BÀI GIẢNG môn Hóa Môi trường

Có thể tóm tắt lịch sử phát triển sinh thái học như sau Thời kỳ trước thế kỷ XIX : Ngay từ những thời kỳ lịch sử xa xưa con người đã có những hiểu biết nhất định về “Sinh thái học” dù rằng họ không biết thuật ngữ này. Có thể nêu lên những công trình có đề cập đến sinh thái học như sau: Trong những công trình của nhà bác học Aristote (384 322 TCN) và các triết gia cổ Hy Lạp đều có nhiều dẫn liệu mang tính chất sinh thái khá rõ nét. Trong công trình của mình, Aristote đã mô tả 500 loài động vật cùng với các đặc tính như di cư, sự ngủ đông của các loài chim, khả năng tự vệ của mực, các hoạt động xây tổ của chim ...

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP TUY HÒA

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA

˜™  ™˜

BÀI GIẢNG môn Hóa Môi trườngDÀNH CHO SINH VIÊN HỆ CAO ĐẲNG

TUY HÒA – 2009CHƯƠNG 1: SINH THÁI VÀ MÔI TRƯỜNG

1.1 Sinh thái

1.1.1 Lịch sử phát triển và ý nghĩa của môn sinh thái học

Có thể tóm tắt lịch sử phát triển sinh thái học như sau

- Thời kỳ trước thế kỷ XIX :

Ngay từ những thời kỳ lịch sử xa xưa con người đã có những hiểu biết nhất định về “Sinh thái học” dù rằng họ không biết thuật ngữ này

Có thể nêu lên những công trình có đề cập đến sinh thái học như sau: Trong những công trình của nhà bác học Aristote (384 - 322 TCN) và các triết gia cổ Hy Lạp đều có nhiều dẫn liệu mang tính chất sinh thái khá rõ nét Trong công trình của mình, Aristote đã mô tả 500 loài động vật cùng với các đặc tính như di cư, sự ngủ đông của các loài chim, khả năng tự vệ của mực, các hoạt động xây tổ của chim

Hoặc như E Theophrate (371-286 TCN), người khai sinh môn học thực vật học

đã chú ý đến ảnh hưởng của thời tiết, màu đất đến sự sinh trưởng, tuổi thọ của cây và thời kỳ quả chín, tác động qua lại giữa thảm thực vật với địa hình, địa lý Ông đã sử dụng các đặc điểm sinh thái làm cơ sở cho việc phân loại thực vật

B.G Lamark (1744-1829) là người đưa ra học thuyết tiến hóa đầu tiên, ông đã cho rằng ảnh hưởng của các yếu tố môi trường là một trong những nguyên nhân quan trọng đối với sự thích nghi và sự tiến hóa của sinh vật

- Thời kỳ thế kỷ XIX : Phải nói đây là thời kỳ phồn thịnh của sinh thái học, trong thời kỳ này đã có nhiều công trình nghiên cứu, nhiều tư liệu về sinh thái học Có thể nêu ra một số nhà khoa học tiêu biểu :

A Hurmboldt (1769 - 1859) chú ý đến những điều kiện địa lý đối với thực vật

K Glogher (1833) viết về sự thay đổi của chim dưới ảnh hưởng của khí hậu

K Bergmann (1848) nói về qui luật thay đổi kích thước của các động vật máu nóng theo vùng phân bố địa lý;

C Darwin (1809-1872) với tác phẩm nổi tiếng “Nguồn gốc của các loài do chọn lọc tự nhiên hay là sự bảo tồn các nòi thích nghi trong đấu tranh sinh tồn” cùng với một số công trình khác là những bằng chứng phong phú và hùng hồn cho học thuyết tiến hóa của ông Đó cũng là nền móng của sinh thái học

Người đề xuất thuật ngữ “Sinh thái học” là nhà sinh học người Đức - E Haeckel (1834-1919) trong quyển sách “ Sinh thái chung của cơ thể” Ông xác định sinh thái học là khoa học chung về quan hệ giữa sinh vật và môi trường Ông cũng chính là người ủng hộ tích cực học thuyết tiến hóa của C Darwin

Từ nửa sau của thế kỷ XIX, nội dung nghiên cứu của sinh thái học chủ yếu là các nghiên cứu về đời sống của động thực vật và sự thích nghi của chúng với nhân tố khí hậu Tiêu biểu như E Warming (Đan Mạch) trong công trình “Địa lý sinh thái thực vật” (1895)

Thời kỳ từ thế kỷ XX đến nay: Đây là thời kỳ sinh thái học ngày càng được nghiên cứu sâu và rộng hơn

Hội nghị quốc tế về thực vật lần thứ 3 ở Bruxelle (Bỉ) vào năm 1910, đã tách sinh thái học thực vật thành hai bộ môn riêng: Sinh thái học cá thể (Autoecology) và sinh thái học quần xã (Synecology)

Từ những năm 20 của thế kỷ này, người ta đã tổ chức các Hội sinh thái học và

ra tạp chí sinh thái Môn sinh thái học bắt đầu được giảng dạy ở các trường đại học

Vào những năm 30 trở đi khuynh hướng nghiên cứu quần xã, đặc biệt là các quần xã thực vật được phát triển ở nhiều nước trên thế giới

Năm 1935 A.Tansley (Anh) đã đưa ra một hương nghiên cứu mới là hệ sinh thái (Ecosystem), nhưng mãi đến nửa sau của thế kỷ XX, hướng nghiên cứu này mới được quan tâm và được đẩy mạnh

Sự phát triển của hệ sinh thái đã làm cơ sở cho một học thuyết mới về sinh quyển do nhà khoa học người Nga V.I Vernadki đề ra

Ý nghĩa của sinh thái học

Trong cuộc sống, sinh thái học đã có những thành tựu to lớn được con người ứng dụng vào những lĩnh vực như:

- Nâng cao năng suất vật nuôi và cây trồng trên cơ sở cải tạo các điều kiện sống của chúng

- Hạn chế và tiêu diệt các dịch hại, bảo vệ đời sống cho vật nuôi, cây trồng và đời sống của cả con người

- Thuần hoá và di giống các loài sinh vật

- Khai thác hợp lý tài nguyên thiên nhiên, duy trì đa dạng sinh học và phát triển tài nguyên cho sự khai thác bền vững

- Bảo vệ và cải tạo môi trường sống cho con người và các loài sinh vật sống tốt hơn

Sinh thái học giờ đây là cơ sở khoa học, là phương thức cho chiến lược phát triển bền vững của xã hội con người đang sống trên hành tinh kỳ vĩ này của Hệ thái dương

1.1.2 Khái niệm hệ sinh thái

Vậy hệ sinh thái là tập hợp của quần xã sinh vật với môi trường vật lý mà

nó tồn tại, ở đó các sinh vật tương tác với nhau và với môi trường để phát triển

ổn định theo thời gian thông qua hoạt động của các chu trình sinh địa hoá và sự biến đổi năng lượng.

Hệ sinh thái trở thành một bộ phận cấu trúc của một hệ sinh thái duy nhất toàn cầu hay còn gọi là sinh quyển (biosphere)

VD : Hệ sinh thái rừng quốc gia Cúc Phương, rừng ngập mặn, hệ sinh thái vùng cửa

sông, rạn san hô…

1.1.3 Cấu trúc của hệ sinh thái

Một hệ sinh thái điển hình được cấu trúc bởi các thành phần cơ bản sau đây:

- Sinh vật sản xuất (Producer - P)

- Sinh vật tiêu thụ (Consumer - C)

- Sinh vật phân hủy (Decomposer - D)

- Các chất vô cơ (CO2, O2 , H2O, CaCO3 )

- Các chất hữu cơ (protein, lipid, glucid, vitamin, enzym, hoocmon,…)

- Các yếu tố khí hậu (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, lượng mưa )

- Sinh vật phân hủy

+ Sinh vật sản xuất (Producer - P) là những sinh vật tự dưỡng (autotrophy), gồm các loài thực vật có màu xanh và một số nấm, vi khuẩn có khả năng quang hợp hoặc hóa tổng hợp Chúng là thành phần không thể thiếu được trong bất kỳ hệ sinh thái hoàn chỉnh nào

+ Sinh vật tiêu thụ (Consumer - C ) là những sinh vật dị dưỡng (heterotrophy) bao gồm tất cả các loài động vật và những vi sinh vật không có khả năng quang hợp và hóa tổng hợp, nói một cách khác, chúng tồn tại được là dựa vào nguồn thức ăn ban đầu

do các sinh vật tự dưỡng tạo ra

Tuỳ theo đặc điểm tiêu thụ, sinh vật tiêu thụ được chia ra:

- Sinh vật tiêu thụ bậc 1 (C1): bao gồm những loài động vật ăn thực vật

- Sinh vật tiêu thụ bậc 2 (C2): Bao gồm sinh vật ăn thịt, sử dụng sinh vật tiêu thụ bậc 1 làm thức ăn

- Sinh vật tiêu thụ bậc 3 và bậc 4 (C3 và C4) có thể là sinh vật ăn thịt, sử dụng sinh vật tiêu thụ bậc 2 làm thức ăn Cũng có thể là ký sinh trùng sống ký sinh trên sinh vật tiêu thụ bậc1 hoặc bậc 2 hoặc động vật ăn xác chết

+ Sinh vật phân hủy (Decomposer - D) là tất cả các vi sinh vật dị dưỡng, sống hoại sinh (saprophy) : vi sinh vật đất, nấm Chúng phân hủy các chất phức tạp, giải

phóng ra môi trường những khoáng chất đơn giản hoặc các nguyên tố hóa học ban đầu tham gia vào chu trình (như CO2, O2, N2 )

1.1.4 Bản chất của hệ sinh thái

- Hệ sinh thái tồn tại một cách độc lập với các thành phần cấu tạo nên nó

- Các thành viên cấu trúc nên hệ tồn tại và phát triển hoàn toàn phụ thuộc vào nhau

- Một hệ sinh thái bất kỳ hay mỗi thành viên cấu trúc nên hệ có chức năng riêng, đều hoạt động nhịp nhàng để tạo nên hoạt động chức năng của cả hệ thống

- Hệ sinh thái là hệ động lực hở, tự điều chỉnh

1.1.5 Quá trình tổng hợp và phân huỷ vật chất trong hệ sinh thái

1.1.5.1 Quá trình tổng hợp vật chất

a Quang hợp của cây xanh

Nhờ có chất diệp lục mà thực vật và tảo là sinh vật duy nhất trên hành tinh lấy

CO2 và năng lượng mặt trời để tổng hợp thành chất hữu cơ

CO2 + 12 H2O + năng lượng mặt trời (C6H12O6) + 6H2O + 6O2

b Quang hợp của vi khuẩn

Ngoài quang hợp của thực vật còn có sự đóng góp của các nhóm vi khuẩn mang màu cho quá trình sản xuất chất hữu cơ như vi khuẩn lưu huỳnh màu xanh hay màu đỏ (Chlorobacteriaceae, Thiorhodaceae) Phần lớn chúng sống trong nước ngọt và nước mặn, nơi được chiếu sáng

Trong quang hợp của vi khuẩn, chất bị oxi hoá (cho điện tử) không phải là nước

mà là nhhững chất vô cơ hay hữu cơ chứa lưu huỳnh như H2S

CO2 + 2H2S + năng lượng mặt trời (CH2O) + H2O + 2S

2H2O + 3O2 + 2S  2H2SO4

c Hoá tổng hợp của vi khuẩn

Một quá trình nữa được nhắc đến trong thành phần của nhóm sinh vật sản xuất

là quá trình hoá tổng hợp do một số nhóm vi khuẩn xác định Các vi khuẩn hoá tổng hợp lấy năng lượng từ phản ứng oxi hoá các hợp chất vô cơ để đưa cacbondioxit vào trong thành phần của tế bào chất Những hợp chất hữu cơ đơn giản trong hoá tổng hợp được biến đổi, chẳng hạn, từ NH3 thành nitrit, nitrit thành nitrat, sắt II thành sắt III…

