Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Xon khí và vai trò của nó đối với khí hậu Xon khí trong khí quyển là các hạt rắn hoặc lỏng tồn tại lơ lửng trong không khí có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo. Loại có nguồn gốc tự nhiên bao gồm: các hạt muối (từ đại dương), các bụi khoáng do gió đưa lên, muội than núi lửa, từ thực vật và các sản phẩm của các phản ứng tự nhiên. Loại có nguồn gốc nhân tạo do chất thải công nghiệp (khói, bụi …), nông nghiệp, sản phẩm của các phản ứng khí, tạo ra các phần tử sulfat, cacbon đen… Xon khí tác động tới hệ thống trái đất bằng nhiều cách khác nhau. Xon khí tác động lên các quá trình hóa học của khí quyển, thay đổi quá trình hình thành mây, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ gây những biến đổi trong hệ thống thời tiết – khí hậu.
Xon khí tác động trực tiếp và gián tiếp lên trữ lượng bức xạ của hệ thống khí quyển – trái đất. Tác động trực tiếp là xon khí tán xạ và hấp thụ các tia bức xạ măt trời trong không gian. Tác động gián tiếp là xon khí ở tầng thấp của khí quyển có thể làm thay đổi kích thước của các hạt mây làm thay đổi phản xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời của mây, như vậy tác động lên trữ lượng năng lượng của trái đất.M [15] các phần tử xon khí tán xạ và hấp thụ bức xạ làm cho lớp khí quyển ấm lên và bề mặt trái đất lạnh đi. Trong nghiên cứu của Mark Z.
Jacobson (2001) [17], nếu tính riêng tác động của các loại sun phát hữu cơ (Sulfate Organics) và carbon đen (BC) thì chúng chỉ làm lượng bức xạ trung bình giảm đi – 0.31 W/m2 nhưng nếu chúng tồn tại dưới dạng hỗn hợp thì tác động của chúng sẽ làm lượng bức xạ giảm đi – 0. Ảnh hưởng trực tiếp của xon khí làm giảm năng lượng bức xạ trung bình toàn cầu, tại giới hạn trên của khí quyển – 0.35 W/m2, tăng trong lớp khí quyển 3.0 W/m2, và giảm tại bề mặt trái đất – 3. Theo Ramanathan ccs., (2005) [31] mây nâu ABCs (Atmospheric Brown Clouds) được cấu thành từ các chất ô nhiễm như carbon đen, carbon hữu cơ, tro, bụi 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com và các chất hấp thụ như sunfat, ngăn cản bức xạ mặt trời tới mặt đất có thể làm giảm 50% sự nóng lên toàn cầu do tăng khí nhà kính. Theo báo cáo thứ tư của Ban liên chính phủ về Biên đối khí hậu (IPCC 2007 [11]), những hạt xon khí tác động tới bức xạ bằng cách phản xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời, bức xạ hồng ngoại trong khí quyển.
Một vài loại xon khí gây tác động bức xạ dương, trong khi đó những xon khí khác gây tác động âm. Tác động bức xạ tổng cộng cho tất cả các loại xon khí là âm. Xon khí cũng gây ra tác động bức xạ gián tiếp làm thay đổi trong một vài đặc tính của mây. Theo IPCC 2007 [11], giá trị tác động trực tiếp của xon khí là – 0.5 W/m2 với mức độ dao động là – 0.
Còn đối với tác động liên quan đến albedo mây có giá trị khoảng –0.7 W/m2 với mức dao động là – 1. Tuy nhiên, mức độ hiểu biết của con người về bản chất của các quá trình này vẫn còn rất hạn chế. Nếu xét riêng tác động của từng loại xon khí thì độ tin cậy còn thấp hơn. Ước lượng riêng tác động từng loại xon khí như sau: sulphate, – 0.15]W/m2; đốt sinh khối + 0.1] W/m2; và muối khoáng – 0.1 Tóm tắt các thành phần chính liên quan tới tác động bức xạ (W/m2) 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tác động bức xạ (Radiative Forcing - RF) tổng cộng là kết quả từ nhiều nhân tố tác động lên khí hậu,trong đó có cả những nhân tố liên quan đến hoạt động của con người và các quá trình tự nhiên (hình 1.
Những hoạt động của con người gây ra sự biến đổi quan trọng đối với các khí nhà kính, ozone, hơi nước, albedo bề mặt, xon khí. RF dương làm ấm hệ thống khí hậu, RF âm làm lạnh khí hậu. Nhìn chung xon khí tác động lên khí hậu theo hai cách: ảnh hưởng trực tiếp do tán xạ và hấp thụ các tia bức xạ mặt trời, và ảnh hưởng gián tiếp liên quan tới nhân ngưng kết của mây và nhân băng làm thay đổi tính chất vi vật lý mây, đặc tính bức xạ và thời gian tồn tại của mây. Các tác động này sẽ được làm rõ trong phần tiếp theo của luận văn.2 Những cơ chế bức xạ khác nhau của mây gây ra bởi xon khí.Những điểm nhỏ màu đen tượng trưng cho các phần tử xon khí, các vòng tròn kích thước lớn hơn là các hạt mây.
