Chemistry Labs

Lớp 12

Tầng ozon, hiệu ứng nhà kính

Ozon tầng bình lưu che chắn sinh vật khỏi bức xạ tử ngoại, còn khí nhà kính hấp thụ bức xạ hồng ngoại phát ra và làm ấm tầng khí quyển thấp. Bài học phân biệt hai quá trình này qua quang hoá, dao động phân tử và cân bằng bức xạ của Trái Đất.

1 THCS2 THPT3 Đại học4 Nâng cao5 Nghiên cứu

Trực giácHai vai trò khí quyển khác nhau

Ở cao trong khí quyển, ozon hấp thụ phần lớn bức xạ tử ngoại có hại. Gần mặt đất, chính ozon lại là chất ô nhiễm không khí. Khí nhà kính là vấn đề khác: chúng hấp thụ một số bước sóng bức xạ hồng ngoại của Trái Đất, làm chậm quá trình mất nhiệt ra không gian.

Chuyển giữa chu trình ozon Chapman có sự phân huỷ xúc tác bởi clo và sơ đồ các lớp gây hiệu ứng nhà kính. Theo dõi sự hấp thụ tử ngoại, ánh sáng tới, hồng ngoại đi ra và bức xạ ngược của khí quyển.

Phổ thôngMức phổ thông: ozon trong tầng bình lưu

Chu trình Chapman mô tả sự tạo thành và phân huỷ ozon liên tục dưới ánh sáng Mặt Trời. Tia tử ngoại bước sóng ngắn phân tách phân tử oxi; nguyên tử oxi kết hợp với O₂ tạo ozon, còn ozon hấp thụ tử ngoại rồi có thể bị phân tách trở lại.

OX2→hν2 OO+OX2+M→OX3+MOX3→hνOX2+OO+OX3→2 OX2\ce{O2 ->[h\nu] 2 O}\qquad\ce{O + O2 + M -> O3 + M}\\\ce{O3 ->[h\nu] O2 + O}\qquad\ce{O + O3 -> 2 O2}

Định nghĩa: Các chất làm suy giảm ozon

Chlorofluorocacbon (CFC) bền trong tầng khí quyển thấp. Ở tầng bình lưu, tia tử ngoại đủ năng lượng có thể cắt liên kết C–Cl, giải phóng gốc clo Cl· tham gia xúc tác phân huỷ ozon.

CFClX3→hνCFClX2X ∙ +ClX ∙ \ce{CFCl3 ->[h\nu] CFCl2^. + Cl^.}
ClX ∙ +OX3→ClOX ∙ +OX2ClOX ∙ +O→ClX ∙ +OX2net: OX3+O→2 OX2\ce{Cl^. + O3 -> ClO^. + O2}\qquad\ce{ClO^. + O -> Cl^. + O2}\\\text{net:}\ \ce{O3 + O -> 2 O2}

Do gốc Cl· được tái sinh, một gốc có thể phá huỷ nhiều phân tử ozon trước khi bị chuyển vào hợp chất dự trữ. Trên mây tầng bình lưu vùng cực, các phản ứng chuyển dạng clo ít hoạt động thành dạng giải phóng clo phản ứng khi ánh sáng Mặt Trời trở lại, góp phần tạo lỗ thủng ozon Nam Cực theo mùa.

Nghị định thư Montreal năm 1987 kiểm soát sản xuất và tiêu thụ nhiều chất làm suy giảm ozon. Việc cắt giảm trên toàn cầu giúp tầng ozon bắt đầu phục hồi, nhưng các hợp chất sống lâu khiến quá trình này kéo dài nhiều thập kỉ.

Phổ thôngMức phổ thông: hiệu ứng nhà kính

Trái Đất hấp thụ ánh sáng Mặt Trời rồi phát bức xạ hồng ngoại. Khí nhà kính hấp thụ và phát lại một phần bức xạ ở một số bước sóng, trong đó có hướng xuống bề mặt. Hiệu ứng tự nhiên này làm bề mặt ấm hơn so với trường hợp không có khí quyển; nồng độ khí nhà kính tăng làm hiệu ứng mạnh hơn.

