bảo vệ tầng OZON

Bảo vệ tầng ozon
Sự suy giảm tầng ôzôn là hiện tượng giảm lượng ôzôn trong tầng bình lưu. Từ năm
1979 cho đến năm 1990 lượng ôzôn trong tầng bình lưu đã suy giảm vào khoảng
5%. Vì lớp ôzôn ngăn cản phần lớn các tia cực tím có hại không cho xuyên qua bầu
khí quyển Trái đất, sự suy giảm ôzôn đang được quan sát thấy và các dự đoán suy
giảm trong tương lai đã trở thành một mối quan tâm toàn cầu, dẫn đến việc công
nhận Nghị định thư Montreal hạn chế và cuối cùng chấm dứt hoàn toàn việc sử
dụng và sản xuất các hợp chất cácbon của clo và flo (CFC - chlorofluorocacbons)
cũng như các chất hóa học gây suy giảm tầng ôzôn khác như tetraclorit cácbon, các
hợp chất của brôm (halon) và methylchloroform. Sự suy giảm Ôzôn Hình chụp lỗ
thủng ôzôn lớn nhất ở Nam Cực từ trước đến nay vào tháng 9 năm 2000. Sự suy
giảm tầng ôzôn là hiện tượng giảm lượng ôzôn trong tầng bình lưu. Từ năm 1979
cho đến năm 1990 lượng ôzôn trong tầng bình lưu đã suy giảm vào khoảng 5%. Vì
lớp ôzôn ngăn cản phần lớn các tia cực tím có hại không cho xuyên qua bầu khí
quyển Trái đất, sự suy giảm ôzôn đang được quan sát thấy và các dự đoán suy
giảm trong tương lai đã trở thành một mối quan tâm toàn cầu, dẫn đến việc công
nhận Nghị định thư Montreal hạn chế và cuối cùng chấm dứt hoàn toàn việc sử
dụng và sản xuất các hợp chất cácbon của clo và flo (CFC - chlorofluorocacbons)
cũng như các chất hóa học gây suy giảm tầng ôzôn khác như tetraclorit cácbon, các
hợp chất của brôm (halon) và methylchloroform. Sự suy giảm ôzôn thay đổi tùy theo
vùng địa lý và tùy theo mùa. Lỗ thủng ôzôn dùng để chỉ sự suy giảm ôzôn nhất thời
hằng năm ở hai cực Trái đất, những nơi mà ôzôn bị suy giảm vào mùa Xuân (cho
đến 70% ở 25 triệu km2 của Nam Cực và cho đến 30% ở Bắc Cực) và được tái tạo
trở lại vào mùa hè. Nồng độ clo tăng cao trong tầng bình lưu, xuất phát khi các khí
CFC và các khí khác do loài người sản xuất ra bị phân hủy, chính là nguyên nhân
gây ra sự suy giảm này. Trong các thảo luận chính trị công khai "suy giảm tầng
ôzôn" đồng nghĩa với lý thuyết cho rằng xu hướng suy giảm ôzôn toàn cầu, được
gây ra vì thải các khí CFC, sẽ tạo điều kiện cho các bức xạ cực tím đến mặt đất
nhiều hơn. Cường độ gia tăng của các bức xạ cực tím đang được nghi ngờ chính là
nguyên nhân gây ra nhiều hậu quả trong sinh học, thí dụ như gia tăng các khối u ác
tính, tiêu hủy các sinh vật phù du trong tầng có ánh sáng của biển. 1. Lịch sử nghiên

