Mục lục bài họcĐang ở d07-b2
Photochemical Smog, Ozone Formation, and Thermal Inversion
The photochemical chain
Ground-level ozone is built by sunlight acting on nitrogen oxides:
$$\text{NO}_2+\text{UV}\rightarrow\text{NO}+\text{O}$$$$\text{O}+\text{O}_2\rightarrow\text{O}_3$$$$\text{O}_3+\text{NO}\rightarrow\text{NO}_2+\text{O}_2$$Left alone these three steps form a null cycle: ozone is made and destroyed at the same rate, and very little accumulates. Volatile organic compounds (VOCs) break the cycle. VOC radicals oxidize NO to $\text{NO}_2$ without consuming ozone, so the third step is bypassed and $\text{O}_3$ builds up through the afternoon.
Thermal inversion
Normally temperature falls with altitude (environmental lapse rate about $6{,}5°$C/km), so warm surface air is buoyant and rises, carrying pollutants upward. In a thermal inversion a layer of warm air sits above cooler surface air. Rising parcels become denser than their surroundings and stop, so the mixing height collapses. Emissions are unchanged, but the volume they dilute into shrinks — and concentration rises in proportion.
Chuỗi quang hoá. $\text{NO}_2$ bị tia UV bẻ ra thành NO và một nguyên tử O; nguyên tử O đó gắn vào $\text{O}_2$ thành $\text{O}_3$; rồi $\text{O}_3$ gặp NO lại quay về $\text{NO}_2$. Ba bước ấy tự khép thành một vòng rỗng: tạo bao nhiêu phá bấy nhiêu, ozone gần như không tích lại.
VOC là kẻ cắt vòng. Gốc tự do từ VOC oxi hoá NO lên $\text{NO}_2$ mà không đụng tới ozone. Bước phá bị bỏ qua, nên $\text{O}_3$ dồn lên suốt buổi chiều và đạt đỉnh khoảng $14$–$16$ giờ, muộn hơn giờ cao điểm xe cộ vài tiếng.
Nghịch nhiệt (thermal inversion). Bình thường nhiệt độ giảm theo độ cao (gradient khoảng $6{,}5°$C/km), khối khí nóng ở mặt đất nhẹ hơn nên bốc lên và kéo ô nhiễm đi. Khi có một lớp khí ấm nằm đè lên trên lớp khí mát sát đất, khối khí bốc lên gặp chỗ ấm hơn thì nặng tương đối và dừng lại.
- Phát thải không hề tăng — chỉ cái trần để pha loãng bị hạ xuống.
- Nồng độ tỉ lệ nghịch với chiều cao lớp xáo trộn: trần tụt bốn lần thì nồng độ lên bốn lần.
- Thung lũng, mùa đông, đêm quang mây lặng gió là điều kiện quen thuộc: Donora 1948, London 1952, Los Angeles và Mexico City.
Một thành phố hình vuông $20$ km $\times$ $20$ km thải $1{,}2\times10^{4}$ kg $\text{PM}_{2.5}$ mỗi ngày. Coi không khí trên thành phố là một hộp kín, không có gió mang đi.
(a) Tính nồng độ trung bình ngày khi lớp xáo trộn cao $1000$ m.
(b) Tính lại khi nghịch nhiệt kéo lớp xáo trộn xuống còn $200$ m, và so với ngưỡng $24$ giờ là $35\ \mu\text{g/m}^3$.
(a) Thể tích hộp: cạnh $20$ km $=2{,}0\times10^{4}$ m.
$$V=(2{,}0\times10^{4})^2\times1000=4{,}0\times10^{11}\ \text{m}^3$$Khối lượng đổi sang microgram: $1{,}2\times10^{4}$ kg $=1{,}2\times10^{7}$ g $=1{,}2\times10^{13}\ \mu$g.
$$C=\frac{1{,}2\times10^{13}}{4{,}0\times10^{11}}=30\ \mu\text{g/m}^3$$(b) Chỉ chiều cao đổi, diện tích giữ nguyên, nên thể tích nhỏ đi đúng $1000/200=5$ lần:
$$C'=30\times5=150\ \mu\text{g/m}^3$$Con số này gấp hơn bốn lần ngưỡng $35\ \mu\text{g/m}^3$. Thông điệp của phép tính: một đợt nghịch nhiệt kéo dài ba ngày có thể đẩy một thành phố “đạt chuẩn” sang mức nguy hại mà không cần thêm một ống khói nào.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 7 — Atmospheric Pollution gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.