Sự oxi hóa nitrat

Chlorophil

Chlorophil

- Bước đầu: Biến đổi amôni hay amoniac thành nitrit nhờ vi khuẩn nitrosomonas

NH4+ + O2  NO2- + H+ + năng lượng

- Tiếp theo: Biến đổi nitrit thành nitrat nhờ vi khuẩn nitrobacter

NO2- + O2  NO3- + năng lượng Dựa vào đặc điểm dinh dưỡng, vi khuẩn được chia thành các nhóm: Chemolithoautotroph, Photolithaototroph, Chemoorangnoautotroph

- Chemolithoautotroph (vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn lưu huỳnh không màu, một số vi khuẩn sinh khí metan và vi khuẩn oxi hoá sắt) sử dụng năng lượng nhờ sự oxi hoá NH3, NO2-, H2S hoặc các chất khử khác

- Photolithautotroph (vi khuẩn lam, vi khuẩn đỏ và đỏ tía) lại sử dụng năng lượng mặt trời

- Chemoorangnoautotroph khai thác năng lượng từ sự oxi hoá metanol và các hợp chất hữu cơ khác

d Hiệu quả của quá trình tổng hợp vật chất

Trong đời sống của thực vật, năng lượng kiếm được từ quang hợp sử dụng cho các quá trình tự duy trì, tăng trưởng và hô hấp rất thay đổi

Trên cơ sở nhiều khảo nghiệm, năng lượng sử dụng của sinh vật tự dưỡng được

đánh giá từ 30-40% tổng sản lượng sinh học sơ cấp (sản lượng sơ cấp thô PG ); Còn lại

khoảng 60 -70% được dùng làm thức ăn cho các loài sinh vật dị dưỡng gọi là sản

lượng sơ cấp tinh PN (năng lượng sơ cấp nguyên)

1.1.5.2 Quá trình phân huỷ vật chất

a Hô hấp hiếu khí

Hô hấp hiếu khí là hoạt động chức năng của tất cả các loài sinh vật Hô hấp ngược với quá trình quang hợp, chúng sử dụng oxi phân tử để đốt cháy vật chất, tạo năng lượng cho các hoạt động sống của cơ thể, đồng thời thải ra môi trường các sản phẩm cuối cùng của quá trình là CO2 và H2O

Hô hấp sunfat xảy ra trong các trầm tích giàu SO42- do các nhóm vi khuẩn như metanococcus, desulfovibrio… Sự phân huỷ các chất được thực hiện theo phản ứng sau đây:

CH3-CO-COOH + H2O  CH3-COOH + CO2 + 2H+2H+ + 1/4SO42-  1/4S 2- + H2O

Hô hấp nitrat diễn ra trong quá trình phản nitrat (denitrification) để biến đổi nitơ từ dạng nitrat trở về dạng NO, NH3, N2, N2O với sự tham gia của các vi khuẩn phản nitrat như Pseudomonat, Escherichia, nấm… theo phản ứng sau:

C6H12O6 + 4NO3-  6CO2 + 6H2O + 2N2

c Sự lên men

Lên men là quá trình sản sinh năng lượng, khai thác năng lượng bằng con đường lên men thì phản ứng đường phân (glucolyse) rất đặc trưng đối với thuỷ sinh vật, tức là quá trình cắt ngắn dần hexoza (C6H12O6) cho đến 2 phân tử puruvic Sản phẩm cuối cùng của sự lên men đường là axit lactic

C6H12O6  2CH3-CO-COOH + 4H+2CH3-CO-COOH + 4H+  2CH3-CHOH-COOH (axit lactic)Lên men là quá trình kỵ khí, được thực hiện do các vi sinh vật kỵ khí nghiêm ngặt (kỵ khí bắt buộc) hoặc kỵ khí tuỳ nghi

Ba dạng hô hấp trên ngự trị trong sinh quyển, tham gia vào quá trình phân huỷ vật chất đến dạng đơn giản nhất trả lại cho môi trường, nhờ đó vật chất được quay vòng và năng lượng được biến đổi

d Vai trò của quá trình phân huỷ các chất hữu cơ trong hệ sinh thái

Sự phân huỷ vật chất có ý nghĩa quan trọng trong đời sống tự nhiên

- Tạo nên dãy thức ăn liên tục trong các hệ sinh thái

- Biến các chất trơ thành các chất có hoạt tính cao tham gia vào sự hình thành nguồn dinh dưỡng cho sinh giới

- Hình thành nên các vitamin, chất kháng sinh có giá trị điều hoà các quá trình sinh học trong quần xã

- Làm trong sạch môi trường bằng các quá trình vật lý, hóa học và sinh học

1.1.6 Năng lượng và dòng năng lượng đi qua hệ sinh thái

1.1.6.1 Sự phân bố năng lượng trong môi trường

Tất cả các hệ thống sống trên hành tinh này tồn tại được là nhờ vào nguồn năng lượng vô tận của mặt trời Nguồn năng lượng này chuyển xuống trái đất dưới dạng

sóng ánh sáng Ánh sáng khi đi qua tầng khí quyển để đến được bề mặt trái đất bị suy giảm một phần do các khí , hơi nước, bụi…hấp thụ và phản xạ lại vũ trụ Những dải sóng khác nhau bị hấp thụ khác nhau Nói chung, bức xạ mặt trời xuống đến ngưỡng trên của khí quyển có cường độ 2Cal/cm2/phút Khi qua lớp khí quyển bề mặt trái đất chỉ còn nhận được 67% năng lượng ban đầu, ứng với 1,34 Cal/cm2/phút

Các nghiên cứu đã xác định rằng khoảng 99% tổng năng lượng nằm trong vùng quang phổ có bước sóng từ 1,136 đến 4000 µm; Khoảng 50% nguồn năng lượng đó (gồm cả ánh sáng trắng và bước sóng 0,38 – 0,77 µm).có ý nghĩa sinh thái quan trọng, được thực vật sử dụng cho quang hợp gọi là bức xạ quang hợp Thực vật hấp thụ rất mạnh các tia màu xanh và màu đỏ cũng như một lượng nhỏ các tia sóng dài hơn với các bước sóng 0,4 – 0,5 và 0,6 – 0,7

Bảng Sự phát tán năng lượng và bức xạ mặt trời (%) trong sinh quyển (Hullbert, 1971)

1.1.6.2 Dòng năng lượng đi qua hệ sinh thái

Năng lượng đi qua hệ sinh thái qua các bậc dinh dưỡng của chuỗi thức ăn, một phần được sinh vật sử dụng cho hô hấp còn phần lớn biến đổi thành nhiệt thoát ra môi trường

Sơ đồ tổng quát của dòng năng lượng đi qua hệ sinh thái

Ta có thể nhận thấy rằng năng lượng đi qua hệ sinh thái theo dòng hay theo các kênh, do đó nó chỉ sử dụng được một lần, phần lớn thoát ra môi trường dưới dạng nhiệt Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng trong sinh quyển khi chuyển từ bậc dinh dưỡng thấp lên bậc dinh dưỡng cao hơn liền kề, trung bình năng lượng thất thoát tới 90%, có nghĩa là sinh vật tiêu thụ ở bậc sau chỉ tích tụ được 10% năng lượng của bậc trước nó Năng lượng thất thoát theo 3 con đường chính:

- Năng lượng chứa trong các sản phẩm mà sinh vật tiêu thụ không sử dụng

- Năng lượng được sử dụng từ thức ăn, nhưng không được đồng hoá thải ra môi trường dưới dạng các chất bài tiết và chất trao đổi

- Năng luợng mất đi dưới dạng nhiệt hô hấp

Trong tổng số năng lượng rơi xuống hệ sinh thái, thì chỉ khoảng 50% đóng vai trò quan trọng đối với sự tiếp nhận của sinh vật sản xuất, tức là phần năng lượng chủ yếu thuộc phổ nhìn thấy, hay còn gọi là "bức xạ quang hợp tích cực" Nhờ nguồn năng lượng này, thực vật thực hiện quá trình quang hợp để tạo ra nguồn thức ăn sơ cấp, khởi đầu cho các xích thức ăn Như vậy, thực vật là sinh vật duy nhất có khả năng "đánh cắp lửa Mặt Trời" để làm nên những kỳ tích trên hành tinh: nguồn thức ăn ban đầu và dưỡng khí (O2), những điều kiện thuận lợi, đảm bảo cho sự ra đời và phát triển hưng thịnh của mọi sự sống khác, trong đó có con người

Sản phẩm của quá trình quang hợp do thực vật tạo ra được gọi là "tổng năng suất sơ cấp" hay "năng suất sơ cấp thô" (ký hiệu là PG) Nó bao gồm phần chất hữu cơ được sử dụng cho quá trình hô hấp của chính thực vật và phần còn lại dành cho các sinh vật dị dưỡng

Chẳng hạn, các loài thực vật đồng cỏ còn non thường chỉ tiêu hao 30% tổng năng lượng sơ cấp, còn ở đồng cỏ già lên đến 70% Rừng ôn đới sử dụng 50 - 60%, còn rừng nhiệt đới 70 - 75% Từ mức sử dụng trung bình nêu trên của sinh vật sản xuất, tổng năng lượng sơ cấp nguyên tích tụ trong mô thực vật trên toàn sinh quyển được đánh giá như sau: khoảng 70% thuộc về các hệ sinh thái trên cạn, còn 30% được hình thành trong các hệ sinh thái ở nước, chủ yếu là các đại dương

1.2 Môi trường

1.2.1 Khái niệm về môi trường và sự ô nhiễm môi trường

1.2.1.1 Khái niệm về môi trường

“Môi trường bao gồm các yếu tố tự nhiên và vật chất nhân tạo bao quanh con người, có ảnh hưởng đến đời sống, sản xuất, sự tồn tại, phát triển của con người và sinh vật.” (Luật BVMT Việt Nam 2005)

Bách khoa toàn thư về môi trường (1994) đưa ra một định nghĩa đầy đủ và ngắn gọn hơn về môi trường: “Môi trường là tổng thể các thành tố sinh thái tự nhiên, xã hội nhân văn và các điều kiện tác động trực tiếp hay gián tiếp lên phát triển, lên đời sống

và hoạt động của con người trong thời gian bất kỳ.”

1.2.1.2 Chức năng cơ bản của môi trường

Đối với sinh vật nói chung và con người nói riêng thì môi trường sống gồm có năm chức năng cơ bản sau:

· Môi trường là không gian sinh sống cho con người và thế giới sinh vật

· Môi trường là nơi chứa đựng các nguồn tài nguyên cần thiết cho đời sống và sản xuất của con người.

