phần 3 khí CFC ở tầng bình lưu (dịch)

PHẦN 3
CÂU CHUYỆN CỦA CFC VÀ OZON Ở TẦNG BÌNH LƯU
Phần 3 của môn học liên quan đến câu chuyện của CFC và quá trình mà nó tạo ra một thảm họa môi
trường. Phần này còn nhấn mạnh tầm quang trọng của khí quyển đến hoạt động của con người và sự tuyệt
vời của "sinh quyển" đến những thay đổi trong bầu không khí.
Nhóm dịch:
- Nguyễn Thị Ngọc Bích
- Nguyễn Thị Phương Lệ Chi
- Tô Thị Ngọc Hiếu
- Hồ Thị Nhật Linh
- Nguyễn Thị Thu Oanh
- Võ Thị Xuân Vinh
- Nguyễn Phạm Mỹ Ý


Trang 2: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHIẾU XẠ
Năng lượng trung bình từ mặt trời được đo trong không gian là (1366 ± 3) Wm-2. Do đó, đầu vào trung
bình đến bầu không khí của chúng là 342 Wm-2.

Như bầu không khí là có liên quan, về cơ bản tất cả nhận được từ mặt trời ở dạng bức xạ điện từ. Từ
nguồn năng lượng khác như các nguồn nhiên liệu hóa thạch đốt hoặc chuyển từ ấm áp của trái đất, rất nhỏ
có thể được bỏ qua. Ước tính trung bình của dòng điện Trái Đất đạt được là khá chính xác được biết đến tại
(1366 ± 3) Wm-2, (điều này tương đương với hiệu suất khoảng 14100%, 100W bóng đèn hộ gia đình trên
một mét vuông) vuông góc với hướng của các photon. Trên bề mặt hình cầu của Trái đất, năng lượng trung
bình này đến 342W mỗi mét vuông của trung bình năng lượng bề mặt của Trái đất. Bức xạ mặt trời, chính
xác hơn, bức xạ tia cực tím (bước sóng ít hơn nhiều 400nm), tất nhiên, vô cùng quan trọng đối với thành
phần hóa học của bầu khí quyển. Nếu không có nó, không khí sẽ trơ và bất kỳ chất nào xuất hiện từ bề mặt
trái đất sẽ không được gỡ bỏ bởi một trong hai phản ứng hóa học hoặc phân ly, dẫn đến nồng độ khí quyển
tăng của nó và tác động môi trường liên quan. Giá trị 1366 Wm -2 được gọi là hằng số năng lượng mặt trời,
S.
Trang 3:

Bức xạ năng lượng mặt trời đầu vào khoảng 342 Wm -2 đến trong không gian có một phổ
tương tự như một vật đen của 5800K, mà đỉnh điểm vào khoảng 500nm. Bức xạ được giảm phản xạ khí
quyển và hấp thụ.


Mặt trời hoạt động rất giống như một tản nhiệt vật đen tuyệt đối. Đó là một đối tượng có khả năng hấp
thụ và phát ra các photon của tất cả các bước sóng. Quang phổ điện từ của nó sau chặt chẽ của vật đen tuyệt
đối của nhiệt độ 5800 K. Với độ lệch lớn nhất xảy ra ở các bước sóng rất ngắn 5800K chủ yếu là nhiệt độ bề
mặt trung bình của mặt trời. Cường độ đỉnh phát xạ được tìm thấy trong vùng nhìn thấy được gần 500 nm,
mà sẽ xảy ra để được gần với đỉnh cao đáp ứng thị giác tại 555nm. Có thể mắt người có thể được nhìn thấy
trong biểu đồ này, cả cường độ và hình dạng của quang phổ của bức xạ đến bề mặt trái đất được sửa đổi bởi
sự hấp thụ của tán xạ bởi một số loài trong khí quyển. Trong số các vật liệu hấp thụ, cả hai O2 và O3 là nổi
bật trong các tia cực tím (UV) và có thể nhìn thấy được khu vực của quang phổ. Khu vực cho thấy tổng
thông lượng photon sẽ được bề mặt trái đất nếu khí quyển không hấp thụ ở tất cả. Sự khác biệt giữa thông
lượng đến trung bình 342Wm-2 và thông lượng khi đến bề mặt trái đất được chiếm bởi sự phản ánh, chủ yếu
là từ các đám mây nước và bình xịt khác.


Trang 4: HẤP THỤ ÁNH SÁNG UV BỞI BẦU KHÍ QUYỂN ĐẾN KHÔNG GIAN
Các thành phần chính của bầu khí quyển Trái đất là O 2, N2 và H2O. Do đó, đầu tiên cần phải xem xét làm
thế nào những loại có được dưới sự bức xạ của ánh sáng mặt trời.

