Khoa học môi trường đại cương này gồm 6 chương, cung cấp các kiến thức cơ bản như: trình bày những khái niệm chung về môi trường, chức năng, phân loại môi trường, các vấn đề liên quan đến môi trường như khủng hoảng môi trường, sự cố và suy thoái môi trường; tập trung phân tích các thành phần cơ bản của môi trường; sinh thái học trong bảo vệ môi trưng; phân tích các khía cạnh về ô nhiễm môi trường;...Mời các bạn cùng tham khảo!
KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
Khái niệm môi trường, khoa học môi trường
Môi trường được định nghĩa qua nhiều khía cạnh khác nhau tùy thuộc vào lĩnh vực nghiên cứu của từng ngành khoa học Sự tiến bộ trong khoa học và công nghệ đã giúp các nghiên cứu về môi trường trở nên sâu sắc và toàn diện hơn.
Theo Điều 3 của Luật Bảo vệ Môi trường Việt Nam Số 55/2014/QH13, môi trường được định nghĩa là hệ thống các yếu tố vật chất tự nhiên và nhân tạo, ảnh hưởng đến sự tồn tại và phát triển của con người cũng như sinh vật.
Ngoài ra, Môi trường còn được hiểu theo nhiều nghĩa khác nhau:
Môi trường được định nghĩa là tổng hợp các điều kiện bên ngoài tác động đến một vật thể hoặc sự kiện Mọi vật thể và sự kiện đều tồn tại và phát triển trong một môi trường nhất định.
Môi trường học tập của học sinh bao gồm nhiều yếu tố quan trọng như phòng học, bàn ghế, sách vở, sân trường, vườn hoa, phòng thí nghiệm, cũng như sự hiện diện của thầy cô và bạn bè, bên cạnh đó là không khí và môi trường xung quanh trường học.
Môi trường sống được định nghĩa là tổng thể các yếu tố vô sinh và hữu sinh xung quanh sinh vật, ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến sự sống, phát triển và sinh sản của chúng (Hoàng Đức Nhuận, 2000).
Ví dụ: Môi trường sống của một cây cá thể trong một rừng cây gồm: đất
Đất, nước và không khí là những yếu tố quan trọng trong môi trường sống, ảnh hưởng đến sự phát triển của các thành phần dinh dưỡng trong lớp thảm mục bề mặt và trong đất Các loài cây gỗ, cây bụi và thảm tươi đóng vai trò thiết yếu trong việc duy trì sự cân bằng sinh thái và bảo vệ môi trường.
Môi trường là không gian sống và phát triển của con người cũng như các loài sinh vật khác.
Thành phần môi trường bao gồm các yếu tố vật chất như đất, nước, không khí, âm thanh, ánh sáng, sinh vật, hệ sinh thái và các hình thái vật chất khác, tạo nên cấu trúc và tính chất của môi trường sống.
Khoa học môi trường nghiên cứu mối quan hệ tương tác giữa con người và môi trường nhằm bảo vệ môi trường sống của con người và sinh vật trên trái đất Ngành này tập trung vào các thành phần môi trường và cách chúng tương tác với con người.
Môi trường là lĩnh vực nghiên cứu của nhiều ngành khoa học như sinh học, hóa học, địa chất, và khí tượng thủy văn Tuy nhiên, các ngành này thường chỉ tập trung vào một phần hoặc một thành phần cụ thể của môi trường, chưa đủ để đáp ứng yêu cầu quản lý và bảo vệ chất lượng môi trường sống cho con người và sinh vật Do đó, môi trường có thể được coi là một ngành khoa học độc lập, tích hợp kiến thức từ các ngành khác để nghiên cứu một cách toàn diện về môi trường sống xung quanh con người, với phương pháp và nội dung nghiên cứu cụ thể.
Ngành khoa học môi trường có nhiệm vụ nghiên cứu đa dạng về môi trường, được phân chia thành bốn nhóm nghiên cứu chính.
Nghiên cứu khoa học môi trường tập trung vào việc phân tích mối quan hệ và tác động qua lại giữa con người và các thành phần môi trường như nước, không khí, đất, sinh vật, hệ sinh thái, khu công nghiệp, đô thị và nông thôn Các yếu tố này không chỉ ảnh hưởng đến con người mà còn chịu tác động từ các hoạt động của con người, tạo nên sự tương tác phức tạp trong môi trường sống.
- Nghiên cứu công nghệ, kỹ thuật xử lý ô nhiễm, bảo vệ môi trường sống của con người;
- Nghiên cứu tổng hợp các biện pháp quản lý về khoa học kinh tế, luật pháp, xã hội nhằm bảo vệ môi trường;
- Nghiên cứu về phương pháp như mô hình hoá, phân tích hóa học, vật lý, sinh vật phục vụ cho những nhiệm vụ trên.
Phân loại môi trường
Môi trường là một khái niệm rộng lớn, được phân loại thành nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào ngữ cảnh và đối tượng nghiên cứu Các loại môi trường bao gồm môi trường bên trong và bên ngoài, môi trường vật lý, môi trường sinh thái, và môi trường xã hội Để thuận tiện trong việc nghiên cứu, người ta thường phân loại môi trường dựa trên chức năng của từng loại.
Theo chức năng, môi trường được chia ra làm 3 loại:
Môi trường tự nhiên bao gồm các yếu tố vật lý, hóa học và sinh học tồn tại khách quan, không phụ thuộc vào ý muốn của con người Tuy nhiên, nhiều yếu tố trong số đó lại chịu ảnh hưởng từ hoạt động của con người, chẳng hạn như đất, nước, không khí, cũng như các loài động thực vật hoang dã, rừng nguyên sinh, biển, sông và suối.
Môi trường nhân tạo là tổng hợp các yếu tố do con người tạo ra hoặc biến đổi để phục vụ cho cuộc sống, bao gồm nhà ở, hệ thống giao thông, trường học, khu đô thị, công viên và khu vui chơi giải trí.
Môi trường xã hội là tổng thể các mối quan hệ giữa con người, bao gồm chính trị, văn hóa, phong tục tập quán, luật lệ và các quy định ở nhiều cấp độ khác nhau Nó định hướng hoạt động của con người trong một khuôn khổ nhất định, duy trì sự ổn định và trật tự xã hội, đồng thời tạo ra sức mạnh tập thể thuận lợi cho sự phát triển Điều này làm cho cuộc sống của con người có những đặc thù riêng biệt so với các loài sinh vật khác.
Chức năng của môi trường
Các chức năng cơ bản của Môi trường:
- Môi trường là không gian sống của con người và các loài sinh vật;
- Môi trường là nơi cung cấp tài nguyên cần thiết cho cuộc sống và hoạt động sản xuất của con người;
- Môi trường là nơi chứa đựng và đồng hóa các chất thải do con người tạo ra trong cuộc sống và hoạt động sản xuất;
- Môi trường là nơi lưu trữ và cung cấp thông tin cho con người;
- Môi trường là nơi giảm nhẹ các tác động có hại của thiên nhiên tới con người và sinh vật trên Trái đất
1.3.1 Môi trường là không gian sinh sống của con người và các loài sinh vật
Mọi sinh vật trên Trái đất đều cần không gian để tồn tại và phát triển, và con người cũng không ngoại lệ Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta cần không gian cho nhà ở, nghỉ ngơi, sản xuất nông nghiệp, thủy sản, kho bãi và bến cảng Trung bình, mỗi người cần khoảng 4 m³ không khí sạch, 2,5 lít nước và lượng thực phẩm tương ứng với 2.000 - 2.400 calo mỗi ngày, tất cả đều lấy từ tự nhiên Do đó, môi trường cần cung cấp không gian sống đạt tiêu chuẩn về các yếu tố vật lý, hóa học, sinh học, cảnh quan và xã hội Để đảm bảo chất lượng cuộc sống, không gian sống cần đáp ứng hai yếu tố chính: diện tích và thể tích của không gian, cùng với chất lượng môi trường của không gian đó.
