Không khí khô quanh ta gồm khoảng 78,08% nitơ, 20,95% oxy, 0,93% argon và chừng 0,04% CO₂ (khoảng 420–425 ppm, tính tới 2024). Phần còn lại, chưa tới 0,01%, là neon, heli, mê-tan, krypton, hydro, nitơ oxit, xenon và ozone. Hơi nước được tính riêng vì nó thay đổi rất mạnh, từ gần 0% trên sa mạc lạnh tới khoảng 4% trong không khí nhiệt đới ẩm.
Bảng tỷ lệ này trông khô khan, nhưng mỗi con số là kết quả của một câu chuyện hàng tỷ năm: khí núi lửa, vi khuẩn quang hợp, phân rã phóng xạ trong lòng đất và cả lượng khí đang thoát dần ra vũ trụ.
Bảng thành phần không khí khô
Các nhà khoa học luôn nói thành phần của không khí khô, tức là đã bỏ hơi nước ra. Lý do đơn giản: nếu tính cả hơi nước thì tỷ lệ của mọi khí khác sẽ nhảy lên nhảy xuống theo độ ẩm từng giờ, không so sánh được.
| Khí | Ký hiệu | Tỷ lệ theo thể tích | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Nitơ | N₂ | ~78,08% | Rất bền, gần như không phản ứng ở điều kiện thường |
| Oxy | O₂ | ~20,95% | Do quang hợp tạo ra và duy trì |
| Argon | Ar | ~0,93% | Khí hiếm, phần lớn sinh ra từ phân rã kali-40 |
| Carbon dioxide | CO₂ | ~0,04% (420–425 ppm, tính tới 2024) | Đang tăng khoảng 2–3 ppm mỗi năm |
| Neon | Ne | ~18 ppm | Khí hiếm |
| Heli | He | ~5 ppm | Liên tục thoát ra vũ trụ, liên tục được bù từ lòng đất |
| Mê-tan | CH₄ | ~1,9 ppm | Khí nhà kính mạnh, đã tăng hơn gấp đôi so với thời tiền công nghiệp |
| Krypton | Kr | ~1,1 ppm | Khí hiếm |
| Hydro | H₂ | ~0,5 ppm | Nhẹ nhất, dễ thoát nhất |
| Nitơ oxit | N₂O | ~0,34 ppm | Khí nhà kính, cũng phá ozone |
| Xenon | Xe | ~0,09 ppm | Khí hiếm nặng |
| Ozone | O₃ | Thay đổi, từ vài phần trăm triệu tới vài ppm | Đậm nhất ở tầng bình lưu |
"ppm" là phần triệu: 420 ppm CO₂ nghĩa là trong một triệu phân tử không khí có khoảng 420 phân tử CO₂. Con số nhỏ, nhưng như các bài về khí nhà kính sẽ cho thấy, nhỏ không có nghĩa là không quan trọng.
Vì sao nitơ chiếm gần bốn phần năm
Nitơ không nhiều vì Trái Đất "sinh" ra nó nhiều hơn các khí khác. Nó nhiều vì nó ở lại. Hai nguyên tử nitơ trong phân tử N₂ nối với nhau bằng liên kết ba, một trong những liên kết bền nhất của hoá học. Phá được liên kết ấy cần năng lượng của tia sét, của nhiệt độ rất cao trong động cơ, hoặc của những enzym đặc biệt trong vi khuẩn cố định đạm.
Trong khi đó, CO₂ thời Trái Đất trẻ bị nước mưa hoà tan, đi xuống đại dương rồi khoá vào đá vôi. Hơi nước ngưng tụ thành biển. Nitơ thì không tan nhiều trong nước, không kết tủa thành đá, nên cứ tích luỹ dần qua hàng tỷ năm khí thoát ra từ núi lửa. Kết quả là một khí "lười" chiếm phần lớn bầu trời.
Oxy: khí mà sự sống tự làm ra
Gần 21% oxy là điều hiếm có trong hệ Mặt Trời. Sao Kim và sao Hoả có khí quyển chủ yếu là CO₂ với oxy chỉ là vết. Oxy tự do trên Trái Đất gần như toàn bộ đến từ quang hợp: vi khuẩn lam, tảo và cây xanh tách nước, giữ hydro để làm đường và thải oxy ra ngoài.
Oxy là chất phản ứng mạnh. Nó gỉ sắt, đốt gỗ, oxy hoá đá. Nếu quang hợp dừng lại, oxy sẽ bị tiêu hao dần qua phong hoá đá và hô hấp, dù quá trình ấy kéo dài hàng triệu năm vì kho oxy trong khí quyển rất lớn. Nói cách khác, 21% là một trạng thái cân bằng động: một bên sự sống tạo ra, một bên đất đá và sinh vật tiêu thụ.