Hầu hết các bầu khí quyển chứa N2, O2, và hơi H2O .Tỷ lệ của hai giá trị về cơ bản không đổi trong
tầng đối lưu, tầng bình lưu và tầng giữa, trong khi nồng độ của hơi nước thay đổi theo không gian ba chiều
khác nhau, từ một phần nhỏ của một phần trăm đến khoảng bốn phần trăm của số phân tử mỗi đơn vị thể
tích. Mặc dù hầu hết các chất hóa học thú vị của khí quyển xảy ra giữa những không gian mà chỉ chiếm một
phần nhỏ trong khí quyển (khối màu cam ở trên), cơ cấu vĩ mô của tầng khí quyển thấp và trung bình được
điều chỉnh bởi sự tương tác của O2 với ánh sáng mặt như sẽ được thực hiện trong thời gian ngắn .
Để xem xét giá trị của phân tử khi bị tia cực tím và bức xạ có thể nhìn thấy, người ta có thể bắt đầu
bằng cách đơn giản nhìn vào các nguồn năng lượng phân ly của liên kết phân tử điển hình. Trong trường

hợp của các phân tử hai nguyên tử, năng lượng phân ly liên kết bằng sự khác biệt trong sự hình thành của
XY và X + Y. N 2 có một trong những liên kết phân tử mạnh nhất gặp trong tự nhiên. Năng lượng phân ly
liên kết liên quan đến năng lượng tối thiểu photon (và do đó bước sóng liên quan với nó)cần thiết để sản
xuất các nguyên tử N: N2, 127nm hoặc ít hơn là cần thiết để phân tách N 2 để N + N , giả định rằng không có
hàng rào ngăn cách quá trình phân ly đó có nghĩa là bước sóng ngắn hơn được yêu cầu cho phân ly. Theo
phổ phát xạ mặt trời khi quan sát từ không gian, tương đối ít photon có bước sóng nhỏ hơn 127nm đến bầu
khí quyển của Trái đất. Mặt khác, có thể tách một bước sóng dài hơn lên đến 240nm. Trong vùng phổ này,
nhiều photon có sẵn hơn.


Trang 5: ĐỊNH LUẬT HẤP THỤ BEER - LAMBERT
Định luật Beer-Lambert liên quan các phần của ánh sáng tới hấp thụ bởi vật thể
với chiều dài đường dẫn quang học thông qua vật thể bằng cách sử dụng một hệ số hấp thụ quang học hiệu
quả.

Sự thay đổi cường độ ánh sáng khi nó đi qua một chất khí có thể dễ dàng mô tả bởi các biểu hiện BeerLambert, dự đoán một giảm theo cấp số nhân trong cường độ với khoảng cách nếu nồng độ của các loài hấp
thụ vẫn không đổi. Lưu ý các đơn vị khác nhau được sử dụng để hấp thụ và cũng thực tế là sản phẩm (σ, k
hay) αcL là thứ nguyên.Trong phần này, chúng ta sẽ sử dụng phần hấp thụ chéo với các đơn vị cm 2 (mỗi
phân tử) như chúng ta thường sẽ sử dụng nồng độ với các đơn vị (phân tử) cm-3.


Trang 6: SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG UV BỞI TẦNG KHÍ QUYỂN
N2, O2 và H2O tất cả đều hấp thụ mạnh ở khu vực xa quang phổ hấp thụ. Tuy nhiên mạnh nhất của nó
xảy ra trên một phạm vi của bức xạ quang phổ mặt trời thấp. Chúng ta cần phải xem xét các phần của sự hấp
thụ yếu ở các bước sóng dài hơn.

Hấp thụ ánh sáng trong khí quyển thú vị vì ba lý do . (1) Nó che chở động vật và thực vật từ các bước
sóng tia cực tím có hại, (2) nó làm nóng bầu không khí, (3) nó tạo ra lọai phản ứng cao.
Để định lượng các quá trình hấp thụ , cần phải biết hấp thụ qua phần (hoặc tương đương, hệ số dập tắt
phân tử , hoặc hệ số hấp thụ phân tử ) của mỗi phân tử và các sản phẩm phân ly kết quả nếu có. Hiển thị ở

đây là sự hấp thụ mặt cắt ngang cho O 2 và H2O. Điều đó N2 không được hiển thị, nhưng nó trở nên đáng kể
so với hai phân tử kia
chỉ dưới 150nm, mặc dù nó không phân tách cho đến 127nm hoặc ít hơn, như đã được ghi nhận . Lưu ý, các
giá trị (đơn vị) của phần hấp thụ cắt ngang. Cao nhất là các thứ tự của 10 -17cm2. Điều này được coi là một
giá trị rất cao cho một phân tử trong bầu khí quyển, mặc dù có thể có các nguyên tử lớn hơn nhiều sự hấp
thụ cao điểm cắt hơn này. Việc giải thích vật lý thiết yếu của sự hấp thụ mặt cắt ngang của 10 -17cm2 là theo
một photon tương ứng với một bước sóng đặc biệt, phân tử xuất hiện để có một diện tích bề mặt theo hướng
0