Với chức năng là không gian sống, môi trường có những chức năng cụ thể nhƣ sau:
- Chức năng xây dựng: Cung cấp mặt bằng và nền móng cho các khu đô thị, khu công nghiệp, kiến trúc hạ tầng và nông thôn;
- Chức năng vận tải: Cung cấp mặt bằng và không gian cho việc xây dựng các công trình giao thông thủy, bộ và hàng không;
- Chức năng cung cấp mặt bằng cho sự phân hủy chất thải (nhân tạo);
- Chức năng giải trí của con người: Cung cấp mặt bằng và không gian cho hoạt động giải trí ngoài trời của con người;
- Chức năng cung cấp mặt bằng và không gian xây dựng các hồ chứa;
- Chức năng cung cấp mặt bằng và các yếu tố cần thiết khác cho hoạt động canh tác nông nghiệp, nuôi trồng thủy hải sản
Diện tích không gian sống của con người trên Trái đất đang thu hẹp do gia tăng dân số và ô nhiễm môi trường Mặc dù vậy, con người vẫn cần không gian riêng để sinh sống, sản xuất lương thực và cải thiện chất lượng môi trường Để mở rộng không gian sống, có thể khai thác và chuyển đổi chức năng của các loại không gian khác như khai hoang và cải tạo đất Tuy nhiên, việc khai thác quá mức tài nguyên thiên nhiên có thể làm suy giảm chất lượng không gian sống và không thể phục hồi Do đó, cần chú ý đến tính tự cân bằng của môi trường, đảm bảo khả năng chịu đựng trong điều kiện khó khăn.
Bảng 1.1 Sự suy giảm diện tích đất bình quân đầu người trên thế giới Đơn vị: ha/người
Bảng 1.2 Diện tích đất canh tác trên đầu người ở Việt Nam
1.3.2 Môi trường là nơi cung cấp tài nguyên cần thiết cho cuộc sống và hoạt động sản xuất của con người
Tài nguyên bao gồm mọi dạng vật chất, tri thức và thông tin được sử dụng để sản xuất của cải vật chất hoặc tạo ra giá trị sử dụng mới cho con người.
Tài nguyên thiên nhiên là các dạng vật chất được hình thành qua quá trình phát triển của tự nhiên và sinh vật, mà con người khai thác và sử dụng để đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội.
Môi trường cung cấp các tài nguyên thiết yếu cho con người, bao gồm đất, nước, không khí, khoáng sản và các nguồn năng lượng như gỗ, củi, nắng, gió Những tài nguyên này là cơ sở để con người khai thác và phục vụ cho hoạt động sản xuất cũng như cuộc sống hàng ngày.
Trong lịch sử, con người đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ săn bắt hái lượm đến canh tác bằng công cụ đá khoảng 14-15 nghìn năm trước Sự phát minh ra máy hơi nước vào thế kỷ 18 đánh dấu cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật Tất cả hoạt động của con người nhằm khai thác hệ thống sinh thái tự nhiên thông qua lao động và công nghệ, sử dụng các nguồn tài nguyên như đất, nước, không khí, khoáng sản và năng lượng từ gỗ, củi, năng lượng mặt trời và gió Sản phẩm từ công - nông - lâm - ngư nghiệp và văn hóa đều bắt nguồn từ tài nguyên vật chất trên Trái đất, cho thấy môi trường là nguồn cung cấp tài nguyên thiết yếu cho con người.
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy con người khai thác tài nguyên mới và gia tăng sản lượng, dẫn đến việc tạo ra nhiều sản phẩm mới Tuy nhiên, điều này cũng gây ra những tác động mạnh mẽ đến chất lượng môi trường sống.
Chức năng cung cấp tài nguyên của môi trường, hay còn gọi là nhóm chức năng sản xuất tự nhiên, được phân chia thành nhiều dạng tài nguyên khác nhau.
Rừng tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước, bảo tồn đa dạng sinh học và duy trì độ phì nhiêu của đất Ngoài ra, rừng còn là nguồn cung cấp gỗ củi, dược liệu và cải thiện điều kiện sinh thái.
- Các thủy vực: Có chức năng cung cấp nước, dinh dưỡng, nơi vui chơi giải trí và các nguồn thủy hải sản;
- Động thực vật: Cung cấp lƣợng thực, thực phẩm và các nguồn gen quí hiếm;
- Không khí, nhiệt độ, năng lượng mặt trời, gió và nước: Để con người, động vật hít thở, cây cối ra hoa kết trái;
- Các loại quặng, khoáng sản và dầu mỏ: Cung cấp năng lƣợng và nguyên liệu cho các hoạt động sản xuất công nghiệp
1.3.3 Môi trường là nơi chứa đựng và đồng hóa các chất thải
Trong quá trình sản xuất và tiêu dùng, con người tạo ra nhiều chất thải, phần lớn được thải ra môi trường Tại đây, các vi sinh vật và yếu tố môi trường khác sẽ phân hủy và biến đổi chất thải từ dạng phức tạp thành đơn giản, tham gia vào các quá trình sinh địa hóa phức tạp.
Trong thời kỳ sơ khai, dân số thế giới ít và chất thải không nhiều, nên quá trình phân hủy tự nhiên có thể tái tạo lại nguyên liệu Tuy nhiên, sự gia tăng dân số và quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa đã dẫn đến lượng chất thải tăng cao, gây quá tải và ô nhiễm môi trường Khả năng tiếp nhận và phân hủy chất thải trong một khu vực được gọi là khả năng đệm Khi lượng chất thải vượt quá khả năng đệm hoặc chứa nhiều chất độc, vi sinh vật gặp khó khăn trong phân hủy, dẫn đến giảm chất lượng môi trường và ô nhiễm.
Có thể phân loại chi tiết chức năng này thành các loại sau:
- Chức năng biến đổi lý - hóa: Pha loãng, phân hủy hóa học nhờ ánh sáng, hấp thụ, tách chiết các vật thải và độc tố;
- Chức năng biến đổi sinh hóa: Hấp thụ các chất dƣ thừa, chu trình nitơ và cacbon, khử chất độc bằng con đường sinh hóa;
- Chức năng biến đổi sinh học: Khoáng hóa các chất thải hữu cơ, mùn hóa, amôn hóa, nitrat hóa và phản nitrat hóa
1.3.4 Môi trường là nơi lưu trữ và cung cấp thông tin cho con người
Môi trường Trái đất là kho tàng thông tin quý giá cho nhân loại, cung cấp ghi chép về lịch sử địa chất, tiến hóa của sinh vật và văn hóa con người Nó còn đóng vai trò quan trọng trong việc cảnh báo sớm các hiểm họa tự nhiên như bão, động đất và núi lửa, thông qua các chỉ thị không gian và tạm thời Hơn nữa, môi trường Trái đất lưu trữ sự đa dạng về nguồn gen, các loài động thực vật, hệ sinh thái tự nhiên và nhân tạo, cùng với những giá trị thẩm mỹ, tôn giáo và văn hóa độc đáo.
1.3.5 Chức năng giảm nhẹ các tác động có hại của thiên nhiên tới con người và sinh vật trên Trái đất
Trái đất là nơi duy nhất trong vũ trụ có các điều kiện môi trường đặc biệt cho sự sống, bao gồm nhiệt độ không khí ổn định, nồng độ ôxy và các khí khác phù hợp, cùng với sự cân bằng nước ở đại dương và đất liền Các yếu tố này chưa được tìm thấy trên hành tinh nào khác trong và ngoài hệ mặt trời Sự phát sinh và phát triển của sự sống trên Trái đất phụ thuộc vào hoạt động của các thành phần môi trường như khí quyển, thủy quyển, sinh quyển và thạch quyển.