· Môi trường là nơi chứa đựng các chất phế thải do con người tạo ra trong cuộc sống và sản xuất

· Giảm nhẹ các tác động có hại của thiên nhiên tới con người và sinh vật

· Môi trường có chức năng lưu trữ và cung cấp thông tin cho con người

1.2.1.3 Khái niệm ô nhiễm môi trường

Sự ô nhiễm là quá trình chuyển chất thải hoặc năng lượng vào môi trường đến mức có khả năng gây tác hại đến sức khỏe con người, vật liệu và sự phát triển của sinh vật

Các tác nhân gây ô nhiễm bao gồm chất thải có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí và các dạng năng lượng như nhiệt độ, tiếng ồn Trong môi trường tự nhiên luôn có yếu tố này Tuy nhiên, môi trường chỉ gọi là ô nhiễm nếu nồng độ các chất trên đạt đến mức

có khả năng tác động xấu đến con người, sinh vật và vật liệu

1.2.2 Các vấn đề gay cấn giữa môi trường và phát triển

Nói một cách cô đọng thì môi trường là tổng hợp các điều kiện sống của con người, phát triển là quá trình cải tạo và cải thiện các điều kiện đó Giữa môi trường và phát triển dĩ nhiên có mối quan hệ chặt chẽ Môi trường là địa bàn và đối tượng của phát triển

Trong phạm vi một quốc gia cũng như trên toàn thế giới, luôn luôn song song tồn tại 2 hệ thống: Hệ thống kinh tế xã hội và hệ thống môi trường

Hệ thống kinh tế xã hội cấu thành bởi các thành phần sản xuất, lưu thông, phân phối, tiêu dùng và tích luỹ, tạo nên một dòng năng lượng, chế phẩm, hàng hoá, phế thải lưu thông giữa các phần tử cấu thành hệ

Hệ thống môi trường với các thành phần môi trường thiên nhiên và môi trường

xã hội Môi trường thiên nhiên cung cấp tài nguyên cho hệ kinh tế, đồng thời tiếp nhận chất thải từ hệ kinh tế Chất thải này có thể ở lại hẳn trong môi trường tự nhiên hoặc qua chế biến rồi trở lại hệ kinh tế Một hoạt động kinh tế mà chất phế thải không thể sử dụng được trở lại hệ kinh tế được xem như là hoạt động gây tổn hại đến môi trường, lãng phí tài nguyên không tái tạo được, sử dụng tài nguyên tái tạo được một cách quá mức khiến cho nó không thể hồi phục được hoặc hồi phục sau một thời gian rất dài

Các hoạt động phát triển luôn có hai mặt lợi và hại Bản thân thiên nhiên cũng

có hai mặt, thiên nhiên là nguồn tài nguyên và phúc lợi đối với con người, nhưng đồng thời cũng là nguồn thiên tai, thảm hoạ đối với đời sống và sản xuất của con người Khoa học kinh tế cổ điển không thể giải quyết thành công mối quan hệ phức tạp giữa phát triển và môi trường Từ đó nảy sinh lý thuyết không tưởng về “đình chỉ phát

triển” (zero of negative growth) cụ thể là cho tốc độ phát triển bằng không hoặc âm để bảo vệ nguồn tài nguyên của trái đất

Tại Hội nghị LHQ về MT con người họp năm 1972 tại Stockholm- Thụy Điển, các nhà khoa học đã đi đến kết luận rằng, nguyên nhân của nhiều vấn đề quan trọng về

MT không phải là do phát triển mà chính là hậu quả của sự kém phát triển Tư tưởng

đó đã được thể hiện trong chiến lược phát triển 10 năm lần thứ nhất của LHQ Chiến lược đã đề cập tới mối quan hệ giữa phát triển với MT, dân số, tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ đất, bảo vệ rừng,

Các mục tiêu phát triển KTXH và BVMT phải được gắn bó với nhau trong việc xây dựng mục tiêu, xác định chiến lược kế hoạch hóa, cũng như điều hành và quản lý việc thực hiện các mục tiêu đó

1.2.3 Sự lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường

Phần lớn các chất gây ô nhiễm là những sản phẩm được sinh ra trong những vùng có địa giới hoàn toàn xác định, ví dụ các khu công nghiệp, các thành phố, các vùng nông nghiệp phát triển… Một câu hỏi được đặt ra là bằng cách nào mà chúng có thể lan truyền đi xa để có thể tác động lên thực vật, động vật ở các nơi khác, hay là làm thay đổi thành phần hoá học của khí quyển ở qui mô toàn cầu

Sự phân bố của các sinh vật trên trái đất hoàn toàn không phải là ngẫu nhiên

Từ hai địa cực cho đến đường xích đạo, trên cạn cũng như dưới nước, chúng được tổ chức thành các quần xã sinh vật ít nhiều khép kín và tương đối độc lập mà tất cả các thành viên của chúng đều phụ thuộc lẫn nhau Mỗi nhóm thực vật và động vật có một chức năng riêng trong quần xã này, và số lượng người sản xuất và người tiêu thụ ăn cỏ

và ăn thịt bị giới hạn bởi một loạt yếu tố, trong đó quan trọng nhất là sự mất năng lượng (hơn 90%) xảy ra khi chuyển từ một nấc dinh dưỡng này sang một nấc dinh dưỡng khác Mặt khác, bản chất và số lượng các cá thể thực vật và động vật thành viên của các quần xã này phụ thuộc chặt chẽ vào đất và vào điều kiện khí hậu của địa phương mà chúng sống, tập hợp của các sinh vật và môi trường xung quanh tạo nên hệ sinh thái

Tuy nhiên sinh quyển không phải là sự lắp ghép đơn giản của các hệ sinh thái Không có hệ sinh thái nào là hoàn toàn đóng kín Mặt khác năng lượng mà chúng chuyển hoá thành các chất hữu cơ đều lấy từ mặt trời và sự vận hành của mỗi hệ ít nhiều đều bị ảnh hưởng của các hệ bên cạnh Yếu tố quan trọng nhất là các nguyên tố hóa học cần thiết cho sự sống “lưu thông” từ một hệ sinh thái này sang một hệ sinh thái khác qua trung gian của các chu trình sinh địa hoá Có thể nói trong sinh quyển các chu trình sinh địa hoá đóng vai trò tương tự như hệ tuần hoàn trong cơ thể con người Do đó hoàn toàn không ngạc nhiên là một chất ô nhiễm được sinh ra ở một nơi nào đó lại có thể làm nảy sinh các phản ứng dây chuyền ở rất xa điểm xuất phát Một chất ô nhiễm nào đó, nếu không bị VSV phân huỷ quá nhanh, và nếu tốc độ sinh ra nó

lớn hơn tốc độ nó tự phân huỷ thì nó luôn luôn có hội lan truyền và tiếp xúc với các cơ thể sinh vật.

Sự lan truyền của các chất ô nhiễm qua trung gian của các chuỗi thức ăn là được biết rõ nhất VD: Trường hợp DDT chất này được dùng để chống muỗi và được rải nhiều năm liền ở vùng ao hồ ở Long Island Người ta đã chọn sử dụng nồng độ thấp để không gây ra bất cứ tác động trực tiếp nào có hại nào lên thuỷ sinh và động vật hoang dã Thế nhưng bất chấp các biện pháp dự phòng đó, người ta vẫn nhận thấy sự thay đổi dần dần của quần thể động vật

Trong khi nước chỉ chứa 0,00005 ppm thuốc trừ sâu thì

Cá ăn cỏ chứa từ 0,23 – 0,94 ppm

Cá ăn thịt chứa từ 1,33 – 2,07 ppmChim ăn cá chứa đến 26,4 ppmNhư vậy thuốc trừ sâu đã tập trung dần dần trong quá trình chúng di chuyển dọc theo chuỗi thức ăn, và do đó các liều “vô hại ” ban đầu đối với từng cá thể thì về lâu về dài lại gây ra mối nguy hiểm cho cả quần xã

Các chu trình sinh địa hoá lớn (các chu trình của nước,cacbon, nitơ, photpho…) đóng vai trò vận chuyển các nguyên tố và các hợp chất đi xa, chẳng hạn, người ta biết rằng DDT không bao giờ được sử dụng ở Nam cực nhưng người ta đã tìm thấy nó trong mỡ chim cánh cụt Chắc chắn là nó đã được vận chuyển bởi dòng nước

Trong suốt quá trình lưu chuyển dọc theo chuỗi thức ăn hay phát tán đi xa, các phân tử của các chất ô nhiễm có thể không giữ nguyên bản chất của chúng Chúng có thể bị biến đổi bởi các quá trình khác nhau và do đó làm xuất hiện những vấn đề mới Một ví dụ của hiện tượng này là trường hợp PAN peroxylacetyl nitrat Dưới tác dụng của các tia cực tím có trong ánh sáng mặt trời, NOx và RH có trong khí thải của động

cơ đốt trong phản ứng với nhau tạo thành PAN và O3 Hai sản phẩm này độc hơn nhiều so với các chất ban đầu, chúng tác động lên đường hô hấp của người, kích thích

sự hô hấp của thực vật

1.2.4 Ảnh hưởng của chất ô nhiễm đến con người

Ở đây chúng ta sẽ nói về các chất ô nhiễm quan trọng nhất với ý nghĩa chúng là các chất ô nhiễm phổ biến, thường gây ra các bệnh nghiêm trọng và trong thực tế đã xảy ra các thảm họa mà chúng là thủ phạm

Thủy ngân: Thủy ngân nguyên tố và các dẫn xuất của nó là những chất độc rất nguy

hiểm đối với người , đặc biệt là các dẫn xuất hữu cơ Ví dụ thảm họa ô nhiễm thủy ngân nghiêm trọng ở vịnh Minamata (Nhật Bản) vào khoảng cuối năm 1953, người ta bắt đầu nhận thấy những rối loạn thần kinh bất thường ở những người dân chài của vùng này mà người Nhật gọi là bệnh kibyo, nghĩa là một bệnh bí ẩn Tất cả mọi người

bị nhiễm bệnh , dù là nam hay nữu, già hay trẻ đều có triệu chứng rối loạn hệ thần kinh ngoại vi và hệ thần kinh trung ương, nhiều bệnh nhân trở nên kiệt sức nằm liệt giường

và khoảng 40% người bị chết

Trong thảm họa này có khoảng 700 người bị nhiễm bệnh

Tương tự vào năm 1964 ở vùng Nigata Nhật Bản cũng có 500 người bị nhiễm độc thủy ngân từ nước thải công nghiệp đổ vào sông Agano

Người ta nhận thấy rằng những người ăn nhiều cá trong khẩu phần ăn có nhiều nguy cơ bị ô nhiễm thủyngân, chẳng hạn mức metyl thủy ngân trong máu của người dân Peru là những người ăn nhiều cá cao hơn khoảng 10 lần so với mức bình thường (82 ng/ml so với 9,9 ng/ml) 29,5% dân cư có dấu hiện của bệnh thần kinh cảm giác

Những vụ nhiễm độc thủy ngân qui mô lớn cũng xảy ra khi ăn bánh mì làm từ bột mà khi bảo quản hạt người ta dùng thuốc diệt nấm có chứa thủy ngân Tai nạm đã xảy ra ở Pakistan, Guatemala và nghiêm trọng nhất là ở Irac vào năm 1971-1972

Cadimi: Hiện tượng nhiễm độc Cadimi được thông báo lần đầu vào năm 1955 Sự

việc xảy ra ở vùng mỏ Juntsu ở tỉnh Toyama, Nhật Bản Người Nhật gọi bệnh này là itai-itai, có nghĩa là làm đau Căn bệnh này giới hạn ở phụ nữ đã sinh nhiều lần, biểu hiện bằng sự đau xương nặng, dáng đi lạch bạch, xuất hiện chứng nhuyễn xương, nứt xương và có dấu hiệu suy yếu thận Ở vùng này người ta thường tưới ruộng bằng nước chảy ra từ các mỏ kẽm, chì, cacdimi, trong đó hàm lượng cacdimi lớn hơn bình thường khoảng 10 lần những nghiên cứu về sau cho thấy rằng chính cacdimi là thủ phạm gây

ra bệnh này

CHƯƠNG 2: KHÍ QUYỂN VÀ SỰ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

2.1 Cấu trúc của khí quyển

2.1.1 Tầng đối lưu (Trosposphere)

Chiếm 70% khối lượng của khí quyển ở độ cao 0 đến 11 km Lớp này đặc trưng bằng sự giảm nhiệt độ theo độ cao, nhiệt độ thay đổi từ +40 đến -50 0C Tầng này quyết định khí hậu của trái đất, các hiện tượng thời tiết đều xảy ra trong tầng này

Thành phần chủ yếu là khí O2, N2, CO2 và hơi nước Nhiệt độ khí quyển ở gần mặt đất nóng do sự phát nhiệt của trái đất.