cứu Năm 1970 giáo sư Paul Crutzen chỉ ra khả năng các ôxít của nitơ từ phân bón
và máy bay siêu âm có thể làm thâm thủng tầng ôzôn. Năm 1974 Frank Sherwood
Rowland và Mario J. Molina nhận biết các CFC, giống như các khí khác, là chất xúc
tác có hiệu quả cao khi phá vỡ các phân tử ôzôn. James Lovelock (tác giả nổi tiếng
của giả thuyết Gaia), trong chuyến đi biển Nam Đại Tây Dương vào năm 1971,
khám phá rằng phần lớn các thành phần của CFC từ khi phát minh ra chúng vào
năm 1930 vẫn còn tồn tại trong bầu khí quyển. Crutzen, Rowland và Molina nhận
giải thưởng Nobel về Hóa học năm 1995 cho những công trình của mình. Dựa trên
các công trình của họ, các nhà khoa học dự tính nếu lượng sản xuất CFC tiếp tục
tăng hằng năm 10% cho đến năm 1990 và sau đó không đổi, các khí CFC sẽ làm
giảm 5% đến 10% lượng ôzôn toàn cầu vào năm 1995 và 30% đến 50% vào năm
2050. Mặc dù vậy, lỗ thủng ôzôn ở Nam Cực do Farman, Gardiner và Shanklin
khám phá (đăng trên báo Nature vào tháng 5 năm 1985) vẫn là một sự kiện ngạc
nhiên. Trong tầng bình lưu giá lạnh ở Nam Cực các phản ứng hóa học trong các
đám mây tầng bình lưu ở địa cực gây nên sự thâm thủng nhanh hơn dự đoán, gây
sự chú ý của toàn cầu. Cùng thời gian đó, đo đạc từ vệ tinh nhân tạo cho thấy ôzôn
bị thâm thủng nặng ở Nam Cực. Mặc dù vậy, các dữ kiện này đầu tiên bị coi là vô lý
và bị bác bỏ bởi các thuật toán kiểm tra chất lượng dữ kiện (chúng bị xem là lỗi và bị
sàng lọc ra vì các trị nhỏ ngoài dự đoán); lỗ thủng ôzôn chỉ được khám phá qua các
dữ liệu của vệ tinh khi các dữ liệu thô được xử lý lại sau khi lỗ thủng ôzôn được
chứnh minh qua quan sát tại chổ. Thâm thủng ôzôn được quan sát thấy trên toàn
cầu nhưng nhiều nhất là ở các vĩ độ cao (tức là gần các địa cực). Thí dụ được biết
đến nhiều nhất là lớp ôzôn ở Nam Cực bị mỏng đi hằng năm vào mùa xuân ở địa
cực. Từ năm 1981 UNEP bảo trợ cho một loạt các báo cáo về đánh giá khoa học sự
thâm thủng ôzôn.
Tổng quát chu kỳ ôzôn
Tạo thành ôzôn Ôzôn trong bầu khí quyển được tạo thành khi các tia cực tím chạm
phải các phân tử ôxy (O2), chứa hai nguyên tử ôxy, tạo thành hai nguyên tử ôxy
đơn, được gọi là ôxy nguyên tử. Ôxy nguyên tử kết hợp cùng với một phân tử ôxy
tạo thành ôzôn (O3). Phân tử ôzôn có hoạt tính cao, khi bị tia cực tím chạm phải, lại

tách ra thành phân tử ôxy và một ôxy nguyên tử, một quá trình liên tục gọi là chu kỳ
ôxy-ôzôn. Trước khi bắt đầu xu hướng suy giảm ôzôn, lượng ôzôn trong tầng bình
lưu được giử ổn định nhờ vào cân bằng giữa tạo thành và phân hủy các phân tử
ôzôn nhờ vào tia cực tím.
Phân hủy ôzôn Ôzôn có thể bị phá hủy bởi các nguyên tử clo, flo hay brôm trong
bầu khí quyển. Các nguyên tố này có trong một số hợp chất bền nhất định, đặc biệt
là chlorofluorocacbon (CFC), đi vào tầng bình lưu và được giải phóng bởi các tia cực
tím. Quan trọng nhất là các nguyên tử clo được tạo thành như thế sẽ trở thành chất
xúc tác hủy diệt các phân tử ôzôn trong một chu kỳ khép kín. Trong chu kỳ này, một
nguyên tử clo tác dụng với phân tử ôzôn, lấy đi một nguyên tử ôxy (tạo thành ClO)
và để lại một phân tử ôxy bình thường. Tiếp theo, một ôxy nguyên tử tự do sẽ lấy đi
ôxy từ ClO và kết quả cuối cùng là một phân tử ôxy và một nguyên tử clo, bắt đầu lại
chu kỳ. Một nguyên tử clo đơn độc sẽ phân hủy ôzôn mãi mãi nếu như không có các
phản ứng khác mang nguyên tử clo ra khỏi chu kỳ này bằng cách tạo nên các nguồn
chứa khác như axít clohydric và clo nitrat (ClONO2). Phản ứng của nguyên tử clo
trong các nguồn chứa này thông thường chậm nhưng được gia tăng khi có các đám
mây tầng bình lưu ở địa cực, xuất hiện trong mùa Đông ở Nam Cực, dẫn đến chu kỳ
tạo thành lỗ thủng ôzôn theo mùa.
Các quan sát Mức ôzôn tối thiểu hằng năm trong lỗ thủng ôzôn ở Nam Cực Phấn
lớn các giảm sút ôzôn được công bố thuộc về phần phía dưới của tầng bình lưu.
Tuy vậy, lỗ hổng ôzôn thường không được đo bằng nồng độ của ôzôn ở độ cao này
(chỉ vào khoảng vài phần triệu – parts per million) mà qua giảm sút của cột ôzôn trên
một điểm ở mặt đất, thường được thể hiện bằng đơn vị Dobson. Dùng các thiết bị
như Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) người ta đã quan sát thấy cột ôzôn
giảm sút rõ rệt trong mùa xuân và đầu hè ở Nam cực so sánh với thập niên 1970 và
trước đó. Giảm sút cho đến 70% cột ôzôn được quan sát thấy vào mùa xuân ở nam
bán cầu trên Nam Cực được nhắc đến lần đầu tiên vào năm 1985 vẫn đang tiếp tục.
Trong thập kỷ 1990 tổng lượng cột ôzôn vào tháng chín và tháng mười vẫn tiếp tục
ít hơn các trị trước lỗ thủng ôzôn 40-50%. Ở Bắc Cực, giảm sút nhiều nhất là vào
mùa đông và xuân, lượng giảm dao động từ năm này sang năm khác nhiều hơn ở