Khí quyển giữ cho nhiệt độ trái đất tương đối ổn định trong khả năng chịu đựng của con người
Thủy quyển đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì chu trình tuần hoàn nước, giúp cân bằng nhiệt độ và các chất khí trong môi trường Nó cũng góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực của thiên nhiên đối với con người và các sinh vật sống.
Thạch quyển đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng vật chất cho các quyển khác của Trái Đất, giúp giảm thiểu những tác động tiêu cực của thiên tai đối với con người và sinh vật.
Sinh quyển (Hệ sinh thái rừng) giảm nhẹ thiên tai, bão lũ, điều hòa không khí…
Sự cố môi trường
1.4.1 Khái niệm sự cố môi trường
Theo Luật Bảo vệ Môi trường Việt Nam Số 55/2014/QH13, ban hành ngày 23 tháng 6 năm 2014, sự cố môi trường được định nghĩa là những sự kiện xảy ra do hoạt động của con người hoặc do biến đổi tự nhiên, dẫn đến ô nhiễm, suy thoái hoặc biến đổi nghiêm trọng của môi trường.
Con đường dẫn đến các sự cố môi trường bắt nguồn từ những mối nguy hại và rủi ro môi trường Mối nguy hại (Hazard) được định nghĩa là tiềm năng của một vấn đề có thể gây ra tác hại, dẫn đến những tác động tiêu cực cho cộng đồng, cũng như gây tổn thất về tài sản và tính mạng con người trong những điều kiện nhất định.
Rủi ro môi trường là khả năng mà sự thay đổi điều kiện môi trường do hoạt động của con người có thể gây ra tác động tiêu cực đến sức khỏe, tính mạng con người, hệ sinh thái và xã hội Các tác nhân gây rủi ro bao gồm hóa chất (chất dinh dưỡng, kim loại nặng, thuốc bảo vệ thực vật), sinh học (vi trùng, vi khuẩn gây bệnh), vật lý (nhiệt độ, chất lơ lửng trong nước) và các hành động cơ học (chặt phá cây, đánh bắt quá mức) Mối quan hệ giữa các đối tượng rủi ro và tác nhân gây rủi ro rất phức tạp và được thể hiện thông qua sơ đồ đường truyền rủi ro.
Rủi ro được hiểu là xác suất xảy ra tác động tiêu cực đối với con người và môi trường khi tiếp xúc với các mối nguy hại Nó thường được biểu diễn qua xác suất của việc xảy ra các tác động có hại, kèm theo hậu quả có thể đo lường được từ sự thiệt hại.
1.4.2 Một số sự cố môi trường trên thế giới và Việt Nam
Theo một khảo sát của các nhà khoa học từ Viện Bảo tồn Tự nhiên và Nguồn tài nguyên Quốc tế, kết hợp với Chương trình Phát triển của Liên hợp quốc, đã thống kê các sự cố và rủi ro môi trường chủ yếu ở 63 quốc gia trên thế giới và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ Kết quả khảo sát này được trình bày trong bảng 1.3, nêu rõ những trường hợp rủi ro môi trường thường gặp.
Bảng 1.3 Các trường hợp về rủi ro môi trường thường gặp ở một số quốc gia
TT Tên các rủi ro môi trường Số quốc gia (trong tổng số 63 quốc gia) %
3 Ô nhiễm về loại bỏ chất thải 35 55,5
4 Tuyệt chủng hệ động vật 34 54
5 Chôn lấp chất thải công nghiệp 29 46
6 Các loại phân bón và thuốc trừ sâu 25 39,7
8 Nước cấp sinh hoạt không thích hợp 22 35
11 Cạn kiệt các loại động vật quý 20 31,7
13 Hạn hán và sa mạc hóa 17 37
14 Ô nhiễm không khí do công nghệ 15 23,8
15 Phá hủy hệ thực vật tự nhiên 14 22,2
16 Chôn lấp chất thải độc hại 12 19
Theo thống kê từ các cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ, bảng 1.4 thể hiện phần trăm phản hồi của các quốc gia về các rủi ro môi trường, cho thấy rằng những vấn đề này đang ở mức độ nguy hiểm và nghiêm trọng.
Bảng 1.4 Các vấn đề rủi ro môi trường và mức độ nghiêm trọng
TT Các vấn đề rủi ro môi trường % trả lời ở mức độ rủi ro môi trường rất nghiêm trọng
4 Chôn lấp chất thải rắn 79
10 Cạn kiệt các loài động vật 67
11 Đe dọa cuộc sống hoang dã 65
12 Sử dụng thuốc trừ sâu 60
14 Sử dụng nguồn năng lƣợng kém 56
15 Trái đất nóng dần lên 56
Nguồn: US EPA, Office Of Communications, Education, And Public Affairs, Security Our Lagacy, an EPA Progress Report 1989 - 1991 Washington, DC,
Từ năm 1992 đến nay, Việt Nam đã ghi nhận 40 vụ tràn dầu, gây thiệt hại nghiêm trọng về môi trường, sinh thái và kinh tế xã hội Ba nguyên nhân chính dẫn đến các sự cố này bao gồm va chạm, quá trình bốc dỡ và đắm tàu Đặc biệt, trong năm 2006 và 2007, các tỉnh miền Trung và miền Nam đã xảy ra nhiều sự cố tràn dầu không rõ nguồn gốc, với nhiều vệt dầu xuất hiện dọc bờ biển từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2007.
20 tỉnh từ đảo Bạch Long Vĩ tới Mũi Cà Mau
Hiện nay, kỹ thuật trang thiết bị và nguồn nhân lực cho công tác quan trắc, truy tìm nguyên nhân và khắc phục sự cố tràn dầu tại Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế.
- Việc khai thác than gây bồi lấp các hồ chứa nước:
Tháng 1 năm 1999 tại Quảng Ninh, việc khai thác than ở 2 mỏ Tùng Bạch và Mạo Khê làm trôi đất đá gây bồi lấp lòng hồ, làm giảm dung tích chứa nước của 7 hồ trong số 14 hồ trong vùng từ 10 đến 20% Mặt khác cũng làm axit hóa nước hồ, không đảm bảo nước tưới tiêu nông nghiệp và sinh hoạt của nhân dân
3 xã Hoàng Đế, Hồng Thái Tây, Hồng Thái Đông và gây ăn mòn đối với các công trình đập, cống
- Công ty VEDAN gây ô nhiễm môi trường trên sông Thị Vải:
Công ty sản xuất bột ngọt VEDAN, được xây dựng trên bờ sông Thị Vải (Đồng Nai) với vốn đầu tư nước ngoài, đã gây ô nhiễm môi trường nước sông do hệ thống xử lý nước thải không đạt Quy chuẩn môi trường Hậu quả là người dân các huyện Nhơn Thạch, Long Thành, Tân Thành và Cần Giờ phải đối mặt với thiệt hại lớn, dẫn đến nhiều đơn kiện đòi bồi thường Vào ngày 18/11/1995, giám đốc sở Khoa học, Công nghệ và Môi trường tỉnh Đồng Nai đã tổ chức cuộc họp với giám đốc công ty VEDAN và lãnh đạo bốn huyện để thương lượng, và cuối cùng công ty đã đồng ý bồi thường tổng số tiền 15 tỷ đồng.
Khủng hoảng môi trrường
1.5.1 Khái niệm khủng hoảng môi trường
Khái niệm khủng hoảng môi trường là sự suy thoái chất lượng môi trường sống ở quy mô toàn cầu, đe dọa cuộc sống của loài người trên Trái đất
Báo cáo tổng quan Môi trường toàn cầu năm 2000 của UNEP, được thực hiện bởi hơn 850 tác giả quốc tế, đã cung cấp những đánh giá tổng hợp về tình hình môi trường khi bước vào thiên niên kỷ mới Báo cáo này phân tích hai xu hướng chính mà nhân loại sẽ đối mặt trong thiên niên kỷ thứ 3.
