phần 3 khí CFC ở tầng bình lưu (dịch)

Phần 3 của môn học liên quan đến câu chuyện của CFC và quá trình mà nó tạo ra một thảm họa môi trường. Phần này còn nhấn mạnh tầm quang trọng của khí quyển đến hoạt động của con người và sự tuyệt vời của sinh quyển đến những thay đổi trong bầu không khí.

PHẦN 3 CÂU CHUYỆN CỦA CFC VÀ OZON Ở TẦNG BÌNH LƯU

Phần 3 của môn học liên quan đến câu chuyện của CFC và quá trình mà nó tạo ra một thảm họa môitrường Phần này còn nhấn mạnh tầm quang trọng của khí quyển đến hoạt động của con người và sự tuyệtvời của "sinh quyển" đến những thay đổi trong bầu không khí

Trang 2: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHIẾU XẠ

Năng lượng trung bình từ mặt trời được đo trong không gian là (1366 ± 3) Wm-2 Do đó, đầu vào trungbình đến bầu không khí của chúng là 342 Wm-2

Như bầu không khí là có liên quan, về cơ bản tất cả nhận được từ mặt trời ở dạng bức xạ điện từ Từnguồn năng lượng khác như các nguồn nhiên liệu hóa thạch đốt hoặc chuyển từ ấm áp của trái đất, rất nhỏ

có thể được bỏ qua Ước tính trung bình của dòng điện Trái Đất đạt được là khá chính xác được biết đến tại(1366 ± 3) Wm-2, (điều này tương đương với hiệu suất khoảng 14100%, 100W bóng đèn hộ gia đình trênmột mét vuông) vuông góc với hướng của các photon Trên bề mặt hình cầu của Trái đất, năng lượng trungbình này đến 342W mỗi mét vuông của trung bình năng lượng bề mặt của Trái đất Bức xạ mặt trời, chínhxác hơn, bức xạ tia cực tím (bước sóng ít hơn nhiều 400nm), tất nhiên, vô cùng quan trọng đối với thànhphần hóa học của bầu khí quyển Nếu không có nó, không khí sẽ trơ và bất kỳ chất nào xuất hiện từ bề mặttrái đất sẽ không được gỡ bỏ bởi một trong hai phản ứng hóa học hoặc phân ly, dẫn đến nồng độ khí quyểntăng của nó và tác động môi trường liên quan Giá trị 1366 Wm-2 được gọi là hằng số năng lượng mặt trời,S

Trang 3: Bức xạ năng lượng mặt trời đầu vào khoảng 342 Wm-2 đến trong không gian có một phổtương tự như một vật đen của 5800K, mà đỉnh điểm vào khoảng 500nm Bức xạ được giảm phản xạ khíquyển và hấp thụ

Mặt trời hoạt động rất giống như một tản nhiệt vật đen tuyệt đối Đó là một đối tượng có khả năng hấpthụ và phát ra các photon của tất cả các bước sóng Quang phổ điện từ của nó sau chặt chẽ của vật đen tuyệtđối của nhiệt độ 5800 K Với độ lệch lớn nhất xảy ra ở các bước sóng rất ngắn 5800K chủ yếu là nhiệt độ bềmặt trung bình của mặt trời Cường độ đỉnh phát xạ được tìm thấy trong vùng nhìn thấy được gần 500 nm,

mà sẽ xảy ra để được gần với đỉnh cao đáp ứng thị giác tại 555nm Có thể mắt người có thể được nhìn thấytrong biểu đồ này, cả cường độ và hình dạng của quang phổ của bức xạ đến bề mặt trái đất được sửa đổi bởi

sự hấp thụ của tán xạ bởi một số loài trong khí quyển Trong số các vật liệu hấp thụ, cả hai O2 và O3 là nổibật trong các tia cực tím (UV) và có thể nhìn thấy được khu vực của quang phổ Khu vực cho thấy tổngthông lượng photon sẽ được bề mặt trái đất nếu khí quyển không hấp thụ ở tất cả Sự khác biệt giữa thônglượng đến trung bình 342Wm-2 và thông lượng khi đến bề mặt trái đất được chiếm bởi sự phản ánh, chủ yếu

là từ các đám mây nước và bình xịt khác

Trang 4: HẤP THỤ ÁNH SÁNG UV BỞI BẦU KHÍ QUYỂN ĐẾN KHÔNG GIAN

Các thành phần chính của bầu khí quyển Trái đất là O2, N2 và H2O Do đó, đầu tiên cần phải xem xét làmthế nào những loại có được dưới sự bức xạ của ánh sáng mặt trời

Hầu hết các bầu khí quyển chứa N2, O2, và hơi H2O Tỷ lệ của hai giá trị về cơ bản không đổi trongtầng đối lưu, tầng bình lưu và tầng giữa, trong khi nồng độ của hơi nước thay đổi theo không gian ba chiềukhác nhau, từ một phần nhỏ của một phần trăm đến khoảng bốn phần trăm của số phân tử mỗi đơn vị thểtích Mặc dù hầu hết các chất hóa học thú vị của khí quyển xảy ra giữa những không gian mà chỉ chiếm mộtphần nhỏ trong khí quyển (khối màu cam ở trên), cơ cấu vĩ mô của tầng khí quyển thấp và trung bình đượcđiều chỉnh bởi sự tương tác của O2 với ánh sáng mặt như sẽ được thực hiện trong thời gian ngắn

Để xem xét giá trị của phân tử khi bị tia cực tím và bức xạ có thể nhìn thấy, người ta có thể bắt đầubằng cách đơn giản nhìn vào các nguồn năng lượng phân ly của liên kết phân tử điển hình Trong trườnghợp của các phân tử hai nguyên tử, năng lượng phân ly liên kết bằng sự khác biệt trong sự hình thành của

XY và X + Y N2 có một trong những liên kết phân tử mạnh nhất gặp trong tự nhiên Năng lượng phân lyliên kết liên quan đến năng lượng tối thiểu photon (và do đó bước sóng liên quan với nó)cần thiết để sảnxuất các nguyên tử N: N2, 127nm hoặc ít hơn là cần thiết để phân tách N2 để N + N , giả định rằng không cóhàng rào ngăn cách quá trình phân ly đó có nghĩa là bước sóng ngắn hơn được yêu cầu cho phân ly Theophổ phát xạ mặt trời khi quan sát từ không gian, tương đối ít photon có bước sóng nhỏ hơn 127nm đến bầukhí quyển của Trái đất Mặt khác, có thể tách một bước sóng dài hơn lên đến 240nm Trong vùng phổ này,nhiều photon có sẵn hơn

Trang 5: ĐỊNH LUẬT HẤP THỤ BEER - LAMBERT

Định luật Beer-Lambert liên quan các phần của ánh sáng tới hấp thụ bởi vật thể

với chiều dài đường dẫn quang học thông qua vật thể bằng cách sử dụng một hệ số hấp thụ quang học hiệuquả

