Tầng Ozone Là Gì ? - Chemicjsc

NỘI DUNG

Toggle

• Khí ozone là gì ?
• Sự hình thành của ôzôn
• Ứng dụng của ôzôn trong đời sống
  • Trong công nghiệp
  • Trong y tế
  • Trong nuôi trồng thủy sản
• Một số nguyên nhân gây nên lỗ thủng tầng ôzôn
• Hậu quả của sự giảm sút tầng ôzôn
• Gia tăng tia cực tím vì lỗ thủng ôzôn
• Các tác động sinh học do tăng cường tia cực tím

Khí ozone là gì ?

Ôzôn (O3) là một dạng thù hình của ôxy, trong phân tử của nó chứa ba nguyên tử ôxy thay vì hai như thông thường. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn ôzôn là một chất khí có màu xanh nhạt.

Ôzôn hóa lỏng màu xanh thẫm ở -112°C, và hóa rắn có màu xanh thẫm ở -193°C. Ôzôn có tính ôxy hóa mạnh hơn ôxy, do nó không bền, dễ dàng bị phân huỷ thành ôxy phân tử và ôxy nguyên tử. Ví dụ: O3= O2 + O

O3 dễ dàng oxi hóa iodua đến iốt tự do: O3 + 2KI + H2O = I2 + O2 + 2 KOH

Giấy tẩm dung dịch iodua kali và hồ tinh bột (giấy iốt tinh bột) chuyển ngay thành màu xanh khi có mặt ôzôn trong không khí, nhưng nó kém bền hơn ôxy, dễ bị phân hủy thành ôxy thường theo phản ứng: 2O3 → 3O2

Ôzôn là một chất độc có khả năng ăn mòn và là một chất gây ô nhiễm chung. Nó có mùi hăng mạnh. Nó tồn tại với một tỷ lệ nhỏ trong bầu khí quyển Trái Đất. Nó có thể được tạo thành từ O2 do phóng tĩnh điện, tia cực tím, ví dụ như trong các tia chớp, cũng như bởi tác động của bức xạ điện từ trường cao năng lượng. Ôzôn được điều chế trong máy ôzôn khi phóng điện êm qua ôxi hay qua không khí khô, tinh khiết. Trong thiên nhiên, ôzôn được tạo thành khi có sự phóng điện trong khí quyển (sấm, sét), cũng như khi ôxi hóa một số chất nhựa của các cây thông.

Một số thiết bị điện có thể sản sinh ra ôzôn mà con người có thể ngửi thấy dễ dàng. Điều này đặc biệt đúng với các thiết bị sử dụng điện cao áp, như ti vi và máy phôtôcopy. Các động cơ điện sử dụng chổi quét cũng có thể sản sinh ôzôn do sự đánh lửa lặp lại bên trong khối.

Các động cơ lớn, ví dụ những chiếc được sử dụng cho máy nâng hay máy bơm thủy lực, sản sinh nhiều ôzôn hơn các động cơ nhỏ. Mật độ tập trung cao nhất của ôzôn trong khí quyển nằm ở tầng bình lưu(khoảng 20 đến 50 km tính từ mặt đất), trong khu vực được biết đến như là tầng ôzôn. Tại đây, nó lọc phần lớn các tia cực tím từ Mặt Trời, là tia có thể gây hại cho phần lớn các loại hình sinh vật trên Trái Đất.

Phương pháp tiêu chuẩn để đo lượng ôzôn trong khí quyển là sử dụng đơn vị Dobson (DU). Ôzôn sử dụng trong công nghiệp được đo bằng ppm (ví dụ các giới hạn phơi nắng của OSHA), và phần trăm theo khối lượng hay trọng lượng.

Ôzôn do Christian Friedrich Schonbein phát hiện năm 1840.

