Mục lục bài họcĐang ở d06-b1
The Atmosphere as a System, and Stratospheric Ozone Depletion
The atmosphere as a dynamic system. The atmosphere is a thin, dynamic layer of gases: about 78 per cent nitrogen, 21 per cent oxygen, 0.9 per cent argon, and a small but decisive remainder of carbon dioxide, water vapour, methane and ozone. Almost all weather and almost all air pollution occur in the troposphere, the lowest layer, where temperature falls with height so warm surface air rises and mixes. Above it lies the stratosphere, where temperature rises with height because ozone there absorbs ultraviolet radiation. That inversion of the normal temperature gradient makes the stratosphere very stable, and it is why anything that reaches the stratosphere stays there for a long time.
Ozone as a dynamic equilibrium. Stratospheric ozone is not a static store; it is continuously created and destroyed. Ultraviolet radiation splits an oxygen molecule into two oxygen atoms; each atom joins another oxygen molecule to form ozone; and ultraviolet radiation then splits ozone back into an oxygen molecule and an atom. The quantity of ozone is steady only because the rate of formation matches the rate of destruction. The point most often missed is that both the formation step and the destruction step absorb ultraviolet radiation, so the cycle protects the surface in both directions.
Why ozone matters biologically. Ozone absorbs most incoming UV-B. Increased UV-B raises rates of skin cancer and cataracts in humans, damages the DNA of phytoplankton in surface ocean waters, and reduces the yield of sensitive crops. The phytoplankton effect is the one to name in an essay, because it reaches the base of the marine food chain and therefore the whole of ocean productivity, not merely one species.
How chlorofluorocarbons destroy ozone. CFCs were adopted precisely because they are stable, non-toxic, non-flammable and insoluble, which made them ideal as refrigerants, aerosol propellants and foam-blowing agents. That same stability means they are not removed by rain or by reaction in the troposphere, so over several years they drift into the stratosphere. There, short-wave UV-C breaks the carbon–chlorine bond and releases a free chlorine atom. Chlorine then reacts with ozone to give chlorine monoxide and oxygen; chlorine monoxide reacts with an oxygen atom to give back chlorine and oxygen. The chlorine atom is regenerated, so it acts as a catalyst rather than being used up, and a single atom can destroy of the order of one hundred thousand ozone molecules before it is finally locked into a reservoir compound.
Why the hole is polar and springtime. Three conditions coincide over Antarctica. The polar vortex isolates a body of air through the winter so it cannot mix with ozone-rich air from lower latitudes. Extreme cold forms polar stratospheric clouds, and reactions on the surface of those ice particles convert unreactive reservoir species such as hydrogen chloride and chlorine nitrate into molecular chlorine. Then, when sunlight returns in spring, that stored chlorine is photolysed all at once and ozone loss is rapid. This is why the depletion is observed in spring rather than in the darkest part of winter, and why the Arctic, whose vortex is weaker and warmer, shows thinning rather than a comparable hole.
Khí quyển như một hệ thống. Khí quyển là một lớp khí mỏng và động, gồm khoảng 78% nitơ, 21% ôxy, 0,9% argon và một phần nhỏ nhưng có tính quyết định gồm cacbon điôxit, hơi nước, mêtan và ozon. Gần như toàn bộ thời tiết và gần như toàn bộ ô nhiễm không khí diễn ra ở tầng đối lưu, tầng thấp nhất, nơi nhiệt độ giảm theo độ cao nên không khí nóng ở mặt đất bốc lên và xáo trộn. Trên nó là tầng bình lưu, nơi nhiệt độ tăng theo độ cao vì ozon hấp thụ tia tử ngoại. Chính sự đảo chiều gradient nhiệt đó làm tầng bình lưu rất ổn định, và đó là lý do bất cứ thứ gì lên tới đó đều ở lại rất lâu.
Ozon là một cân bằng động. Ozon tầng bình lưu không phải một kho tĩnh mà liên tục được tạo ra và phá đi. Tia tử ngoại tách một phân tử ôxy thành hai nguyên tử; mỗi nguyên tử kết hợp với một phân tử ôxy khác tạo thành ozon; rồi tia tử ngoại lại tách ozon trở lại thành một phân tử ôxy và một nguyên tử. Lượng ozon ổn định chỉ vì tốc độ tạo bằng tốc độ phá. Điểm hay bị bỏ nhất: cả bước tạo lẫn bước phá đều HẤP THỤ tia tử ngoại, nên chu trình bảo vệ mặt đất theo cả hai chiều.
