Lỗ thủng tầng ozone: phát hiện năm 1985 ở Nam Cực và vì sao nó xuất hiện

Lỗ thủng tầng ozone là vùng trên Nam Cực mà mỗi mùa xuân (tháng 9–11) lượng ozone trong bình lưu tụt xuống dưới 220 đơn vị Dobson. Ba nhà khoa học của Cơ quan Khảo sát Nam Cực Anh là Joseph Farman, Brian Gardiner và Jonathan Shanklin công bố phát hiện này trên tạp chí Nature năm 1985. Thủ phạm chính được xác định là clo và brom từ các hoá chất con người sản xuất, cộng với điều kiện lạnh đặc biệt của bình lưu Nam Cực.

Lỗ thủng ozone không phải là một cái lỗ

Chữ "lỗ thủng" dễ gây hình dung sai, như thể bầu trời Nam Cực bị khoét một khoảng trống. Thực tế, trong vùng đó vẫn có ozone, chỉ là ít hơn bình thường nhiều. Các nhà khoa học quy ước: nơi nào tổng lượng ozone dưới 220 DU thì tính vào lỗ thủng. Con số 220 được chọn vì trước năm 1979, số đo ở Nam Cực hầu như chưa bao giờ xuống thấp như vậy.

Vào những năm tệ nhất, ở tâm lỗ thủng, ozone ở quãng độ cao 14–21 km gần như bị xoá sạch, và tổng lượng ozone có lúc tụt xuống quanh 100 DU, tức chỉ còn khoảng một phần ba mức bình thường. Diện tích vùng dưới 220 DU vào đỉnh mùa có năm vượt 25 triệu km², rộng hơn cả lục địa Nam Cực và lớn hơn diện tích Bắc Mỹ.

Câu chuyện phát hiện năm 1985

Trạm nghiên cứu Halley của Anh, nằm trên thềm băng Brunt ở Nam Cực, đã đo ozone bằng máy quang phổ Dobson từ năm 1956, nhân Năm Địa vật lý Quốc tế. Từ cuối thập niên 1970, nhóm của Joseph Farman thấy số đo ozone mùa xuân giảm dần qua từng năm. Ban đầu họ nghi chính máy đo có vấn đề, nên kiểm tra lại, thay máy và tiếp tục đo nhiều năm trước khi tin vào kết quả.

Tháng 5 năm 1985, bài báo của Farman, Gardiner và Shanklin đăng trên Nature cho thấy ozone tháng 10 trên Halley đã giảm khoảng một phần ba so với thập niên 1960. Bài báo cũng gợi ý mối liên hệ với lượng clo đang tăng trong khí quyển. Ngay sau đó, dữ liệu vệ tinh Nimbus-7 của NASA được phân tích lại và xác nhận vùng ozone thấp phủ cả lục địa Nam Cực, không chỉ riêng trạm Halley.

Phát hiện gây sốc vì các mô hình thời đó chỉ dự báo ozone giảm chậm, vài phần trăm trong nhiều thập kỷ, và giảm nhiều ở tầng cao chứ không phải một sự sụp đổ theo mùa ở vùng cực.

Vì sao lỗ thủng lại xuất hiện ở Nam Cực

Clo từ CFC có ở khắp khí quyển, vậy tại sao ozone lại sụt mạnh nhất trên Nam Cực? Lời giải nằm ở một chuỗi điều kiện ghép lại, được làm rõ trong mấy năm sau 1985, với đóng góp lớn của nhà hoá học khí quyển Susan Solomon và các chuyến bay đo đạc năm 1986–1987.

Xoáy cực khép kín

Vào mùa đông Nam Cực, một vòng gió tây rất mạnh bao quanh lục địa trong bình lưu, gọi là xoáy cực. Vòng gió này cô lập khối không khí bên trong, không cho không khí ấm và giàu ozone từ vĩ độ thấp tràn vào. Khối khí bị nhốt lạnh dần trong suốt đêm vùng cực kéo dài nhiều tháng.

Mây bình lưu vùng cực

Khi nhiệt độ bình lưu xuống dưới khoảng −78 °C, hơi nước và axit nitric ngưng tụ thành những đám mây mỏng gọi là mây bình lưu vùng cực (polar stratospheric clouds). Trên bề mặt các hạt băng nhỏ li ti này, những dạng clo "ngủ yên" như HCl và ClONO₂ phản ứng với nhau, giải phóng clo ở dạng dễ bị ánh sáng bẻ gãy.