Do sự xáo trộn yếu nên thời gian lưu của các chất hoá học ở tầng này khá lâu

Sự tăng nhiệt độ ở tầng bình lưu được giải thích là do ozon hấp thụ tia tử ngoại và toả nhiệt

2.1.3 Tầng trung gian (Mesosphere)

Tầng trung gian ở độ cao từ 50 đến 85 km, nhiệt độ thay đổi từ -2 đến -92 0C Tầng này ngăn cách với tầng bình lưu bởi một lớp tạm dừng đánh dấu bởi sự biến thiên nhiệt độ, nghĩa là ở tầng này nhiệt độ giảm theo chiều tăng của độ cao Thành phần các chất chủ yếu ở tầng này gồm O2+, NO +, N2

2.1.5 Tầng điện ly hay tầng ngoài (Exosphere)

Tầng điện ly bao quanh trái đất ở độ cao lớn hơn 800km Ở tầng này có mặt các ion He+ (< 1500 km), H+ (> 1500 km) Một phần hydro có thể được tách ra và đi vào

vũ trụ Mặt khác các dòng plasma và bụi vũ trụ cũng đi vào khí quyển Nhiệt độ tầng này tăng rất nhanh, tới khoảng 1700 0C

Hình 2.1 Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao trong khí quyển

Mặc dù có nhiều quá trình hoá lý xảy ra trong khí quyển nhưng thành phần không khí gần bề mặt trái đất về cơ bản vẫn không đổi

Không khí được cấu tạo từ nhiều khí khác nhau, trong đó thành phần chính là khí N2 chiếm khoảng 78% thể tích, khí oxi chiếm khoảng 21% thể tích, tiếp theo là khí CO2, Argon và hàng loạt các thành phần vết chiếm 0,002% thể tích

Nồng độ các khí trong khí quyển thay đổi liên tục theo không gian, thời gian, vị trí địa lý (các quá trình tự nhiên núi lửa, thiên tại, đốt nhiên liệu, quá trình phát tán, biến đổi hoá học…)

Một thành phần quan trọng khác trong khí quyển, đó là các cấu tử không phải dạng khí mà là hạt lơ lửng và bụi Đường kính của chúng từ 10-6 đến 10 -1 mm và dao động trong phạm vi rộng từ kích thước phân tử đến các hạt kích thước lớn Các hạt này sinh ra trong các quá trình tự nhiên và nhân tạo Những chất này được thu hồi do lắng hoặc ngưng tụ ở bề mặt trái đất Tốc độ lắng phụ thuộc vào đường kính hạt

Hàm lượng oxi, nitơ, ozon và các phân tử nước trong khí quyển cũng thay đổi theo chiều cao

Hình 2.2 Biến thiên nồng độ của các thành phần chính trong khí quyển

Nguyên nhân dẫn đến sự biến thiên ozon là do phản ứng hợp thành và phân ly quang hoá Chu kỳ ozon trong khí quyển ở dạng đơn giản bao gồm các phản ứng quang hóa phân hủy ozon, oxy và những phản ứng nhiệt giữa nguyên tử oxy với phân

tử oxy và ozon

2.3 Ô nhiễm không khí

2.3.1 Vai trò của khí quyển

Môi trường sống: Cung cấp môi trường thuận lợi để duy trì sự sống: nhiệt độ, độ ẩm,

khí O2, CO2…, là môi trường để vận chuyển nước từ đại dương vào đất liền, tham gia vào quá trình tuần hoàn nước

Màn chắn khí quyển:

- Chắn vật thể lớn

- Chắn bức xạ có hại

Bức xạ mặt trời Phát sinh từ các phản ứng nhiệt hạt nhân truyền xuống trái đất dưới dạng sóng điện từ với phổ sóng rất rộng, trong đó có các bức xạ có hại như tia tử ngoại, bức xạ hạt nhân

Khí quyển có tác dụng khuếch tán, hấp thụ và lọc một phần các bức xạ từ mặt trời, không cho chúng chiếu toàn bộ xuống mặt đất

Cơ chế hoạt động của màn chắn khí quyển cho phép hoặc ngăn cản các bức xạ

có năng lượng và bước sóng nhất định Những khoảng bước sóng cho phép lọt qua màn chắn gọi là cửa sổ khí quyển

Tia tử ngoại nguy hiểm ( < 0,28 μm) bị tầng ozon hấp thu:

Có khoảng 60 -70% bức xạ mặt trời đến được trái đất, trong đó:

- 10 % tia tử ngoại

- 45 % ánh sáng thấy được

- 45% tia hồng ngoại

2.3.2 Sự cần thiết của không khí cho cuộc sống con người

Không khí có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với con người Con người có thể không uống nước từ 2 đến 4 ngày, không ăn trong 2 tuần nhưng không thể thiếu không khí trong vài phút Người ta có thể đun sôi nước, nấu chín thức ăn để hạn chế ảnh hưởng do ô nhiễm nhưng họ phải thở không khí xung quanh ngay cả lúc không khí đó

bị ô nhiễm Chính vì vậy mà không khí có vai trò rất quan trọng đối với con người

Bảng 2.1 chỉ ra lượng không khí sạch một người cần để thở hằng ngày Tuỳ vào trạng thái hoạt động mà nhu cầu không khí sạch (oxi ) sẽ thay đổi thích hợp Từ các số

liệu trên ta có thể tính được nhu cầu về không khí sạch hằng ngày cho một gia đình, một thành phố hay một quốc gia.

Nghỉ ngơi

Lao động nhẹ

Lao động nặng

7,42843

10.60040.40062.000

124569

Bảng 2.1 Nhu cầu không khí sinh hóa đối với con người

2.3.3 Ô nhiễm không khí là gì

Ô nhiễm không khí là sự hiện diện của một hay nhiều chất ô nhiễm như bụi, khói, khí, chất bay hơi với một khối lượng và thời gian đủ để gây tác động có hại đến con người, động thực vật hoặc tài sản, ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống cũng như hoạt động kinh doanh

Các thuật ngữ

Chất ô nhiễm sơ cấp: Là những chất thải ra trực tiếp từ nguồn ô nhiễm vào không khí

ở dạng độc hại

Chất ô nhiễm thứ cấp: Là những chất tạo thành do các phản ứng hoá học xảy ra trong

không khí của các chất ô nhiễm sơ cấp với các thành phần khí quyển

Nguồn phát thải phân tán: Là những chất không thải qua ống khói, ví dụ: Bụi do xói

mòn đất, khai thác mỏ, nghiền đá, xây dựng

Các chất ô nhiễm phổ biến

Đạo luật về không khí sạch 1970 (Clean Air Act) của Mỹ đã chỉ định 7 chất ô nhiễm chính là oxit lưu huỳnh, oxit cacbon, bụi, hydrocacbon, oxit nitơ, chất oxi hoá quang hoá và chì cần phải kiểm soát nồng độ để bảo đảm chất lượng không khí xung quanh

Các chất ô nhiễm không phổ biến

EPA đã ban hành tiêu chuẩn phát thải (emission standard) cho một số chất ô nhiễm không thuộc nhóm cơ bản nhưng có tính chất đặc biệt độc hại Trong nhóm này gồm có các hợp chất amiang, benzen, thuỷ ngân, berilium, PCBs ( Polychlorinated Biphenyls) và Vinyl Clorua Hầu hết các hợp chất này không có nguồn phát thải tự nhiên

Nhóm chất ô nhiễm gây mất mỹ quan

Ngoài nhóm những chất độc hại không phổ biến, còn có một số tác nhân ô nhiễm gây những biến đổi không mong muốn trong đặc điểm vật lý hoá học của khí quyển như: tiếng ồn, mùi hôi, ô nhiễm ánh sáng

Phát thải: Sự thải của các chất vào khí quyển Điểm hoặc bề mặt từ đó sự phát thải

xảy ra gọi là nguồn Thuật ngữ emission được dùng để mô tả sự thải và tốc độ thải Thuật ngữ này còn sử dụng cho tiếng ồn, nhiệt…

Tiêu chuẩn chất lượng không khí xung quanh TCVN 5937 -1995 (mg/m 3 )

TT Thông số Trung bình 1 giờ Trung bình 8 giờ Trung bình 24

Biểu diễn nồng độ chất ô nhiễm không khí

Đơn vị biểu diễn nồng độ chất ô nhiễm không khí thường sử dụng: mg/l, μg/m3, mg/m3, g/m3, ppm, ppb

Mối liên hệ chuyển đổi giữa nồng độ mg/m3 và ppm phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ của không khí

2.3.4 Phân loại nguồn ơ nhiễm khơng khí

2.3.4.1 Phân loại theo tính chất nguồn phát sinh:

b Nguồn nhân tạo

- Nguồn nhân tạo: Phát sinh do hoạt động của con người

+ Giao thơng vận tải Các phương tiện giao thơng vận tải khi hoạt động thải vào khơng khí từ 150-200 chất, trong đĩ cĩ các chất ơ nhiễm chủ yếu là bụi, các khí oxit cacbon (COx: CO, CO2), hydrocacbon, chì

+ Sản xuất cơng nghiệp Các ngành cơng nghiệp phát triển đi kèm với ơ nhiễm khơng khí như: sản xuất phân bĩn, hố chất, luyện kim, hố dầu, giấy, cơng nghiệp thuộc da, … Phần lớn khí thải sinh ra do đốt các sản phẩm dầu mỏ với các chất ơ nhiễm là CO2, CO, NOx, SO2…

Bảng 2.2 Các chất ô nhiễm đặc trưng

Ngành cơng nghiệp năng lượng

1 Nhà máy nhiệt điện, lị nung, nồi

hơi đốt bằng nhiên liệu hĩa thạch:

than đá, dầu mỏ (DO, FO)

Bụi, SOx, NOx, COx, hydrocacbon, aldehyt

Ngành cơng nghiệp luyện kim

chì Ngành cơng nghiệp hố chất

3 Sản xuất hoá chất cơ bản Axit

sunfuric, Amoniac, Xút – clo SOx (SO2, SO3) NH3 Cl2, HCl

4 Sản xuất phân bón Superphotphat,

phân lân nung chảy, Ure Bụi, HF, SiF4, SO3 CO, CO2, NH3,

metylmercaptan, dimetylsunfit…), clo

11 Sản xuất nhựa, cao su, chất dẻo Bụi, mùi hôi, hợp chất lưu huỳnh Ngành công nghiệp thực phẩm

13 Chế biến sữa, thịt, cá, hải sản Mùi hôi, clo, tác nhân lạnh (NH3,

CFC… )

2.3.4.2 Phân loại nguồn ô nhiễm theo tính chất phát thải

Có ba loại nguồn phát thải ô nhiễm không khí

← - Nguồn đường: các con đường dành cho các phương tiện giao thông vận tải như đường bộ dành cho xe máy, ô tô; đường xe lửa cho tàu hoả; đường thủy, đường hàng không Giao thông vận tải là một trong những nguồn ô nhiễm không khí chính ở

đô thị Chúng tạo ra các chất ô nhiễm không khí gồm bụi, oxit cacbon (CO, CO2), dioxit lưu huỳnh (SO2), oxit nitơ (NOx), hydrocacbon, tetraetyl chì Bụi sinh ra do cuốn đất cát từ đường khi lưu thông và bụi sinh ra trong khói thải của xe

0 - Nguồn điểm: ống khói của các nguồn đốt riêng lẻ, bãi chứa chất thải,

← - Nguồn vùng: trong khu công nghiệp tập trung nhiều nhà máy có ống thải khí, đường ô tô nội thành, nhà ga, cảng, sân bay

2.3.5 Phân loại chất ô nhiễm không khí

2.3.5.1 Theo nguồn gốc phát sinh

- Chất ô nhiễm sơ cấp: Là những chất trực tiếp thoát ra từ các nguồn và tự chúng đã có đặc tính độc hại Ví dụ: khí SO2, NO, H2S, NH3, CO