tiếp cận các photon10-17cm2 diện tích bề mặt như vậy tương ứng với đường kính (4 x 10 -17/π)0,5 = 35 A , mà
lớn hơn đường kính va chạm của O2 nhiều lần. Để đưa điều này vào quan điểm, hãy nhớ rằng Iabs/I0=σCL,
nơi σ là sự hấp thụ phân tử có mặt cắt ngang ( cm -2 mỗi phân tử), c là nồng độ (mỗi phân tử cm -3) , và L là
chiều dài con đường qua đó hấp thụ xảy ra (cm) . Trên mặt đất, O 2 có nồng độ khoảng 5 x 1018 (mỗi phân
tử) cm-3. Như vậy hấp thụ 20%, L = 0,2/(10-17 x 5 x1018) = 0,004 cm. Vì vậy, một lớp không khí chỉ 0,1 cm
dày sẽ xuất hiện hoàn toàn “ vật đen” nếu phần hấp thụ cắt ngang của không khí trong có thể nhìn thấy là
10-17cm2 (chỉ có một phần nhỏ của ánh sáng kinh nghiệm exp[-(10 -17 cm2 x 5 x 1018 cm-3 x 0,1 cm)] = 0,007
sẽ thâm nhập vào một lớp như vậy. Tại một giá trị khác, để xem một đối tượng thông qua không khí là 1
km, chúng ta có thể nói rằng sự hấp thụ ánh sáng cần phải được tối thiểu ( không quá 10 % , ví dụ) . Điều gì


cần được hấp thụ trong trường hợp này? Ở đây σ = 0,9/(5 x 1018 cm2 x 1000m x 100 cm/m) = 2 x 10-24 cm2.
Những con số ở đây là tốt để ghi nhớ. Đương nhiên, người ta phải xem xét rằng nồng độ của hầu hết các
loài hấp thụ trong khí quyển là được thực hiện của các cường độ ít hơn so với O 2, và người ta cũng phải tính
đến sự thay đổi logarit áp lực với độ cao, có nghĩa là bất kỳ cho chiều dài đường hấp thụ trong không khí
theo hướng thẳng đứng thường sẽ không có một sự tập trung liên tục .
Cũng được hiển thị trên con số này là thông số: bức xạ quang phổ của mặt trời trực tiếp trên bầu khí
quyển (nói ở độ cao 200 km ) trong các đơn vị tuyến tính. Vì hầu hết các ánh sáng đến bầu khí quyển là nằm
ở các bước sóng dài hơn so với dải hấp thụ chính của O 2 và H2O, một đại diện tốt hơn về ảnh hưởng của O 2
và H2O trên quang phổ mặt trời là của một bản ghi/tuyến tính. Này được đưa ra trên trang tiếp theo.

Trang 7: SỰ HẤP THỤ O2 TRONG VÙNG UV
Trên một quy mô đăng nhập, tất cả các tính năng quan trọng của các O2, quang phổ hấp thụ có thể được nhìn
thấy. O2 có thể phân ly ở các bước sóng dưới 240 nm.

Trên đồ thị trước đó, rất khó để nhìn thấy sự hấp thụ rất nhỏ kết hợp với O 2 và H2O ở bước sóng dài hơn
nơi bức xạ của Mặt Trời bắt đầu tăng nhanh chóng. Một quy mô logarit cho trục y cho thấy rõ ràng hơn. Thể
hiện cũng là hai ví dụ về một loạt các hiệu quả của O 2 trong việc làm giảm cường độ ánh sáng của mặt trời.
Nó có thể được nhìn thấy rõ ràng rằng tại 150 nm hấp thụ mặt cắt ngang là rất lớn mà một con đường của O 2
( trên mặt đất ) chỉ 1 mm là cần thiết để giảm cường độ bằng sự yếu tố điện tử (có nghĩa một yếu tố là
2,72 ). Tại 240 nm, 9 km của O2 là cần thiết để đạt được cùng một yếu tố giảm .
Nó là khá rõ ràng sau đó là do sự hấp thụ của O 2 một mình, ánh sáng 150 nm không thể đạt được bề mặt
trái đất. Không khí sẽ được minh bạch tại 240 nm do sự hấp thụ của O 2? Để trả lời câu hỏi này người ta sẽ
cần phải đưa vào tài khoản theo cấp số nhân thay đổi nồng độ O 2 với độ cao như đã đề cập. Một tính toán ví
dụ cho sau này áp suất không khí liên quan đến độ cao.


Trang 8: ÁNH SÁNG TỚI BỀ MẶT CỦA TRÁI ĐẤT

Biểu đồ này cho thấy hấp thụ bức xạ của O2 tại khoảng cần thiết để loại bỏ mặt trời bức xạ chỉ trong
một khu vực hạn chế lên đến khoảng 260 nm (240 nm cắt phân ly của O 2, đã đề cập, đề cập đến oK, nhiệt độ
khác luôn luôn có một cái gọi là
“đuôi Boltzmann”, đó là do quá trình chuyển đổi từ các quần thể nhỏ mức vibrationally kích thích và có tác
dụng mở rộng đột ngột oK, điểm cắt này phổ biến nhiều tại các hiện tượng vật lý. Bạn sẽ thấy rằng một phần
của phổ tương đối DNA cũng được vẽ. Quang phổ này là một ước tính chủ quan về mức độ thiệt hại gây ra
trong DNA khi tiếp xúc với các bước sóng khác nhau. Để tính toán tổng DNA tương đối, người ta phải nhân
phổ photon (màu cam) của quang phổ DNA tương đối. Kể từ khi hai số lượng các khoảng chống tương
quan, tổng phổ DNA (đôi khi được gọi là quang phổ hành động DNA) sẽ có một đỉnh tương đối sắc nét.
Theo các điều kiện nêu trên tổng DNA, nếu chỉ xem xét các bước sóng từ 310 nm và 305 nm, sẽ được nhiều
hơn thế nữa có thể được sửa chữa một cách an toàn bởi hầu hết các sinh vật sống. Rõ ràng hấp thụ khác là

cần thiết để bảo vệ sinh quyển trái đất. Bảo vệ này được cung cấp bởi một không khí tương đối nhỏ cấu
thành ozon .