Sự thay đổi cường độ ánh sáng khi nó đi qua một chất khí có thể dễ dàng mô tả bởi các biểu hiện Lambert, dự đoán một giảm theo cấp số nhân trong cường độ với khoảng cách nếu nồng độ của các loài hấpthụ vẫn không đổi Lưu ý các đơn vị khác nhau được sử dụng để hấp thụ và cũng thực tế là sản phẩm (σ, khay) αcL là thứ nguyên.Trong phần này, chúng ta sẽ sử dụng phần hấp thụ chéo với các đơn vị cm2 (mỗiphân tử) như chúng ta thường sẽ sử dụng nồng độ với các đơn vị (phân tử) cm-3

Beer-Trang 6: SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG UV BỞI TẦNG KHÍ QUYỂN

N2, O2 và H2O tất cả đều hấp thụ mạnh ở khu vực xa quang phổ hấp thụ Tuy nhiên mạnh nhất của nóxảy ra trên một phạm vi của bức xạ quang phổ mặt trời thấp Chúng ta cần phải xem xét các phần của sự hấpthụ yếu ở các bước sóng dài hơn

Hấp thụ ánh sáng trong khí quyển thú vị vì ba lý do (1) Nó che chở động vật và thực vật từ các bướcsóng tia cực tím có hại, (2) nó làm nóng bầu không khí, (3) nó tạo ra lọai phản ứng cao

Để định lượng các quá trình hấp thụ , cần phải biết hấp thụ qua phần (hoặc tương đương, hệ số dập tắtphân tử , hoặc hệ số hấp thụ phân tử ) của mỗi phân tử và các sản phẩm phân ly kết quả nếu có Hiển thị ởđây là sự hấp thụ mặt cắt ngang cho O2 và H2O Điều đó N2 không được hiển thị, nhưng nó trở nên đáng kể

so với hai phân tử kia

chỉ dưới 150nm, mặc dù nó không phân tách cho đến 127nm hoặc ít hơn, như đã được ghi nhận Lưu ý, cácgiá trị (đơn vị) của phần hấp thụ cắt ngang Cao nhất là các thứ tự của 10-17cm2 Điều này được coi là mộtgiá trị rất cao cho một phân tử trong bầu khí quyển, mặc dù có thể có các nguyên tử lớn hơn nhiều sự hấpthụ cao điểm cắt hơn này Việc giải thích vật lý thiết yếu của sự hấp thụ mặt cắt ngang của 10-17cm2 là theomột photon tương ứng với một bước sóng đặc biệt, phân tử xuất hiện để có một diện tích bề mặt theo hướngtiếp cận các photon10-17cm2 diện tích bề mặt như vậy tương ứng với đường kính (4 x 10-17/π)0,5 = 35A , mà0lớn hơn đường kính va chạm của O2 nhiều lần Để đưa điều này vào quan điểm, hãy nhớ rằng I abs /I 0 =σCL,

nơi σ là sự hấp thụ phân tử có mặt cắt ngang ( cm-2 mỗi phân tử), c là nồng độ (mỗi phân tử cm-3) , và L là

chiều dài con đường qua đó hấp thụ xảy ra (cm) Trên mặt đất, O2 có nồng độ khoảng 5 x 1018 (mỗi phântử) cm-3 Như vậy hấp thụ 20%, L = 0,2/(10-17 x 5 x1018) = 0,004 cm Vì vậy, một lớp không khí chỉ 0,1 cmdày sẽ xuất hiện hoàn toàn “ vật đen” nếu phần hấp thụ cắt ngang của không khí trong có thể nhìn thấy là

10-17cm2 (chỉ có một phần nhỏ của ánh sáng kinh nghiệm exp[-(10-17 cm2 x 5 x 1018 cm-3 x 0,1 cm)] = 0,007

sẽ thâm nhập vào một lớp như vậy Tại một giá trị khác, để xem một đối tượng thông qua không khí là 1

km, chúng ta có thể nói rằng sự hấp thụ ánh sáng cần phải được tối thiểu ( không quá 10 % , ví dụ) Điều gì

cần được hấp thụ trong trường hợp này? Ở đây σ = 0,9/(5 x 1018 cm2 x 1000m x 100 cm/m) = 2 x 10-24 cm2.Những con số ở đây là tốt để ghi nhớ Đương nhiên, người ta phải xem xét rằng nồng độ của hầu hết cácloài hấp thụ trong khí quyển là được thực hiện của các cường độ ít hơn so với O2, và người ta cũng phải tínhđến sự thay đổi logarit áp lực với độ cao, có nghĩa là bất kỳ cho chiều dài đường hấp thụ trong không khítheo hướng thẳng đứng thường sẽ không có một sự tập trung liên tục

Cũng được hiển thị trên con số này là thông số: bức xạ quang phổ của mặt trời trực tiếp trên bầu khíquyển (nói ở độ cao 200 km ) trong các đơn vị tuyến tính Vì hầu hết các ánh sáng đến bầu khí quyển là nằm

ở các bước sóng dài hơn so với dải hấp thụ chính của O2 và H2O, một đại diện tốt hơn về ảnh hưởng của O2

và H2O trên quang phổ mặt trời là của một bản ghi/tuyến tính Này được đưa ra trên trang tiếp theo

Nó có thể được nhìn thấy rõ ràng rằng tại 150 nm hấp thụ mặt cắt ngang là rất lớn mà một con đường của O2

( trên mặt đất ) chỉ 1 mm là cần thiết để giảm cường độ bằng sự yếu tố điện tử (có nghĩa một yếu tố là2,72 ) Tại 240 nm, 9 km của O2 là cần thiết để đạt được cùng một yếu tố giảm

Nó là khá rõ ràng sau đó là do sự hấp thụ của O2 một mình, ánh sáng 150 nm không thể đạt được bề mặttrái đất Không khí sẽ được minh bạch tại 240 nm do sự hấp thụ của O2? Để trả lời câu hỏi này người ta sẽcần phải đưa vào tài khoản theo cấp số nhân thay đổi nồng độ O2 với độ cao như đã đề cập Một tính toán ví

dụ cho sau này áp suất không khí liên quan đến độ cao

Trang 8: ÁNH SÁNG TỚI BỀ MẶT CỦA TRÁI ĐẤT

Biểu đồ này cho thấy hấp thụ bức xạ của O2 tại khoảng cần thiết để loại bỏ mặt trời bức xạ chỉ trongmột khu vực hạn chế lên đến khoảng 260 nm (240 nm cắt phân ly của O2, đã đề cập, đề cập đến oK, nhiệt độkhác luôn luôn có một cái gọi là

“đuôi Boltzmann”, đó là do quá trình chuyển đổi từ các quần thể nhỏ mức vibrationally kích thích và có tácdụng mở rộng đột ngột oK, điểm cắt này phổ biến nhiều tại các hiện tượng vật lý Bạn sẽ thấy rằng một phầncủa phổ tương đối DNA cũng được vẽ Quang phổ này là một ước tính chủ quan về mức độ thiệt hại gây ratrong DNA khi tiếp xúc với các bước sóng khác nhau Để tính toán tổng DNA tương đối, người ta phải nhânphổ photon (màu cam) của quang phổ DNA tương đối Kể từ khi hai số lượng các khoảng chống tươngquan, tổng phổ DNA (đôi khi được gọi là quang phổ hành động DNA) sẽ có một đỉnh tương đối sắc nét.Theo các điều kiện nêu trên tổng DNA, nếu chỉ xem xét các bước sóng từ 310 nm và 305 nm, sẽ được nhiềuhơn thế nữa có thể được sửa chữa một cách an toàn bởi hầu hết các sinh vật sống Rõ ràng hấp thụ khác làcần thiết để bảo vệ sinh quyển trái đất Bảo vệ này được cung cấp bởi một không khí tương đối nhỏ cấuthành ozon

Trang 9: TẠI ĐỘ CAO NÀO UV BỊ HẤP THỤ MẠNH NHẤT?