- Chất ô nhiễm thứ cấp: Bao gồm những chất được tạo ra trong khí quyển do tương tác hoá học giữa các chất ô nhiễm sơ cấp với các chất có sẵn trong khí quyển

Ví dụ: SO3, H2SO4, NO2, HNO3…

2.3.5.2 Dựa vào trạng thái vật lý

- Rắn, lỏng, khí và hơi, ô nhiễm vật lý

2.3.5.3 Dựa vào kích thước hạt

Dựa vào kích thước hạt chất ô nhiễm được chia thành

2.3.6 Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí

Chất lượng môi trường không khí được đặc trưng bằng các chỉ tiêu nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí Nồng độ các chất ô nhiễm càng nhỏ thì chất lượng không khí càng tốt

Tiêu chuẩn môi trường là những chuẩn mực, giới hạn cho phép, được quy định dùng làm cơ sở pháp lý để quản lý môi trường (kiểm tra, kiểm soát môi trường, xử lý các vi phạm môi trường và đánh giá tác động môi trường…)

Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí bao gồm:

- Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí xung quanh

không khí xung quanh

của một số chất độc hại trong không khí xung quanh

- Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí tại khu vực sản xuất hoặc nhà máy,

xí nghiệp có nguồn ô nhiễm được xác định trong phạm vi tường rào của cơ sở

- Tiêu chuẩn chất lượng môi trường nguồn thải: đối với khí thải từ ống khói của nhà máy, từ ống xả của xe…

1 + TCVN 5939-1995 Chất lượng không khí - Tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ

2 + TCVN 5940-1995 Chất lượng không khí - Tiêu chuẩn khí thải công

nghiệp đối với các chất hữu cơ

3 + TCVN 6438:1998 Chất lượng không khí – khí thải phương tiện giao thông đường bộ

2.4 Ảnh hưởng của các chất ô nhiễm không khí đến môi trường

2.4.1 Vấn đề toàn cầu

* Hiệu ứng nhà kính

Hiệu ứng nhà kính không phải là hiện tượng mới lạ Nó đã tồn tại từ khi khí quyển bao quanh trái đất này Thực ra nếu không có hiệu ứng nhà kính thì trái đất đã không có sự sống vì lúc đó nhiệt độ bề mặt sẽ thấp hơn ngày nay khoảng 300C Vấn đề quan tâm hiện nay là về sự thay đổi tính chất nhà kính của khí quyển

Bức xạ Mặt trời bao gồm các phần tử ngoại (UV), khả kiến (VIS), hồng ngoại (IR), sau khi đi vào khí quyển Trái đất, thành phần UV bị tầng ozon hấp thụ, chỉ còn phần VIS và một phần IR đến được mặt đất và bị mặt đất hấp thụ

Sau khi hấp thụ năng lượng, mặt đất bức xạ trở lại vào khí quyển các bức xạ bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng đã được hấp thụ, các bức xạ này chủ yếu là bức xạ IR Bức xạ IR từ mặt đất bị khí nhà kính trong khí quyển hấp thụ và tỏa ra nhiệt, làm khí hậu ấm lên

Bảng 2.4 So sánh sự đóng góp vào hiệu ứng nhà kính của các khí nhà kính

Hơi nước trong không khí hấp thụ bức xạ hồng ngoại nhiều hơn tất cả các khí nhà kính khác, nhưng do nồng độ của hơi nước trong tầng đối lưu gần như không thay đổi nên phần đóng góp của nó không được xem là yếu tố chính làm gia tăng hiệu ứng nhà kính

Khí CO 2 :

Từ biểu đồ nêu trên ta thấy vai trò quan trọng trong việc gây hiệu quả nhà kính

là khí CO2, loại khí mà hầu hết các quá trình công nghệ sản xuất điện năng bằng nhiên liệu hoá thạch đều có liên quan đến

Ở thời kỳ tiền công nghiệp, nồng độ khí CO2 trong khí quyển ổn định khoảng

270 ppm Công nghiệp và mức sống càng phát triển nhu cầu năng lượng của nhân loại ngày càng nhiều thì nồng độ khí CO2 trong khí quyển càng tăng và đạt mức khoảng

350 ppm ở thời kỳ hiện nay Ngoài ra nạn cháy rừng, phá rừng, tăng dân số… cũng là nguyên nhân làm cho nồng độ khí CO2 trong khí quyển không ngừng tăng cao

Biểu đồ diễn biến nồng độ CO2 trong khí quyển theo số liệu của tổ chức quốc tế

về thay đổi khí hậu toàn cầu IPCC

Khí N 2 O:

Khí N2O không gây tác hại gì trực tiếp cho sức khoẻ con người Người ta sử dụng khí N2O để điều chế thuốc giảm đau trong nha khoa, trong thể dục thể thao, nhưng nó là loại khí nhà kính rất mạnh Một phân tử N2O có hiệu quả hấp thụ tia hồng ngoại ở khoảng bước sóng λ = 8 – 12 µm gấp 200 lần so với phân tử CO2

Hai chất CFC được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật lạnh ngay từ thời kỳ đầu là CFC 11 (CCl3F) và CFC 12 (CCl2F2)

CFC là chất gây hiệu ứng nhà kính cực kỳ mạnh, nếu so với khí CO2 thì CFC mạnh hơn gấp từ 12.000 – 16.000 lần

Về mặt độc tố học thì các chất CFC có thể nói là không gây tác hại trực tiếp cho sức khoẻ của con người Ở nồng độ 5.000 ppm CFC 11 mới gây ảnh hưởng đến hệ tim mạch và ở nồng độ 35000 ppm trong 10 phút mới có thể gây mê Tuy nhiên, những giới hạn nồng độ nêu trên khó có thể xảy ra trong thực tế

Nếu không có các nỗ lực triệt để nhằm hạn chế phát thải các khí nhà kính, thì theo dự báo hiệu ứng này sẽ gia tăng mạnh mẽ trong thế kỷ 21

Sử dụng các mô hình máy tính để tính toán dự đoán những thay đổi về khí hậu

do hậu quả của hiệu ứng nhà kính, người ta đã thu được các kết luận quan trọng sau:Nếu không có các nỗ lực triệt để nhằm hạn chế phát thải các khí nhà kính, thì theo dự báo hiệu ứng này sẽ gia tăng mạnh mẽ trong thế kỷ 21

Sử dụng các mô hình máy tính để tính toán dự đoán những thay đổi về khí hậu

do hậu quả của hiệu ứng nhà kính, người ta đã thu được các kết luận quan trọng sau:

1 Nhiệt độ trung bình toàn cầu đến năm 2050 sẽ cao nhất trong vòng 150.000 năm gần đây

2 Trong thế kỷ 21 tốc độ thay đổi nhiệt độ trung bình toàn cầu sẽ cao nhất so với 10.000 năm gần đây

3 Mức nước đại dương sẽ tăng một cách đáng kể, do khi nhiệt độ tăng thì khối lượng riêng của nước giảm, băng tan Một số đảo nhỏ, các vùng đất thấp ven bờ sẽ bị nhấn chìm trong nước Những thay đổi này dự đoán có thể xảy ra trong thế kỷ 22

4 Mức nước một số hồ sẽ bị giảm đáng kể do tốc độ bay hơi tăng

5 Sự ấm lên toàn cầu sẽ xảy ra không đồng nhất cả về không gian lẫn thời gian Lục địa sẽ bị ấm lên mạnh hơn đại dương, đặc biệt đáng lưu ý ở các vĩ tuyến cao ở

phía Bắc vào mùa đông, do đó làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa các cực với vùng xích đạo có thể dẫn đến suy giảm các dòng đối lưu của Trái đất.

Ngoài các hệ quả được dự đoán bằng mô hình máy tính trên, có thể còn có một

số hệ quả khác mà mô hình máy tính chưa thể kết luận được:

1 Sự thay đổi thời tiết của địa phương hay khu vực, phạm vi tác động của các cơn bão nhiệt đới và tần suất bão ở khu vực vĩ tuyến trung bình

2 Đáp ứng của các hệ sinh thái, mùa màng nông nghiệp với sự ấm lên toàn cầu

3 Ảnh hưởng của các sự kiện xảy ra đột ngột chưa tiên đoán được, ví dụ sự thay đổi đáng kể về hoạt động của các vành đai đại dương, sự thay đổi của các lớp băng

* Sự suy giảm ozon trên tầng bình lưu

Tầng ozon

Ozon có mặt khắp trong khí quyển, nhưng ở tầng đối lưu nồng độ của ozon chỉ

ở dạng vết Nồng độ ozon đạt giá trị cực đại (8 − 10 ppm) ở khu vực trên đỉnh tầng đối lưu và phần dưới của tầng bình lưu (độ cao từ khoảng 15 đến 35 km) tạo thành tầng ozon

Các phản ứng tạo thành và phân hủy ozon trong tầng bình lưu

Trong tầng bình lưu ozon được tạo thành, đồng thời cũng bị phân hủy dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại từ ánh sáng Mặt trời Bức xạ tử ngoại thường được chia làm

ba vùng: UV-A (λ = 320 − 400 nm); UV-B (λ = 290 − 320 nm) và UV-C (λ < 290 nm) Các phản ứng tạo thành và phân hủy ozon trong tầng bình lưu:

O + O2 + M → O3 + M (b)Phản ứng tạo thành ozon xảy ra nhiều hơn ở lớp không khí phía trên vùng xích đạo, do tại đây ánh sáng Mặt trời chứa nhiều bức xạ UV-C hơn ở hai vùng cực

tử ozon trước khi phản ứng xúc tác bị kết thúc do X phản ứng với một phân tử khác ozon

Phản ứng phân hủy ozon bởi cấu tử X nêu trên cũng có thể bị gián đoạn, do X hay XO tham gia các phản ứng khác, ví dụ:

Cl (X) + CH4 → CH3 + HCl (h)ClO (XO, với X = Cl) + NO2 + M → M + ClONO2 (i)

NO2 (XO, với X = NO) + OH + M → M + HNO3 (k)

Vì vậy, các phân tử HNO3, HCl, ClONO2 được xem là nơi chứa tạm thời của các tác nhân xúc tác phân hủy ozon.