Vì sao ozon quan trọng về mặt sinh học. Ozon hấp thụ phần lớn tia UV-B đi tới. Tăng UV-B làm tăng tỷ lệ ung thư da và đục thuỷ tinh thể ở người, làm hỏng ADN của thực vật phù du ở lớp nước mặt đại dương, và làm giảm năng suất một số cây trồng mẫn cảm. Tác động lên thực vật phù du là thứ nên nêu trong bài luận, vì nó chạm tới đáy của chuỗi thức ăn biển và do đó chạm tới toàn bộ năng suất đại dương chứ không chỉ một loài.
Cơ chế phá huỷ của CFC. CFC được chọn dùng chính vì chúng bền, không độc, không cháy và không tan — những tính chất lý tưởng cho môi chất lạnh, chất đẩy bình xịt và chất tạo bọt. Cũng chính độ bền đó khiến chúng không bị mưa rửa trôi và không phản ứng ở tầng đối lưu, nên sau nhiều năm chúng trôi lên tầng bình lưu. Ở đó tia UV-C bước sóng ngắn bẻ gãy liên kết cacbon–clo và giải phóng một nguyên tử clo tự do. Clo phản ứng với ozon cho clo monoxit và ôxy; clo monoxit phản ứng với một nguyên tử ôxy cho lại clo và ôxy. Nguyên tử clo được tái tạo, nên nó đóng vai trò chất xúc tác chứ không bị tiêu hao, và một nguyên tử có thể phá cỡ một trăm nghìn phân tử ozon trước khi bị khoá lại trong một hợp chất dự trữ.
Vì sao lỗ thủng nằm ở cực và xuất hiện vào mùa xuân. Ba điều kiện trùng nhau ở Nam Cực. Xoáy cực cô lập một khối khí suốt mùa đông nên nó không trộn được với khí giàu ozon từ vĩ độ thấp hơn. Cái lạnh cực độ tạo ra mây tầng bình lưu cực, và các phản ứng trên bề mặt hạt băng đó chuyển những hợp chất dự trữ ít phản ứng như hydro clorua và clo nitrat thành clo phân tử. Rồi khi ánh sáng mặt trời trở lại vào mùa xuân, toàn bộ lượng clo tích trữ bị quang phân cùng lúc và ozon bị phá rất nhanh. Đó là lý do hiện tượng được quan sát vào mùa xuân chứ không vào giữa mùa đông tối nhất, và là lý do Bắc Cực — nơi xoáy cực yếu hơn và ấm hơn — chỉ mỏng đi chứ không tạo lỗ thủng tương đương.
Nghị định thư Montreal 1987 thường được gọi là hiệp định môi trường quốc tế thành công nhất từ trước tới nay. Hãy giải thích bốn đặc điểm khiến nó thành công, và chỉ ra vì sao mỗi đặc điểm đó KHÔNG đúng với vấn đề biến đổi khí hậu.
Đặc điểm 1 — số nguồn phát thải rất nhỏ. CFC được sản xuất bởi một số ít tập đoàn hoá chất ở một số ít quốc gia, nên việc kiểm soát chỉ cần nhắm vào vài chục nhà máy và có thể giám sát được bằng số liệu thương mại. Với khí nhà kính thì ngược hẳn: nguồn phát thải là mọi hoạt động đốt nhiên liệu, tức hàng tỷ nguồn phân tán trong giao thông, điện, công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Không có điểm nghẽn nào để siết.
Đặc điểm 2 — đã có sẵn chất thay thế khả thi về kỹ thuật và chi phí. HCFC rồi HFC có thể thay CFC trong tủ lạnh và bình xịt với chi phí tăng thêm nhỏ so với giá sản phẩm. Chuyển đổi vì vậy không đe doạ mô hình kinh tế của bất kỳ quốc gia nào. Trong vấn đề khí hậu, thứ phải thay là nền tảng năng lượng của toàn bộ nền kinh tế, và ở nhiều nước xuất khẩu nhiên liệu hoá thạch thì việc thay thế đe doạ trực tiếp nguồn thu ngân sách.
Đặc điểm 3 — tác hại thấy được, đo được và quy được trách nhiệm. Lỗ thủng ozon được đo bằng vệ tinh và hiển thị thành một hình ảnh duy nhất mà công chúng hiểu ngay; mối liên hệ giữa clo và mất ozon được chứng minh bằng cơ chế hoá học rõ ràng; và hậu quả — ung thư da — cụ thể, đáng sợ, gần với cá nhân. Tác động khí hậu ngược lại phân bố dần theo thời gian, thể hiện qua thống kê xác suất chứ không qua một hình ảnh, và mỗi sự kiện đơn lẻ luôn có thể bị quy cho biến động tự nhiên.