Trang 9: TẠI ĐỘ CAO NÀO UV BỊ HẤP THỤ MẠNH NHẤT?
Vectơ chỉ tốc độ biến thiên cực đại của một hàm thực theo hướng nào đó của nồng độ O 2, dẫn đến sự hấp
thụ các bước sóng khác nhau ở độ cao khác nhau.

Trước đó nó đã lưu ý rằng bước sóng khác nhau sẽ được hấp thụ ở các mức giá
trị khác nhau trong bầu không khí phụ thuộc vào sự hấp thụ tương ứng cắt ngang của các vật thể tham gia và
tập trung của chúng. Khi ánh sáng đi qua một môi trường hấp thụ, nó cũng được dự kiến cường độ ánh sáng
tăng theo cấp số nhân với khoảng cách theo định luật hấp thụ Beer-Lambert. Tuy nhiên, điều này là hợp lệ
nếu nồng độ của các loại hấp thụ không phải là một hàm của khoảng cách. Cho bầu không khí, nồng độ O 2
tăng theo cấp số nhân với khoảng cách (từ không gian ). Điều này có những thú vị cho các vị trí hấp thụ tối
đa. Trong hình ảnh trên ba tình huống được coi là ánh sáng đi qua một loạt các tấm hấp thụ có tăng nồng độ
cố định mặt cắt và độ dày. Khi ánh sáng đi qua, lượng ánh sáng được hấp thụ ở mỗi sàn được tính toán. Có
thể thấy rằng đối với một số trường hợp sự hấp thụ tối đa có thể xảy ra ở đâu đó ở giữa các ngăn xếp của
tấm. Điều này thường xảy ra trong khí quyển.
Các thông tin cần thiết cho các tính toán hấp thụ trong không khí là (a) sự hấp thụ mặt cắt ngang của
các loài (b) thông lượng năng lượng mặt trời đầu tiên bên ngoài bầu khí quyển (b) sự tập trung cao độ như
một chức năng.


Trang 10:

Để tính ra lượng ánh sáng (hoặc số lượng photon trong trường hợp này) hấp thụ bởi khí quyển, ba
mục thông tin được yêu cầu. (1) sự hấp thụ mặt cắt ngang như một hàm của bước sóng (2) cường độ ánh
sáng ban đầu như là một hàm của bước sóng (3) nồng độ của các loài hấp thụ như một hàm của khoảng cách
(cho điều này, chúng tôi cũng giả định một T liên tục của 250 K). Nó cũng là thuận tiện hơn để đơn giản hóa
phần hấp thụ thấp dữ liệu và thông lượng photon như được chỉ ra bởi các đường màu đỏ. Trong thực tế điều

này có nghĩa là có một bảng hấp thụ các giá trị cắt ngang để nói mỗi nm và tương tự cho các dòng photon.


Trang 11: TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG QUANG PHÂN
Tốc độ quang phân của bất kỳ phân tử trong khí quyển có thể được tính bằng cách tích hợp các sản
phẩm của dòng sự cố, các quang phân cắt trong thực tế điều này là không bao giờ thực hiện.

F(λ): sự cố thông tím
[(photon) trên một đơn vị diện tích cho một đơn vị thời gian trên một đơn vị bước sóng khoảng thời
gian)].
σ(λ): sự hấp thụ phân tử có mặt cắt ngang
[đơn vị diện tích mỗi phân tử)]
ϕ(λ): năng suất lượng tử cho hình ảnh phân ly
[ thứ nguyên]
Trong thực tế, hội nhập số được thực hiện kể từ khi chức năng phân tích cho F, σ và ϕ không tồn tại.

Tỷ lệ hấp thụ của các photon ở bất kỳ độ cao nào đó có thể được tính bằng cách tích hợp nêu trên. Lưu
ý rằng đó cũng là một yếu tố mà sẽ đưa vào tài khoản mà không phải tất cả photon bị hấp thụ dẫn đến hình
ảnh phân ly, điều này được gọi là hiệu suất lượng tử. Để thực hiện một tích hợp một cần phải biết các chức
năng khác nhau và sau đó có thể tích hợp chúng. Này thường không thể và hội nhập số được thực hiện như
mô tả trong hộp thấp hơn. Ở đây F(λ), σ(λ) và Φ(λ) được lấy từ bảng. Các đơn vị của tốc độ quang phân là
(phân tử) s. Cho hội nhập số duy nhất phải xem xét một loạt bước sóng có liên quan tương ứng với phạm vi
hơn mà hình ảnh phân ly có thể xảy ra và phạm vi đó có một dòng tím tương đối cao.


