Mục lục bài họcĐang ở d06-b2
Photochemical Smog and Acid Deposition
Primary and secondary pollutants. A primary pollutant is emitted directly: oxides of nitrogen formed when combustion is hot enough to make atmospheric nitrogen and oxygen react, unburnt volatile organic compounds from fuel and solvents, carbon monoxide, sulfur dioxide and particulates. A secondary pollutant is not emitted at all but is formed in the atmosphere from primary pollutants. Tropospheric ozone is the standard example, and so are sulfuric and nitric acid. The distinction matters for policy: a secondary pollutant cannot be captured at the point of release, so control must target its precursors.
How photochemical smog forms. Nitrogen dioxide is split by sunlight into nitric oxide and an oxygen atom; that atom joins an oxygen molecule to make ozone. Volatile organic compounds keep the cycle running by converting nitric oxide back to nitrogen dioxide without consuming ozone, so ozone accumulates instead of being recycled. Because the key step requires sunlight, ozone concentrations peak in the early afternoon rather than during the morning traffic peak, and smog is worst in summer.
Why topography and weather decide severity. A thermal inversion places a layer of warm air above cooler surface air. Since the surface air is denser it cannot rise, convection stops, and pollutants accumulate under the warm lid instead of dispersing. Inversions form on calm clear nights when the ground radiates heat away, and under high-pressure systems where subsiding air warms. Cities in valleys or basins — Los Angeles, Mexico City, Santiago, Delhi in winter — suffer most, because the surrounding relief also prevents horizontal ventilation. The inversion does not create pollution; it concentrates it.
Good ozone and bad ozone. Stratospheric ozone and tropospheric ozone are the same molecule. In the stratosphere it shields the surface from ultraviolet radiation; in the air people breathe it inflames airways, reduces lung function, aggravates asthma and measurably reduces the yield of crops such as wheat and soya. Location, not chemistry, decides whether ozone is protective or harmful.
Acid deposition. Sulfur dioxide, mainly from burning coal containing sulfur impurities, and oxides of nitrogen from all high-temperature combustion, are oxidised in the atmosphere to sulfuric and nitric acid. These return to the surface as wet deposition in rain, snow, fog and mist, or as dry deposition of acidic gases and particles that acidify surfaces later when they are wetted. Unpolluted rain already has a pH of about 5.6 because dissolved carbon dioxide forms carbonic acid, so acid deposition is normally defined below about pH 5.0. Since pH is a logarithmic scale, pH 4 is ten times more acidic than pH 5 and one hundred times more acidic than pH 6.
Why the damage map does not match the deposition map. Acid deposition is a transboundary problem: tall chimneys, built to solve local air quality, put emissions high enough to be carried hundreds of kilometres by wind, so the country that burns the coal is often not the country whose lakes and forests are damaged. But deposition alone does not predict damage. A catchment on limestone contains carbonate that neutralises incoming acid, so its lakes may barely change pH; a catchment on granite has almost no buffering capacity, so pH falls quickly. The mechanism that kills fish is then usually not the hydrogen ion itself but aluminium, which acid mobilises from soil minerals into the water, where it damages gill tissue and causes suffocation. In forests, acid leaches calcium and magnesium from soils, so trees are weakened and become vulnerable to frost, drought and pests rather than being killed directly.
Chất ô nhiễm sơ cấp và thứ cấp. Chất ô nhiễm sơ cấp là chất được thải trực tiếp: các ôxit nitơ hình thành khi quá trình cháy đủ nóng để nitơ và ôxy trong không khí phản ứng với nhau, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi từ nhiên liệu chưa cháy hết và dung môi, cacbon monoxit, lưu huỳnh điôxit và bụi. Chất ô nhiễm thứ cấp hoàn toàn không được thải ra mà được HÌNH THÀNH trong khí quyển từ các chất sơ cấp. Ozon tầng đối lưu là ví dụ chuẩn, và axit sunfuric cùng axit nitric cũng vậy. Phân biệt này quyết định chính sách: không thể thu giữ một chất thứ cấp tại nguồn thải, nên biện pháp phải nhắm vào các chất tiền thân của nó.
Khói quang hoá hình thành thế nào. Nitơ điôxit bị ánh sáng mặt trời tách thành nitơ monoxit và một nguyên tử ôxy; nguyên tử đó kết hợp với một phân tử ôxy tạo thành ozon. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi duy trì chu trình bằng cách chuyển nitơ monoxit trở lại thành nitơ điôxit mà không tiêu thụ ozon, nên ozon TÍCH LUỸ thay vì được tái sử dụng. Vì bước then chốt cần ánh sáng, nồng độ ozon đạt đỉnh vào đầu giờ chiều chứ không vào giờ cao điểm buổi sáng, và khói quang hoá nặng nhất vào mùa hè.