Mặt Trời trở lại

Khi ánh nắng mùa xuân quay về khoảng tháng 9, tia Mặt Trời tách các phân tử chứa clo thành nguyên tử clo tự do. Lúc này chu trình phá ozone bắt đầu chạy với tốc độ rất cao: một nguyên tử clo phá một phân tử ozone, rồi được giải phóng ra để phá tiếp. Theo ước tính thường được Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) nêu, một nguyên tử clo có thể phá khoảng 100.000 phân tử ozone trước khi bị khoá lại. Brom còn phá ozone hiệu quả hơn clo nhiều lần tính trên mỗi nguyên tử.

Đến cuối tháng 11 hoặc tháng 12, bình lưu ấm lên, xoáy cực tan, không khí giàu ozone tràn vào và lỗ thủng "liền" lại. Năm sau, chu trình lặp lại.

Thế còn Bắc Cực

Bắc Cực cũng mất ozone vào cuối đông, nhưng thường nhẹ hơn nhiều. Lý do: Bắc bán cầu có nhiều núi non và sự tương phản lục địa – đại dương, tạo ra các sóng khí quyển làm xoáy cực phía bắc kém ổn định, hay bị xô lệch và ấm lên giữa chừng. Bình lưu Bắc Cực ít khi lạnh đủ lâu để mây bình lưu tồn tại nhiều tuần.

Có những năm ngoại lệ. Mùa xuân 2011 và đặc biệt năm 2020, xoáy cực Bắc mạnh và lạnh bất thường, lượng ozone tụt sâu kỷ lục trên Bắc Cực. Đó là lời nhắc rằng nếu clo trong khí quyển còn cao, một mùa đông lạnh hiếm hoi cũng đủ gây hao hụt lớn ở phía bắc, nơi đông dân hơn nhiều.

Diễn biến lỗ thủng qua các thập niên

Lỗ thủng từng năm vẫn dao động mạnh. Có năm nhỏ bất ngờ vì bình lưu ấm sớm (như năm 2019), có năm lại lớn và kéo dài vì xoáy cực mạnh, hoặc vì các yếu tố khác như khói cháy rừng Úc 2019–2020 hay hơi nước từ vụ phun trào núi lửa ngầm Hunga Tonga – Hunga Haʻapai đầu năm 2022. Nhìn từng năm dễ lầm; phải nhìn xu hướng nhiều năm.

Hậu quả: tia cực tím tăng ở đâu

Ozone mỏng thì UV-B xuống tới mặt đất nhiều hơn. Ở Nam Cực và vùng cực nam của Nam Mỹ (như mũi Patagonia), vào những ngày lỗ thủng trôi qua, chỉ số UV mùa xuân từng tăng lên mức thường chỉ thấy ở vùng nhiệt đới. Sinh vật phù du ở biển Nam Cực, vốn quen với ít UV, là nhóm chịu tác động được nghiên cứu nhiều.

Với vùng nhiệt đới như Việt Nam, lỗ thủng Nam Cực không nằm phía trên. Hao hụt ozone ở vĩ độ thấp nhỏ hơn nhiều. Mức UV cao ở nước ta chủ yếu do Mặt Trời gần thiên đỉnh, không phải vì lỗ thủng ozone.

Góc nhìn hôm nay

Câu chuyện lỗ thủng ozone thường được nhắc như một ví dụ về việc khoa học đo đạc dài hạn có giá trị thế nào. Trạm Halley đã đo đều đặn gần ba mươi năm trước khi phát hiện ra điều bất thường. Nếu chuỗi số liệu đó bị cắt vì thiếu kinh phí, phát hiện có thể đã muộn hơn nhiều năm.

Người muốn theo dõi có thể xem trang NASA Ozone Watch, nơi công bố diện tích và lượng ozone thấp nhất của từng mùa. Dịch vụ Copernicus của châu Âu cũng có bản đồ cập nhật. Bài gốc năm 1985 trên Nature có tựa "Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal ClOx/NOx interaction", rất ngắn và đọc được với kiến thức hoá phổ thông.