Các hệ sinh thái toàn cầu và sinh thái nhân văn đang phải đối mặt với nguy cơ nghiêm trọng do sự mất cân bằng trong năng suất và phân bố hàng hóa, dịch vụ Thế giới hiện nay tồn tại sự phân hóa rõ rệt giữa những người sống trong thịnh vượng và những người rơi vào cảnh nghèo đói.
Thế giới hiện nay đang trải qua những biến đổi lớn, trong đó sự phối hợp quản lý môi trường ở quy mô quốc tế không theo kịp với sự phát triển kinh tế - xã hội Các thành tựu về môi trường đạt được từ công nghệ và chính sách mới không đủ nhanh để đối phó với tốc độ gia tăng dân số và sự phát triển kinh tế.
Khủng hoảng môi trường bắt nguồn từ nguyên nhân sâu xa liên quan đến vấn đề dân số Mối quan hệ giữa khủng hoảng môi trường và con người có thể được thể hiện qua một công thức rõ ràng.
+ I: Là sự khủng khoảng của môi trường hay suy thoái của môi trường dưới tác động của con người;
+ C: Là mức độ tiêu thụ tài nguyên trên đầu người;
+ E: Kết quả tác động của một đơn vị tài nguyên được khai thác đến môi trường
1.5.2 Các biểu hiện khủng hoảng môi trường Ô nhiễm không khí: Là hàm lƣợng các khí SO2, CO2, bụi… tại các khu công nghiệp, đô thị… vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép
Hiệu ứng nhà kính gia tăng do sự gia tăng nồng độ khí CO2 từ 0,028% năm 1850 lên 0,035% năm 1960, cùng với các khí nhà kính khác như CH4 và CFC, đã khiến nhiệt độ bề mặt trái đất tăng lên 0,6°C trong 100 năm qua và khoảng 1°C trong thời gian gần đây.
Trong 50 năm tới, nhiệt độ gia tăng sẽ tác động mạnh mẽ đến Trái đất, dẫn đến hiện tượng băng tan và mực nước biển dâng cao Điều này không chỉ ảnh hưởng đến môi trường sống của nhiều loài mà còn gây ra biến đổi khí hậu toàn cầu, tạo ra những thách thức nghiêm trọng cho hệ sinh thái và con người.
Tầng ozon có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sự sống trên Trái đất bằng cách chặn đứng các tia tử ngoại có hại Nằm ở độ cao 1.825 km, tầng ozon hấp thụ hơn 90% tia tử ngoại từ mặt trời Tuy nhiên, khi lượng ozon suy giảm, tia tử ngoại chiếu xuống mặt đất gia tăng, dẫn đến nguy cơ ung thư da, suy giảm hệ miễn dịch ở con người và giảm năng suất sinh học của động thực vật.
Vào tháng 10 năm 1985, các nhà khoa học Anh đã phát hiện một lỗ thủng lớn ở tầng ozon tại Nam Cực, có diện tích tương đương với nước Mỹ Đến năm 1987, các nhà khoa học Đức cũng đã phát hiện hiện tượng tương tự ở Bắc Cực Hiện nay, nhiều thành phố lớn và khu vực gần cực của Trái Đất đang phải đối mặt với tình trạng lỗ thủng tầng ozon Nguyên nhân chính dẫn đến sự suy thoái và lỗ thủng này là do việc sử dụng khí cloro fluoro cacbon (CFC), cùng với các khí NOx và CO2.
Sa mạc hóa đất đai là một vấn đề nghiêm trọng do nhiều nguyên nhân như bạc màu, mặn hóa, phèn hóa và khô hạn Việc gia tăng sử dụng đất canh tác cho các mục đích phi nông nghiệp cũng góp phần vào tình trạng này Hiện nay, trên thế giới có khoảng 14 triệu km² đất canh tác, và theo dự báo, vào đầu thế kỷ XXI, một phần ba diện tích này sẽ bị chuyển đổi sang mục đích phi nông nghiệp.
Nguồn nước đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng, bao gồm nước mưa bị axít hóa, nước ngầm ô nhiễm do khai thác quá mức và nước sông bị ô nhiễm từ chất thải công nghiệp cùng nước thải từ các thành phố lớn Ô nhiễm biển cũng gia tăng, chủ yếu do khai thác và vận chuyển dầu, khai thác khoáng sản biển, nước thải từ lục địa và xả thải rắn, bao gồm cả chất thải phóng xạ Tình trạng này đe dọa nghiêm trọng đến tài nguyên sinh vật biển và môi trường biển.
Rừng đang đối mặt với sự suy giảm nghiêm trọng về cả số lượng và chất lượng, với khoảng 3 tỷ ha rừng trên toàn cầu chứa khoảng 300 tỷ m³ gỗ Mỗi năm, khoảng 30 triệu ha rừng bị mất do khai thác gỗ và các nguyên nhân khác, đặc biệt là ở các khu rừng nhiệt đới tại Đông Nam Á Nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm này bao gồm khai thác gỗ củi quá mức, mở rộng đất nông nghiệp, xây dựng công trình công nghiệp và dân sinh, cùng với sự tác động của biến đổi khí hậu.
Sự suy giảm số loài động - thực vật là một vấn đề nghiêm trọng, với khoảng 30.000 loài bị diệt chủng mỗi năm do môi trường sống bị suy thoái, mất nơi cư trú, và khai thác quá mức Các loài này đã tiến hóa hàng triệu năm, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng môi trường, ổn định khí hậu, và cung cấp nguồn tài nguyên quý giá cho ngành công nghiệp và dược liệu Hiện tại, tổng số loài sinh vật được biết đến là 30 triệu, trong khi ước tính còn khoảng 100 triệu loài chưa được phát hiện trên trái đất Sự đa dạng sinh học không chỉ là nguồn thực phẩm bền vững mà còn là kho gen phong phú cho việc phát triển giống loài mới.
Rác thải gia tăng đang đe dọa môi trường sống của con người, đặc biệt trong bối cảnh phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật Mỗi người hiện nay tạo ra trung bình từ 0,5 đến 1 kg rác thải sinh hoạt, 10 kg chất thải công nghiệp và 30 kg chất thải khác mỗi ngày Tốc độ xả thải trong sản xuất và sinh hoạt nhanh hơn khả năng xử lý, gây áp lực lớn lên môi trường và góp phần vào tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng.
Kết thúc chương 1, người học viên cần nắm được những kiến thức sau:
- Các khái niệm về môi trường, ô nhiễm môi trường, sự cố môi trường, khủng khoảng môi trường;
- Các chức năng cơ bản của môi trường
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1
1 Khái niệm môi trường, khoa học môi trường, mối quan hệ giữa con người và môi trường?
2 Thành phần và phân loại môi trường Phân biệt các loại môi trường?
3 Chức năng môi trường Vai trò của môi trường đối với con người Sự tác động của con người tới các chức năng môi trường?
4 Khái niệm sự cố môi trường, phân loại sự cố môi trường, các sự cố môi trường điển hình trên thế giới và Việt Nam?
5 Khái niệm khủng hoảng môi trường, các biểu hiện của khủng hoảng môi trường?
THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MÔI TRƯỜNG
Thạch quyển
2.1.1 Khái niệm và vai trò của thạch quyển
Thạch quyển là lớp vỏ cứng bên ngoài của Trái đất, bao gồm vỏ Trái đất và phần trên cùng của Manti, với độ dày khoảng 60 ÷ 100 km trên đất liền và 2 ÷ 8 km dưới đáy biển Thành phần vật lý và hóa học của Thạch quyển tương đối ổn định, ảnh hưởng lớn đến sự sống trên Trái đất Đất, một hỗn hợp phức tạp của các hợp chất vô cơ, hữu cơ, không khí và nước, là bộ phận quan trọng nhất của Thạch quyển Việc khai thác triệt để đất trồng trọt, rừng và khoáng sản đang dẫn đến nguy cơ cạn kiệt tài nguyên.
