MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ô nhiễm môi trƣờng nói chung và ô nhiễm không khí nói riêng đang là vấn đề nghiêm trọng hàng đầu trên toàn thế giới. Các cuộc chạy đua phát triển kinh tế, công nghiệp hóa ở các nƣớc hiện nay đang ngày càng làm cho môi trƣờng không khí xung quanh bị ô nhiễm nặng nề bởi các loại chất thải trong quá trình đốt nhiên liệu của động cơ, quá trình sản xuất công nghiệp của máy móc. Có những thành phố lớn bị bao quanh bởi lớp bụi dày đặc, ngƣời dân phải đeo khẩu trang mỗi khi ra khỏi nhà để bảo vệ sức khỏe.
Môi trƣờng không khí bị ô nhiễm đang từng ngày ảnh hƣởng lớn đến cuộc sống, sức khỏe của con ngƣời và các loài sinh vật sinh sống trên Trái Đất [5]. Các chất và tác nhân gây ô nhiễm không khí bao gồm: - Các loại oxit nhƣ: nitơ oxit (NO, NO2), nitơ đioxit (NO2), SO2, CO, H2S và các loại khí halogen (Clo, Crom, Iôt); - Các hợp chất Flo; - Các chất tổng hợp (Ete, Benzen); - Các chất lơ lửng (bụi rắn, bụi lỏng, bụi vi sinh vật), nitrat, sunfat, các phân tử cacbon, sol khí, muội, khói, sƣơng mù, phấn hoa; - Các loại bụi nặng, bụi đất, đá, bụi kim loại nhƣ đồng, chì, sắt, kẽm, niken, thiếc, cađimi; Khí quang hoá (Ôzôn, FAN, F 2N, NOx, anđehyt, etylen.); - Chất thải phóng xạ, tiếng ồn, nhiệt độ…[8] Ôzôn (O3) trong khí quyển tập trung cao nhất chủ yếu nằm ở tầng bình lƣu (khoảng 20 đến 50 km tính từ mặt đất). Tại đây, Ôzôn lọc phần lớn các tia cực tím từ mặt trời gây hại cho phần lớn các vi sinh vật trên Trái Đất. Ngoài ra, Ôzôn còn hấp thụ năng lƣợng mặt trời và truyền cho tầng bình lƣu từ đó tầng bình lƣu trao đổi 1 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com nhiệt với tầng đối lƣu, giữ ấm Trái Đất.
Ôzôn nhƣ một tấm khiên chắn bảo vệ con ngƣời chống lại các tia tử ngoại độc hại, tuy nhiên khi chất khí này ở mặt đất từ 0 – 10 km (còn gọi là Ôzôn tầng đối lƣu hay Ôzôn tầng mặt) lại trở thành chất ô nhiễm, gây hiệu ứng nhà kính [1]. O3 là một trong những thông số quan trọng gây nên hiệu ứng nhà kính chỉ đứng sau CO2 và CH4. Mỗi phân tử O3 gia tăng trong khí quyển mạnh hơn khoảng 1.000 lần so với gia tăng phân tử CO2 trong quá trình gây nên hiện tƣợng ấm lên toàn cầu [4]. O3 cũng là yếu tố nguy hiểm đối với sức khỏe con ngƣời.
O3 là chất ôxy hóa mạnh nên khi tiếp xúc với mô phổi, O3 tấn công và làm tổn thƣơng các tế bào biểu mô lót của đƣờng dẫn khí, gây viêm các tế bào, gây ho, ngứa họng khiến ngƣời nhiễm cảm thấy khó chịu trong lồng ngực, đồng thời làm giảm chức năng của phổi, khiến không thể thở sâu nhƣ bình thƣờng. Ô nhiễm Ôzôn có thể làm cho bệnh hen suyễn, viêm phế quản mãn tính, bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính trở nên trầm trọng hơn và làm giảm khả năng chống lại vi sinh vật xâm nhập vào hệ hô hấp của cơ thể. Ôzôn có thể kích ứng phế quản nhạy cảm sẵn có ở một số ngƣời bị hen suyễn. Không khí bị ô nhiễm Ôzôn khiến con ngƣời hít phải sẽ kích hoạt cơn hen suyễn tính, do đó các phòng khám hen suyễn thƣờng đông bệnh nhân hơn trong những ngày nồng độ Ôzôn tăng cao hơn bình thƣờng [41].