Trang 12: SỐ LƯỢNG PHOTON HẤP THỤ BỞI O2
O2 được quang phân cho nguyên tử nguyên tử ở độ cao khác nhau do bước sóng phụ thuộc của sự hấp
thụ (hoặc quang phân) của mặt cắt ngang.

Nếu chúng ta thực hiện các tính toán tương tự cho mỗi bước sóng, các hấp thụ sau thu được. Ở đây, như

dự kiến, bước sóng dài hơn, tương ứng với sự hấp thụ thấp hơn mặt cắt ngang của O 2, xuyên qua bầu khí
quyển nhiều hơn so với làm các bước sóng ngắn hơn. Cũng lưu ý rằng absorptions đỉnh cao lớn hơn nhiều
quá. Điều này là do thông tím ban đầu tăng theo bước sóng.
Kể từ khi một photon sản xuất hai nguyên tử O, tốc độ sản xuất của các nguyên tử O của quá trình này
là gấp đôi tốc độ quang phân O2.


Trang 13: SỰ PHÂN LY CỦA O NGUYÊN TỬ TRONG KHÍ QUYểN
Được biết, đến nay là quá trình mất chính cho nguyên tử oxy trong khí quyển là phản ứng với oxy phân
tử. Phản ứng này được biết để sản xuất ozon. Vì vậy, một quá trình trong khí quyển sản xuất nguyên tử oxy
cũng sẽ sản xuất ozon.

Được biết, O nguyên tử phản ứng rất nhanh chóng với O 2 trong suốt khí quyển. Một vụ va chạm giữa
hai loài cùng có phản ứng không phải lúc nào dẫn đến phản ứng hóa học . Điều này có thể xảy ra vì nhiều lý
do sẽ được giải thích sau. Tại 20 km , khoảng một trong mười ngàn va chạm dẫn đến phản ứng. Từ O 2 có
nồng độ lớn hơn bất kỳ loài khác có phản ứng nhanh chóng với O nguyên tử đó là ngay lập tức rõ ràng rằng
điều này phải là con đường mất O nguyên tử lớn trong việc miêu tả khí quyển.
Phản ứng hơn mười
ngàn lần trên xuất hiện tại cái nhìn đầu tiên là khá phức tạp. Đây là phiên bản của riêng tôi đại diện cho các
phản ứng hóa học cho khóa học này, nhưng nó có chứa nhiều thông tin rằng sẽ làm cho mỗi quá trình dễ
dàng hơn để đánh giá cao . Phiên bản đơn giản hóa được tìm thấy trong gần như tất cả các văn bản được đưa
ra trong hộp màu da cam. Bạn nên sử dụng phiên bản sau này khi viết ra công thức.


Trang 14: NỒNG ĐỘ TRẠNG THÁI GẦN ỔN ĐỊNH
Nồng độ của nhiều loài sản xuất bởi phản ứng quang hóa trong khí quyển là trong gần như trạng thái
ổn định. Điều này có nghĩa rằng một tình huống cân bằng nhanh chóng đạt được giữa tốc độ sản xuất của
các loài và tỷ lệ loại bỏ. Thời gian thực hiện để đạt được một bán trạng thái ổn định mới được xác định bởi
tỷ lệ loại bỏ.

Cho sự quang phân và cho hầu hết các phản ứng hóa học xảy ra trong khí quyển, tốc độ mất của một
loài là tỷ lệ thuận với nồng độ của nó. Điều này tương tự với tỷ lệ rò rỉ nước từ một lỗ ở dưới cùng của
thùng mà tỷ lệ rò rỉ là tỷ lệ thuận với chiều cao của nước trong xô. Cung cấp nước không tràn đầu sau đó
cuối cùng tỷ lệ rò rỉ sẽ tương đương với tỷ lệ đầu vào qua vòi nước và mực nước sẽ không thay đổi. Nên
giảm tỷ lệ đầu vào, sau đó như vậy sẽ cấp nước, một lần nữa cho đến khi một mức độ trạng thái ổn định đạt
được. Đây là tỷ lệ tương tự như dòng chảy của nước từ xô, nhưng hằng số tốc độ tương tự như kích thước
của lỗ ở dưới cùng của thùng. Nó là hằng số tốc độ cho quá trình giảm xác định như thế nào một cách nhanh
chóng nồng độ bán trạng thái ổn định mới được thiết lập nếu một tỷ lệ đầu vào thay đổi. Nhiều gốc tự quan
trọng trong khí quyển có mặt ở nồng độ rất thấp. Chúng ta không nên, tuy nhiên, bị lừa bởi điều này vì nó
có thể chỉ đơn giản có nghĩa là các loài trong câu hỏi được lấy ra rất nhanh chóng bởi một số quá trình phản
ứng quang phân hoặc: nó không phải là mực nước trong thùng đó có tầm quan trọng nhưng tỷ lệ nước chảy
qua các thùng đó có tầm quan trọng.