Vectơ chỉ tốc độ biến thiên cực đại của một hàm thực theo hướng nào đó của nồng độ O2, dẫn đến sự hấpthụ các bước sóng khác nhau ở độ cao khác nhau

Trước đó nó đã lưu ý rằng bước sóng khác nhau sẽ được hấp thụ ở các mức giá

trị khác nhau trong bầu không khí phụ thuộc vào sự hấp thụ tương ứng cắt ngang của các vật thể tham gia vàtập trung của chúng Khi ánh sáng đi qua một môi trường hấp thụ, nó cũng được dự kiến cường độ ánh sángtăng theo cấp số nhân với khoảng cách theo định luật hấp thụ Beer-Lambert Tuy nhiên, điều này là hợp lệnếu nồng độ của các loại hấp thụ không phải là một hàm của khoảng cách Cho bầu không khí, nồng độ O2

tăng theo cấp số nhân với khoảng cách (từ không gian ) Điều này có những thú vị cho các vị trí hấp thụ tối

đa Trong hình ảnh trên ba tình huống được coi là ánh sáng đi qua một loạt các tấm hấp thụ có tăng nồng độ

cố định mặt cắt và độ dày Khi ánh sáng đi qua, lượng ánh sáng được hấp thụ ở mỗi sàn được tính toán Cóthể thấy rằng đối với một số trường hợp sự hấp thụ tối đa có thể xảy ra ở đâu đó ở giữa các ngăn xếp củatấm Điều này thường xảy ra trong khí quyển

Các thông tin cần thiết cho các tính toán hấp thụ trong không khí là (a) sự hấp thụ mặt cắt ngang củacác loài (b) thông lượng năng lượng mặt trời đầu tiên bên ngoài bầu khí quyển (b) sự tập trung cao độ nhưmột chức năng

Trang 10:

Để tính ra lượng ánh sáng (hoặc số lượng photon trong trường hợp này) hấp thụ bởi khí quyển, bamục thông tin được yêu cầu (1) sự hấp thụ mặt cắt ngang như một hàm của bước sóng (2) cường độ ánhsáng ban đầu như là một hàm của bước sóng (3) nồng độ của các loài hấp thụ như một hàm của khoảng cách(cho điều này, chúng tôi cũng giả định một T liên tục của 250 K) Nó cũng là thuận tiện hơn để đơn giản hóaphần hấp thụ thấp dữ liệu và thông lượng photon như được chỉ ra bởi các đường màu đỏ Trong thực tế điềunày có nghĩa là có một bảng hấp thụ các giá trị cắt ngang để nói mỗi nm và tương tự cho các dòng photon

Trang 11: TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG QUANG PHÂN

Tốc độ quang phân của bất kỳ phân tử trong khí quyển có thể được tính bằng cách tích hợp các sảnphẩm của dòng sự cố, các quang phân cắt trong thực tế điều này là không bao giờ thực hiện

F(λ): sự cố thông tím

[(photon) trên một đơn vị diện tích cho một đơn vị thời gian trên một đơn vị bước sóng khoảng thờigian)]

σ(λ): sự hấp thụ phân tử có mặt cắt ngang

[đơn vị diện tích mỗi phân tử)]

ϕ(λ): năng suất lượng tử cho hình ảnh phân ly

[ thứ nguyên]

Trong thực tế, hội nhập số được thực hiện kể từ khi chức năng phân tích cho F, σ và ϕ không tồn tại

Tỷ lệ hấp thụ của các photon ở bất kỳ độ cao nào đó có thể được tính bằng cách tích hợp nêu trên Lưu

ý rằng đó cũng là một yếu tố mà sẽ đưa vào tài khoản mà không phải tất cả photon bị hấp thụ dẫn đến hìnhảnh phân ly, điều này được gọi là hiệu suất lượng tử Để thực hiện một tích hợp một cần phải biết các chứcnăng khác nhau và sau đó có thể tích hợp chúng Này thường không thể và hội nhập số được thực hiện như

mô tả trong hộp thấp hơn Ở đây F(λ), σ(λ) và Φ(λ) được lấy từ bảng Các đơn vị của tốc độ quang phân là(phân tử) s Cho hội nhập số duy nhất phải xem xét một loạt bước sóng có liên quan tương ứng với phạm vihơn mà hình ảnh phân ly có thể xảy ra và phạm vi đó có một dòng tím tương đối cao

Trang 12: SỐ LƯỢNG PHOTON HẤP THỤ BỞI O 2

O2 được quang phân cho nguyên tử nguyên tử ở độ cao khác nhau do bước sóng phụ thuộc của sự hấpthụ (hoặc quang phân) của mặt cắt ngang

Nếu chúng ta thực hiện các tính toán tương tự cho mỗi bước sóng, các hấp thụ sau thu được Ở đây, như

dự kiến, bước sóng dài hơn, tương ứng với sự hấp thụ thấp hơn mặt cắt ngang của O2, xuyên qua bầu khíquyển nhiều hơn so với làm các bước sóng ngắn hơn Cũng lưu ý rằng absorptions đỉnh cao lớn hơn nhiềuquá Điều này là do thông tím ban đầu tăng theo bước sóng

Kể từ khi một photon sản xuất hai nguyên tử O, tốc độ sản xuất của các nguyên tử O của quá trình này

là gấp đôi tốc độ quang phân O2

Trang 13: SỰ PHÂN LY CỦA O NGUYÊN TỬ TRONG KHÍ QUYểN

Được biết, đến nay là quá trình mất chính cho nguyên tử oxy trong khí quyển là phản ứng với oxy phân

tử Phản ứng này được biết để sản xuất ozon Vì vậy, một quá trình trong khí quyển sản xuất nguyên tử oxycũng sẽ sản xuất ozon

Được biết, O nguyên tử phản ứng rất nhanh chóng với O2 trong suốt khí quyển Một vụ va chạm giữahai loài cùng có phản ứng không phải lúc nào dẫn đến phản ứng hóa học Điều này có thể xảy ra vì nhiều lý

do sẽ được giải thích sau Tại 20 km , khoảng một trong mười ngàn va chạm dẫn đến phản ứng Từ O2 cónồng độ lớn hơn bất kỳ loài khác có phản ứng nhanh chóng với O nguyên tử đó là ngay lập tức rõ ràng rằngđiều này phải là con đường mất O nguyên tử lớn trong việc miêu tả khí quyển Phản ứng hơn mườingàn lần trên xuất hiện tại cái nhìn đầu tiên là khá phức tạp Đây là phiên bản của riêng tôi đại diện cho cácphản ứng hóa học cho khóa học này, nhưng nó có chứa nhiều thông tin rằng sẽ làm cho mỗi quá trình dễdàng hơn để đánh giá cao Phiên bản đơn giản hóa được tìm thấy trong gần như tất cả các văn bản được đưa

ra trong hộp màu da cam Bạn nên sử dụng phiên bản sau này khi viết ra công thức

Trang 14: NỒNG ĐỘ TRẠNG THÁI GẦN ỔN ĐỊNH

Nồng độ của nhiều loài sản xuất bởi phản ứng quang hóa trong khí quyển là trong gần như trạng thái