Ngoài việc trực tiếp gây kích ứng phế quản, Ôzôn còn làm cho ngƣời bệnh dễ nhạy cảm hơn với các dị ứng nhƣ bụi, phấn hoa, nấm mốc, lông vật nuôi. Việt Nam đang ngày càng bị ô nhiễm nặng nề bởi các loại khí thải trong quá trình sản xuất, giao thông vận tải [3]. Việc nghiên cứu nồng độ Ôzôn ở tầng mặt là cần thiết nhằm nâng cao công tác quản lý nguồn thải. Do vậy, đề tài “Nghiên cứu biến động nồng độ Ôzôn tầng mặt trong không khí tại một số khu vực ở miền Bắc Việt Nam” đã đƣợc chọn để thực hiện.
2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Mục tiêu của đề tài 2. Mục tiêu nghiên cứu Xác định đƣợc biến động nồng độ Ôzôn có trong tầng đối lƣu theo không gian (tại 03 địa điểm đặt trạm quan trắc không khí tự động) và theo thời gian (biến động ngày, biến động theo các ngày trong tuần, biến động theo tháng và mùa) với bộ dữ liệu đƣợc thu thập từ 03 trạm quan trắc không khí tự động liên tục. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu là khu vực miền Bắc Việt Nam đƣợc chia thành 03 vùng lãnh thổ bao gồm: Tây Bắc Bộ (6 tỉnh), Đông ắc Bộ (9 tỉnh), Đồng Bằng Sông Hồng (10 tỉnh).
Tuy nhiên, đề tài chỉ giới hạn phạm vi tại các trạm quan trắc tự động liên tục của 3 tỉnh (Hà Nội, Quảng Ninh, Phú Thọ). Khu vực nghiên cứu với đặc trƣng cho địa lý khác nhau (miền núi, đồng bằng và ven biển). Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan các nghiên cứu về Ôzôn tầng mặt trên thế giới và ở Việt Nam - Nghiên cứu biến động nồng độ Ôzôn tầng mặt theo không gian cụ thể sự khác biệt về nồng độ tại 03 vị trí đặt trạm quan trắc không khí tự động. - Nghiên cứu biến động nồng độ Ôzôn tầng mặt theo thời gian trong năm 2014 4.
Ý nghĩa của đề tài - Ý nghĩa khoa học: làm sáng tỏ biến động nồng độ Ôzôn tầng mặt trong không khí thông qua các yếu tố khí tƣợng và môi trƣờng theo không gian và thời gian. Cung cấp cơ sở khoa học cho định hƣớng quản lý và kiểm soát ô nhiễm Ôzôn tầng mặt. - Ý nghĩa thực tiễn: kết quả của luận văn sẽ giúp các nhà quản lý của địa phƣơng nắm rõ đƣợc hiện tƣợng gia tăng nồng độ khí Ôzôn tại tầng đối lƣu. 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Một số vấn đề có liên quan đến Ôzôn Tầng đối lƣu là phần thấp nhất của khí quyển của Trái Đất. Phần lớn các hiện tƣợng thời tiết hàng ngày diễn ra ở tầng đối lƣu. Đặc trƣng của tầng này thể hiện ở các dòng đối lƣu của không khí nóng từ bề mặt bốc lên cao và lạnh đi, hiện tƣợng đối lƣu đã mang lại tên gọi cho tầng này.
Tầng đối lƣu bắt đầu từ bề mặt Trái Đất mở rộng ra đến cao độ 20 km ở các vùng nhiệt đới, giảm tới khoảng 11 km ở các vĩ độ trung bình, ít hơn 7 km ở các vùng cực về mùa hè còn trong mùa đông là không rõ ràng. Lớp khí quyển này chiếm khoảng 80% tổng khối lƣợng của toàn bộ khí quyển, gần nhƣ toàn bộ hơi nƣớc và xon khí (aerosol). Trong khu vực tầng đối lƣu thì không khí liên tục luân chuyển và đây là tầng có mật độ không khí lớn nhất của khí quyển Trái Đất. Tầng đối lƣu nằm ngay phía dƣới tầng bình lƣu [6].
