niệm dùng để chỉ phần khí quyển ở độ cao từ 50 km trở

lên, trong vùng này không khí có chứa nhiều ion.
Sự

có mặt của các ion trong vùng này đã được biết đến từ năm 1901, khi

người ta phát hiện ra hiện tượng phản xạ của sóng radio của lớp khí quyển
tầng cao.
Giới

hạn trên của khí quyển và đoạn chuyển tiếp vào vũ trụ rất khó xác

định, cho tới nay, người ta mới ước đoán khoảng 500 − 1000 km.


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QỦN VÀ THÀNH PHẦN
KHƠNG KHÍ

Hình 2.2. Sự biến đổi nhiệt độ của khí quyển


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QỦN VÀ THÀNH PHẦN
KHƠNG KHÍ

Hình 2.3. Sự biến đổi áp suất của khí quyển


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ
2.1.2. Thành phần khơng khí sạch và khơ


Khơng khí được cấu tạo từ nhiều khí khác nhau, trong đó thành phần

chính là khí N2 chiếm khoảng 78,9% thể tích, khí O2 chiếm khoảng 20,9%
thể tích, tiếp theo là Argon, khí cacbonic…


Trong khơng khí cũng ln tồn tại một lượng hơi nước khơng cố định.



Lớp khí quyển bao quanh Trái đất là mơi trường để truyền bức xạ Mặt trời

vào Trái đất (hồng ngoại, tử ngoại, rơn ghen, tia gamma).


Phần lớn bức xạ này nằm trong khoảng bước sóng 200 – 2000 nm một

nửa số này có bước sóng 380 – 870 nm là tia mà mắt người có thể nhìn thấy
được. Chỉ có 45% tổng lượng năng lượng Mặt trời là tới được Trái đất cịn
24,5% bị khí quyển hấp thụ, 30,5% bị phản xạ bởi mây và bề mặt Trái đất.


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QỦN VÀ THÀNH PHẦN
KHƠNG KHÍ
Khí

Cơng thức

Thành phần (ppm) Thời gian lưu ở tầng
đối lưu (năm)

Ni tơ
Ôxy
Argon
Cacbon đioxit

N2
O2
Ar
CO2

780,840
209,460
9,340
315

6.000000
4500
2-4

Nêon
Hêli
Mê tan
Krypton
Nitơ Oxit
Hyđrô

Ne
He
CH4
Kr

N2O
H2

18
5,2
1,0 - 1,5
1,1
0,5
0,5

7
200
-


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QỦN VÀ THÀNH PHẦN
KHƠNG KHÍ

Hình 2.4. Thành phần khí quyển


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ
Thời gian lưu có thể được định nghĩa như sau:
 Thời gian lưu đóng vai trị quan trọng trong việc xác định một chất có phân
bố rộng trong mơi trường hay khơng.
 Một chất dù là tự nhiên hay nhân tạo thì thời gian lưu cũng liên quan chặt
chẽ với việc phân bố trong mơi trường.
 Một chất hịa trộn tốt, nghĩa là phân bố rộng trong mơi trường thì sẽ có thời
gian lưu dài, và ngược lại.

 Ví dụ CFCs có thời gian lưu dài, tạo nên một vấn đề môi trường tồn cầu.
Ngược lại, các khí acid chỉ tồn tại vài ngày trong khí quyển và mưa acid vì
vậy chỉ mang tính chất khu vực.


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ
2.1.2.1. Oxygen
 Tổng lượng oxy có trong khí quyển tại một thời điểm vào
khoảng 1,8x1019mol, tương đương với 1,2x1018 kg.
 Quá trình chính sinh ra oxy trong khí quyển là phản ứng quang
hợp (5,0x1015 mol/năm, tức 4,0x1014 kg/năm).
 Quá trình quang hợp hầu như cân bằng với các quá trình tiêu
thụ oxy, đó là q trình hơ hấp, phân hủy chất hữu cơ và q trình
đốt các nhiên liệu hóa thạch.
 Oxy có thời gian tồn lưu lâu trong khí quyển (vài nghìn năm).
Điều này có nghĩa là nó được phân bố đều trong khí quyển,
khơng có sự thay đổi về áp suất riêng phần của O2 giữa nơi này
và nơi khác.


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ
2.1.2.2. Nước
 Tại một thời điểm bất kỳ, chỉ có khoảng 7x1014 mol nước tồn
tại ở dạng khí so với khoảng 9,5x1019 mol tồn tại trên bề mặt ở
dạng lỏng.
 Với lượng bốc hơi từ đại dương (2,2x1016 mol/năm) và từ các
sông hồ (3,5x1015mol/năm) so với lượng nước ngưng tụ trên Mặt
đất (5,5x1015mol/năm) và trên các đại dương (1,9x1016mol/năm),

có thể tính được thời gian tồn lưu trung bình của nước trong khí
quyển là 3x10-2 năm (10 ngày).
 Nước phân bố không đều trong khí quyển, về cả khơng gian và
thời gian.
 Áp suất riêng phần cực đại của nước đạt được tại một nhiệt độ
nhất định được gọi là áp suất hơi bão hoà (hoặc áp suất hơi cân
bằng). Áp suất hơi bão hòa tăng nhanh theo nhiệt độ.