Vì sao địa hình và thời tiết quyết định mức độ nghiêm trọng. Nghịch nhiệt đặt một lớp khí ấm nằm trên lớp khí lạnh sát mặt đất. Vì khí sát mặt đất nặng hơn nên nó không bốc lên được, đối lưu dừng lại, và chất ô nhiễm tích tụ dưới cái nắp khí ấm thay vì phát tán. Nghịch nhiệt hình thành vào những đêm quang mây lặng gió khi mặt đất bức xạ mất nhiệt, và dưới các hệ thống áp cao nơi khí giáng xuống và nóng lên. Các thành phố nằm trong thung lũng hoặc lòng chảo — Los Angeles, Mexico City, Santiago, Delhi vào mùa đông — chịu nặng nhất, vì địa hình xung quanh còn chặn cả thông gió theo phương ngang. Nghịch nhiệt không TẠO RA ô nhiễm mà chỉ làm nó cô đặc lại.
Ozon tốt và ozon xấu. Ozon tầng bình lưu và ozon tầng đối lưu là cùng một phân tử. Ở tầng bình lưu nó chắn tia tử ngoại cho mặt đất; trong không khí người ta thở nó gây viêm đường hô hấp, giảm chức năng phổi, làm nặng thêm hen suyễn và làm giảm rõ rệt năng suất các cây như lúa mì và đậu tương. Thứ quyết định ozon có ích hay có hại là VỊ TRÍ chứ không phải bản chất hoá học.
Lắng đọng axit. Lưu huỳnh điôxit, chủ yếu từ việc đốt than có tạp chất lưu huỳnh, và các ôxit nitơ từ mọi quá trình cháy ở nhiệt độ cao, bị ôxy hoá trong khí quyển thành axit sunfuric và axit nitric. Chúng trở lại mặt đất dưới dạng lắng đọng ướt trong mưa, tuyết, sương mù, hoặc lắng đọng khô gồm khí và hạt axit bám lên bề mặt rồi gây chua khi bề mặt đó bị làm ướt. Nước mưa không ô nhiễm vốn đã có pH khoảng 5,6 vì cacbon điôxit hoà tan tạo axit cacbonic, nên lắng đọng axit thường được định nghĩa từ dưới khoảng pH 5,0. Vì pH là thang lôgarit, pH 4 chua gấp mười lần pH 5 và gấp một trăm lần pH 6.
Vì sao bản đồ thiệt hại không trùng bản đồ lắng đọng. Lắng đọng axit là vấn đề xuyên biên giới: những ống khói cao được xây để giải quyết chất lượng không khí cục bộ đã đưa khí thải lên đủ cao để gió mang đi hàng trăm kilômét, nên nước đốt than thường không phải nước có hồ và rừng bị hại. Nhưng riêng lượng lắng đọng không dự báo được thiệt hại. Lưu vực nằm trên đá vôi chứa cacbonat trung hoà axit đi vào, nên pH hồ gần như không đổi; lưu vực trên đá granit gần như không có khả năng đệm nên pH tụt nhanh. Khi đó cơ chế giết cá thường không phải bản thân ion hydro mà là nhôm, thứ được axit hoà tan ra từ khoáng vật đất vào nước, nơi nó làm hỏng mô mang và gây ngạt. Trong rừng, axit rửa trôi canxi và magiê khỏi đất, nên cây bị suy yếu và dễ tổn thương trước sương giá, hạn hán và sâu bệnh chứ không chết trực tiếp.
Hai hồ cách nhau 40 km nhận lượng lắng đọng axit gần như bằng nhau, đo được ở mức trung bình pH 4,3 trong nước mưa. Sau mười lăm năm, hồ A có pH 6,6 và quần thể cá bình thường; hồ B có pH 4,8 và không còn cá. Hãy giải thích, và nêu vì sao việc bón vôi cho hồ B không phải là giải pháp.
Bước 1 — loại trừ giả thiết về lượng. Vì lượng lắng đọng gần như bằng nhau, khác biệt không nằm ở đầu vào mà nằm ở khả năng của hệ thống xử lý đầu vào đó. Đây là dạng câu hỏi kiểm tra xem học sinh có biết phân biệt tải lượng với khả năng chống chịu hay không.
Bước 2 — khả năng đệm của nền địa chất. Nếu lưu vực hồ A nằm trên đá vôi hoặc đá phấn, cacbonat trong đá phản ứng với axit và trung hoà nó trước khi nước tới hồ, nên pH hồ gần như không đổi. Lưu vực hồ B nằm trên đá granit hoặc đá phiến kết tinh, gần như không chứa khoáng vật trung hoà axit, nên axit đi thẳng vào hồ. Đây là biến số giải thích được hầu hết các trường hợp trong dữ liệu thực địa ở Scandinavia và Canada.