Trang 15: SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁ HỦY OZONE

Sản xuất ôzôasn trong tầng bình lưu sau một cơ chế tương đối đơn giản và không thể tránh
khỏi trong một bầu không khí giàu O2 chiếu sáng bởi bước sóng ngắn hơn 240 nm. Như bạn
đã thấy từ các trang trước, oxy phân tử hấp thụ bức xạ tia cực tím và bức xạ dưới 240 nm là
đủ năng lượng để tách nó đến các bộ phận nguyên tử của nó . Bởi đến nay , hầu hết các
nguyên tử Oxi tạo ra bởi quá trình phản ứng với O 2 . Trong thực tế, Oxi nguyên tử phản ứng
với một số loài khác nữa (bao gồm cả với O3) , nhưng sự tập trung lớn của O2 so với chất
phản ứng tiềm năng khác đảm bảo rằng Oxi nguyên tử va chạm ( và phản ứng xảy ra) với O 2
tại một tần số nhất định của cường độ lớn hơn với thành phần khí quyển nhỏ khác. Các sản
phẩm của phản ứng này là O 3 . Bạn sẽ nhận thấy rằng phản ứng O + O 2 cũng đòi hỏi một đối
tác va chạm thứ ba , M. Điều này đại diện cho bất kỳ thành phần khí quyển, có thể lấy đi
năng lượng rung động dư thừa thông qua va chạm với ban đầu hình thành , kích thích rung
động phân tử O3 . Nếu thêm va chạm này không xảy ra , sau đó các phân tử O 3 kích thích
rung động chỉ đơn giản là tái phân tách ra để O + O2 . Tái phân ly tương đương với không có
phản ứng .

Khi ozon được hình thành , nó cũng phân ly do tương tác với bức xạ tia cực tím, và các
nguyên tử Oxi được hình thành trong quá trình này một lần nữa phản ứng với O 2 để tạo ra
ozon ( một cái gọi là " vô giá trị" quá trình ) . Cuối cùng, một phản ứng nhỏ giữa Oxi nguyên
tử và O3 có thể xảy ra mà các hình thức 2O2 .
Cơ chế đơn giản này đã được mô tả đầu tiên của một nhà toán học người Anh, Sydney
Chapman , và từ đó được gọi là cơ chế Chapman . Nó được sử dụng để dự đoán nồng độ O 3


như một chức năng của độ cao ở những nơi khác nhau trên thế giới. Khi , năm sau, những dự
đoán được so sánh với các phép đo , một sự khác biệt phù hợp và rõ ràng đã được tìm thấy cả
ở nồng độ cao điểm và trong hồ sơ cá nhân của ozon như một chức năng của độ cao . Tuy
nhiên mô hình này vẫn là cốt lõi của O 3 hóa học trong tầng bình lưu. Do sự hấp thụ mạnh mẽ
của O2 và O3 với bức xạ tia cực tím cơ chế Chapman làm phát ozon chỉ ở độ cao vài km trên
bề mặt trái đất - thấy sau này. Thật thú vị khi nhìn vào thời gian đặc trưng gắn liền với quá
trình khác nhau của cơ chế Chapman . Sự kết hợp của các giá trị của sự hấp thụ mặt cắt
ngang cho O2 và thông lượng photon tương đối thấp dưới 240 nm có nghĩa là tỷ lệ hình ảnh
phân ly của O2 là khá chậm . Nếu không có cơ chế để tái tạo O 2, sau đó nó sẽ giảm theo
quãng thời gian từ vài nghìn năm (sử dụng giá trị 27 km photon thông lượng) . Ở cuối đối
diện của quy mô là đời trung bình của các nguyên tử Oxi , mà là một phần nhỏ của một giây.
Điều này có nghĩa là vào lúc hoàng hôn , nồng độ Oxi nguyên tử rơi ngay lập tức để không ,
trong đó, lần lượt, có nghĩa là ozone không thể được sản xuất. Theo cơ chế Chapman , tỷ lệ
tổn thất của ozone được xác định chỉ bởi sự hiện diện của Oxi- nguyên tử và ánh sáng tia cực
tím. Như vậy, trong buổi tối, không nên có loại bỏ các O3 . Trong thực tế, như bạn sẽ thấy sau
này, đây không phải là trường hợp , và O 3 không thực sự hiển thị một số sự thay đổi trong
nồng độ giữa ngày và đêm .


Trang 16:
PHÂN PHỐI TOÀN CẦU HÀNG THÁNG CỦA OZONE TRONG TẦNG BÌNH LƯU

Tuổi thọ trung bình dài cho O2 có nghĩa là phân phối toàn cầu của nó bị chi phối bởi cả thông
lượng bức xạ tia cực tím đến và bằng các chuyển động toàn cầu của khối không khí. Kết quả
là nồng độ ozone có lớn hơn, hoặc đúng hơn, mật độ cột, xung quanh phía bắc và phía nam vĩ
độ trung bình hơn trên các vùng nhiệt đới, nơi mà hầu hết O3 được tạo ra


Trang 17: CHU TRÌNH CHAPMAN

Làm thế nào chúng ta có thể xác định nồng độ O 3 như một chức năng của độ cao? Trước tiên
hãy xem liệu chúng ta có thể ước tính tốc độ của các quá trình khác nhau.
Từ quá trình 1, tỷ lệ sản xuất nguyên tử Oxi là 3.6 x 107 cm-3 s-1. Điều này cần được xem xét
tối đa như sự hiện diện của O3 ở độ cao cao hơn sẽ hấp thụ ánh sáng và giảm tỷ lệ quang phân
O2.