Nam Cực: khi tầng bình lưu lạnh hơn giảm sút tăng lên đến 30%. Các phản ứng trên
mây tầng bình lưu ở địa cực rất quan trọng. Các đám mây này chỉ tạo thành trong
nhiệt độ rất lạnh; tầng bình lưu ở Nam Cực lạnh hơn ở Bắc Cực vì thế mà các lỗ
thủng ôzôn được hình thành trước tiên ở Nam Cực và cũng vì thế mà các lỗ thủng ở
Bắc Cực không to bằng. Các dự đoán đầu tiên không tính toán đến các đám mây
này cho nên lỗ thủng thình lình ở Nam Cực thay vì một suy giảm dần trên toàn cầu
đã tạo nên một bất ngờ như thế. Ở các vĩ độ trung bình, thường người ta hay nói
giảm sút ozôn thay vì lỗ thủng ôzôn. Lượng ôzôn giảm vào khoảng 3% so với các trị
trước thập kỷ 1980 ở 35-60 vĩ độ bắc và vào khoảng 6% ở 35-60 vĩ độ nam. Vùng
nhiệt đới không có xu hướng đáng kể. Giảm sút ôzôn cũng giải thích phần lớn việc
giảm sút nhiệt độ ở tầng bình lưu và phía trên của tầng đối lưu được quan sát thấy.
Đó là vì nguyên do cho việc sưởi ấm tầng bình lưu là do ôzôn hấp thụ các tia cực
tím, vì thế giảm sút ôzôn dẫn đến việc tầng bình lưu lạnh đi. Một phần giảm sút nhiệt
độ ở tầng bình lưu được dự đoán là vì lượng các khí nhà kính tăng lên, mặc dù vậy
lạnh đi vì giảm sút ôzôn được coi là lý do vượt trội. Dự đoán cho lượng ôzôn còn lại
là một khoa học phức tạp. Bản báo cáo số 44 của dự án quan sát và nghiên cứu
ôzôn toàn cầu của Tổ chức khí tượng thế giới nhận định rằng các dự đoán giảm sút
ôzôn của UNEP vào năm 1994 cho thời gian 1994-1997 là quá nhiều.
Hóa chất trong khí quyển Toàn bộ các khí CFC đều được sản xuất nhân tạo, chúng
không có trong tự nhiên trước khi được con người tổng hợp ra. Các CFC được dùng
trong các máy điều hòa nhiệt độ/các máy làm lạnh trước thập kỷ 1980, trong các quy
trình làm sạch các thiết bị điện tử dễ hỏng và là sản phẩm phụ của một số quá trình
hóa học. Như đã nhắc đến trong phần tổng quát về chu kỳ ôzôn bên trên, khi các
hóa chất làm giảm sút ôzôn như vậy đi vào tầng bình lưu chúng bị phân tách ra bởi
các tia cực tím, tạo thành các nguyên tử clo. Các nguyên tử clo phản ứng như một
chất xúc tác, có thể phá hủy hằng ngàn phân tử ôzôn trước khi được mang ra khỏi
tầng bình lưu. Nếu các CFC phân tử tồn tại lâu, thời gian tái tạo phải tính bằng thập
kỷ. Người ta tính rằng một phân tử CFC mất trung bình là 15 năm để đi từ mặt đất
lên đến các tầng trên của khí quyển và có thể ở đó khoảng một thế kỷ, phá hủy đến
cả trăm ngàn phân tử ôzôn trong thời gian này.

Kiểm nghiệm các quan sát Các nhà khoa học đã có thể củng cố cho việc giảm sút
ôzôn bởi các hợp chất halogen của nhân loại từ các khí CFCs bằng cách dùng các
mô hình vận chuyển hóa phức tạp và kiểm nghiệm các mô hình đó bằng các dữ liệu
được quan sát (thí dụ như SLIMCAT). Những mô hình này hoạt động bằng cách kết
hợp đo lường nồng độ hóa học và khí tượng qua vệ tinh với các hằng số phản ứng
hóa học tìm ra được trong phòng thí nghiệm và có thể nhận diện không những là
các phản ứng hóa học chủ chốt mà còn cả các quá trình mang các sản phẩm quang
phân CFC tiếp xúc với ôzôn.