Suy giảm ôzôn

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 thanh 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 với 91 đơn vị Dobson 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 chỗ.
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. Bản mới nhất là của năm 2002.

Tạo thành ozon

Ozon 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 giữ ổn định nhờ vào cân bằng giữa tạo thành và phân hủy các phân tử ôzôn nhờ vào tia cực tím.

Phân hủy ozon

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

Phần 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 những năm của 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.

Các nguyên nhân của lỗ thủng ôzôn

Lỗ thủng ôzôn Nam Cực là phần của tầng bình lưu Nam Cực mà mức độ ôzôn hiện tại đã giảm xuống chỉ còn 33% so với các trị trước năm 1975. Lỗ thủng ôzôn xuất hiện vào mùa xuân ở Nam Cực, từ tháng 9 cho đến đầu tháng 12, khi gió tây mạnh bắt đầu thổi tuần hoàn trên lục địa và tạo thành bầu chứa khí quyển. Trong các "gió xoáy địa cực" này, hơn 50% ôzôn vùng phía dưới của tầng bình lưu bị phân hủy trong mùa xuân
Ánh sáng mặt trời ở các vùng địa cực dao động nhiều hơn ở các nơi khác và trong ba tháng mùa Đông hầu như là tối tăm không có bức xạ mặt trời. Nhiệt độ không khí ở vào khoảng -80 °C hay lạnh hơn gần như trong suốt mùa Đông đã tạo nên các đám mây ở tầng bình lưu trên địa cực. Các phần tử của những đám mây này bao gồm axít nitric hay nước đóng băng tạo nên bề mặt cho các phản ứng hóa học gia tăng tốc độ phân hủy các phân tử ôzôn.
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 giảm sút ôzôn

Vì tầng ôzôn hấp thụ tia cực tím từ mặt trời, giảm sút tầng ôzôn dự đoán sẽ làm tăng 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 dẫn 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 dù 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 dày 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.

Tương lai của sự giảm sút ôzôn

Chấp nhận và củng cố Nghị định thư Montreal đã làm giảm thải các khí CFC, nồng độ phần lớn các hợp chất quan trọng trong khí quyển đang giảm đi. Các chất này đang được giảm dần trong khí quyển. Vào năm 2015 lỗ thủng ôzôn ở Nam Cực sẽ chỉ giảm đi khoảng một triệu km² trên 25 triệu km²; tầng ôzôn Nam Cực phục hồi hoàn toàn nhanh nhất là vào năm 2050 hay chậm hơn.
Mặc dù vậy vẫn còn một cảnh báo nhỏ. Sưởi ấm toàn cầu từ CO₂ được dự đoán sẽ làm lạnh tầng bình lưu. Hâu quả của việc này là một gia tăng tương đối của thâm thủng ôzôn và chu kỳ của các lỗ thủng. Lỗ thủng ôzôn được tạo thành là do có các đám mây tầng bình lưu trên địa cực; tạo thành các đám mây này lại có một nhiệt độ giới hạn mà trên nhiệt độ đó các đám mây sẽ không được tạo thành. Tầng bình lưu ở Bắc Cực lạnh đi có thể sẽ mang lại các điều kiện tương tự như các điều kiện gây ra lỗ thủng ở Nam Cực. Thế nhưng hiện nay, điều này vẫn còn chưa rõ ràng.