Trang 18: TUỔI THỌ HÓA HỌC CỦA O3 DO O + O3 → 2O2

Dưới đây là một ví dụ về tính toán tuổi thọ của O 3 do việc loại bỏ bởi Oxi nguyên tử. Nhớ
rằng mặc dù mức độ ozone trung bình vẫn còn hợp lý không đổi, do đó tốc độ sản xuất của
O3 qua O2 sự quang phải bằng tỷ lệ loại bỏ ozone bằng phản ứng với các nguyên tử Oxi (giả
sử chỉ có cơ chế Chapman là tác). Cũng lưu ý rằng tỷ lệ loại bỏ O2 bằng hình ảnh phân ly
phải bằng tốc độ hình thành của O3 bởi quá trình tương tự, tuy nhiên, điều này không có
nghĩa là thời gian đặc trưng cho O 2 và O3 là như nhau (so sánh 5000 năm cho O 2 9 năm cho
O3) là nồng độ của họ là khác nhau.


Trang 19: SỰ HẤP THỤ O3 TRONG VÙNG UV

Như với oxy phân tử , ozone hấp thụ rất mạnh trong vùng phổ tia cực tím. Quan trọng đối với
sinh quyển , quang phổ hấp thụ của O 3 khác so với O2 ở chỗ nó mở rộng xa vào các tia cực

tím gần ( gần khu vực có thể nhìn thấy , đó là) , khoảng 100 nm ngoài điểm cắt ( 240 nm) của
O2 . Có hay không này có bất kỳ ảnh hưởng đến bầu không khí phụ thuộc vào nồng độ O 3 .
Cơ chế Chapman dự đoán rằng nồng độ đáng kể O3 sẽ được hình thành chỉ khoảng 10 đến 40
km trên bề mặt trái đất . Một hồ sơ điển hình của ozone được đưa ra trong hình trên, nhưng
vẽ trong hai thời trang khác nhau . Hồ sơ cá nhân thấp nhất cho nồng độ ozone trong khi hồ
sơ cá nhân trên cho tỷ lệ khối lượng trộn trong ppm ( phần triệu) . Đó là, các phần nhỏ của
tổng số phân tử trong không khí như của O 3 nhân một triệu . Hồ sơ này sau đỉnh cao hơn so
với trước đây do áp suất không khí giảm nhanh chóng với độ cao ngày càng tăng. Nếu tất cả
các ozone trong khí quyển được nén với áp suất khí quyển thành một lớp mỏng xung quanh
Trái Đất , sau đó độ dày của tầng ozone tinh khiết ( ở áp suất khí quyển và 273 K) sẽ chỉ có 3
mm. Khái niệm này , trong một cảm giác , được sử dụng khi đề cập đến nồng độ ozone . Đối
với nhiều vấn đề môi trường , và đặc biệt là khi xem xét truyền ánh sáng , tổng số tiền của
ozone trên là quan trọng nhất chứ không phải là hồ sơ chính xác theo chiều dọc của nó và, bất
ngờ , trước đây là dễ dàng hơn nhiều để xác định. Các đơn vị đo mật độ cột ozone là đơn vị
Dobson. Một đơn vị Dobson có nghĩa là một lượng ozone trên không có nghĩa là tương
đương với độ dày của tầng ozone tinh khiết ở áp suất khí quyển ( ở 273 K) 0,01 mm. Như
vậy, mật độ cột điển hình cho tầng ozone trên toàn thế giới là 300 đơn vị Dobson ( DU ) .


Ví dụ, người ta có thể nhanh chóng xác định hiệu quả trên sự hấp thụ O 3 trên ánh sáng ở bước
sóng , nói, 260 nm sử dụng luật Beer-Lambert của . ITR / Io = exp ( - σ CL ) . Đây σ là sự
hấp thu mặt cắt ngang của ozone ở 260 nm , đó là 1 x 10 -17 cm 2 ; c là nồng độ
ozone. Đối với điều này chúng ta có thể sử dụng ozone tinh khiết ở áp suất khí quyển ( và
273 K). Điều này cung cấp cho khoảng 2,7 x 1019 phân tử cm -3 ( bằng cách sử dụng pháp luật
lý tưởng khí ) . L là chiều dài con đường . Vì chúng ta có (nhân tạo) nén khí , chiều dài con
đường hiện nay chỉ có 3 mm ( 300 DU ) . Thay thế các giá trị vào phương trình trên dẫn đến
ITR / Io = 6,6 x 10-36 . Do đó ánh sáng ở 240 nm được giảm đáng kể để có hiệu quả không
bởi sự hiện diện của O3 .