2.1.2 Sự hình thành và cấu trúc của Trái đất
2.1.2.1 Cấu trúc của hệ Mặt trời
Hệ Mặt Trời, hay còn gọi là Thái Dương Hệ, là một trong hàng triệu hệ thống trong thiên hà Ngân Hà, nơi có khoảng 400 triệu thiên hà trong vũ trụ (Lynn Bresler, 1997) Mặt Trời là thiên thể trung tâm, cung cấp ánh sáng cho toàn bộ hệ thống này.
Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ với nhiệt độ bề mặt lên tới hơn 6.000 °C Nó chiếm 99,87% tổng khối lượng của toàn hệ mặt trời và nặng gấp 332.000 lần khối lượng của Trái đất Đường kính của Mặt trời đạt 695.000 km, lớn gấp 109,2 lần đường kính Trái đất là 6.371 km.
Tỷ trọng trung bình đạt 1,41 g/cm 3 , nhiều nơi lên tới 117 g/cm 3
Nhiệt độ của Mặt Trời được tạo ra từ các phản ứng nhiệt hạch, chủ yếu bao gồm các nguyên tố hydro và heli Mỗi giây, Mặt Trời thiêu đốt khoảng 5 triệu tấn vật chất, nhưng trong suốt gần 5 tỷ năm, chỉ có khoảng 1/7.500 khối lượng của nó đã được tiêu thụ.
Mặt trời trải qua chu kỳ hoạt động khoảng 11 năm, bao gồm thời kỳ hoạt động mạnh mẽ và thời kỳ yên tĩnh hơn với sự xuất hiện của các vết đen Bên cạnh đó, còn có chu kỳ 22 năm liên quan đến sự xuất hiện của từ trường mạnh nhất khi có vết đen Mặt trời.
Hệ Mặt Trời bao gồm 8 hành tinh chính, được sắp xếp từ gần đến xa Mặt Trời: Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất, Sao Hỏa, Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương Gần đây, một số nhà khoa học Mỹ đã gây tranh cãi khi loại bỏ Sao Diêm Vương khỏi danh sách hành tinh do sự thay đổi kích thước của nó Các hành tinh trong Hệ Mặt Trời được phân chia thành hai nhóm: hành tinh vòng trong và hành tinh vòng ngoài.
Nhóm hành tinh vòng trong bao gồm Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất và Sao Hỏa, có đặc điểm chung là kích thước nhỏ, tỷ trọng lớn và tốc độ quay quanh trục không cao Khối lượng khí quyển của chúng cũng không đáng kể so với kích thước của hành tinh Sao Thủy, Sao Kim và Sao Hỏa thường được gọi là “Á địa cầu” hay “Hành tinh đất” vì có nhiều đặc điểm tương đồng với Trái Đất.
Nhóm hành tinh vòng ngoài: Gồm các hành tinh còn lại là Sao Mộc, Sao
Thổ, Sao Thiên Vương, Sao Hải Vương và Sao Diêm Vương đều là những hành tinh lớn với tỷ trọng thấp, được bao bọc bởi lớp khí quyển dày đặc chủ yếu gồm Hydro và Heli.
Hệ Mặt Trời bao gồm 38 vệ tinh, nhiều tiểu hành tinh, thiên thạch và sao chổi Quỹ đạo của các hành tinh nằm trên cùng một mặt phẳng xích đạo Mặt Trời và có hình dạng gần như tròn Hướng xoay của các hành tinh quanh Mặt Trời đồng nhất với hướng xoay của chính Mặt Trời.
2.1.2.2 Cấu trúc của Trái đất
- Những thông tin cơ bản về Trái đất:
+ Đặc điểm: Trái đất có khối lƣợng đặc xít nhất trong số các hành tinh vòng trong;
Mặt trăng, vệ tinh duy nhất của Trái đất, không có khí quyển và thủy quyển Thời gian quay của Mặt trăng quanh trục trùng với thời gian nó quay quanh Trái đất, khiến chúng ta chỉ có thể nhìn thấy một phía của nó Mặt trăng cũng có những tác động quan trọng đến Trái đất, trong đó sức hút của nó là nguyên nhân gây ra hiện tượng thủy triều.
Trái đất xoay quanh trục của nó mỗi 24 giờ, tạo ra ngày và đêm Đồng thời, Trái đất cũng quay quanh Mặt trời theo hướng ngược chiều kim đồng hồ trên quỹ đạo hình elip, hoàn thành một vòng quay trong 365 ngày.
Khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi trong chu kỳ quay của Trái đất, ảnh hưởng đến tốc độ chuyển động của nó Theo quy luật của lực hấp dẫn, Trái đất di chuyển nhanh hơn khi gần Mặt trời, với vận tốc đạt 30,27 km/s tại điểm gần nhất và 29,72 km/s tại điểm xa nhất Do độ sai khác không lớn, vận tốc trung bình thường được lấy là 30 km/s.
- Hình dạng, kích thước và tỷ trọng của Trái đất:
Trái đất có hình dạng phức tạp, gần nhất được mô tả là hình Geoid, mặc dù thường được hiểu là hình cầu Hình dạng thực tế của Trái đất không hoàn toàn giống hình cầu do bề mặt có nhiều cấu trúc địa hình như đồi núi và đại dương Trái đất được coi là có dạng gần giống hình tròn xoay (Elipsoid) với bán kính theo trục tới cực là 6.356,863 km, trong khi bán kính theo trục về phía Bắc cực lớn hơn phía Nam cực 242 km Bán kính ở Xích đạo là 6.372,245 km, nhưng xích đạo cũng không phải là một vòng tròn hoàn hảo, với bán kính lớn nhất ở kinh độ 14 độ và bé nhất ở kinh độ 105 độ Do đó, Trái đất được xem là Elipsoid ba trục, phản ánh hình dạng phức tạp của nó.
Khối lƣợng của Trái đất:
Thể tích Trái đất: 1,080 x 10 12 km 3
Tỷ trọng của Trái đất:
Chu vi: Vòng quanh các cực là 40.000 km; vòng quanh xích đạo là 40.075 km; tổng diện tích bề mặt: 510.066.000 km 2
- Tính chất lý - hóa của Trái đất:
Trọng lực là lực hút do Trái đất tạo ra, và nó tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách đến tâm Trái đất Do đó, trọng lực ở địa cực lớn hơn so với trọng lực ở Xích đạo.
Nhiệt của Trái đất được hình thành từ hai nguồn chính: nhiệt từ Mặt trời (ngoại nhiệt) và nhiệt do chính Trái đất tạo ra (nội nhiệt).
Thủy quyển
2.2.1 Khái niệm và vai trò của Thủy quyển
Khoảng 71% bề mặt Trái đất được bao phủ bởi nước, dẫn đến đề xuất gọi hành tinh này là "Trái nước" Nước là yếu tố thiết yếu cho sự sống, tồn tại ở ba trạng thái: rắn (băng, tuyết), lỏng và khí (hơi nước) Nước có thể ở trạng thái chuyển động (dòng chảy) hoặc tĩnh (ao, hồ, đại dương), và toàn bộ lượng nước trên Trái đất được gọi là Thuỷ quyền.
Thuỷ quyển là lớp vỏ lỏng không liên tục bao quanh trái đất, bao gồm nước mặn, ngọt và nước lợ ở ba trạng thái rắn, lỏng và khí Phân bố không đồng đều, phần lớn nước được lưu trữ trong các đại dương, trong khi một phần nhỏ tồn tại ở núi cao, hai cực dưới dạng băng tuyết, và trong các mạch nước ngầm, sông, suối, ao, hồ Thuỷ quyển có thể chia thành hai phần chính: nước đại dương và nước ngọt lục địa.