Phần thấp nhất của tầng đối lƣu, nơi ma sát với bề mặt Trái Đất ảnh hƣởng tới luồng không khí, đƣợc gọi là lớp ranh giới hành tinh. Lớp này thông thƣờng chỉ dày từ vài trăm mét tới 2 km, phụ thuộc vào địa mạo và thời gian của ngày. Ranh giới giữa tầng đối lƣu và tầng bình lƣu , đƣợc gọi là khoảng lặng đối lƣu, là nơi xảy ra hiện tƣợng nghịch chuyển nhiệt độ khi mà nhiệt độ của 2 tầng đối lƣu và bình lƣu có sự tro đổi qua lại lẫn nhau [8]. Tầng đối lƣu là nơi trực tiếp nhận các loại khí thải do các hoạt động sản xuất, di chuyển, khai thác mà con ngƣời thải vào môi trƣờng hàng ngày.
Giáo sƣ Christian Friedrich Schönbein chuyên ngành hóa học tại Đại học asel là ngƣời đầu tiên phát hiện ra Ôzôn vào ngày 13 tháng 3 năm 1839. Schönbein phát hiện điện cực dƣơng của quá trình điện phân nƣớc có mùi giống với mùi của không khí khi có hiện tƣợng sét đánh và đã gọi khí Ôzôn là “mùi của điện”. Schönbein nhận định rằng mùi này nhất định phải do một chất khí nào đó (đƣợc tạo ra từ chất lỏng bởi sức mạnh phân hủy của dòng điện ở trong nƣớc) kết hợp với ôxy tạo nên. Sau một loạt nghiên cứu Schönbein đã chỉ ra rằng đây là một chất khí mới với đặc tính ôxy hóa rất mạnh và phƣơng pháp xác định khí Ôzôn đầu tiên trên thế giới chính là bằng mùi [30].
4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Ôzôn là một dạng thù hình của ôxy, trong phân tử chứa ba nguyên tử ôxy thay vì hai nhƣ thông thƣờng. Đây là dạng hình thù ít bền vững hơn so với dạng 2 nguyên tử ôxy (O2) vì tính oxi hóa mạnh. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, Ôzôn là chất khí có màu xanh nhạt, ít tan trong nƣớc tan nhiều hơn trong dung môi trơ không phân cực nhƣ cacbontetrachloride hay fluorocarbon và hình thành nên dung dịch màu xanh. Ôzôn hóa lỏng màu xanh thẫm ở -112°C và hóa rắn có màu đen ở -193°C.
Ôzôn có tính ôxy hóa mạnh hơn ôxy, do nó không bền, dễ dàng bị phân hủy thành ôxy phân tử và ôxy nguyên tử, có vòng đời ngắn từ nửa giờ đến một giờ (O3 → O2 + O) [4]. H nh 1 Cấu trúc phân tử Ôzôn Ôzôn trong không khí của Trái đất đƣợc hình thành từ phản ứng kết hợp oxy nguyên tử (O3P) và oxy phân tử (O2) (1). Trong tầng bình lƣu, sự quang phân của O2 bằng bức xạ cực tím bƣớc sóng ngắn (UV) (λ ≤ 240 nm) cung cấp oxy nguyên tử và tạo điều kiện cho sự hình thành của O3. Trong tầng đối lƣu có ít bức xạ tia cực tím, sự quang phân của NO2 ở bƣớc sóng ≤ 424 nm (2) trở thành nguồn chính của các nguyên tử O3P và hình thành nên O3.
Khi đã đƣợc hình thành, O3 có thể phản ứng với NO để tạo ra NO2 (3). O3P + O2 + M→ O3 + M (1) NO2 + hv→NO + O3P (2) O3 + NO→ NO2 + O2 (3) Tuy nhiên trên thực tế, tầng đối lƣu chứa các chất oxy hóa thay thế (tức là HO2 và RO2) có thể chuyển NO thành NO2 (4 - 5), dẫn đến sự tích tụ O3. Các phản ứng 4, 5 và 2 tạo ra một "chu trình NOx" kết quả tạo O3 mà không tiêu thụ NOx. 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chu kỳ hóa học quan trọng khác ảnh hƣởng đến quá trình hình thành O3 là chu trình gốc ROx (ROx = OH + HO2 + RO2) liên tục cung cấp HO2 và RO2 để ôxy hóa NO thành NO2.