ổn định Điều này có nghĩa rằng một tình huống cân bằng nhanh chóng đạt được giữa tốc độ sản xuất củacác loài và tỷ lệ loại bỏ Thời gian thực hiện để đạt được một bán trạng thái ổn định mới được xác định bởi

tỷ lệ loại bỏ

Cho sự quang phân và cho hầu hết các phản ứng hóa học xảy ra trong khí quyển, tốc độ mất của mộtloài là tỷ lệ thuận với nồng độ của nó Điều này tương tự với tỷ lệ rò rỉ nước từ một lỗ ở dưới cùng củathùng mà tỷ lệ rò rỉ là tỷ lệ thuận với chiều cao của nước trong xô Cung cấp nước không tràn đầu sau đócuối cùng tỷ lệ rò rỉ sẽ tương đương với tỷ lệ đầu vào qua vòi nước và mực nước sẽ không thay đổi Nêngiảm tỷ lệ đầu vào, sau đó như vậy sẽ cấp nước, một lần nữa cho đến khi một mức độ trạng thái ổn định đạtđược Đây là tỷ lệ tương tự như dòng chảy của nước từ xô, nhưng hằng số tốc độ tương tự như kích thướccủa lỗ ở dưới cùng của thùng Nó là hằng số tốc độ cho quá trình giảm xác định như thế nào một cách nhanhchóng nồng độ bán trạng thái ổn định mới được thiết lập nếu một tỷ lệ đầu vào thay đổi Nhiều gốc tự quantrọng trong khí quyển có mặt ở nồng độ rất thấp Chúng ta không nên, tuy nhiên, bị lừa bởi điều này vì nó

có thể chỉ đơn giản có nghĩa là các loài trong câu hỏi được lấy ra rất nhanh chóng bởi một số quá trình phảnứng quang phân hoặc: nó không phải là mực nước trong thùng đó có tầm quan trọng nhưng tỷ lệ nước chảyqua các thùng đó có tầm quan trọng

Trang 15: SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁ HỦY OZONE

Sản xuất ôzôasn trong tầng bình lưu sau một cơ chế tương đối đơn giản và không thể tránhkhỏi trong một bầu không khí giàu O2 chiếu sáng bởi bước sóng ngắn hơn 240 nm Như bạn

đã thấy từ các trang trước, oxy phân tử hấp thụ bức xạ tia cực tím và bức xạ dưới 240 nm là

đủ năng lượng để tách nó đến các bộ phận nguyên tử của nó Bởi đến nay , hầu hết cácnguyên tử Oxi tạo ra bởi quá trình phản ứng với O2 Trong thực tế, Oxi nguyên tử phản ứngvới một số loài khác nữa (bao gồm cả với O3) , nhưng sự tập trung lớn của O2 so với chấtphản ứng tiềm năng khác đảm bảo rằng Oxi nguyên tử va chạm ( và phản ứng xảy ra) với O2

tại một tần số nhất định của cường độ lớn hơn với thành phần khí quyển nhỏ khác Các sảnphẩm của phản ứng này là O3 Bạn sẽ nhận thấy rằng phản ứng O + O2 cũng đòi hỏi một đốitác va chạm thứ ba , M Điều này đại diện cho bất kỳ thành phần khí quyển, có thể lấy đinăng lượng rung động dư thừa thông qua va chạm với ban đầu hình thành , kích thích rungđộng phân tử O3 Nếu thêm va chạm này không xảy ra , sau đó các phân tử O3 kích thíchrung động chỉ đơn giản là tái phân tách ra để O + O2 Tái phân ly tương đương với không cóphản ứng

Khi ozon được hình thành , nó cũng phân ly do tương tác với bức xạ tia cực tím, và cácnguyên tử Oxi được hình thành trong quá trình này một lần nữa phản ứng với O2 để tạo raozon ( một cái gọi là " vô giá trị" quá trình ) Cuối cùng, một phản ứng nhỏ giữa Oxi nguyên

tử và O3 có thể xảy ra mà các hình thức 2O2

Cơ chế đơn giản này đã được mô tả đầu tiên của một nhà toán học người Anh, SydneyChapman , và từ đó được gọi là cơ chế Chapman Nó được sử dụng để dự đoán nồng độ O3

như một chức năng của độ cao ở những nơi khác nhau trên thế giới Khi , năm sau, những dựđoán được so sánh với các phép đo , một sự khác biệt phù hợp và rõ ràng đã được tìm thấy cả

ở nồng độ cao điểm và trong hồ sơ cá nhân của ozon như một chức năng của độ cao Tuynhiên mô hình này vẫn là cốt lõi của O3 hóa học trong tầng bình lưu Do sự hấp thụ mạnh mẽcủa O2 và O3 với bức xạ tia cực tím cơ chế Chapman làm phát ozon chỉ ở độ cao vài km trên

bề mặt trái đất - thấy sau này Thật thú vị khi nhìn vào thời gian đặc trưng gắn liền với quátrình khác nhau của cơ chế Chapman Sự kết hợp của các giá trị của sự hấp thụ mặt cắtngang cho O2 và thông lượng photon tương đối thấp dưới 240 nm có nghĩa là tỷ lệ hình ảnhphân ly của O2 là khá chậm Nếu không có cơ chế để tái tạo O2, sau đó nó sẽ giảm theoquãng thời gian từ vài nghìn năm (sử dụng giá trị 27 km photon thông lượng) Ở cuối đốidiện của quy mô là đời trung bình của các nguyên tử Oxi , mà là một phần nhỏ của một giây.Điều này có nghĩa là vào lúc hoàng hôn , nồng độ Oxi nguyên tử rơi ngay lập tức để không ,trong đó, lần lượt, có nghĩa là ozone không thể được sản xuất Theo cơ chế Chapman , tỷ lệtổn thất của ozone được xác định chỉ bởi sự hiện diện của Oxi- nguyên tử và ánh sáng tia cựctím Như vậy, trong buổi tối, không nên có loại bỏ các O3 Trong thực tế, như bạn sẽ thấy saunày, đây không phải là trường hợp , và O3 không thực sự hiển thị một số sự thay đổi trongnồng độ giữa ngày và đêm

Trang 16:

PHÂN PHỐI TOÀN CẦU HÀNG THÁNG CỦA OZONE TRONG TẦNG BÌNH LƯU

Tuổi thọ trung bình dài cho O2 có nghĩa là phân phối toàn cầu của nó bị chi phối bởi cả thônglượng bức xạ tia cực tím đến và bằng các chuyển động toàn cầu của khối không khí Kết quả

là nồng độ ozone có lớn hơn, hoặc đúng hơn, mật độ cột, xung quanh phía bắc và phía nam vĩ