2.2.2 Cấu tạo và sự hình thành đại dương Đại dương: Chiếm phần quan trọng của Trái đất, phần lớn nước trên Trái đất tập trung ở đây Có 4 đại dương gồm Thái Bình dương, Đại Tây Dương, Ấn Độ Dương, Bắc Băng Dương Trong phạm vi của các đại dương, người ta thường chia ra các vùng biển có diện tích nhỏ hơn như biển Ban Tích, biển Bắc, biển Đông… Tuy nhiên, có một số biển không có liên hệ với đại dương như biển Caxpi, biển Aran Những biển này gọi là biển hồ Phần đại dương hoặc biển ăn sâu vào đất liền đƣợc gọi là vịnh nhƣ vịnh Thái Lan hoặc vịnh Bắc Bộ
Theo độ sâu trong vùng chuyển tiếp giữa biển và lục địa, đáy biển được phân chia thành thềm lục địa, đáy đại dương, vực biển và các dãy núi giữa đại dương.
Hình 2.3 Cấu trúc địa hình đáy biển
Các đặc trưng vật lý của nước biển bao gồm tỷ trọng, nhiệt độ, sự truyền bức xạ ánh sáng trong nước biển, mực nước biển, độ muối
Tỷ trọng nước biển là trọng lượng một đơn vị thể tích nước ở nhiệt độ
Nhiệt độ nước biển dao động từ 0°C đến 35,6°C, tùy thuộc vào vị trí địa lý và điều kiện khí hậu Tỷ trọng nước biển thay đổi theo độ muối, trong khi nhiệt độ trung bình năm trên toàn bề mặt đại dương là 17,5°C Biển Đỏ và vịnh Pecxich có nhiệt độ cao nhất, trong khi Bắc Băng Dương lạnh nhất với nhiệt độ 0,75°C Nhiệt độ nước biển giảm dần theo độ sâu nhưng không bao giờ thấp hơn 0°C, đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa nhiệt độ và khí hậu của Trái đất.
Mặt biển nhận ánh sáng trực tiếp từ Mặt trời và ánh sáng tán xạ từ khí quyển, với cường độ ánh sáng giảm dần khi đi sâu vào nước biển Độ sáng rõ nhất nằm trong khoảng 0 ÷ 200 m, mờ trong 200 ÷ 1.000 m và hoàn toàn tối ở độ sâu hơn 1.000 m, dẫn đến sinh khối biển chủ yếu tập trung ở lớp nước mặt Hiện nay, mực nước biển khá ổn định, nhưng trong lịch sử đã có nhiều biến động mạnh mẽ Sự nóng lên toàn cầu hiện tại đang khiến băng tan và làm mực nước biển dâng cao.
Nước biển chứa hầu hết các nguyên tố hóa học của vỏ Trái đất với nồng độ khác nhau, trong đó muối kiềm và kiềm thổ chiếm ưu thế Trung bình, một lít nước biển có khoảng 35 g muối, chủ yếu là NaCl Tỷ lệ hàm lượng các nguyên tố trong nước biển ổn định, cho phép tính nồng độ muối toàn phần (s%) dựa trên hàm lượng halogen (Cl%) theo công thức: S% = 0,03 + 1,805 Cl%.
Sườn lục địa Đáy biển
Độ muối của nước biển thay đổi tùy theo vị trí địa lý, nguồn cung cấp nước từ lục địa và mức độ bốc hơi Nước biển cũng chứa các khí hòa tan từ khí quyển, với hàm lượng khí trong một lít nước biển bao gồm: Oxy (0 - 9 mg), Nitơ (8,4 - 14,5 mg), tổng CO2 (34 - 56 mg), Argon (0,2 - 0,4 mg), Heli và Neon (1,7 - 10^-4 mg) và H2S (0 - 22 mg).
Mặt biển không phẳng lặng và luôn biến đổi bởi tác động của các loại sóng, thủy triều và dòng chảy trên biển
Sóng biển bao gồm nhiều loại như sóng gió, sóng áp, sóng tsunamis, sóng tàu và sóng thủy triều, mỗi loại được xác định bởi các yếu tố như độ cao, bước sóng, chu kỳ, vận tốc và hướng truyền sóng Các sóng này chứa đựng năng lượng mạnh mẽ, ảnh hưởng đáng kể đến môi trường biển và khu vực ven bờ Khi sóng tiến gần đến đáy và bờ, cường độ của chúng sẽ giảm dần.
Thuỷ triều là hiện tượng mực nước biển trung bình dao động theo chu kỳ do lực hấp dẫn của Mặt trăng và Mặt trời Chế độ triều được chia thành nhật triều, bán nhật triều và triều hỗn hợp dựa trên số lần dao động trong ngày Mỗi chu kỳ triều có các đặc trưng riêng như thời gian triều rút, biên độ triều và độ lớn triều, và mỗi vùng biển đều có chế độ triều và chu kỳ triều đặc trưng riêng.
Dòng chảy trên biển là hiện tượng nước biển luôn chuyển động theo chiều đứng và ngang, tạo ra các dòng chảy có quy mô khác nhau, từ hàng nghìn km đến hàng chục km Các dòng chảy biển lớn, hay còn gọi là hải lưu, hình thành dưới tác động của khí quyển, bức xạ Mặt trời, lực tạo triều và lực coriolit, phản ánh trường gió tổng quát ở lớp không khí sát mặt nước Một số hệ thống dòng chảy nổi bật trên thế giới bao gồm Gulfstream ở Đại Tây Dương, dòng chảy nóng Kuroshivo ở Bắc Thái Bình Dương và dòng chảy lạnh Peru từ Nam Cực.
Các hệ thống dòng chảy biển có vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến thời tiết và khí hậu, đồng thời cung cấp dinh dưỡng cho sinh vật biển và hỗ trợ giao thông hàng hải Một ví dụ điển hình về tác động của dòng chảy biển là hiện tượng El Nino và La Nina El Nino, xảy ra vào dịp lễ Giáng sinh, liên quan đến sự nóng lên của nước biển gần xích đạo ở phía đông Thái Bình Dương, gây ra hạn hán ở rìa Tây Thái Bình Dương và mưa lớn ở rìa Đông như Peru và Ecuador Ngược lại, La Nina liên quan đến việc làm lạnh nước biển ở khu vực này, dẫn đến mưa lũ ở rìa Tây và khô hạn kéo dài ở rìa Đông.
Nước ngọt lục địa, mặc dù chỉ chiếm khoảng 2,3% khối lượng thủy quyển, đóng vai trò quan trọng trong đời sống trên Trái đất Đây là nguồn cung cấp nước ngọt chủ yếu, giúp điều hòa khí hậu và tạo ra dự trữ năng lượng sạch cho con người Nước ngọt lục địa bao gồm các dòng chảy, nước ngầm, nước ao hồ và hơi nước trong khí quyển.
2.2.3 Đới ven biển, cửa sông và thềm lục địa Đới ven biển: Là nơi gặp nhau giữa đất liền với biển, bao gồm thềm lục địa, bờ biển và các vùng đất thấp ven biển, là khu vực chịu sự chi phối của 3 quyển chính, gồm Thạch quyển, Thủy quyển và Khí quyển Có thể nói, đới ven biển là vùng biển nông, vùng này có năng suất sinh học cao, đồng thời rất nhạy cảm với các biến động môi trường (xói mòn, bão lũ…) và hoạt động của con người (khai thác tài nguyên ven biển…) Theo phương vuông góc với hướng bờ biển, có thể phân ra 3 vùng đặc trƣng, bao gồm lục địa, bờ biển và thềm lục địa Theo chiều dọc của bờ biển, có thể gặp các dạng địa hình nhƣ cửa sông ven biển, khu bờ vịnh đảo, đầm phá và khu bờ châu thổ
Cửa sông ven biển là địa hình phổ biến trong khu vực ven biển, nơi dòng nước sông chảy ra biển, tạo thành mối quan hệ phức tạp giữa dòng chảy, tác động của biển và kiến tạo địa chất Quan hệ này chủ yếu phụ thuộc vào khối lượng trầm tích tại cửa sông và tốc độ sụt lún của nền trầm tích Nếu lượng trầm tích lắng đọng nhỏ hơn tốc độ xói mòn, cửa sông sẽ hình thành dạng phễu; ngược lại, nếu lượng trầm tích lớn hơn, cửa sông có thể tiến ra biển hàng năm, tạo thành cửa sông tam giác như sông Hồng Sự phân bố và lắng đọng trầm tích ở cửa sông phụ thuộc vào kích thước trầm tích và lực tác động trong khu vực Tại các cửa sông miền Trung, nơi mùa cạn kéo dài, động lực tương tác giữa biển và bờ quyết định sự phát triển địa hình, dẫn đến sự hình thành cửa sông dạng đầm phá Đặc trưng của khối nước tại cửa sông, như độ muối, pH và nhiệt độ, thay đổi theo lưu lượng nước sông, chế độ thủy triều và địa hình Độ muối thường tăng khi có sự xâm nhập của nước biển, trong khi chế độ nhiệt của nước thay đổi theo mùa, với nhiệt độ cao vào mùa hè và thấp vào mùa đông, ảnh hưởng bởi địa hình đáy cửa sông.