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ
Bảng 2.2. Áp suất hơi bão hòa tăng theo nhiệt độ.
t, oC

p(H2O),
atm

t, oC

p(H2O),
atm

t, oC

p(H2O),
atm

-20

0,00102

0

0,00603

20

0,02307

-15

0,00163

5

0,00861

25

0,03126

-10

0,00257

10

0,01188

30

0,04187

-15

0,00396

15

0,01683

35

0,05418


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ
2.1.2.3. Nitrogen
 Khí quyển chứa khoảng 3,9x1018 kg nitrogen. Nguồn tiêu thụ N2 chủ yếu là
quá trình cố định nitơ sinh học (2x1011kg/năm), quá trình sản sinh NO do sét
và do quá trình đốt (7x1010 kgN/năm).
N2 + O2 -> 2NO
 Ngồi ra, các q trình cơng nghiệp cũng cố định thêm khoảng 5x1010
kg/năm.
N2 + 3H2 -> 2NH3
 Nitơ có trong nước và đất ở dạng NH4+ hoặc NO3- được chuyển hóa sinh
học thành các protein và nucleic acid. Quá trình phân hủy các chất này dưới
tác dụng của vi khuẩn lại giải phóng nitơ và khí quyển ở dạng N2 và N2O.
 Do tốc độ sinh ra và mất đi của N2 rất nhỏ so với lượng có trong khí quyển

nên thời gian tồn lưu cửa N2 là rất lớn (≈107 năm).


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ
2.1.2.4. Carbon dioxide
 Lượng CO2 có trong khí quyển là 1,4x1016 mol. Ngược lại với oxy, nguồn
sản sinh chủ yếu của CO2 trong khí quyển là q trình hơ hấp, q trình đốt
và quá trình phân hủy chất hữu cơ.
 Quang hợp là quá trình tiêu thụ CO2 quan trọng (1,5x1015mol/năm). Bên
cạnh đó, vì CO2 dễ tan trong nước nên cũng cần kể đến quá trình trao đổi
CO2 với đại dương.
 Hàng năm đại dương sử dụng hết 7x1015mol và trả lại vào khí quyển 6x1015
mol CO2. Kết quả là thời gian lưu của CO2 trong khí quyển khoảng 2 năm.
Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây cho thấy lục địa tiêu thụ nhiều CO2 hơn
các đại dương.
 Kết quả giám sát nồng độ CO2 qua nhiều năm cho thấy nồng độ CO2 trong
khí quyển khơng đồng đều và có xu hướng tăng dần.


2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN
KHÔNG KHÍ
2.1.2.5. Hydrogen

 Hydrogen chiếm một phần rất nhỏ của khí quyển (0,5ppm).
 Tồn bộ khí quyển chứa 180.000 tấn H2 và lượng tiêu thụ hàng năm là
90.000 tấn, và vì vậy thời gian lưu của H2 trong khí quyển là 2 năm.
 Khí hydro hịa trộn khá tốt trong khí quyển và nồng độ biến đổi theo
chu kỳ năng, tăng cao vào tháng 4 và giảm mạnh vào tháng 10.
 Bên cạnh đó, nồng độ H2 trong khí quyển cũng tăng vào khoảng

0,6%/năm.
 Tuy nhiên, khác với CO2, chu kỳ biến đổi nồng độ H2 ở Bắc bán cầu và
Nam bán cầu cùng pha với nhau.


2.2. CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG KHÍ
QUYỂN
 Các chất ô nhiễm sau khi thoát ra khỏi nguồn thải đi vào khí
quyển có thể bị biến đổi về lượng hoặc cũng có thể chuyển thành
các chất khác là các quá trình: pha lỗng, sa lắng (sa lắng khơ và
sa lắng ướt), các chất phản ứng với nhau.
 Các thành phần trong khí quyển có thể tham gia vào phản ứng
hóa học thuần túy dưới điều kiện đồng thể hoặc dị thể.
 Năng lượng cần thiết để tiến hành các phản ứng giữa những
thành phần chính trong tầng đối lưu nhiều khi quá lớn.
 Việc nghiên cứu các phản ứng hóa học hoặc quang hóa, các q
trình vận chuyển và phát tán hoặc tích tụ các chất ơ nhiễm có ý
nghĩa quan trọng đối với việc nghiên cứu quá trình hình thành và
biến đổi các chất ơ nhiễm trong khí quyển.


2.2. CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG KHÍ
QUYỂN
2.2.1. Phản ứng hóa học trong khí quyển
Là các phản ứng xảy ra chủ yếu do các va chạm có hiệu quả giữa
các tác nhân phản ứng có mặt trong khí quyển gây ra:
 Phản ứng kết hợp
 Phản ứng trao đổi
 Phản ứng oxi hóa - khử….
Ngồi ra cũng cịn có các q trình hịa tan, sa lắng…

-Sa lắng khơ: là q trình thanh lọc bằng cách hấp thu (hấp
thụ hoặc hấp phụ) các chất ở bề mặt Trái đất nhờ thảm thực
vật, hịa tan các chất trong nước mặt (sơng, hồ, ao, nước
biển).
-Sa lắng ướt: là thanh lọc nhờ mưa.
 Các phản ứng có thể xảy ra ở các pha đồng thể hoặc dị thể.