độ trung bình hơn trên các vùng nhiệt đới, nơi mà hầu hết O3 được tạo ra

Trang 17: CHU TRÌNH CHAPMAN

Làm thế nào chúng ta có thể xác định nồng độ O3 như một chức năng của độ cao? Trước tiênhãy xem liệu chúng ta có thể ước tính tốc độ của các quá trình khác nhau

Từ quá trình 1, tỷ lệ sản xuất nguyên tử Oxi là 3.6 x 107 cm-3 s-1 Điều này cần được xem xéttối đa như sự hiện diện của O3 ở độ cao cao hơn sẽ hấp thụ ánh sáng và giảm tỷ lệ quang phân

O2

Trang 18: TUỔI THỌ HÓA HỌC CỦA O 3 DO O + O 3 → 2O 2

Dưới đây là một ví dụ về tính toán tuổi thọ của O3 do việc loại bỏ bởi Oxi nguyên tử Nhớrằng mặc dù mức độ ozone trung bình vẫn còn hợp lý không đổi, do đó tốc độ sản xuất của

O3 qua O2 sự quang phải bằng tỷ lệ loại bỏ ozone bằng phản ứng với các nguyên tử Oxi (giả

sử chỉ có cơ chế Chapman là tác) Cũng lưu ý rằng tỷ lệ loại bỏ O2 bằng hình ảnh phân lyphải bằng tốc độ hình thành của O3 bởi quá trình tương tự, tuy nhiên, điều này không cónghĩa là thời gian đặc trưng cho O2 và O3 là như nhau (so sánh 5000 năm cho O2 9 năm cho

O3) là nồng độ của họ là khác nhau

Trang 19: SỰ HẤP THỤ O 3 TRONG VÙNG UV

Như với oxy phân tử , ozone hấp thụ rất mạnh trong vùng phổ tia cực tím Quan trọng đối vớisinh quyển , quang phổ hấp thụ của O3 khác so với O2 ở chỗ nó mở rộng xa vào các tia cựctím gần ( gần khu vực có thể nhìn thấy , đó là) , khoảng 100 nm ngoài điểm cắt ( 240 nm) của

O2 Có hay không này có bất kỳ ảnh hưởng đến bầu không khí phụ thuộc vào nồng độ O3

Cơ chế Chapman dự đoán rằng nồng độ đáng kể O3 sẽ được hình thành chỉ khoảng 10 đến 40

km trên bề mặt trái đất Một hồ sơ điển hình của ozone được đưa ra trong hình trên, nhưng

vẽ trong hai thời trang khác nhau Hồ sơ cá nhân thấp nhất cho nồng độ ozone trong khi hồ

sơ cá nhân trên cho tỷ lệ khối lượng trộn trong ppm ( phần triệu) Đó là, các phần nhỏ củatổng số phân tử trong không khí như của O3 nhân một triệu Hồ sơ này sau đỉnh cao hơn sovới trước đây do áp suất không khí giảm nhanh chóng với độ cao ngày càng tăng Nếu tất cảcác ozone trong khí quyển được nén với áp suất khí quyển thành một lớp mỏng xung quanhTrái Đất , sau đó độ dày của tầng ozone tinh khiết ( ở áp suất khí quyển và 273 K) sẽ chỉ có 3

mm Khái niệm này , trong một cảm giác , được sử dụng khi đề cập đến nồng độ ozone Đốivới nhiều vấn đề môi trường , và đặc biệt là khi xem xét truyền ánh sáng , tổng số tiền củaozone trên là quan trọng nhất chứ không phải là hồ sơ chính xác theo chiều dọc của nó và, bấtngờ , trước đây là dễ dàng hơn nhiều để xác định Các đơn vị đo mật độ cột ozone là đơn vịDobson Một đơn vị Dobson có nghĩa là một lượng ozone trên không có nghĩa là tươngđương với độ dày của tầng ozone tinh khiết ở áp suất khí quyển ( ở 273 K) 0,01 mm Nhưvậy, mật độ cột điển hình cho tầng ozone trên toàn thế giới là 300 đơn vị Dobson ( DU )

Ví dụ, người ta có thể nhanh chóng xác định hiệu quả trên sự hấp thụ O3 trên ánh sáng ở bướcsóng , nói, 260 nm sử dụng luật Beer-Lambert của ITR / Io = exp ( - σ CL ) Đây σ là sựhấp thu mặt cắt ngang của ozone ở 260 nm , đó là 1 x 10-17 cm 2 ; c là nồng độozone Đối với điều này chúng ta có thể sử dụng ozone tinh khiết ở áp suất khí quyển ( và

273 K) Điều này cung cấp cho khoảng 2,7 x 1019 phân tử cm -3 ( bằng cách sử dụng pháp luật

lý tưởng khí ) L là chiều dài con đường Vì chúng ta có (nhân tạo) nén khí , chiều dài conđường hiện nay chỉ có 3 mm ( 300 DU ) Thay thế các giá trị vào phương trình trên dẫn đếnITR / Io = 6,6 x 10-36 Do đó ánh sáng ở 240 nm được giảm đáng kể để có hiệu quả khôngbởi sự hiện diện của O3

Trang 20:

Hầu hết mọi người liên kết với ozone bảo vệ tia cực tím, nhưng một hậu quả vô cùng quantrọng của sự hiện diện của ozone là sự hình thành của tầng bình lưu Đó là do sự hấp thụmạnh mẽ của ozone mà nhiệt độ không khí bắt đầu ấm trên khoảng 20 km Làm mát xảy ramột lần nữa trên tầng ozone rộng sau khi khoảng 50 km Do đó cả 20 km và 50 km một sựđảo ngược trong xu hướng nhiệt độ xảy ra Những đảo chiều một cách hiệu quả phân vùngkhí quyển thấp hơn thành ba khu vực riêng biệt , tầng đối lưu , tầng bình lưu, và tầng giữa

Do đó, cấu trúc vĩ mô của không khí thấp hơn giữa phát sinh một cách tự nhiên từ sự tươngtác của ánh sáng tia cực tím từ mặt trời và oxy phân tử , dẫn đến sự hình thành của tầngozone Lưu ý rằng, hiệu ứng nhiệt trên bầu khí quyển sau chặt chẽ tỷ lệ pha trộn của tầngozone hơn là nồng độ của nó do sự thay đổi nhanh chóng trong mật độ không khí xung quanh

đó đã được đun nóng (nghĩa là nhiệt dung của không khí giảm dần theo độ cao ngày càngtăng, đòi hỏi ít ozone để tạo ra một sự thay đổi nhiệt độ cho trước )

Trang 21: ÁNH SÁNG TỚI BỀ MẶT TRÁI ĐẤT

Ảnh hưởng của số lượng tương đối nhỏ của ozone trên ánh sáng tới bề mặt của Trái đất là rấtlớn Quang phổ mặt trời đạt bầu khí quyển của Trái đất trông giống như những gì thể hiệntrong hình màu vàng Sự hiện diện của O2 đảm bảo rằng bước sóng ngắn hơn 250 nm khôngthâm nhập bầu khí quyển (màu cam) Nhưng điều này là không đủ cho các sinh vật sống bởi

vì tổn thương DNA đáng kể bắt đầu từ khoảng 305 nm Việc bổ sung các ozone để các khốikhông khí tất cả các bước sóng dưới đây về 300 nm (màu nâu) Quan trọng , mặc dù thay đổinhỏ trong nồng độ O3 (màu xám) có ảnh hưởng tương đối lớn về thiệt hại cho DNA và sinhhọc phân tử khác do sự gia tăng mạnh mẽ trong phổ thiệt hại của họ ở các bước sóng ngắnhơn 300 nm Vì vậy, bất kỳ quá trình đó có thể làm giảm nồng độ ozone trong tầng bình lưu

có khả năng ảnh hưởng nghiêm trọng hệ sinh thái của Trái đất Điều này đã thực sự quan sátthấy do cuộc tìm kiếm để tìm thấy lạnh ít độc hại dẫn đến sự phát triển của chloro-fluoro-carbon (CFC)