Te=(S(1−A)4σ)1/4≈255 K;Ts≈288 KT_e=\left(\frac{S(1-A)}{4\sigma}\right)^{1/4}\approx255\ \mathrm{K};\qquad T_s\approx288\ \mathrm{K}

Ví dụ: Nhiệt độ hiệu dụng của Trái Đất

Ước tính nhiệt độ bức xạ hiệu dụng với hằng số Mặt Trời S=1361 W m⁻², suất phản chiếu hành tinh A=0,30 và hằng số Stefan–Boltzmann σ=5,67×10⁻⁸ W m⁻² K⁻⁴.

Lời giải

Ở trạng thái cân bằng, thông lượng Mặt Trời hấp thụ trung bình trên toàn cầu là S(1−A)/4≈238 W m⁻². Cho giá trị này bằng σT⁴ thu được T≈255 K (khoảng −18 °C). Nhiệt độ trung bình bề mặt thực tế khoảng 288 K (15 °C); chênh lệch ≈33 K phản ánh hiệu ứng nhà kính tự nhiên, không phải nhiệt độ của một lớp khí quyển đồng nhất.

Một số khí nhà kính
KhíĐặc điểm đáng chú ý
CO₂Đốt cháy và biến đổi sử dụng đất; tồn tại lâu trong khí quyển
CH₄Đất ngập nước, nông nghiệp, nhiên liệu hoá thạch; GWP₁₀₀ cao hơn CO₂
N₂ONông nghiệp và công nghiệp; sống lâu trong khí quyển
Hơi nướcKhí nhà kính tự nhiên phong phú nhất; nồng độ phản ứng nhanh với nhiệt độ

Hấp thụ hồng ngoại xảy ra khi dao động hoặc quay phân tử làm thay đổi mômen lưỡng cực. Dao động uốn và kéo giãn bất đối xứng của CO₂ hấp thụ hồng ngoại; dao động kéo giãn đối xứng không hoạt động hồng ngoại. N₂ và O₂ không hấp thụ mạnh theo cơ chế này, còn H₂O, CH₄ và N₂O có các mode hoạt động hồng ngoại.

Tiềm năng nóng lên toàn cầu trong 100 năm (giá trị minh hoạ theo IPCC AR6)
KhíGWP₁₀₀ so với CO₂=1
CO₂1
CH₄ (phi hoá thạch)≈27
N₂O≈273

Ví dụ: Metan quy đổi ra CO₂ tương đương

Một nguồn phát thải 2,0 kg metan không có nguồn gốc hoá thạch. Dùng GWP₁₀₀≈27 để ước tính lượng CO₂ tương đương.

Lời giải

CO₂e = khối lượng × GWP₁₀₀ = 2,0 × 27 ≈ 54 kg CO₂e. Phép so sánh tích phân tác động khí hậu trong 100 năm; điều đó không có nghĩa metan và CO₂ có thời gian tồn tại hay tác động giống hệt nhau ở mọi thang thời gian.

Đại họcKhái quát đại học: hấp thụ và cưỡng bức bức xạ

Trong một dải phổ hẹp, sự suy giảm Beer–Lambert có dạng I/I₀ = exp(−σN), trong đó σ là tiết diện hấp thụ và N là số phân tử hấp thụ trên một cột khí. Với toàn cột khí quyển thực, còn phải xét nhiệt độ, áp suất, mây, các dải hấp thụ chồng lấp và phát xạ; phương trình đơn giản chỉ là điểm khởi đầu, không phải mô hình khí hậu hoàn chỉnh.

ΔF≈5.35ln⁡(C/C0) W m−2\Delta F\approx5.35\ln(C/C_0)\ \mathrm{W\,m^{-2}}

Ví dụ: Cưỡng bức khi CO₂ tăng từ 280 lên 420 ppm

Dùng quan hệ gần đúng ΔF≈5,35 ln(C/C₀) W m⁻² để ước tính cưỡng bức với C₀=280 ppm và C=420 ppm.

Lời giải

ΔF≈5,35 ln(1,5)=5,35×0,405≈2,17 W m⁻². Đây là ước tính mất cân bằng bức xạ; phản hồi khí hậu và sự hấp thụ nhiệt của đại dương quyết định đáp ứng nhiệt độ cuối cùng.

Tài liệu tham khảo