Sự hình thành của ôzôn

Ôzôn được biết đến do khả năng hấp thụ bức xạ UV-B. Ôzôn được tạo thành một cách tự nhiên trong tầng ôzôn. Sự suy giảm ôzôn và lỗ thủng ôzôn diễn ra bởi cloroflorocacbon (CFC) và các chất gây ô nhiễm khác trong bầu khí quyển.

Ôzôn trong bầu khí quyển Trái Đất nói chung được tạo thành bởi tia cực tím, nó phá vỡ các phân tử O2, tạo thành ôxy nguyên tử. Ôxy nguyên tử sau đó kết hợp với phân tử ôxy chưa bị phá vỡ để tạo thành O3. Trong một số trường hợp ôxy nguyên tử kết hợp với N2 để tạo thành các ôxít nitơ; sau đó nó lại bị phá vỡ bởi ánh sáng nhìn thấy để tái tạo ôzôn.

Khi tia cực tím chiếu vào ôzôn, nó chia ôzôn thành phân tử O2 và nguyên tử của ôxy nguyên tử, quá trình liên tục này được gọi là chu trình ôzôn-ôxy. Chu trình này có thể bị phá vỡ bởi sự có mặt của các nguyên tử clo, flo hay brôm trong khí quyển; các nguyên tố này tìm thấy trong những hợp chất bền vững, đặc biệt là cloroflorocacbon (CFC) là chất có thể thấy ở tầng bình lưu và được giải phóng dưới tác động của tia cực tím.

Chu trình ôxít nitơ để tạo thành ôzôn cũng có thể bị phá vỡ do sự có mặt của hơi nước trong khí quyển vì nó làm biến đổi các ôxít nitơ thành các dạng bền vững hơn.

Ứng dụng của ôzôn trong đời sống

Trong công nghiệp

Ôzôn được sử dụng để tẩy trắng đồ vật và tiêu diệt vi khuẩn. Rất nhiều hệ thống nước sinh hoạt công cộng sử dụng ôzôn để khử vi khuẩn thay vì sử dụng clo. Ôzôn không tạo thành các hợp chất hữu cơ chứa clo, nhưng chúng cũng không tồn tại trong nước sau khi xử lý, vì thế một số hệ thống cho thêm một chút clo vào để ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn trong đường ống.

Trong công nghiệp ôzôn được sử dụng để:

• Khử trùng nước uống trước khi đóng chai,
• Khử các chất gây ô nhiễm có trong nước bằng phương pháp hóa học(sắt, asen, sulfua hiđrô, nitrit, và các chất hữu cơ phức tạp liên kết với nhau tạo ra “màu” của nước,
• Hỗ trợ trong quá trình kết tụ (là quá trình kết tụ của các phân tử, được sử dụng trong quá trình lọc để loại bỏ sắt và asen),
• Làm sạch và tẩy trắng vải (việc sử dụng để tẩy trắng được cấp bằng sáng chế),
• Hỗ trợ trong gia công chất dẻo (plastic) để cho phép mực kết dính,
• Đánh giá tuổi thọ của mẫu cao su để xác định chu kỳ tuổi thọ của cả lô cao su.

Trong y tế

Ôzôn, cùng với các ion hypoclorit, được sản xuất tự nhiên bởi các tế bào máu trắng (bạch cầu) cũng như rễ của cây cúc vạn thọ như là phương pháp để tiêu diệt các vật thể lạ. Khi ôzôn phân rã nó tạo thành các gốc tự do của ôxy, là những chất có hoạt tính cao và gây nguy hiểm hay tiêu diệt phần lớn các phân tử hữu cơ.

Ôzôn được sử dụng trong một số trường hợp trong y tế. Nó có thể được sử dụng để ảnh hưởng tới cân bằng chống ôxi hóa-hỗ trợ ôxi hóa của cơ thể, khi đó thông thường cơ thể sẽ phản ứng với sự hiện diện của nó bằng cách sản sinh ra các enzym chống oxy hóa. Liệu pháp ôzôn được sử dụng trong y học thử nghiệm, việc này đang gây ra nhiều nghi vấn do nó chưa được nghiên cứu và kiểm nghiệm một cách khoa học và cẩn thận. Liệu pháp này là nguy hiểm bởi vì ôzôn là một chất ăn mòn rất mạnh.