Trang 22: CHẤT LÀM LẠNH “AN TOÀN”: NHỮNG NĂM ĐẦU

Câu chuyện của CFC bắt đầu khoảng một trăm hai mươi năm trước đây tại Bỉ với một nhàhóa học có tên là Frederic Swarts người phát hiện ra một kỹ thuật xúc tác để thay thế tráiphiếu C- Cl với trái phiếu CF trong các hydrocacbon clo Vào thời điểm đó , Swarts là trongmột lĩnh vực rất đặc biệt, chỉ với một bàn tay đầy đủ của các nhà nghiên cứu trên thế giới làmviệc về chủ đề này Tác phẩm của ông bắt đầu nhận được sự chú ý trong những năm haimươi khi cực kỳ sáng tạo Thomas Midgley làm việc như là một phần của sự hợp tác giữaFridigaire ( thuộc sở hữu của General Motors) và DuPont để phát triển giải pháp thay thế antoàn hơn để các chất làm lạnh độc hại và ăn mòn (ví dụ NH3) hiện có tại thời điểm Hydrocarbon flo xuất hiện là ứng cử viên cho việc này Thay thế một hydro với iốt , brôm,clo hoặc không phải là quá khó khăn và hydrocarbon sửa đổi như vậy thường được tìm thấytrong tự nhiên Tuy nhiên , cách đặt một nguyên tử flo vào một hydrocarbon ( bằng cách loại

bỏ một H hoặc halogen khác) có phần khó khăn hơn Vì vậy, thách thức trong thực tế là nóxảy ra rất hiếm khi trong tự nhiên, như vậy mà gần như tất cả các hydrocacbon flo giờ tìm

Midgley và nhóm của ông đã sử dụng một kỹ thuật tương tự như của swats và thực hiện mộtlượng hữu ích của dichlorodifluoro metan , được gọi là R-12 , CFC-12 , hoặc Freon 12, đượcchứng minh là lý tưởng : đó là trơ, không độc hại , không ăn mòn và đã tính chất nhiệt tốt đểđược sử dụng như một chất làm lạnh

Trang 23:

Midgley và đồng nghiệp của mình ngay sau đó R-12 do lạnh hữu ích khác , và tất cả mọi thứ

Trong năm 1970 một nhà khoa học sáng tạo, James Lovelock , phát triển một máy dò đó là ítnhất một triệu lần nhạy cảm hơn trước dò để phát hiện các hydrocarbon halogen hóa Cácmáy dò điện tử chụp được sử dụng để phát hiện nồng độ trichlorotrifluoroethane Lovelocknhận thấy rằng CFC-113 đã được phát hiện luôn luôn ở về cùng một nồng độ gần nhà củaông trên bờ biển phía tây của Ai-len Một trong những công cụ của mình sau đó đã đượcthực hiện cùng trên tàu RV nghiên cứu Schackleton trên một hành trình từ Anh tới Nam Cực.Các kết quả của các phép đo cho thấy nồng độ CFC-113 dường như là cực kỳ không đổi trêntoàn thế giới , mặc dù có một số biến thể trong vĩ độ Một ước tính nhanh tổng số CFC-113trong khí quyển cho thấy nó đã được về bình đẳng cho tất cả các CFC-113 đã được sản xuấtcho đến nay Nó dường như không được loại bỏ khỏi bầu khí quyển

Trang 24: TẠI SAO CHẤT CFC LẠI BỀN VỀ MẶT HÓA HỌC?

Phá hủy các hydrocarbon trong khí quyển xảy ra chiếm ưu thế ở bằng phản ứng với OH , cónồng độ ban ngày trong tầng đối lưu thấp 106 gốc cm -3 nhiều Hydrocarbon phản ứng chậmnhất của tất cả các khí mê-tan trên tài khoản của C-H cao trái phiếu năng lượng phân ly của

nó so với các hydrocacbon khác Trên thực tế có một rào cản đối với phản ứng này ( và vớihầu hết các phản ứng khác giữa OH và ankan ) mà quyết định hằng số tốc độ phản ứng và sựphụ thuộc nhiệt độ của nó Trong thuật ngữ đơn giản , chiều cao rào cản có thể được liênquan đến một sự kết hợp của sức mạnh trái phiếu và sự khác biệt về năng lượng giữa chấtphản ứng và sản phẩm Nói chung, trái phiếu C-H là yếu hơn so với trái phiếu CF , mà còn làsản phẩm của phản ứng của ankan với OH có năng lượng thấp hơn so với các đối tác halogenhóa của họ Kết quả là một phản ứng rất chậm cho ankan flo Mặt khác trái phiếu C- Cl làyếu hơn so với trái phiếu C-H , nhưng quan trọng các sản phẩm cũng có năng lượng cao hơn.Các sản phẩm năng lượng cao hơn bù lại nhiều hơn cho trái phiếu yếu dẫn đến một rào cảnlớn cho các phản ứng trừu tượng Cl hơn cho H phản ứng trừu tượng và do đó một phản ứngchậm hơn trước đây Như vậy, tetrachloromethane là khoảng mười lần ít phản ứng đối với

OH hơn là mê-tan ở nhiệt độ phòng Tetrafluoromethane là khoảng ba ngàn lần ít phản ứng ởnhiệt độ phòng đối với OH hơn là mê-tan Những sự khác biệt trở nên lớn hơn khi nhiệt độgiảm

Trang 25: DÃY THỜI GIAN SỐNG VÀ PHẠM VI KHÔNG GIAN CỦA CÁC KHÍ

TRONG KHÍ QUYỂN

Nó chỉ ra rằng nhóm CFC là một trong những nhóm khách dài nhất của loài phát ra từ bề mặttrái đất Cuộc đời của mình nói chung là đủ dài để cho phép trộn gần như hoàn toàn trongkhông khí thấp hơn và do đó bất kỳ ảnh hưởng của chúng đối với bầu khí quyển sẽ được toàncầu chứ không phải khu vực

Trang 26: SỰ TẠO THÀNH VÀ PHÁ HỦY OZONE

Cơ chế Chapman luôn quá dự đoán nồng độ O3, nhưng đó không phải là lần đầu tiên rõ ràng

lý do tại sao điều này cần được vì không có các loài khác tập trung đủ cao có thể ảnh hưởngnghiêm trọng nó Câu trả lời cho câu đố này đã được tìm thấy bởi Paul Crutzen, một nhà khoahọc Hà Lan làm việc vào thời gian đó tại Oxford Crutzen đề xuất rằng nồng độ cao của mộtđồng chất phản ứng là không cần thiết nếu một quá trình xúc tác là tác có hiệu quả tái sinhđồng chất phản ứng Ông đề xuất rằng các phân tử NO phản ứng với O3 để sản xuất NO2 Các