2.5.2.3 Sự suy giảm nồng độ ozon trong tầng bình lưu

Hoạt động nhân tạo đã đưa vào tầng bình lưu ngày càng nhiều các khí gây phân hủy ozon (N2O, NO, NO2, CFCs, halons, các hợp chất hydrocacbon brom hóa, ) Các hợp chất này hoặc là đóng vai trò của X, XO trong các phản ứng (e), (f), hoặc chuyển hóa để tạo ra X, XO (xem các phần trước)

Do nồng độ của ozon trong tầng bình lưu luôn biến động khoảng vài phần trăm theo ngày, mùa hay năm, nên rất khó xác định được hoạt động của con người có phải

là nguyên nhân chính gây ra các thay đổi này không, trừ khi có một biến động nồng độ lớn xảy ra tại một khu vực nào đó

Năm 1985, các nhà khoa học của một đoàn thám hiểm Nam cực đã phát hiện thấy sự suy giảm đáng kể nồng độ ozon vào mùa Xuân tại khu vực này Hiện tượng

này tiếp tục được phát hiện vào các năm sau và được nhắc đến với tên gọi lỗ thủng tầng ozon (khi nồng độ ozon tại một khu vực trong tầng ozon giảm đi hơn 50% thì

được xem là đã xuất hiện lỗ thủng tầng ozon tại khu vực đó)

Do có sự chênh lệch nhiệt độ giữa vùng cực và các vùng ở vĩ độ thấp hơn, lại được bao quanh bởi đại dương, nên vào mùa Đông ở Nam cực thường xuất hiện các cơn gió xoáy rất mạnh tạo thành cơn lốc ở độ cao 10 đến 15 km Với đặc điểm của địa hình

và nhiệt độ riêng, nên khác với cơn lốc mùa Đông ở Bắc cực chỉ tồn tại vài ngày, lốc Nam cực tồn tại suốt mùa Đông, cô lập một vùng không khí phía trên Nam cực và chỉ tan đi khi mùa Xuân đến

Hình 2.16 Sơ đồ mô tả lốc xoáy hình thành vào mùa Đông ở Nam cực

(a): Mặt cắt ngang: một số phản ứng xảy ra trên bề mặt các hạt băng trong PSC.(b): Mặt cắt đứng: lốc xoáy hình thành chủ yếu ở tầng bình lưu Vùng gió mạnh cô lập

khối không khí phía trong con lốc với phần không khí bên ngoài

Do không khí phía trên Nam cực rất khô (chứa khoảng 4 đến 6 ppmv hơi nước), nên quá trình ngưng tụ tạo mây chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất thấp Khi nhiệt độ của khu vực giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu xuống thấp hơn −75°C thì bắt đầu tạo thành những đám mây chứa các hạt HNO3.3H2O (nitric acid trihydrate − NAT) đông đặc gọi

là mây tầng bình lưu vùng cực loại 1 (Type 1 PSC − polar stratospheric clouds) Mây

loại này chứa các hạt rắn nhỏ tương tự các tinh thể băng có đường kính trung bình khoảng 1 µm với diện tích bề mặt lớn

Các hạt rắn này hấp thụ oxit nitơ và giữ chúng lại trong pha rắn dưới dạng HNO3, do đó trong pha khí không thể xảy ra phản ứng kết hợp ClO với NO2 (phản ứng (i) đã nêu trên, phản ứng này có vai trò ngăn chặn quá trình phân hủy ozon của clo)

Trong lúc đó, chlorine nitrat ClONO2 có sẵn trong tầng bình lưu lại bị phân hủy trên bề mặt các hạt rắn này:

ClONO2 + H2O → HOCl + HNO3ClONO2 + HCl → Cl2 + HNO3(các phản ứng này không xảy ra trong pha khí khi không có bề mặt hạt rắn) làm tăng lượng Cl2 và HOCl là các chất cung cấp Cl cho quá trình phân hủy ozon

Khối không khí bên trong cơn lốc bị cô lập không thể tiếp xúc, hòa trộn với không khí bên ngoài Vì vậy, không khí bên trong cơn lốc không còn chứa các nitơ oxit, ngược lại đã tích tụ một lượng đáng kể các tác nhân (Cl2, HOCl) có thể bị phân hủy tạo thành gốc tự do Cl Quá trình này tiếp diễn trong suốt các tháng mùa Đông không có ánh sáng Mặt trời

Khi Mặt trời mọc vào mùa Xuân, bức xạ tử ngoại của ánh sáng Mặt trời phân hủy Cl2 và HOCl tạo ra một lượng lớn Cl tự do làm phân hủy ozon rất nhanh chóng

Vào cuối mùa Xuân, cơn lốc ở Nam cực tan dần, không khí bên ngoài và bên trong cơn lốc đã có thể hòa trộn với nhau Lúc này lượng clo tự do tạo thành đã bị khuếch tán bớt, đồng thời do sự có mặt của nitơ oxit từ không khí bên ngoài nên quá trình phân hủy ozon chậm dần lại Vùng ozon bị suy giảm này di chuyển về phía Xích đạo (qua Úc hay Nam Mỹ) và được hồi phục dần

Bắc cực ít lạnh hơn so với Nam cực, tại đây cũng không tồn tại cơn lốc kéo dài suốt mùa Đông, nên sự suy giảm tầng ozon cũng không mạnh mẽ như ở Nam cực

Hình 2.17 Lỗ thủng lớn nhất của tầng ozon ở Nam cực ghi nhận được (21-30/9/2006)

• Hậu quả của sự suy giảm của nồng độ ozon trong tầng bình lưu

Tầng ozon hấp thụ bức xạ tử ngoại bước sóng trong khoảng 230 − 320 nm Bức

xạ này chủ yếu thuộc nhóm UV-B Bức xạ nhóm UV-B có thể hủy hoại ADN và một

số hệ sinh học

− Đối với thực vật: tác hại của bức xạ UV-B đối với thực vật đã được ghi nhận,

tuy nhiên tác hại này không đáng kể nếu thời gian ảnh hưởng không đủ dài Ngoài ra, các nhà khoa học cũng có thể chọn loại giống cây có khả năng chống chịu được loại

bức xạ này Đáng quan tâm hơn cả là tác hại của UV-B lên thực vật phù du Đây là loại thực vật có liên quan trực tiếp đến năng suất sinh học của đại dương 70% lượng thực vật phù du xuất phát từ đại dương ở vùng cực Đây lại là nơi xảy ra tình trạng suy giảm tầng ozon đáng lưu ý nhất Sự suy giảm năng suất sinh học của đại dương sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sinh vật và xa hơn nữa là ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn.

− Đối với con người: UV-B có thể gây các tác hại nhẹ đến con người như làm

da cháy nắng, lóa mắt, lão hóa da, đục thủy tinh thể, ung thư da hay ung thư mắt Ngoài ra, UV-B còn ảnh hưởng có hại đến hệ miễn dịch da, do đó làm các bệnh liên quan đến da như sởi, sốt rét, phong,… trở nên phức tạp hơn

2.4.2 Vấn đề vùng

* Mưa axit

Khí SOx và NOx bị oxit hoá trong khí quyển trong thời gian dài từ vài giờ đến nhiều ngày và biến thành axit sunfuric và axit nitric Các axit này bị mưa hấp thụ và theo mưa rơi xuống đất thành mưa axit

Độ axit được đặc trưng bằng thông số pH:

pH = -log 10 (Hoạt tính của ion H+ tính theo mol/l)

Trị số pH càng nhỏ thì độ axit càng mạnh Nước tinh khiết có độ pH= 7, NaOH

-Mối nguy hại của mưa axit là làm cho sông hồ bị axit hóa, cây cối bị khô héo, các loại cá bị chết , đe dọa sức khỏe con người Dựa vào di chuyển của gió, mây mưa axit có thể đi từ vùng này đến vùng khác nên phạm vi nguy hại càng rộng lớn

- Rừng bị hủy diệt: mưa axit làm tổn thương lá cây, trở ngại quá trình quang hợp , làm cho lá cây bị vàng úa và rơi rụng Mưa axit làm cho chất dinh dưỡng trong đất bị tan mất, có tác dụng phá hoại sự cố định đạm của vi sinh vật và sự phân giải các chất hữu cơ, làm giảm độ màu mỡ của đất Mưa axit còn cản trở sự sinh trưởng của bộ

rễ làm suy giảm khả năng chống bệnh và sâu hại Toàn Châu Âu có khoảng 14% rừng

bị những cơn mưa axit tàn phá, riêng nước Đức bị tàn phá tới 50% Rừng trên thế giới

bị mưa axit tàn phá, tổn thất về gỗ hằng năm đã vượt quá 10 tỉ đô la

- Nước hồ bị axit hóa: Mưa axit làm ô nhiễm nguồn nước trong hồ và phá hỏng các loại thức ăn, uy hiếp sự sinh tồn của các loài cá và các sinh vật khác trong nước Ở Thụy điển có hơn 9 vạn hồ thì 22% hồ đã bị axit hóa với mức độ khác nhau; 80% nước

hồ của Nauy bị axit hóa

- Sản lượng nông nghiệp bị giảm: mưa axit làm yếu khả năng quang hợp của cây, phá hoại các tổ chức bên trong, khiến cho cây trồng mọc rất khó khăn Mưa axit còn ức chế việc phân giải các chất hữu cơ và cố định đạm trong đất, rửa trôi các nguyên tố dinh dưỡng trong đất (Ca, Mg, K) làm cho đất bị nghèo hóa Theo điều tra của Nhật Bản, mưa axit làm một số cây ngũ cốc và lúa mì bị giảm đến 30% sản lượng Mưa axit còn hòa tan các kim loại độc hại (Hg, Cd, Al…) do đó làm giảm giá trị sử dụng của sản phẩm nông nghiệp, thậm chí không thể dùng được

- Làm tổn hại đến sức khỏe con người: Khí SO2 là chất chủ yếu gây mưa axit, rất nguy hiểm cho sức khỏe của con người Khi hít phải SO2 với nồng độ nhất định hô hấp sẽ bị kích thích mạnh Liều SO2 gây nnguy hiểm sau 30 đến 60 phút hít thở là 260 – 130 mg/m3 Độc tính chung của SOx là gây rối loạn chuyển hóa protein và đường, thiếu vitamin B và C, ức chế enzym oxydaza Hấp thu lượng lớn SO2 có khả năng gây bệnh cho hệ tạo huyết và tạo ra methemoglobin tăng cường quá trình oxi hóa Fe2+ thành Fe3+

- Gây ăn mòn vật liệu, công trình kiến trúc: Thành cổ Athen nổi tiếng và tượng nhân sư của Ai Cập do bị những trận mưa axit mà ngày càng bị xâm thực hỏng dần

* Khói quang hoá

Ô nhiễm không khí đô thị cổ điển

Ô nhiễm không khí đô thị cổ điển, phát sinh ra thuật ngữ “sương khói” là vấn

đề của những thành phố Tây Âu và Bắc Mỹ những thập niên 1950 và 1960 Khói mù Luân Đôn là ví dụ điển hình nhất Trong suốt những tháng mùa đông dài lạnh lẽo, người dân Luân Đôn thường đốt than kém chất lượng trong lò sưởi trong nhà Khói đen thải vào không khí qua những ống khói trên trần nhà mang theo nhiều bồ hóng và khí Sunfua dioxit

Thời lỳ lạnh đặc trưng bởi tốc độ gió chậm và tầng xáo trộn rất mỏng Các hạt

bồ hóng và khí trong không khí tạo thành một hỗn hợp khói (smoke) và sương mù (fog), kết hợp 2 từ này lại ta được thuật ngữ “smog” Khí SO2 và axit sunfuric tạo thành từ đó làm cho các hạt khói mù có tính axit cao, gây kích thích mắt, mũi và khí quản của người dân Trong thời kỳ khói mù như vậy năm 1952 có rất nhiều người phải nhập viện và trên 4000 người khác đã chết ở khu vực Luân Đôn trong một giai đoạn kéo dài khoảng vài ngày

Các giai đoạn tương tự đã xảy ra ở các thành phố khác của Châu Âu và Bắc

Mỹ Nó đã tạo nên những thúc đẩy đầu tiên về việc quản lý chất lượng không khí ở những nước này Người ta đã áp dụng nhiều phương pháp để giảm các nguy cơ xảy ra các dạng ô nhiễm loại này Dần dần sử dụng nhiên liệu trong nước chuyển từ than có hàm lượng S cao sang dầu có S thấp và khí tự nhiên chứa ít S hơn Hơn nữa quá trình đốt khí và dầu sạch hơn đốt than, vì dầu và khí hoà trộn tốt hơn Các ngành công nghiệp và nhà máy điện phải bố trí ống khói cao trên 100m, nghĩa là trên tầng xáo trộn trong điều kiện khí tượng ưu thế trong giai đoạn thời tiết lạnh này

Những điều kiện đặc biệt của khói mù cổ điển này đã biến mất ở hầu hết các vùng trên thế giới, nhưng sức khoẻ của con người vẫn còn bị đe doạ bởi lượng hạt và

SO2 quá cao trong khí quyển

Ô nhiễm không khí đô thị hiện tại

Vấn đề ô nhiễm không khí ở các đô thị hiện đại khó có thể mô tả bằng các thuật ngữ thống nhất Nó lệ thuộc nhiều vào trạng thái khí tượng điển hình và mức độ phát triển kinh tế