Từ năm 1989, nhóm của Ralph Keeling ở Viện Hải dương học Scripps (Mỹ) đo được tỷ lệ oxy so với nitơ đang giảm rất chậm, đúng như dự đoán khi con người đốt nhiên liệu hoá thạch. Mức giảm chỉ vài phần triệu mỗi năm, không ảnh hưởng gì tới việc thở, nhưng là một bằng chứng độc lập cho thấy CO₂ tăng thêm là do đốt carbon chứ không phải do núi lửa.
Argon: món quà của phóng xạ
Argon chiếm gần 1% không khí, nhiều gấp hơn hai mươi lần CO₂, vậy mà mãi tới năm 1894 mới được tìm ra. Lord Rayleigh để ý rằng nitơ tách từ không khí luôn nặng hơn một chút so với nitơ điều chế từ hợp chất hoá học. Cùng William Ramsay, ông loại hết nitơ và oxy khỏi một mẫu không khí và còn lại một khí trơ chưa ai biết. Họ đặt tên là argon, gốc Hy Lạp nghĩa là "lười". Rayleigh nhận Nobel Vật lý, Ramsay nhận Nobel Hoá học cùng năm 1904.
Gần như toàn bộ argon trong khí quyển là đồng vị argon-40, sinh ra khi kali-40 trong đá phân rã phóng xạ suốt hàng tỷ năm rồi thoát dần ra ngoài qua núi lửa và nứt gãy. Argon quá nặng để thoát ra vũ trụ và quá trơ để phản ứng với thứ gì, nên nó cứ thế tích lại.
Hơi nước và các khí "vết"
Hơi nước: nhiều nhất trong những khí thay đổi
Hơi nước là khí nhà kính quan trọng nhất về lượng, nhưng nó gần như không tự quyết định được nồng độ của mình: không khí càng ấm càng giữ được nhiều hơi nước, khoảng 7% cho mỗi độ C. Vì thế người ta gọi hơi nước là một "vòng phản hồi" chứ không phải nút điều khiển. Hơi nước tập trung gần mặt đất; lên tới tầng bình lưu không khí khô hơn sa mạc rất nhiều, chỉ còn vài phần triệu.
Một chi tiết hay bị hiểu ngược: không khí ẩm nhẹ hơn không khí khô cùng nhiệt độ và áp suất. Phân tử nước (khối lượng 18) nhẹ hơn nitơ (28) và oxy (32), và khi hơi nước chen vào, nó thay chỗ cho những phân tử nặng hơn.
Những khí chiếm phần triệu nhưng gánh việc lớn
- CO₂, mê-tan, nitơ oxit: hấp thụ tia hồng ngoại mà mặt đất phát ra, giữ nhiệt cho hành tinh. Không có chúng, nhiệt độ trung bình bề mặt sẽ khoảng −18 °C thay vì khoảng 15 °C.
- Ozone: ở tầng bình lưu chặn phần lớn tia cực tím có hại; ở sát mặt đất lại là chất ô nhiễm.
- Heli: sinh ra từ phân rã urani và thori trong đá, nhẹ tới mức liên tục thoát khỏi Trái Đất. Vì vậy lượng heli trong không khí rất ít và heli thương mại phải khai thác từ mỏ khí đốt.
Thành phần có giống nhau ở mọi độ cao không
Từ mặt đất lên tới khoảng 80–100 km, gió và dòng đối lưu khuấy không khí đủ mạnh để các khí chính trộn đều. Lớp này gọi là tầng đồng nhất (homosphere). Ở đỉnh Everest, ở độ cao 10 km nơi máy bay chở khách bay, hay ở 50 km, không khí vẫn có khoảng 21% oxy. Cái thay đổi là mật độ: càng lên cao càng ít phân tử trong mỗi lít khí, nên mỗi hơi thở lấy được ít oxy hơn dù tỷ lệ phần trăm vẫn thế.
Trên khoảng 100 km, không khí loãng tới mức các phân tử hiếm khi va nhau. Khuấy trộn yếu đi, mỗi khí tự phân lớp theo khối lượng: khí nặng như nitơ phân tử ở dưới, oxy nguyên tử nhiều lên, rồi tới heli và hydro ở trên cùng. Đó là tầng không đồng nhất (heterosphere). Ở độ cao vài trăm km, oxy nguyên tử mới là thành phần chính, và đó là thứ ăn mòn dần bề mặt vệ tinh bay thấp.