Bước 3 — cơ chế giết cá. Điểm phải viết đúng: ở pH 4,8 thì bản thân độ chua đã gây stress, nhưng nguyên nhân trực tiếp làm cá chết hàng loạt thường là nhôm. Axit hoà tan Al³⁺ từ khoáng vật đất trong lưu vực và đưa vào hồ; nhôm kích thích tiết chất nhầy ở mang và làm hỏng mô mang, khiến cá chết vì ngạt chứ không vì bỏng axit. Có một tầng thứ hai đáng nêu: giai đoạn trứng và cá bột nhạy cảm hơn cá trưởng thành rất nhiều, nên quần thể thường sụp vì ngừng tái sản xuất trước khi thấy cá lớn chết — hồ trông vẫn có cá trong vài năm rồi đột ngột trống.
Bước 4 — vì sao bón vôi không phải giải pháp. Bón vôi thêm cacbonat vào hồ, tức nhân tạo hoá khả năng đệm mà lưu vực không có. Nó xử lý TRIỆU CHỨNG chứ không xử lý nguyên nhân, vì lượng axit đi vào không đổi. Ba hệ quả thực tế: phải lặp lại mãi mãi nên chi phí là dòng chi vô hạn; nó không phục hồi đất rừng trong lưu vực, nơi canxi và magiê vẫn tiếp tục bị rửa trôi; và nó chuyển chi phí sang đúng bên đang chịu thiệt hại chứ không sang bên gây ra phát thải, tức đi ngược nguyên tắc người gây ô nhiễm phải trả tiền.
Giải pháp đúng theo thứ tự. Giảm phát thải tại nguồn — chuyển sang than ít lưu huỳnh hoặc nhiên liệu khác, lắp thiết bị khử lưu huỳnh khí thải, lắp bộ chuyển hoá xúc tác cho xe — và vì vấn đề xuyên biên giới nên phải kèm một thoả thuận quốc tế, như Công ước về ô nhiễm không khí xuyên biên giới tầm xa đã làm cho châu Âu.
Số liệu quan trắc ở một thành phố cho thấy nồng độ NOₓ đạt đỉnh vào khoảng 8 giờ sáng, nhưng nồng độ ozon mặt đất đạt đỉnh vào khoảng 14 tới 16 giờ. Hãy giải thích độ lệch này, và nêu vì sao chính sách chỉ giảm NOₓ đôi khi làm ozon TĂNG ở trung tâm thành phố.
Phần 1 — vì sao lệch pha. Đỉnh NOₓ lúc 8 giờ phản ánh giờ cao điểm giao thông, tức thời điểm phát thải chất SƠ CẤP. Ozon là chất THỨ CẤP: nó phải được tạo ra bằng phản ứng quang hoá, mà phản ứng đó cần bức xạ mặt trời. Bức xạ mạnh nhất quanh trưa, và ozon còn cần thời gian tích luỹ vì mỗi vòng phản ứng chỉ tạo thêm một phần nhỏ. Kết quả là đỉnh ozon trễ khoảng sáu tới tám giờ so với đỉnh chất tiền thân. Chính độ lệch này là bằng chứng thực nghiệm cho thấy ozon không được thải ra trực tiếp.
Phần 2 — hệ quả về không gian. Vì cần thời gian, khối khí đã bị gió mang đi xa khi ozon đạt đỉnh. Do đó nồng độ ozon cao nhất thường đo được ở vùng ngoại ô hoặc nông thôn CUỐI GIÓ chứ không ở ngay trung tâm phát thải — một kết quả phản trực giác mà đề thi rất hay dùng.
Phần 3 — vì sao giảm riêng NOₓ có thể phản tác dụng ở trung tâm. Trong khu vực có mật độ giao thông rất cao, nitơ monoxit dư thừa phản ứng với ozon và PHÁ HUỶ nó ngay tại chỗ. Đó là lý do lõi đô thị đôi khi có ozon thấp hơn vùng ven dù ô nhiễm nặng hơn. Nếu chỉ giảm NOₓ mà không giảm hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, cơ chế tiêu huỷ tại chỗ này yếu đi và ozon đo được ở trung tâm có thể tăng lên trong giai đoạn đầu.
Kết luận chính sách. Với chất ô nhiễm thứ cấp, phải nhắm vào TỔ HỢP các chất tiền thân chứ không vào một chất, và phải đánh giá kết quả trên toàn vùng đô thị chứ không tại một trạm đo duy nhất. Đây là ví dụ tốt cho luận điểm rằng can thiệp vào hệ thống phi tuyến có thể cho kết quả ngược dấu ở quy mô nhỏ.
Bẫy 2 — nói nghịch nhiệt gây ra ô nhiễm. Nghịch nhiệt chỉ NGĂN PHÁT TÁN. Nguồn ô nhiễm vẫn là quá trình đốt nhiên liệu; nghịch nhiệt quyết định nồng độ chứ không quyết định lượng thải.
Bẫy 3 — giải thích cá chết chỉ bằng độ chua. Tác nhân trực tiếp thường là nhôm được axit hoà tan ra, gây hỏng mang. Và khác biệt giữa hai hồ nhận cùng lượng axit là do khả năng ĐỆM của nền địa chất.
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.