Những đường thẳng được cho là thành phần bức xạ tới và thành phần phản xạ lại bức xạ mặt trời, những đường sóng là bức xạ tới mặt đất.Những vòng tròn màu trắng cho biết số hạt mây. Những đám mây không có xáo trộn bao gồm những hạt mây lớn trong đó chỉ có các phần tử xon khí tự nhiên xuất hiện và trở thành nhân ngưng kết, những những đám mây có sự xáo trộn lớn thường chứa đựng một lượng lớn hơn số hạt mây nhỏ, trong đó bao gồm cả các xon khí có nguồn gốc tự nhiên và nguồn gốc từ con người đóng vai trò là các nhân ngưng kết. Những đường nét đứt màu xám biểu thị cho mưa.2 Tác động trực tiếp của xon khí Tác động trực tiếp là cơ chế xon khí tán xạ và hấp thụ bức xạ sóng ngắn và sóng dài làm thay đổi cân bằng bức xạ của hệ thống khí quyển trái đất. Các xon khí 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com sulphate, carbon hữu cơ, cacbon đen có nguồn gốc từ đốt nhiên liệu hóa thạch, đốt sinh khối, bụi khoáng phần lớn do con người tạo ra và gây RF trực tiếp.
Sự tán xạ của xon khí gây ra RF âm, trong khi một phần xon khí hấp thụ bức xạ mặt trời cũng có thể gây RF âm trực tiếp tại đỉnh khí quyển, trên những khu vực có bề mặt sẫm màu như biển hoặc rừng, và RF dương ở đỉnh khí quyển trên khu vực có bề mặt sáng như sa mạc, tuyết hoặc băng, hoặc những nơi có xon khí ở bên trên mây. Cả RF âm hay dương đều làm giảm bức xạ sóng ngắn xuống bề mặt. RF bề mặt xấp xỉ với RF trực tiếp tại đỉnh khí quyển trong trường hợp xon khí tán xạ, nhưng sẽ lớn hơn rất nhiều lần trong trường hợp xon khí hấp thụ. Những loại xon khí khác nhau thì mức độ hấp thụ và tán xạ ánh sáng mặt trời khác nhau.
Các hạt sáng màu hoặc mờ có xu hướng phản xạ bức xạ mặt trời, xon khí có màu sắc tối hơn có khả năng hấp thụ ánh sáng. Sulfate và nitrate nguyên chất phản xạ bức xạ mặt trời do vậy chúng đóng vai trò làm lạnh khí quyển. Carbon đen hấp thụ bức xạ mặt trời đi xuống, làm ấm khí quyển và làm lạnh bề mặt, carbon hữu cơ có tác động làm ấm khí quyển phụ thuộc vào độ sáng của bề mặt. Tác động bức xạ của bụi có mức độ khác nhau, tùy thuộc vào các thành phần, tính chất của hạt bụi, các hạt muối biển có xu hướng phản xạ bức xạ., (2008) [12] đã mô phỏng tác động trực tiếp của xon khí carbon đen lên nhiệt độ và chu trình nước ở châu Á bằng mô hình khí hậu khu vực.
Tác động bức xạ gây ra bởi BC dương ở đỉnh khí quyển (TOA) do tác động hấp thụ và phản xạ bức xạ. Tác động bức xạ bề mặt có giá trị âm hoàn toàn trên khu vực và lớn hơn ở đỉnh khí quyển., (2002) [8] nghiên cứu tác động bức xạ trực tiếp do tác động của xon khí nhân tạo trên khu vực Đông Á. Kết quả cho thấy xon khí Sunfate gây tác động bức xạ âm tại đỉnh khí quyển với giá trị –1 đến – 8W/m2 vào mùa đông và – 1 đến 15W/m2 vào mùa hè. Tác động bức xạ đạt giá trị cực đại trên khu vực lưu vực Tứ Xuyên của Tây Nam Trung Quốc và một vài nơi trên khu vực Đông và Đông Bắc Trung Quốc, Tác động bức xạ này làm lạnh bề mặt dao động từ – 0.7 K cũng là lớn nhất trên khu vực Tứ Xuyên, tác động của xon khí làm lạnh bề mặt phù 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hợp với nhiệt độ quan trắc trong những thập kỷ gần đây trên các khu vực khác nhau của Trung Quốc.
Nhìn chung xon khí làm thay đổi phân bố năng lượng của khí quyển và bề mặt, thay đổi gradient khí áp theo phương ngang, tác động tới hoàn lưu gió mùa và làm thay đổi lượng mưa một số nơi trên trái đất. Ngược lại, dị thường hoàn lưu quy mô lớn có tác động đến sự thay đổi vận chuyển xon khí, điều chỉnh quá trình sa lắng, thay đổi môi trường vật lý và hóa học của hỗn hợp xon khí. Một điểm đáng lưu ý là trong những thập kỷ gần đây, mức độ phát thải của các chất ô nhiễm vào khí quyển ngày càng tăng do quá trình phát triển công nghiệp của các quốc gia trên thế giới. Các nhà khoa học nhận thức rõ hơn rằng ô nhiễm môi trường không khí đã trở thành một vấn đề quốc tế.
Để giải quyết bài toán trên, mô hình hóa các quá trình hóa học trong khí quyển hiện nay đang là một trong những công cụ hiệu quả và mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng.,(2012)[21] đã sử dụng mô hình khí hậu khu vực RegCM3 kết hợp với mô đun xon khí để mô phỏng tác động của xon khí do con người đối với khí hậu khu vực châu Âu từ năm 1996 – 2007. Mô phỏng cho thấy tác động của xon khí lên nhiệt độ trung bình T2m là nhỏ, khoảng – 0.1oC và lạnh đi ở vùng phía nam vĩ độ 50 – 55oN, ấm lên ở phía bắc vĩ độ 55oN. Tồn tại mối tương quan nhất định giữa xon khí do con người tạo ra và tác động trực tiếp của sóng ngắn trên khu vực châu Âu.,(2001)[22] đã sử dụng mô hình khu vực kết hợp với mô hình xon khí và nhận thấy dấu hiệu rõ của tác động trực tiếp và gián tiếp của xon khí do con người tạo ra lên khí hậu khu vực Đông Á,giải thích xu hướng lạnh đi được quan trắc trên các vùng khác nhau của Trung Quốc trong các thập kỷ cuối của thế kỷ 20.