Như đã nói trên, không thể mô tả đơn giản về chất lượng không khí đô thị Có thể chia tình trạng ô nhiễm không khí đô thị thành 2 loại chung: Khói mù mùa hè và khói mù mùa đông Khói mù mùa hè đặc trưng bởi các phản ứng quang hoá dẫn đến có nhiều chất oxi hoá (đặc biệt là ozon) và xảy ra ở các vĩ độ cao và trung chỉ trong mùa

hè và ở những vùng nhiệt đới trong suốt năm Khói mù mùa đông đặc trưng bởi nhiều hạt và xảy ra ở những vĩ độ cao và trung chủ yếu trong mùa đông

Khói mù mùa hè hay khói mù quang hóa

Trong khí quyển ở tầng đối lưu, hàm lượng ozon thấp khoảng 50ppb, ở độ cao sát mặt biển, hàm lượng ozon khoảng 20-40 ppb và đạt cực đại vào mùa hè từ 40 – 60 ppb Ozon tham gia vào phản ứng quang hóa cùng với sản phẩm của quá trình quang hóa là các gốc hoạt tính như: OH, NO, O, O2, HO2… lại tiếp tục tham gia phản ứng với các hợp chất hydrocacbua (là những chất không hấp thụ sóng ngắn), các oxit nitơ trong khí quyển sẽ hình thành nhiều chất ô nhiễm thứ cấp như andehyt, peroxyl acetyl nitrat Tập hợp tất cả các chất trên tạo thành khói quang hóa trong khí quyển Như vậy khói quang hóa được khởi đầu bởi tia mặt trời cùng với sự phân li của NO2 thành NO

và O là bước quan trọng nhất

Tính chất vật lý của nó là khói có màu vàng nâu, làm giảm tầm nhìn, cùng với

sự có mặt của những chất có hại tới hô hấp, gây chảy nước mắt Bốn điều kiện quan trọng trước khi xảy ra việc hình thành khói quang hóa

NOx + tia nắng + RH + nhiệt độ trên 18oC

Cơ chế của sự hình thành khói quang hóa

a Phản ứng quang hóa cơ bản tạo nguyên tử oxi

Các gốc OH này khá hoạt động khiến tất cả các hợp chất khác trong khí quyển

có thể tham gia vào quá trình hóa học, như RH

c Sự hình thành sản phẩm của các gốc RH

RH + HO + O2  ROO + H2O

RH + O  R + nhiều sản phẩm khácROO + NO  NO2 + nhiều sản phẩm khác

R + NO2  sản phẩm (như PAN)

Khói mù mùa đông

Loại khói mù này đặc trưng bởi mức độ ô nhiễm không khí cao do nguồn thải các hạt và điều kiện thời tiết không đổi Ở những vùng vĩ tuyến cao, tốc độ xử lý ô nhiễm giảm (bề mặt trái đất băng giá) và năng lượng sử dụng tăng vì thời tiết lạnh góp phần làm tăng nồng độ chất ô nhiễm

Trong những năm gần đây, một số nghiên cứu dịch tễ học ở Mỹ cũng như ở Châu Âu đã tìm được những bằng chứng cho thấy các hạt mịn và cực mịn có tác động tiêu cực đến sức khỏe của con người ở những nồng độ thấp hơn người ta tưởng nhiều Không chỉ những thông số khó theo dõi như chức năng phổi ở những người bị bệnh hen bị ảnh hưởng không tốt trong những này mức ô nhiễm tăng nhẹ, mà cả những số người nhập viện và tỉ lệ tử vong cũng gia tăng

Cơ chế gây độc của ảnh hưởng này cho đến nay vẫn chưa rõ, nhưng vì ảnh hưởng này rất rõ rệt nên EPA đang tiến hành chỉnh sửa lại các tiêu chuẩn chất lượng không khí cho các loại hạt Nếu được công bố ta sẽ thấy trên một nửa dân cư của các

đô thị trên thế giới đang sống trong điều kiện nồng độ chất ô nhiễm không khí cao hơn

tiêu chuẩn cho phép Nguồn hạt ô nhiễm đô thị chính là do giao thông đường bộ, khói thuốc lá, nhiên liệu cho nấu ăn, sản xuất công nghiệp…

CHƯƠNG 3: NƯỚC VÀ SỰ Ô NHIỄM NGUỒN NƯỚC

3.1 Nguồn nước và phân bố nước trong tự nhiên

Khối lượng nước ở trạng thái tự do trên trái đất là 1,3859 tỉ km3 (M.I.Lvotvis,

A A Xokolop - 1974), chỉ chưa đến 1% so với trữ lượng nước ở lớp vỏ giữa của trái đất (khoảng 200 tỉ km3) Nước ngọt chỉ chiếm 2,53% (35 triệu km3) Trong đó, phần lớn lại là nước đóng băng ở các vùng cực và vùng băng hà Chỉ còn một phần rất nhỏ 1/7000 lượng nước trên địa cầu có vai trò quan trọng trong việc bảo tồn sự sống trên hành tinh Đó là lượng nước ngọt trong sông hồ, suối, lượng ẩm trong không khí và trong lòng đất

3.1.1 Vòng tuần hoàn nước

Trong tự nhiên nước luôn vận động và thay đổi trạng thái theo một chu trình bay hơi, ngưng tụ, hoá rắn liên tục Chu trình cơ bản gồm 5 quá trình căn bản: mưa – dòng chảy – thấm – bốc hơi – ngưng tụ và thành mưa

Vòng tuần hoàn nước chính là sự tồn tại và vận động của nước trên mặt đất, trong lòng đất và trong bầu khí quyển của trái đất Vòng tuần hoàn nước đã và đang diễn ra từ hàng tỉ năm và tất cả sự sống trên trái đất đều phụ thuộc vào nó, trái đất chắc hẳn sẽ là một nơi không thể sống được nếu không có nước

Hình 3.1 Vòng tuần hoàn nước

Bức xạ sóng ngắn của mặt trời là nguồn cung cấp năng lượng cho chu trình nước Khoảng 1/3 bức xạ mặt trời đi tới bề mặt trái đất đã được sử dụng trong chu trình Một phần năng lượng bức xạ tới mặt đất đã chuyển hoá thành nhiệt năng làm cho tầng thấp của khí quyển nóng lên Năng lượng này hâm nóng lớp nước mặt ở các thể lỏng và rắn làm chúng bốc hơi

Hơi nước có trong khí quyển không chỉ do hiện tượng bay hơi từ nước mặt mà còn do sự thoát hơi nước từ cây cối Lượng nước mưa rơi xuống một phần thấm vào đất, một phần khác chảy tràn trên mặt đất, phần còn lại được động vật và thực vật sử dụng

Mặt trời điều khiển vòng tuần hoàn nước bằng việc làm nóng nước trên những đại dương, làm bốc hơi nước vào trong không khí Những dòng khí bốc lên đem theo hơi nước vào trong khí quyển, gặp nơi có nhiệt độ thấp hơn hơi nước bị ngưng tụ thành những đám mây Những dòng không khí di chuyển những đám mây khắp toàn cầu, những phân tử mây va chạm vào nhau, kết hợp với nhau, gia tăng kích cỡ và rơi xuống thành giáng thủy (mưa) Giáng thuỷ dưới dạng tuyết được tích lại thành những núi tuyết và băng hà có thể giữ nước đóng băng hàng nghìn năm Trong những vùng khí hậu ấm áp hơn, khi mùa xuân đến, tuyết tan và chảy thành dòng trên mặt đất, đôi khi tạo thành lũ Phần lớn lượng giáng thuỷ rơi trên các đại dương; hoặc rơi trên mặt đất và nhờ trọng lực trở thành dòng chảy mặt Một phần dòng chảy mặt chảy vào trong sông theo những thung lũng sông trong khu vực, với dòng chảy chính trong sông chảy

ra đại dương Dòng chảy mặt, và nước thấm được tích luỹ và được trữ trong những hồ nước ngọt Mặc dù vậy, không phải tất cả dòng chảy mặt đều chảy vào các sông Một lượng lớn nước thấm xuống dưới đất Một lượng nhỏ nước được giữ lại ở lớp đất sát mặt và được thấm ngược trở lại vào nước mặt (và đại đương) dưới dạng dòng chảy ngầm Một phần nước ngầm chảy ra thành các dòng suối nước ngọt Nước ngầm tầng nông được rễ cây hấp thụ rồi thoát hơi qua lá cây Một lượng nước tiếp tục thấm vào lớp đất dưới sâu hơn và bổ sung cho tầng nước ngầm sâu để tái tạo nước ngầm (đá sát mặt bảo hoà), nơi mà một lượng nước ngọt khổng lồ được trữ lại trong một thời gian dài Tuy nhiên, lượng nước này vẫn luân chuyển theo thời gian, có thể quay trở lại đại dương, nơi mà vòng tuần hoàn nước “kết thúc” và lại bắt đầu

Bảng 3.1 Các chu kỳ tuần hoàn nước trong thủy quyển

Nguồn: Tăng Văn Đoàn, Trần Đức Hạ - 2001

3.1.2 Các quá trình chuyển hoá nước giữa các dạng tồn tại của nước trên trái đất 3.1.2.1 Quá trình bốc hơi

Bốc hơi nước là một quá trình nước chuyển từ thể lỏng sang thể hơi hoặc khí Bốc hơi nước là đoạn đường đầu tiên trong vòng tuần hoàn mà nước chuyển từ thể lỏng thành hơi nước trong khí quyển Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng các đại dương, biển, hồ và sông cung cấp gần 90% độ ẩm của khí quyển qua bốc hơi, với 10% còn lại

do thoát hơi của cây

Bốc hơi nước từ các đại dương là cách chính để nước được luân chuyển vào trong khí quyển Diện tích rất lớn của các Đại Dương (trên 70% diện tích bề mặt của trái đất được bao phủ bởi các đại dương) cung cấp những cơ hội lớn cho quá trình bốc hơi diễn ra Trên phạm vi toàn cầu lượng nước bốc hơi cũng bằng với lượng giáng thủy Mặc dù vậy, tỉ lệ giữa lượng nước bốc hơi và lượng giáng thuỷ biến đổi theo vùng địa lý Thông thường trên các đại dương lượng bốc hơi nhiều hơn lượng giáng thủy, trong khi đó trên mặt đất, lượng giáng thủy vượt quá lượng bốc hơi Phần lớn lượng nước bốc hơi từ các đại dương rơi ngay trên đại dương qua quá trình giáng thủy Chỉ khoảng 10% của nước bốc hơi từ các đại dương được vận chuyển vào đất liền và rơi xuống thành giáng thuỷ Khi bốc hơi, một phân tử nước tồn tại trong khí quyển khoảng 10 ngày

3.1.2.2 Dòng chảy mặt

Dòng chảy mặt: dòng chảy mặt từ mưa chảy trên bề mặt đất vào những sông gần nhất

Dòng chảy mặt là dòng chảy từ mưa trên lưu vực

Thông thường, một phần nước mưa rơi thấm ngay vào đất, nhưng khi đất đạt tới trạng thái bão hoà hay không thấm, thì bắt đầu chảy theo sườn dốc thành dòng chảy Trong một trận mưa lớn, bạn có thể nhìn thấy các dòng nước nhỏ chảy xuôi sườn dốc Nước sẽ chảy theo những kênh trên mặt đất trước khi chảy vào trong các sông lớn Dòng chảy mặt chảy vào sông, lại bắt đầu hành trình quay trở về đại dương

Cũng giống như tất cả các thành phần khác trong vòng tuần hoàn nước, quan hệ giữa mưa và dòng chảy cũng biến đổi theo thời gian và không gian