NO2 để hình thành sau đó phản ứng với Oxi để cải cách NO Vì vậy, một tuyến đường hủy

Cần phải nhấn mạnh ở đây là giới thiệu của một quá trình tiêu hủy xúc tác cho O3 không cónghĩa là nhất thiết phải là sự tập trung của O3 sẽ được giảm xuống bằng không Nó có nghĩa

là trạng thái ổn định nồng độ O3 (phát sinh từ một sự cân bằng cuối cùng của tuyến đường sảnxuất và tiêu hủy) sẽ giảm

Trang 27:

Nó đã được chỉ sau khi công bố bởi Lovelock vào nồng độ khí quyển của CFC-113 , màJames Sherwood Rowland và nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ của mình, Mario Molina , bắtđầu suy nghĩ về những tác động có thể có của chất CFC trên tầng ozone của Trái đất Vàonăm 1974 họ xuất bản một bài báo cho thấy một chu kỳ có thể xúc tác cho sự tàn phá củaozone (ngoài quá trình NO/NO2 ), lần này liên quan đến các nguyên tử Cl , và do đó , lần đầu

Đối với cơ chế xúc tác này, phản ứng của Cl với O3 quả trong việc hình thành ClO gốc, cóphản ứng với các nguyên tử O để cải cách Cl Như bạn sẽ thấy trong các trang sau đó, hiệuquả của quá trình này phụ thuộc vào sự hiện diện của nồng độ thích hợp của các nguyên tử

O Từ O nguyên tử được hình thành bởi tia UV bước sóng ngắn , họ phong phú hơn trongtầng bình lưu trên chứ không phải là trong tầng bình lưu giữa thấp hơn, nơi tập trung cao nhấtcủa ozone được tìm thấy Như một hệ quả , chu kỳ này không phải là chu kỳ Cl hiệu quả nhất

để loại bỏ O3 - mặc dù nó đang ở trong tầng bình lưu cao Chu kỳ Cl hiệu quả hơn ( cho sau )

ở độ cao thấp vẫn còn , tuy nhiên, liên quan đến Cl và ClO

Trang 29:

Vì vậy, cơ chế phá hủy tầng ozon đã cho thấy có sự tham gia của nguyên tử Cl, mà nguyên tử

Cl dễ dàng được sinh ra từ CFCs ở tầng bình lưu và tầng ozon

Trang 30:TẦNG BÌNH LƯU: CỬA SỔ CƠ HỘI CHO Cl

Ta có thể thấy hầu hết CFCs có chỉ số hấp thụ lớn ở vùng phổ UV xa, đó là vùng mà thônglượng ánh sáng gần như bằng không khi đến mặt đất Nhưng nếu ở độ cao thích hợp (ở đóozon tồn tại), một vùng không gian nhỏ của cửa sổ khí quyển ở tầng bình lưu, một lượngnhỏ khí O3 sẽ hấp thụ (trước khi khí O2 bắt đầu hấp thụ mạnh) một lượng đáng kể ánh sáng

ở vùng ánh sáng có bước sóng 200nm được giữ lại ở khoảng giữa tầng bình lưu, gần vớipeak nồng độ ozon Điều này có thể thấy ở sự quang li của CFCs và nguyên tử Cl Nguyên

tử F không được sinh ra ở vùng bước sóng này bởi vì liên kết C – F chỉ được phân cắt ởvùng có bước sóng ngắn hơn Trong mọi trường hợp, đều cho thấy nguyên tử F không ảnhhưởng đến sự phá hủy tầng ozon

Khi so sánh mức độ ảnh hưởng của O3 và O2 đến sự hấp thụ ánh sáng ở các vùng bước sóngkhác cần nhớ rằng nồng độ O2 ở 30km là khoảng 1*1017 cm-3, còn O3 chỉ khoảng 2-3*1012

cm-3.Tỉ lệ này là rất lớn và O2 lại ở độ cao cao hơn , như vậy có thể khẳng định sự giảmcường độ ánh sáng ở bước sóng ngắn hơn 200 nm là do sự hấp thụ của O2 chứ không phải

O3, mặc dù O3 có khă năng hấp thụ ánh sáng mạnh hơn O2 ở 200 nm

Trang 31: TẦNG BÌNH LƯU: CỬA SỔ Ở 205nm

Sự thay đổi lớn số lượng photon ở “cửa sổ khí quyển” quanh vùng 205 nm được minh họatrong hình trên Chú ý cột đứng biểu thị thông lượng photon của ánh sáng mặt trời (cm-2s-

1nm-1) Ở độ cao 20 km, cường độ peak ở 205-nm là 3*107 photons cm-2s-1nm-1 (từ 204-206

nm, độ rộng của peak 3 nm) và thông lượng ánh sáng là quá nhỏ Bây giờ bàn về chỉ số hấpthu của CCl4 CCl4 có chỉ số hấp thụ ở vùng 204 – 206 nm là một hằng số 1*10-18 cm2 /phân tử Chúng ta cũng giả sử rằng mỗi phân tử photon hấp thụ sẽ đưa đến sự phân cắt,…,nghĩa là hiệu suất lượng tử quá trình sản sinh Cl tỉ lệ thuận Trong trường hợp này, tỉ lệphân cắt , J, của CCl4 ở 20 km là khoảng 3nm*3*107 photon cm-2s-1nm-1 * 1*10-18cm2/phân

tử Tương đương với 9*10-11 s-1 photon/phân tử Vì photons và phân tử không phải là đơn vị

IS, vì vậy có thể bỏ qua, chuyển về dạng đơn giản hơn là 9*10-11 s-1 Mặt khác, tỉ lệ phânhủy CCl4 bằng cách phân cắt nó ở 20 km là d[CCl4]/dt = -J Giải công thức này, ta được[CCl4]t = 0exp(-Jt) Thời gian để nồng độ của CCl4 đạt 1/e(1/2.72) so với ban đầu là 1/J.Quá trình này được gọi là 1 chu kì của quá trính quang phân (vòng đời) Ở 20 km, vòng đờicủa quá trình quang phân 1/(9*10-11)s = 352 năm Nếu tính toán tương tự vậy ở độ cao 30

km (hình vẽ) ta thấy vòng đời (lifetime) chỉ có 1 tháng Ở đây cần chú ý, vòng đời khôngtính thời gian phân hủy hoàn toàn phân tử trong khí quyển Hơn 99% phân tử sẽ bị phânhủy sau khi qua 5 vòng đời {(1/2.72)5=0,0067}, với điều kiện không được bổ sung cácphân tử mới Hiện tai, việc đánh giá chính xác vòng đời (thời gian sống) của CFCs trongtầng bình lưu là rất khó khăn vì tốc độ phân hủy thay đổi rât nhanh so với bước sóng và độcao Vì vậy, cần lượng thông tin rất chi tiết về tính chất riêng của CFCs cũng như thông tintính toán chính xác về sự thay đổi khối lượng không khí toàn cầu