Khí quyển
2.3.1 Khái niệm và vai trò của khí quyển
Khí quyển là lớp vỏ bao quanh Trái đất, bắt đầu từ bề mặt của thủy quyển và thạch quyển, và kéo dài lên đến khoảng không gian giữa các hành tinh.
Khí quyển là nguồn cung cấp Oxy (cần thiết cho sự sống trên trái đất), cung cấp
CO2 là yếu tố thiết yếu cho quá trình quang hợp của thực vật, đồng thời cung cấp nitơ cho vi khuẩn cố định nitơ và các nhà máy sản xuất amôniac, tạo ra các hợp chất nitơ cần thiết cho sự sống Hơn nữa, khí quyển còn đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển nước từ các đại dương đến đất liền, góp phần vào chu trình tuần hoàn nước.
Khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì và bảo vệ sự sống trên Trái Đất bằng cách hấp thụ hầu hết các tia vũ trụ và bức xạ điện từ từ Mặt Trời Nó chỉ cho phép các bức xạ cận cực tím, cận hồng ngoại (3.000 ÷ 2.500 nm) và sóng rađi (0,1 ÷ 40 micron) đi qua, đồng thời ngăn chặn các bức xạ cực tím có khả năng hủy hoại mô (dưới 300 nm).
2.3.2 Sự hình thành và cấu trúc khí quyển Trái đất
Khí quyển Trái đất hình thành từ sự thoát hơi nước và khí từ lòng đất, chủ yếu gồm hơi nước, amoniac, mêtan, khí trơ và hydro Dưới tác động của ánh sáng Mặt trời, hơi nước phân hủy thành oxy và hydro, trong khi oxy phản ứng với amoniac và mêtan tạo ra N2 và CO2 Qua thời gian, một lượng H2 nhẹ bị mất vào không gian, để lại khí quyển chủ yếu là hơi nước, nitơ và một ít oxy Sự xuất hiện của thực vật và quá trình quang hợp đã tạo ra lượng lớn oxy, giảm nồng độ CO2 trong khí quyển Sự phát triển của động thực vật cùng với việc phân hủy xác chết và hoạt động của vi sinh vật đã làm tăng nhanh nồng độ N2, tạo nên thành phần khí quyển hiện nay.
Khí quyển Trái đất được cấu trúc thành nhiều tầng phân lớp, bao gồm từ dưới lên trên: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung gian, tầng nhiệt (tầng nóng) và tầng điện ly (tầng ngoài).
Hình 2.4 Cấu trúc của khí quyển theo chiều thẳng đứng
Tầng đối lưu: Là một tầng thấp nhất của khí quyển, có nhiệt độ dao động từ
Nhiệt độ ở vùng sát mặt đất dao động từ +40°C đến -50°C ở độ cao, với sự chuyển động đối lưu của khối không khí nóng từ mặt đất, tạo ra thành phần khí quyển đồng nhất Ranh giới trên của tầng đối lưu nằm trong khoảng 7 đến 8 km tại hai cực.
Tầng đối lưu, nằm ở độ cao từ 16 đến 18 km tại vùng xích đạo, là khu vực chứa đựng lượng hơi nước và bụi lớn nhất, đồng thời là nơi diễn ra các hiện tượng thời tiết chính như mây, mưa, tuyết, mưa đá và bão.
Tầng bình lưu là lớp khí quyển nằm trên tầng đối lưu, với độ cao khoảng 50 km Nhiệt độ không khí trong tầng này giảm dần theo chiều cao, từ -56°C ở dưới lên -2°C ở trên Không khí ở tầng bình lưu loãng hơn và ít bụi, đồng thời đây cũng là nơi diễn ra các hiện tượng thời tiết.
Tầng ozon, nằm cách mặt đất khoảng 25 km trong tầng bình lưu, chứa một lớp không khí giàu ozon (O3) Tầng ozon đóng vai trò quan trọng như một lá chắn bảo vệ khí quyển, ngăn chặn những tác động độc hại của tia tử ngoại từ bức xạ Mặt Trời.
Tầng trung quyển, nằm trên tầng bình lưu đến độ cao 80 km, có đặc điểm là nhiệt độ giảm dần theo độ cao, bắt đầu từ -20°C ở phía dưới.
92 0 C ở trên cao Tầng này ngăn cách với tầng bình lưu bằng một lớp không khí rất mỏng, khoảng 1 km
Tầng nhiệt, trải dài từ độ cao 80 km đến 500 km, đặc trưng bởi sự gia tăng nhiệt độ theo độ cao Trong khu vực này, nhiệt độ ban ngày thường đạt mức rất cao, trong khi vào ban đêm lại giảm xuống thấp.
Tầng điện ly, nằm ở độ cao từ 500 km trở lên, là nơi mà các phân tử không khí loãng bị phân hủy thành các ion dẫn điện dưới tác động của tia tử ngoại Tầng này xuất hiện các điện trở tự do như H+, O2-, He+ và là nơi diễn ra hiện tượng cực quang cũng như phản xạ các sóng ngắn vô tuyến.
Cấu trúc tầng của khí quyển được hình thành nhờ lực hấp dẫn và nguồn khí phát sinh từ bề mặt Trái đất, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và duy trì sự sống trên hành tinh này.
Thành phần khí quyển Trái đất ổn định theo phương nằm ngang và phân dị theo phương thẳng đứng, với phần lớn khối lượng tập trung ở tầng đối lưu và bình lưu Dù chỉ chiếm khoảng 0,05% khối lượng thạch quyển, khí quyển đóng vai trò quan trọng đối với sự sống trên Trái đất Thành phần khí quyển đã thay đổi qua các thời kỳ địa chất nhưng hiện nay khá ổn định, chủ yếu bao gồm N2, O2 và hơi nước.
CO2, H2, O3, NH4, các chất khí trơ
Mật độ của không khí thay đổi mạnh mẽ theo chiều cao trong khi tỉ lệ các thành phần chính của không khí không thay đổi
Trong tầng đối lưu, các thành phần khí chủ yếu ổn định nhưng nồng độ CO2 và hơi nước biến động mạnh, với lượng hơi nước thay đổi từ 4% vào mùa nóng ẩm đến 0,4% trong mùa khô lạnh Tầng này cũng chứa một lượng nhất định khí SO2 và bụi Ngược lại, trong tầng bình lưu, quá trình hình thành và phá hủy ozone diễn ra liên tục, tạo ra lớp ozone mỏng khoảng vài chục cm, giúp ngăn chặn tia cực tím từ mặt trời Tuy nhiên, hoạt động của con người đang làm cho lớp ozone này ngày càng mỏng, đe dọa sự sống của con người và sinh vật trên Trái đất Chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về tầng ozon trong phần tiếp theo của bài viết.