Tại Mỹ, liệu pháp ôzôn là bất hợp pháp, vì FDA vẫn chưa cho phép thử nghiệm nó trên người. Ít nhất đã có một người chết vì sử dụng nó tại Mỹ. Các máy “làm sạch không khí” để sản xuất “ôxy hoạt hóa”, tức ôzôn, vẫn được bày bán trên thị trường Mỹ. Ôzôn được tìm thấy để chuyển đổi cholesteron trong máu thành cục (làm cứng và hẹp các động mạch).

Sản phẩm cholesteron này cũng gây ra bệnh Alzheimer. Ôzôn được nghiên cứu rất nhiều và nó bị coi là chất gây ung thư cho một số động vật (số khác thì không), cũng như là tác nhân gây đột biến ở một số vi khuẩn.

Trong nuôi trồng thủy sản

Ôzôn giúp loại bỏ vi rút gây bệnh và làm tôm luôn khỏe mạnh. Không cần đến các loại hóa chất có hại, và giúp các hộ nuôi tôm giống nuôi trồng tôm hữu cơ.

– Tăng thu nhập do tăng trọng lượng tôm và tăng cường độ phân hủy đối với các thức ăn thối rữa lắng đọng.

– Tỉ lệ tôm chết thấp hơn đồng nghĩa với việc năng suất sẳn lượng tôm trong cùng một diện tích ao nuôi.

– Giảm chi tiêu đối với các chất hoạt chất mà lượng tôm trong ao nuôi cần dùng trước đó.

– Tích kiệm chi phí do điện năng tiêu thụ thấp.

– Hạn chế thay nước, giúp tránh dủi do do mầm bệnh từ ngoài đưa vào

Một số nguyên nhân gây nên lỗ thủng tầng ôzôn

Năm 1995, hai nhà khoa học người Mỹ là Mario Molina và Sherwood Rowland, cùng với Paul Crutzen – nhà khoa học Hà Lan, đã đoạt giải Nobel Hóa học cho những công trình nghiên cứu của họ về CFCs đang ăn mòn tầng ôzôn.

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 vào năm 1970. Phát hiện của nhà khoa học người Hà Lan là tiền đề cho những công trình nghiên cứu về những tác nhân gây hại cho tầng ôzôn được tiến hành trên khắp thế giới, những năm sau đó. 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.

Lỗ thủng tầng ôzôn được các nhà khoa học là Farman, Gardiner và Shanklin phát hiện lần đầu tiên năm 1987 ở Nam Cực đã làm chấn động dư luận toàn cầu, dấy lên những mối quan ngại sâu sắc về môi trường và sức khỏe con người. Đó cũng là lý do ra đời của Nghị định thư Montreal năm 1987, thể hiện quyết tâm toàn cầu trong việc bảo vệ tầng ôzôn. Năm 1994, Đại hội đồng Liên hiệp quốc tuyên bố lấy ngày 16-9 hàng năm là ngày quốc tế bảo vệ tầng ôzôn nhằm kỷ niệm ngày ký kết nghị định thư Montreal.

Theo Tổ chức khí tượng thế giới (WMO), hiện tầng ô-zôn vẫn đang tiếp tục bị thủng. Kích thước của lỗ hổng tầng ô-zôn năm nay trên Nam Cực có thể tương đương với hai lỗ hổng lớn ghi nhận trong năm 2000 và 2003. Hiện nay, lỗ hổng ô-zôn ở phía trên Nam Cực rộng chừng 27 triệu km2 và có thể tăng lên tới 28 triệu km2, gần bằng diện tích của lỗ hổng ô-zôn lớn nhất đo được vào năm 2003 (29 triệu km vuông).

