Báo Cáo Khí quyển và hóa học khí quyển

MỤC LỤC


I. Khí quyển và khoa học khí quyển 03

Khí oxide trong khí quyển 04

Hydrocarbon và sương mù quang hóa 05

Hạt vật chất 05

II. Tầm quan trọng của khí quyển 06

III. Tính chất vật lý của khí quyển 06

Thành phần của khí quyển 07

Sự biến thiên áp suất và mật độ theo độ cao 08

Sự phân tầng của khí quyển 10

IV. Vận chuyển năng lượng trong khí quyển 12

Nguồn bức xạ của trái đất 15

V. Sự di chuyển khối khí, khí tượng thủy văn và thời tiết 16

Năng lượng nước trong khí quyển và dịch chuyển khối 16

Khối không khí 18

Ảnh hưởng của địa hình 20

Sự di chuyển của các khối không khí 20

Khí hậu toàn cầu 22

Các front thời tiết và bão 23

VI. Hiện tượng nghịch nhiệt và ô nhiễm không khí 24


I. KHÍ QUYỂN VÀ HÓA HỌC KHÍ QUYỂN

Khí quyển bao gồm một lớp mỏng của hỗn hợp các chất khí bao phủ bề mặt trái đất. Ngoại trừ nước, không khí tầng khí quyển gồm có nitrogen chiếm 78.1% về thể tích, oxygen chiếm 21%, argon chiếm 0.9% và CO2 chiếm 0.03%. Thông thường, không khí chứa 1-3% hơi nước về thể tích. Thêm vào đó, không khí còn chứa một lượng lớn các chất khí có nồng độ thấp dưới mức 0.002%, bao gồm neon, helium, methane, krypton, nitrous oxide, hydrogen, xenon, sulfur dioxide, ozone, nitrogen dioxide, ammonia và carbon monoxide.

Khí quyển được chia thành nhiều lớp dựa trên nguyên tắc nhiệt độ. Trong đó, lớp chiếm phần đáng kể nhất là tầng đối lưu kéo dài từ bề mặt trái đất tới độ cao khoảng 11 km, và sau đó là tầng bình lưu từ khoảng 11 km tới xấp xỉ 50 km. Nhiệt độ của tầng đối lưu dao động từ khoảng trung bình 150C ở mặt nước biển tới khoảng trung bình -560C ở ngưỡng cực đại của nó. Nhiệt độ trung bình của tầng bình lưu tăng từ -560C ở ngưỡng cực đại của tầng đối lưu tới -20C ở ngưỡng cực đại của nó. Nguyên nhân của sự tăng nhiệt độ này là do sự hấp thụ năng lượng tia tử ngoại của mặt trời bởi khí ozone (03) từ tầng bình lưu.

Nhiều khía cạnh khác nhau của hóa học môi trường về khí quyển được thảo luận ở phần 9-14. Điểm đặc trưng quan trọng nhất của hóa học khí quyển là sự xuất hiện của các phản ứng quang hóa, là kết quả của quá trình hấp thụ các lượng tử ánh sáng bởi các phân tử, ký hiệu là hν. (Năng lượng, E, của một photon của ánh sáng nhìn thấy được hay ánh sáng tử ngoại được đưa ra bởi phương trình E = hν, trong đó h là hằng số Planck còn ν là tần số tia sáng, tỉ lệ nghịch với chiều dài bước sóng của tia sáng. Bức xạ tia tử ngoại có tần số cao hơn ánh sáng nhìn thấy được và, vì vậy, nó càng có khả năng phá vỡ liên kết hóa học trong các phân tử hấp thụ nó hơn). Một trong những phản ứng quang hóa quan trọng nhất là nguyên nhân cho sự hiện diện của ozone trong tầng bình lưu, được hình thành khi O2 hấp thụ mạnh năng lượng bức xạ tia tử ngoại trong bước sóng khoảng 135 – 176 nanometers (nm) và khoảng 240 – 260 nm trong tầng bình lưu:

O2 + hν  O + O (2.3.1)

Nguyên tử oxygen được sản xuất bởi sự phân ly quang hóa của O2 phản ứng với phân tử oxygen để sản sinh ra ozone, O3,