Ngoài ra còn những biến đổi cục bộ: CO₂ dao động theo mùa vì cây cối ở Bắc bán cầu hút vào mùa hè và nhả ra mùa đông; khí thải tập trung trên thành phố; ozone dày nhất ở độ cao khoảng 20–25 km.
Một lít không khí chứa gì
Để hình dung, một lít không khí ở mặt nước biển và 0 °C nặng khoảng 1,29 g và chứa cỡ 2,7 × 10²² phân tử. Trong đó:
- Khoảng 2,1 × 10²² phân tử nitơ.
- Khoảng 5,6 × 10²¹ phân tử oxy.
- Khoảng 2,5 × 10²⁰ nguyên tử argon.
- Khoảng 1,1 × 10¹⁹ phân tử CO₂.
Hơi thở ra của người có khoảng 16% oxy và 4% CO₂, cao gấp khoảng một trăm lần không khí ngoài trời. Đó là lý do phòng kín đông người nhanh bí: CO₂ tích lại trước khi oxy thiếu đi đáng kể.
Góc nhìn hôm nay: tự đọc số liệu khí quyển
Thành phần không khí không phải thứ phải tin theo sách. Nhiều dữ liệu được công bố công khai và cập nhật thường xuyên:
- NOAA Global Monitoring Laboratory công bố CO₂, mê-tan, nitơ oxit đo tại Mauna Loa (Hawaii) và mạng trạm toàn cầu, có cả biểu đồ theo tháng.
- Scripps CO₂ Program giữ chuỗi số liệu Keeling từ năm 1958, kèm số liệu tỷ lệ oxy/nitơ.
- NASA Earth Observatory có nhiều bài giải thích có ảnh vệ tinh về khí vết và ozone.
Nếu muốn tìm hiểu bằng sách, các giáo trình khí tượng học đại cương ở các trường đại học khoa học tự nhiên đều có chương "Thành phần và cấu trúc khí quyển", trình bày kỹ hơn cả phần đồng vị và khí vết.
Một điều nên mang theo: khi đọc ở đâu đó rằng "không khí có 21% oxy" hay "CO₂ chỉ 0,04% thì không đáng kể", hãy nhớ rằng tỷ lệ và vai trò là hai chuyện khác nhau. Nitơ chiếm 78% nhưng gần như không giữ nhiệt; CO₂ chiếm 0,04% nhưng là một trong những núm vặn chính của nhiệt độ hành tinh.
Câu hỏi thường gặp
Khí nào chiếm nhiều nhất trong không khí?
Nitơ (N₂), khoảng 78,08% thể tích không khí khô. Oxy đứng thứ hai với khoảng 20,95%, argon thứ ba với khoảng 0,93%. Ba khí này cộng lại đã gần 99,96%.
CO₂ trong không khí hiện nay là bao nhiêu?
Khoảng 420–425 ppm tính tới 2024, tức chừng 0,04% thể tích. Trước cách mạng công nghiệp, con số này khoảng 280 ppm. Khi bắt đầu đo liên tục ở Mauna Loa năm 1958, nó khoảng 315 ppm.
Vì sao tỷ lệ các khí thường tính cho không khí khô?
Vì hơi nước thay đổi từ gần 0% tới khoảng 4% tuỳ nơi và tuỳ lúc. Nếu tính cả hơi nước, tỷ lệ của nitơ, oxy và các khí khác sẽ dao động theo độ ẩm, khó so sánh. Bỏ hơi nước ra thì thành phần còn lại gần như cố định trên toàn cầu.
Lên núi cao thì không khí có ít oxy hơn không?
Tỷ lệ phần trăm oxy vẫn khoảng 21% tới độ cao vài chục km. Cái giảm là áp suất và mật độ không khí, nên mỗi hơi thở chứa ít phân tử oxy hơn. Trên đỉnh Everest, lượng oxy mỗi lần hít chỉ còn khoảng một phần ba so với mặt nước biển.
Argon trong không khí từ đâu ra?
Gần như toàn bộ là argon-40, sinh ra khi đồng vị kali-40 trong đá phân rã phóng xạ suốt hàng tỷ năm rồi thoát ra khí quyển. Argon trơ và đủ nặng để không thoát ra vũ trụ, nên tích luỹ tới gần 1% không khí.
Không khí ẩm nặng hơn hay nhẹ hơn không khí khô?
Nhẹ hơn, nếu cùng nhiệt độ và áp suất. Phân tử nước có khối lượng 18, nhẹ hơn nitơ (28) và oxy (32). Hơi nước càng nhiều thì khối lượng trung bình của không khí càng giảm.