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.

Như đã giải thích ở phần trên, nguyên nhân chính của giảm sút ôzôn ở Nam Cực và các nơi khác là sự hiện diện của các khí gốc có chứa clo (trước nhất là các CFC và các hợp chất clo với các bon liên quan) bị phân giải khi có tia cực tím tạo thành các nguyên tử clo trở thành chất xúc tác phân hủy ôzôn. Sự giảm sút ôzôn do clo là chất xúc tác có thể xảy ra ở trạng thái khí nhưng sẽ tăng đột ngột khi có sự hiện diện của các đám mây tầng bình lưu trên địa cực. Các quá trình quang hóa tham gia tuy phức tạp nhưng đã được tìm hiểu tốt. Quan sát chủ yếu là thông thường phần lớn các clo trong tầng bính lưu ở trong các “hợp chất chứa” bền, chủ yếu là các hydro clorua (HCl) và clo nitrat (ClONO2).

Mặc dù vậy trong mùa Đông và Xuân Nam Cực các phản ứng trên bề mặt của các phần tử mây chuyển hóa các hợp chất chứa này trở lại thành các gốc tự do có hoạt tính cao, Cl và ClO. Các đám mây cũng có thể lấy đi NO2 từ khí quyển bằng cách biến đổi chúng thành axít nitric, ngăn không cho ClO vừa được tạo thành có thể bị biến đổi trở lại ClONO2. Ánh sáng cực tím gia tăng trong mùa xuân tạo cho các hợp chất clo phản ứng hủy diệt trên 17% ôzôn trong khi các hợo chất brôm làm giảm sút thêm 33%. Vai trò của ánh sáng mặt trời trong giảm sút ôzôn chính là lý do tại sao giảm sút ôzôn ở Nam Cực lớn nhất vào mùa xuân.

Trong mùa Đông, mặc dù có nhiều mây nhất, không có ánh sáng trên địa cực để thúc đẩy các phản ứng hóa học. Phần lớn các ôzôn bị phá hủy ở phía dưới của tầng bình lưu đối ngược với việc giảm sút ôzôn ít hơn rất nhiều thông qua các phản ứng thể khí đồng nhất xảy ra trước hết là ở phía trên của tầng bình lưu. Nhiệt độ sưởi ấm vào cuối Xuân phá vỡ các gió xoáy vào trung tuần tháng 12. Khi ấm lên, không khí giàu ôzôn bay về các vĩ độ thấp, các đám mây tầng bình lưu bị phá hủy, các quá trình làm giảm sút ôzôn ngưng lại và lỗ thủng ôzôn được hàn gắn trở lại.

Hậu quả của sự giảm sút tầng ôzôn

Vì tầng ôzôn hấp thụ tia cực tím từ mặt trời, giảm sút tầng ôzôn dự đoán sẻ cường độ tia cực tím ở bề mặt Trái Đất, có thể dẫn đến nhiều thiệt hại bao gồm cả gia tăng bệnh ung thư da. Đấy là lý do dẫn đến Nghị định thư Montreal. Mặc dù các giảm sút của ôzôn ở tầng bình lưu gắn liền với các CFC và có nhiều lý lẽ trên lý thuyết để tin rằng giảm sút ôzôn sẽ dẩn đến tăng tia cực tím trên bề mặt Trái Đất, chưa có nhiều quan sát trực tiếp chứng minh liên hệ giữa giảm sút ôzôn và gia tăng tỷ lệ phát bệnh ung thư da ở con người.

Gia tăng tia cực tím vì lỗ thủng ôzôn

Mặc dầu chỉ là một thành phần nhỏ của khí quyển, ôzôn có vai trò chính trong việc hấp thụ phần lớn tia bức xạ cực tím. Lượng bức xạ cực tím xuyên qua lớp ôzôn giảm theo hàm mũ với độ dầy đặc của lớp ôzôn. Do đó việc giảm ôzôn trong không khí được dự đoán sẽ cho phép tăng mức độ các tia cực tím ở gần mặt đất một cách đáng kể.