O + O2 + M  O3 + M (2.3.2)

trong đó M là yếu tố thứ ba, ví dụ như là phân tử N2, yếu tố này hấp thụ một lượng lớn năng lượng từ phản ứng. Ozone được hình thành rất hữu hiệu trong việc hấp thụ bức xạ tử ngoại có chiều dài bước sóng từ 220 nm tới 330 nm, việc này là nguyên nhân làm cho nhiệt độ quan trắc trong tầng bình lưu tăng lên. Ozone giữ vai trò như là một máy lọc quý giá để loại bỏ bức xạ tử ngoại khỏi tia nắng mặt trời. Nếu các bức xạ này tới được bề mặt trái đất thì nó có thể gây ra bệnh ung thư da và những tác hại khác tới các sinh vật sống.


Khí Oxide trong khí quyển

Oxide của carbon, sulfur và nitrogen là các thành phần quan trọng của khí quyển và là các chất ô nhiễm mức độ cao. Trong đó, carbon dioxide, CO2, chiếm thành phần nhiều nhất. Đây là một thành phần không khí tự nhiên, và là một chất khí cần thiết cho sự phát triển của thực vật. Tuy nhiên, nồng độ của carbon dioxide trong không khí, hiện nay đã vào khoảng 360 phần triệu (ppm) về thể tích, và mức độ này tiếp tục tăng khoảng 1 ppm mỗi năm. Như đã thảo luận ở Chương 14, việc tăng lượng CO2 trong khí quyển có thể là nguyên nhân làm cho không khí toàn cầu ấm lên, đây chính là hiệu ứng nhà kính, dẫn tới một hậu quả vô cùng nghiêm trọng cho bầu khí quyển toàn cầu và sự sống trên trái đất. Mặc dù không phải là hiểm họa toàn cầu nhưng carbon monoxide, CO, có thể là một mối đe dọa nghiêm trọng tới sức khỏe bởi vì nó ngăn cản máu vận chuyển oxygen tới các mô trong cơ thể.

Hai chất khí ô nhiễm nghiêm trọng nhất của oxide nitrogen là nitric oxide, NO, và nitrogen dioxide, NO2, gọi chung là “NOx”. Những khí này có khuynh hướng đi vào tầng khí quyển như là NO, và các quá trình quang hóa trong khí quyển có thể biến đổi NO thành NO2. Những phản ứng sau đó có thể dẫn đến sự hình thành muối nitrat ăn mòn hay acid nitric, HNO3. NO2 là chất khí quan trọng đặc thù trong hóa học khí quyển bởi vì sự phân ly quang hóa của chất khí này bởi ánh sáng có bước sóng ngắn hơn 430 nm để sản xuất ra các nguyên tử O có khả năng gây phản ứng cao. Đây chính là bước đầu tiên trong sự hình thành sương mù quang hóa. Sulfur dioxide, SO2, là một sản phẩm có khả năng gây phản ứng của quá trình đốt cháy sulfur có chứa các chất đốt như là than đá có hàm lượng sulfur cao. Một phần của khí SO2 này bị biến đổi trong khí quyển để trở thành acid sulfuric, H2SO4, thường là chất đóng góp chủ yếu vào quá trình gây mưa acid.


Hydrocarbon và sương mù quang hóa

Hydrocarbon nhiều nhất có trong bầu khí quyển là methane, CH4, thoát ra dưới mặt đất từ các nguồn như là khí đốt tự nhiên và được sản xuất bởi quá trình lên men các chất hữu cơ. CH4 là một trong những hydrocarbon trong không khí ít có khả năng phản ứng nhất và được sản xuất bởi các nguồn khuếch tán, vì vậy sự tham gia của nó trong sự hình thành các sản phẩm ô nhiễm của phản ứng quang hóa là tối thiểu. Những hydrocarbon không khí gây ô nhiễm quan trọng nhất là những phản ứng sản xuất như là sự phát thải khí xe hơi.Với sự có mặt của NO, trong điều kiện nghịch đảo nhiệt độ, (xem chương 11), độ ẩm thấp, và ánh sáng mặt trời, những hydrocarbon này sản sinh ra sương mù quang hóa không mong đợi được biểu hiện bởi sự hiện diện của các hạt vật chất tối mờ có thể nhìn thấy được, các chất oxy hóa như ozone và các loài hữu cơ độc hại như aldehydes.