3.1.2.3 Sự thoát hơi

Thoát hơi: là quá trình hơi nước thoát ra từ các cây trồng vào khí quyển

Thoát hơi là quá trình nước được vận chuyển từ các rễ cây đến các lỗ nhỏ bên dưới bề mặt lá, ở đây nước chuyển sang trạng thái hơi và thoát vào khí quyển Do đó, thoát hơi thực chất là bốc hơi của nước từ lá cây Lượng nước bốc thoát hơi từ cây trồng ước tính chiếm khoảng 10% của hàm lượng nước trong khí quyển

Các nhân tố khí quyển tác động đến bốc thoát hơi nước

Lượng nước bốc thoát hơi từ cây cối biến đổi lớn theo thời gian và không gian Một số nhân tố tác động đến tốc độ bốc thoát hơi nước:

Nhiệt độ:Tốc độ bốc thốt hơi tăng lên khi nhiệt độ tăng, đặc biệt trong mùa phát triển của cây trồng khi nhiệt độ khơng khí ấm hơn

Giĩ và sự di chuyển của khơng khí: Sự di chuyển của các lớp khơng khí xung quanh một cây tăng lên làm cho bốc thốt hơi cũng tăng cao

Loại cây: Loại cây khác nhau sẽ thốt hơi nước với tốc độ khác nhau Các loại cây sống trong vùng khơ cằn thì thốt hơi ít hơn các loại cây khác Ví dụ cây xương rồng để giữ lại lượng nước quý báu bằng cách giảm bớt sự thốt hơi hơn các cây trơng khác

Một phần lượng nước thấm xuống sẽ được giữ lại trong những tầng đất nơng, ở

đĩ nĩ cĩ thể chảy vào sơng nhờ thấm qua bờ sơng Một phần nước thấm xuống sâu hơn, bổ sung cho các tầng nước ngầm Nếu tầng nước ngầm nơng hoặc đủ độ rỗng để cho phép nước chảy tự do qua nĩ, con người cĩ thể khoan các giếng trong tầng nước ngầm này và sử dụng nước cho những mục đích của mình Nước ngầm cĩ thể di chuyển được những khoảng cách dài hoặc được trữ lại trong tầng nước ngầm trong một thời gian dài trước khi quay trở lại bề mặt hoặc qua thấm vào các thuỷ vực khác, như thấm vào các sơng và đại dương

3.1.3 Nước mặt

Nước mặt gồm các nguồn nước từ các dòng chảy trên bề mặt, có mặt thoáng thường xuyên tiếp xúc với không khí ở đại dương, biển, ao, hồ, sông, suối

1.1.3.1 Nước đại dương

Đại dương là kho chứa nước Lượng nước khổng lồ được trữ trong các đại dương trong thời gian dài hơn là được luân chuyển qua vịng tuần hồn nước Ước tính

cĩ khoảng 1.338.000.000 km3 nước được trữ trong đại dương, chiếm khoảng 96,5%,

và đại dương cũng cung cấp khoảng 90% lượng nước bốc hơi vào trong vịng tuần hồn nước

Thời kỳ khí hậu lạnh hơn nhiều đỉnh núi băng và những sơng băng được hình thành, một lượng nước trái đất khá lớn được tích lại dưới dạng băng làm giảm bớt lượng nước trong những thành phần khác của vịng tuần hồn nước Điều này thì ngược lại trong thời kỳ ấm Cuối kỷ băng hà những sơng băng bao phủ 1/3 bề mặt trái đất, và mực nước các đại dương thì thấp hơn ngày nay khoảng 122 m Cách đây

khoảng 3 triệu năm, khi trái đất ấm hơn, mực nước của các đại dương cĩ thể đã cao hơn hiện nay khoảng 50 m

Luân chuyển nứơc trong các đại dương

Cĩ những dịng chảy trong đại dương di chuyển một khối lượng lớn nước khắp thế giới Sự di chuyển này ảnh hưởng lớn đến vịng tuần hồn nước và khí hậu Dịng Gulf Stream được biết đến nhiều như là một dịng biển nĩng trong vùng Đại Tây Dương, vận chuyển nước từ vùng Vịnh Mexico ngang qua Đại Tây Dương hướng đến nước Anh Với tốc độ 97 km/ ngày (60 dặm/ngày), dịng Gulf Stream đem theo một lượng nước nhiều bằng 100 lần tất cả các sơng trên trái đất Xuất phát từ những vùng khí hậu ấm, dịng Gulf mang theo nước ấm hơn đến Bắc Đại Tây Dương, làm ảnh hưởng đến khí hậu của một vài vùng, như phía tây nước Anh

Đại dương có 5 đặc điểm quan trọng để phân biệt với biển Đại dương lớn hơn biển

Bảng 3.2 Diện tích và độ sâu các đại dương và biển lớn

TT Tên đại dương Diện tích Độ

sâu

TT Tên biển Diện tích Độ sâu

trung bình

1 Thái Bình Dương 178.700.000 4.267 1 Địa Trung Hải 2.500.000 1.433

Độ mặn của biển cao hơn của đại dương Trung bình, nước đại dương chưa 35g/L muối, gồm natri clorua (77%), cịn lại là muối của magie, cancium, kali va canxi cacbonat Địa trung hải chứa 39,5 g/L; Hồng Hải – 44g/L; biển Chết – 275g/L Biển Baltic chỉ cĩ 2 g/L muối do nhận nuớc ngọt từ các sơng đổ về, nằm ở vùng lạnh nên

bốc hơi kém

Màu của đại dương và biển khác nhau Mặt nước phản chiếu ánh sáng mặt trời, nhưng các hạt lơ lửng trong nước làm nhuộm màu của biển và đại dương

3.1.3.2 Nước băng và tuyết

Lượng nước trữ dưới dạng băng và tuyết: Nước ngọt được trữ trong những sơng băng, những cánh đồng băng và những cánh đồng tuyết

Những đỉnh núi băng trên thế gíơi

Nước được giữ lâu dài trong băng, tuyết, và các sơng băng là một thành phần của vịng tuần hồn nước tồn cầu Vùng Nam cực chiếm 90% tổng lượng băng của trái đất, các đỉnh núi băng ở Greenland chiếm 10% tổng lượng băng tồn cầu

Trên phạm vi tồn cầu, khí hậu luơn luơn thay đổi một cách chậm chạp mà con người khĩ nhận biết Đã từng cĩ những thời kỳ ấm thuộc kỷ khủng long cách đây 100 triệu năm, và những thời kỳ lạnh, như kỷ băng hà cuối cùng cách đây 20.000 năm Trong kỷ băng hà cuối cùng này nhiều nơi của bắc bán cầu bị bao phủ trong băng và những dịng sơng băng Gần hết Canada, nhiều vùng phía Bắc Châu Á và Châu Âu, một vài vùng ở nước Mỹ cũng bị những dịng sơng băng bao phủ

• Dòng chảy tuyết tan

Dịng chảy tuyết tan vào các sơng: dịng chảy mặt từ tuyết và băng chảy theo nước mặt.:

Nếu bạn sống ở Florida hoặc French Riviera bạn thức giấc mỗi ngày và khơng thể khơng tự hỏi tuyết tan tham gia như thế nào vào chu trình nước Nhưng, trên tồn

bộ thế giới dịng chảy tuyết là phần chính của sự luân chuyển nước tồn cầu Trong thời kỳ mùa xuân ở những vùng khí hậu lạnh hơn, nhiều dịng chảy mặt và dịng chảy sơng ngịi xuất phát từ tuyết và băng Bên cạnh việc gây ra lũ lụt, tuyết tan nhanh cĩ thể gây ra sạt lở đất và dịng chảy bùn đá

Dịng chảy từ tuyết tan biến đổi theo mùa và theo năm So sánh các đỉnh lũ giữa trận lũ lớn trong năm 2000 và trận lũ nhỏ hơn nhiều trong năm 2001, giống như cĩ một trận hạn hán lớn ảnh hưởng đến California trong năm 2001 Nhưng sự thiếu hụt nước là do nước được trữ trong băng vào mùa đơng ảnh hưởng đến tổng lượng nước các tháng cịn lại của năm Sự thiếu hụt nước cũng ảnh hưởng đến lượng nước trong các hồ tại hạ lưu, và sự thiếu hụt nước ở các hồ lại ảnh hưởng đến lượng nước tưới và nước cấp thành phố

3.1.4 Nước khí quyển

Nước được dự trữ trong khí quyển dưới dạng hơi, như những đám mây và độ

ẩm

Mặc dù khí quyển không là kho chứa khổng lồ của nước, nhưng nó là một “siêu

xa lộ” để luân chuyển nước khắp toàn cầu Trong khí quyển luôn luôn có nước: những đám mây là một dạng nhìn thấy được của nước khí quyển, nhưng thậm chí trong không khí trong cũng chứa đựng nước - những phần tử nước này quá nhỏ để có thể nhìn thấy được Thể tích nước trong khí quyển tại bất kỳ thời điểm nào vào khoảng 12.900 km3 Nếu tất cả lượng nước khí quyển rơi xuống cùng một lúc, nó có thể bao phủ khắp bề mặt trái đất với độ dày 2,5 cm

Sự ngưng tụ hơi nước là quá trình hơi nước trong không khí được chuyển sang thể nước lỏng Ngưng tụ hơi nước rất quan trọng đối với chu trình tuần hoàn nước bởi

vì nó hình thành nên các đám mây Những đám mây này có thể tạo ra mưa, nó là cách chính để nước quay trở lại trái đất Ngưng tụ hơi nước là quá trình ngược với bốc hơi nước

Sự ngưng tụ hơi nước trong không khí Thậm chí trên những bầu trời trong xanh không một gợn mây, thì nước vẫn tồn tại dưới hình thức hơi nước và những giọt nước li ti không thể nhìn thấy được Những phân tử nước kết hợp với những phân tử nhỏ bé của bụi, muối, khói trong khí quyển để hình thành nên các hạt nhân mây (giọt mây nhỏ, đám mây nhỏ), nó gia tăng khối lượng và phát triển thành những đám mây Khi những giọt nước kết hợp với nhau, gia tăng về kích thước, những đám mây có thể phát triển và mưa có thể xảy ra

3.1.4.1 Dòng hảy trong sông

Dòng chảy sông ngòi là sự di chuyển của nước trong lòng dẫn tự nhiên, như sông, suối, hoặc lạch nước

Một điều rất quan trọng khi nghiên cứu về sông ngòi là phải xem xét các lưu vực sông Một lưu vực sông là vùng mà tại đó tất cả nước rơi và tiêu thoát chảy theo cùng một dòng Lưu vực sông có thể chỉ nhỏ bằng một vết chân trên bùn hoặc đủ rộng

để bao phủ toàn bộ vùng thoát nước vào trong sông Mississippi ở đó nước chảy vào Vịnh Mexico Các lưu vực nhỏ hơn được chứa trong những lưu vực lớn hơn Các lưu vực sông rất quan trọng vì dòng chảy và chất lượng nước của một con sông chịu tác động của nhiều thứ, có ảnh hưởng của con người hay không có ảnh hưởng của con người, xuất hiện trong những vùng phía trên mặt cắt cửa ra của lưu vực

Dòng chảy sông ngòi luôn thay đổi từng ngày thậm chí từng phút Tất nhiên, mưa tác động chính tới dòng chảy trên các lưu vực Mưa rơi làm tăng mực nước sông,

và mực nước sông có thể tăng ngay cả khi mưa ở rất xa trên lưu vực sông Ghi nhớ rằng nước mưa rơi trên lưu vực cuối cùng phải chảy ra ở mặt cắt cuối lưu vực Độ lớn của sông phụ thuộc vào độ lớn của lưu vực Sông lớn có lưu vực sông rộng, sông nhỏ

có lưu vực sông nhỏ hơn Tương tự như vậy, sông có kích thước khác nhau tác động khác nhau lượng mưa rơi Trong các sông lớn mực nước lên xuống chậm hơn các sông nhỏ Trong lưu vực nhỏ, mực nước sông có thể lên xuống tính theo phút và giờ Những