Việc tăng các bức xạ của tia cực tím trên bề mặt Trái Đất vì lỗ thủng ôzôn chỉ có thể suy ra một phần từ các mô hình tính toán di chuyển nhưng chưa có thể tính toán từ các đo lường trực tiếp vì thiếu các dữ liệu lịch sử (thời kỳ trước lỗ thủng) đáng tinh cậy của tia cực tím mặc dù có nhiều chương trình mới đo lường quan sát tia cực tím trên bề mặt.

Bởi vì cũng chính những tia cực tím chiếm vị trí đầu tiên trong việc tạo thành ôzôn trong lớp ôzôn ở tầng bình lưu bằng ôxy, giảm bớt ôzôn ở tầng bình lưu sẽ tạo ra xu hướng gia tăng các quá trình quang hóa sản xuất ôzôn ở tầng thấp hơn (tầng đối lưu).

Các tác động sinh học do tăng cường tia cực tím

Mối quan tâm chính của dư luận về lỗ thủng ôzôn là các tác động của ôzôn đến sức khỏe con người. Khi lỗ thủng ôzôn trên Nam Cực tăng to đến mức bao phủ các phần phía nam của Úc và New Zealand, những người bảo vệ môi trường lo rằng các tia cực tím trên bề mặt Trái Đất có thể gia tăng đáng kể.

Các tia bức xạ cực tím có năng lượng cao được hấp thụ bởi ôzôn được công nhận chung là một yếu tố tham gia tạo thành các khối u ác tính (ung thư da). Thí dụ như theo một nghiên cứu, tăng 10% các tia cực tím có năng lượng cao được liên kết với tăng 19% các khối u ác tính ở đàn ông và 16% ở phụ nữ.

Cho đến nay thâm thủng ôzôn ở phần lớn các địa điểm tiêu biểu chỉ vào khoảng vài phần trăm. Nếu sự thâm thủng ở mức độ cao được quan sát thấy ở lỗ thủng ôzôn trở thành chung cho toàn cầu, các tác động thực chất có thể sẽ tăng nhiều hơn nữa. Thí dụ như một nghiên cứu mới đây đã phân tích cho thấy việc tiêu hủy rộng lớn các phiêu sinh vật 2 triệu năm trước đây trùng khớp với một sao băng đến gần. Các nhà nghiên cứu cho rằng sự hủy diệt được gây ra bởi vì lớp ôzôn suy yếu đi trong thời gian này khi các bức xạ từ sao băng tạo thành các ôxít của nitơ làm chất xúc tác phá hủy ôzôn (các phiêu sinh vật đặc biệt rất nhạy đối với tác động của tia cực tím và rất quan trọng trong dây chuyền thức ăn dưới biển.

Tăng cường bức xạ tia cực tím có thể cũng ảnh hưởng đến mùa màng. Sản lượng nhiều loại cây trồng có tầm quan trọng về kinh tế như lúa phụ thuộc vào quá trình cố định nitơ của vi khuẩn lam cộng sinh ở rễ cây. Mà vi khuẩn lam rất nhạy cảm với ánh sáng cực tím và có thể bị chết khi hàm lượng tia cực tím gia tăng.

Bên cạnh các ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ cực tím đối với sinh vật, gia tăng tia cực tím trên bề mặt sẽ làm gia tăng lượng ôzôn ở tầng đối lưu. Ở mặt đất ôzôn thông thường được công nhận là một yếu tố gây nguy hiểm đến sức khỏe vì ôzôn có độc tính thể theo tính chất ôxy hóa mạnh. Vào thời điểm này ôzôn trên mặt đất được tạo thành chủ yếu qua tác dụng của bức xạ cực tím đối với các khí thải từ xe cộ.

Nguồn: Hoahocngaynay