Trang 32: HẠN CHẾ CÁC CHU TRÌNH XÚC TÁC

Tất cả quá trình phân hủy có xúc tác xảy ra ở khí quyển là giới hạn Ví dụ trong trường hợpchu kì của Cl/ClO , phản ứng của các nguyên tử Cl với CH4 và các gốc tự do ClO với NO2

tạo thành các phân tử tương đối ít hoạt động và làm cho quá trình tái sinh nguyên tử Cl làchậm Metan là hidrocacbon duy nhất với thời gian vòng đời đủ dài để nó đi vào tầng bìnhlưu với nồng độ đáng kể Mặt khác, NO2 cũng được sinh ra tại chỗ chủ yếu do quá trìnhquang hóa từ phân tử N2O trơ

Trang 33: CÁC CHU TRÌNH PHÁ HỦY O 3 TRONG TẦNG BÌNH LƯU

Quá trình bị khống chế do sự tái sinh nguyên tử Cl sau khi hình thành ClO phụ thuộc vào

độ cao, như đã đề cập phần trước Gốc tự do HO2 có mối liên hệ gần gũi với các gốc tự do

OH, ví dụ như OH dễ dàng bị oxi hóa thành HO2 và HO2 lại dễ dàng bị khử thành OH.Trong khí quyển, chúng được gọi chung là HOx Tương tự sau này chúng ta sẽ thấy một sốcặp có mối quan hệ gần gũi nhau và được gọi tên chung (NOx, NOy, ClOx, SOx, Ox)

Hằng số tốc độ phản ứng giữa HO2 với ClO không bằng giữa ClO và O - xem trang sau - do

đó nồng độ của HO2 lớn hơn O ở độ cao dưới 30 km Phản ứng đã dẫn đến sự hình thànhHOCl, do đó trên phổ hấp thụ xuất hiện peak tù kéo dài từ vùng UV đến vùng khả kiến.Các tính toán (trang sau) đã chứng minh chu kì này chịu ảnh hưởng bởi HOx nhiều hơn là O

ở độ cao dưới 25 km Ngoài ra còn có một chu kì tương tự về sự phân hủy O3 có xúc táccủa các nguyên tử Br

Trang 34: CHU TRÌNH NÀO CHIẾM ƯU THẾ HƠN?

Đây là một ví dụ làm thế nào để tính toán được mối quan hệ ảnh hưởng ở các chu kì phảnứng giữa ClO/O và ClO/HOx Ở đây chúng tôi chọn độ cao 25 km, nhiệt độ là 205oK Hằng

số tốc độ ở hai phản ứng này có thể được biểu diễn bằng biểu thức Arrhenius k(T) = E/RT) Trong trường hợp này, các thông số A và E/R thu được từ các công bố của NASA

Aexp(-và Jet Propulsion Laboratory (JPL) về các phản ứng ở tầng bình lưu Giá trị âm trên số mũcho thấy rằng hằng số tốc độ phản ứng giảm cùng với sự giảm nhiệt độ Đây là trường hợp

mà cơ chế phản ứng có rào cản (như phản ứng giữa OH với ankan) Trong trường hợp haichất phản ứng là hai gốc tự do, thì các phản ứng không khó khăn (không có rào cản), tuynhiên thỉnh thoảng cũng có phản ứng phụ thuộc nhiệt độ thấp, điều này có nguồn gốc từbản chất lượng tử của phản ứng Ví dụ hai phản ứng được đưa ra ở đây, hằng số tốc độphản ứng tăng nhẹ khi giảm nhiệt độ Nếu giả sử ta cố định nồng độ một trong các chấtphản ứng (ví dụ trong trường hợp HO2 và O, vì chúng được tái sinh), thì tốc độ trung bìnhcủa phản ứng phân hủy ClO được tính đơn giản chỉ bởi hằng số tốc độ phản ứng và nồng đôcác chất tham gia phản ứng

Lưu ý là khi nói về tốc độ phân hủy hoặc có liên quan đến tốc độ phân hủy đều phải dựavào tính chất riêng của mỗi phản ứng Nó có thể là trường hợp (Ví dụ với O3) mà các phân

tử hay các gốc tự do thực tế được tái sinh bằng quá trình khác Điều đó có nghĩa là chúngkhông bị phân hủy, nồng độ của nó gần như không thay đổi trong suốt quá trình phản ứng

Vì vậy tốc độ phân hủy nhanh hơn sẽ cho vòng đời trung bình mong đợi của gốc tự do hoặcphân tử bằng qui trình riêng Nếu CFCs không còn được đưa vào bầu khí quyển nữa, thìtốc độ phân hủy sẽ xảy ra theo cơ chế riêng (phản ứng chủ yếu với OH và sự quang li trongtầng bình lưu)

Trang 35: TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG QUANG PHÂN HỦY HOCl Ở 25km

Ở trang trước, đã đưa ra một giả định rằng sự quang li của HOCl không phải là bước quiđịnh tốc độ phản ứng (tốc độ chậm nhất) trong chu kì xúc tác ClO/Cl với HO2 Nếu đây làtrường hợp mà nồng độ đáng kể của Cl luôn duy trì giới hạn cũng như HClO, điều đó cónghĩa nồng độ ảnh hưởng của nguyên tử Cl tự do là nhỏ và chu kì xúc tác sẽ kém hiệu quảhơn

Sự thay đổi entanpi, ∆H, của quá trình HOCl  OH + Cl là 232 KJ/mol, tương ứng vớibước sóng 516 nm Như vậy sự phân chia có thể xảy ra ở các bước sóng ngắn hơn nữa Lưu

ý là sự thay đổi entanpi của quá trình HOCl  HCl + O là gần giống quá trình trên ởtrường hợp này, quá trình quang li có sự khác biêt, nó đòi hỏi phải có sự sắp xếp lại phân tửtrước khi phân li, các phép đo thực nghiệm chứng tỏ điều này

Trang 36:

3 trở ngại lớn trong việc thực hiện các chính sách:

(1) CFCs: không nhìn thấy được

(2) Ozone: không nhìn thấy được

(3) Bức xạ UV: không nhìn thấy được

Một vòng không quá ngắn từ ozone tầng bình lưu không địa cực đến tầng bình lưu địa cực

Bây giờ chúng ta quay trở lại xem xét CFCs Đến năm 1974 thì 1 cơ chế rõ ràng về sự phânhủy của ozon mới được chấp nhận Tại sao ta mất 1 thờ gian dài để thực hiện chính sáchlàm giảm chúng, hoặc giảm không sản xuất nữa

Trang 37: NHẬN DIỆN VẤN ĐỀ: OZONE VÙNG CỰC NAM

Thực tế nếu bạn vẽ 1 biểu đồ về tốc độ sản xuất CFCs trên toàn cầu qua các năm bạn sẽthấy rằng vào năm 1974, cùng năm với giấy Sherwood-Molina xuất hiện, có một sự giảmđột ngột xảy ra Điều đó không phải để trả lời những phát hiện của giới nghiên cứu khoahọc về nguyên nhân phá hủy tầng ozon, mà là do cuộc khủng hoảng toàn cầu, vì vậy ảnhhưởng đến ngành công nghiệp CFC cho đến đầu những năm 1980