Trang 20:

Hầu hết mọi người liên kết với ozone bảo vệ tia cực tím, nhưng một hậu quả vô cùng quan
trọng của sự hiện diện của ozone là sự hình thành của tầng bình lưu . Đó là do sự hấp thụ
mạnh mẽ của ozone mà nhiệt độ không khí bắt đầu ấm trên khoảng 20 km. Làm mát xảy ra
một lần nữa trên tầng ozone rộng sau khi khoảng 50 km . Do đó cả 20 km và 50 km một sự
đảo ngược trong xu hướng nhiệt độ xảy ra . Những đảo chiều một cách hiệu quả phân vùng
khí quyển thấp hơn thành ba khu vực riêng biệt , tầng đối lưu , tầng bình lưu, và tầng giữa .
Do đó, cấu trúc vĩ mô của không khí thấp hơn giữa phát sinh một cách tự nhiên từ sự tương
tác của ánh sáng tia cực tím từ mặt trời và oxy phân tử , dẫn đến sự hình thành của tầng
ozone. Lưu ý rằng, hiệu ứng nhiệt trên bầu khí quyển sau chặt chẽ tỷ lệ pha trộn của tầng
ozone hơn là nồng độ của nó do sự thay đổi nhanh chóng trong mật độ không khí xung quanh
đó đã được đun nóng (nghĩa là nhiệt dung của không khí giảm dần theo độ cao ngày càng
tăng, đòi hỏi ít ozone để tạo ra một sự thay đổi nhiệt độ cho trước ) .


Trang 21: ÁNH SÁNG TỚI BỀ MẶT TRÁI ĐẤT

Ảnh hưởng của số lượng tương đối nhỏ của ozone trên ánh sáng tới bề mặt của Trái đất là rất
lớn. Quang phổ mặt trời đạt bầu khí quyển của Trái đất trông giống như những gì thể hiện
trong hình màu vàng. Sự hiện diện của O 2 đảm bảo rằng bước sóng ngắn hơn 250 nm không
thâm nhập bầu khí quyển (màu cam) . Nhưng điều này là không đủ cho các sinh vật sống bởi
vì tổn thương DNA đáng kể bắt đầu từ khoảng 305 nm. Việc bổ sung các ozone để các khối
không khí tất cả các bước sóng dưới đây về 300 nm (màu nâu) . Quan trọng , mặc dù thay đổi
nhỏ trong nồng độ O3 (màu xám) có ảnh hưởng tương đối lớn về thiệt hại cho DNA và sinh
học phân tử khác do sự gia tăng mạnh mẽ trong phổ thiệt hại của họ ở các bước sóng ngắn
hơn 300 nm. Vì vậy, bất kỳ quá trình đó có thể làm giảm nồng độ ozone trong tầng bình lưu
có khả năng ảnh hưởng nghiêm trọng hệ sinh thái của Trái đất. Điều này đã thực sự quan sát
thấy do cuộc tìm kiếm để tìm thấy lạnh ít độc hại dẫn đến sự phát triển của chloro-fluorocarbon (CFC) .

Trang 22: CHẤT LÀM LẠNH “AN TOÀN”: NHỮNG NĂM ĐẦU

Câu chuyện của CFC bắt đầu khoảng một trăm hai mươi năm trước đây tại Bỉ với một nhà
hóa học có tên là Frederic Swarts người phát hiện ra một kỹ thuật xúc tác để thay thế trái
phiếu C- Cl với trái phiếu CF trong các hydrocacbon clo . Vào thời điểm đó , Swarts là trong
một lĩnh vực rất đặc biệt, chỉ với một bàn tay đầy đủ của các nhà nghiên cứu trên thế giới làm
việc về chủ đề này . Tác phẩm của ông bắt đầu nhận được sự chú ý trong những năm hai
mươi khi cực kỳ sáng tạo Thomas Midgley làm việc như là một phần của sự hợp tác giữa
Fridigaire ( thuộc sở hữu của General Motors) và DuPont để phát triển giải pháp thay thế an
toàn hơn để các chất làm lạnh độc hại và ăn mòn (ví dụ NH 3) hiện có tại thời điểm .
Hydrocarbon flo xuất hiện là ứng cử viên cho việc này. Thay thế một hydro với iốt , brôm,
clo hoặc không phải là quá khó khăn và hydrocarbon sửa đổi như vậy thường được tìm thấy
trong tự nhiên. Tuy nhiên , cách đặt một nguyên tử flo vào một hydrocarbon ( bằng cách loại
bỏ một H hoặc halogen khác) có phần khó khăn hơn. Vì vậy, thách thức trong thực tế là nó
xảy ra rất hiếm khi trong tự nhiên, như vậy mà gần như tất cả các hydrocacbon flo giờ tìm
thấy
trên
thế
giới
là
nhân
tạo.
Midgley và nhóm của ông đã sử dụng một kỹ thuật tương tự như của swats và thực hiện một
lượng hữu ích của dichlorodifluoro metan , được gọi là R-12 , CFC-12 , hoặc Freon 12, được
chứng minh là lý tưởng : đó là trơ, không độc hại , không ăn mòn và đã tính chất nhiệt tốt để
được sử dụng như một chất làm lạnh .