Đặc điểm 4 — lộ trình phân biệt kèm cơ chế tài chính. Các nước đang phát triển được thời hạn muộn hơn và được Quỹ đa phương hỗ trợ chi phí chuyển đổi, nên họ có lý do tham gia thay vì phản đối. Nguyên tắc trách nhiệm chung nhưng có phân biệt cũng có trong các hiệp định khí hậu, nhưng ở đó quy mô tài chính cần thiết lớn hơn nhiều bậc và tranh cãi về ai trả tiền chưa bao giờ được giải quyết.
Kết luận cần rút ra. So sánh này không nói rằng hợp tác quốc tế là bất khả thi; nó chỉ ra rằng thành công của Montreal phụ thuộc vào bốn điều kiện cấu trúc chứ không phải vào ý chí chính trị đặc biệt. Bài luận nào viết rằng chỉ cần các nước quyết tâm như năm 1987 là giải quyết được khí hậu đều bỏ qua đúng những điều kiện đó.
CFC bị loại bỏ theo lộ trình từ cuối thập niên 1980, nhưng lỗ thủng ozon Nam Cực vẫn xuất hiện hằng năm và chỉ được dự báo phục hồi vào khoảng thập niên 2060. Hãy giải thích bằng khái niệm hệ thống.
Nguyên nhân 1 — thời gian tồn lưu dài. CFC có thời gian tồn lưu trong khí quyển từ khoảng năm mươi tới hơn một trăm năm tuỳ loại. Chúng chỉ bị phá huỷ khi lên tới tầng bình lưu và gặp UV-C, mà đó là con đường chậm. Lượng CFC đã thải ra trước lệnh cấm vì vậy vẫn còn đang trên đường đi lên.
Nguyên nhân 2 — độ trễ trong hệ thống. Đây là điểm lý thuyết cần gọi đúng tên: giữa đầu vào (ngừng phát thải) và đầu ra (ozon phục hồi) có một độ TRỄ dài. Trong mọi hệ thống môi trường có độ trễ lớn, phản hồi đến quá muộn để hướng dẫn quyết định, nên quyết định buộc phải dựa trên mô hình dự báo chứ không dựa trên quan sát kết quả. Đây chính là lý do nguyên tắc phòng ngừa được viện dẫn cho cả ozon lẫn khí hậu.
Nguyên nhân 3 — bản thân chất xúc tác không bị tiêu hao. Vì clo được tái tạo sau mỗi vòng phản ứng, một lượng clo tương đối nhỏ vẫn duy trì được tốc độ phá ozon cao trong nhiều năm. Lượng clo trong tầng bình lưu chỉ giảm khi clo bị khoá vĩnh viễn vào các hợp chất dự trữ rồi được vận chuyển xuống tầng đối lưu và bị mưa rửa.
Nguyên nhân 4 — vẫn còn nguồn phát thải và nguồn tồn. HCFC dùng làm chất thay thế tạm thời cũng chứa clo dù ít hơn nhiều; các thiết bị cũ vẫn rò rỉ; và đã có những đợt phát thải CFC-11 bất thường được phát hiện qua mạng quan trắc nền, cho thấy việc thực thi vẫn cần giám sát.
Cách trả lời lấy điểm. Không dừng ở câu vì CFC tồn tại lâu. Hãy nêu tên hiện tượng là ĐỘ TRỄ giữa hành động và kết quả, rồi rút ra hệ quả về chính sách: hiệu quả của một hiệp định môi trường thường chỉ kiểm chứng được sau hàng chục năm, nên tiêu chí đánh giá đúng trong ngắn hạn là mức phát thải và mức nồng độ chất gây hại trong khí quyển, chứ không phải diện tích lỗ thủng năm nay.
Bẫy 2 — quên rằng clo được TÁI TẠO. Nếu không viết được bước clo monoxit trả lại clo thì không giải thích được vì sao một lượng CFC nhỏ gây hậu quả lớn. Chữ cần dùng là chất xúc tác.
Bẫy 3 — nói lỗ thủng xuất hiện vào mùa đông vì lúc đó lạnh nhất. Mùa đông chỉ TÍCH TRỮ clo trên bề mặt mây tầng bình lưu cực; phản ứng phá ozon cần ánh sáng, nên tổn thất bùng phát vào MÙA XUÂN.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Atmospheric Systems and Society gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.