Sinh quyển
2.4.1 Khái niệm và vai trò của sinh quyển
Các khái niệm hiện đại về sinh quyển đã được phát triển từ các nghiên cứu của nhà tự nhiên học Pháp, Lamac, vào đầu thế kỷ XIX Đến năm 1875, nhà địa chất Áo, Zín, đã xác định sinh quyển là một quyển độc lập trên Trái đất.
Học thuyết sinh quyển do nhà địa hóa người Nga Vernadsky đề xuất năm 1926, mô tả sinh quyển như lớp vỏ sống của Trái đất, là một hệ thống phức tạp với nhiều yếu tố ngẫu nhiên và quá trình xác suất Sinh quyển bao gồm tầng đối lưu của khí quyển, toàn bộ thủy quyển và một phần của thạch quyển cho đến nhiệt độ 100 độ C Do đó, sinh quyển không chỉ là thế giới sinh vật mà còn bao gồm các yếu tố môi trường xung quanh, cùng với các hoạt động của sinh vật đã, đang và sẽ tồn tại trên bề mặt Trái đất.
Trong quá trình hình thành sinh quyển, các yếu tố bên ngoài như năng lượng Mặt trời, sự nâng hạ của vỏ Trái đất và các quá trình tạo núi, băng hà đóng vai trò quan trọng Tính thống nhất và toàn vẹn của sinh quyển được xác định bởi sự di truyền và tiến hóa của sinh vật, vòng tuần hoàn sinh địa hóa của các nguyên tố hóa học, cùng với vòng tuần hoàn nước tự nhiên Sinh quyển tồn tại trong mối cân bằng động với các hệ tự nhiên khác Sự xuất hiện và phát triển mạnh mẽ của loài người đã dẫn đến sự hình thành một quyển đặc biệt trên sinh quyển, được gọi là Trí tuệ quyển (Noosphere).
2.4.2 Hệ sinh thái, sinh khối và chu trình dinh dưỡng
Hệ sinh thái là một thực thể khách quan, được hình thành từ sự tương tác giữa sinh vật và môi trường vô sinh, tồn tại trong không gian và thời gian Theo kích thước, hệ sinh thái được chia thành ba loại: hệ sinh thái nhỏ (như bể nuôi cá), hệ sinh thái vừa (như thảm rừng, hồ chứa nước) và hệ sinh thái lớn (như đại dương) Tất cả các hệ sinh thái trên bề mặt đất tạo thành sinh thái quyển Ranh giới của hệ sinh thái trong thiên nhiên thường không rõ ràng, ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt như đảo, hồ nước hay cánh rừng Trong mỗi hệ sinh thái, có hai thành phần chính: vô sinh (abiotic) như nước và không khí, và sinh vật (biotic) Sự trao đổi chất, năng lượng và thông tin luôn diễn ra giữa hai thành phần này.
Sinh vật trong hệ sinh thái đƣợc chia làm ba loại chủ yếu:
Sinh vật sản xuất, chủ yếu là tảo hoặc thực vật, đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp chất hữu cơ từ vật chất vô sinh dưới tác động của ánh sáng Mặt trời.
- Sinh vật tiêu thụ: Gồm các loại động vật ở nhiều bậc khác nhau Bậc 1 là động vật ăn thực vật Bậc 2 là động vật ăn thịt…;
Sinh vật phân hủy, bao gồm vi khuẩn và nấm, có mặt ở khắp nơi trong môi trường Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy xác chết của các sinh vật, từ đó chuyển hóa thành các thành phần dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của thực vật.
Trong hệ sinh thái, quá trình tổng hợp và phân hủy vật chất hữu cơ và năng lượng diễn ra liên tục Vòng tuần hoàn vật chất là vòng kín, trong khi vòng tuần hoàn năng lượng là vòng hở Năng lượng Mặt trời được sinh vật sản xuất hấp thụ và chuyển giao cho sinh vật tiêu thụ bậc cao hơn, tuy nhiên, trong quá trình này, năng lượng bị phát tán và giảm kích thước Ngược lại, các nguyên tố hóa học tham gia vào quá trình tổng hợp chất hữu cơ sẽ trở lại trạng thái ban đầu trong môi trường sau một chu trình tuần hoàn.
Sinh khối, theo tài liệu địa chất, xuất hiện cách đây khoảng 3 tỷ năm, đánh dấu sự ra đời của sinh quyển Sinh quyển đã để lại nhiều dấu ấn quan trọng trong sự phát triển của vỏ Trái đất, với nhiều loại khoáng sản, đất và đá có nguồn gốc từ sinh quyển như than, dầu, granit, cùng các trầm tích như than, đá cacbonnat, photphat, và trầm tích Fe, Mn Trong suốt thời gian này, số lượng và độ phức tạp của các loài sinh vật ngày càng tăng, từ các cơ thể đơn bào đến động vật có vú.
Sinh khối là tổng trọng lượng sinh vật sống trên một đơn vị diện tích hoặc thể tích trong sinh quyển, ước tính khoảng 1.10^14 đến 2.10^16 tấn Trong đó, đại dương chứa khoảng 1,1.10^9 tấn sinh khối thực vật và 2,89.10^10 tấn sinh khối động vật, trong khi phần lớn sinh khối tập trung trên lục địa, chủ yếu là sinh khối thực vật Mặc dù sinh khối của Trái đất chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ so với tổng trọng lượng của toàn bộ hành tinh và rất ít so với các thành phần như Thạch quyển hay Thủy quyển, nhưng trong suốt hàng tỷ năm qua, sinh quyển đã thực hiện chu trình biến đổi mạnh mẽ khối lượng lớn vật chất trên Trái đất Sinh khối tồn tại trên hầu hết các loại đất đá trầm tích biến chất và khoáng sản trầm tích dưới dạng vật chất hữu cơ.
Chu trình dinh dưỡng bắt đầu từ việc thực vật tự tổng hợp hydratcacbon từ khí oxit cacbon, nước và khoáng chất trong đất, tạo ra tế bào của chúng Động vật ăn cỏ tiêu thụ thực vật làm thức ăn, trong khi các vi sinh vật như vi khuẩn và nấm phân hủy thức ăn thừa và xác chết của động thực vật thành các hợp chất dinh dưỡng đơn giản cho thực vật Nhờ có năng lượng từ Mặt trời, các chất dinh dưỡng này luân chuyển qua đất, nước, không khí, đá và các sinh thể sống, tạo thành một chu trình tuần hoàn tự nhiên.
Trong tế bào sống, có sự hiện diện của hầu hết các nguyên tố hóa học quan trọng trong sinh quyển Các nguyên tố này được sắp xếp theo hàm lượng từ cao đến thấp, bao gồm: C, H, O, N, P, Cl, Cu, Fe, Mg.
K, Na, S, Al, B, Br… Nồng độ của các nguyên tố trên trong các loài sinh vật thay đổi phụ thuộc vào từng loại và đặc điểm môi trường sống của các cá thể
Chu trình dinh dưỡng của nguyên tố hóa học, đặc biệt là nitơ, là một phần quan trọng trong thành phần của các cơ thể sống Hình 2.10 minh họa chu trình dinh dưỡng của nitơ, bắt đầu từ nitơ trong khí quyển và được chuyển hóa thành protein trong tế bào nhờ sự hỗ trợ của các sinh vật đất như vi khuẩn Rhizobium.
Azotobacter và Clotridium, N2, khí quyển chuyển hóa thành nitơ trong sinh khối thực vật
Nitơ hòa tan từ đất sẽ được sinh vật nước hấp thụ để tổng hợp protein Khi chất thải chứa nitơ rơi vào nước và đất, vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter sẽ chuyển hóa chúng thành NH4+.
Mỗi năm, con người bổ sung vào chu trình dinh dưỡng nitơ khoảng 50 triệu tấn phân bón nitơ dưới dạng hợp chất tan, tương đương với 54 triệu tấn nitơ được sinh vật hấp thụ.