Ozone mặt đất là ozone (O₃) nằm trong lớp không khí ta thở, hình thành khi khí thải chứa nitơ oxit (NOx) và hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC) gặp ánh nắng. Cùng một chất, nhưng ozone trên tầng bình lưu là "ozone tốt" vì chắn tia cực tím, còn ozone sát mặt đất là "ozone xấu" vì là chất ô nhiễm gây kích ứng đường hô hấp, làm hại cây trồng và góp phần làm ấm khí hậu. Ozone mặt đất cao nhất vào các buổi chiều nắng, nóng, lặng gió.
Một chất, hai vai trò
Khoảng 90% ozone của Trái Đất nằm trong tầng bình lưu, ở độ cao khoảng 15–35 km. Ở đó nó hấp thụ tia cực tím UV-B, UV-C và bảo vệ sự sống. Khoảng 10% còn lại nằm trong tầng đối lưu, phần lớn do tự nhiên và một phần ngày càng lớn do con người. Ozone ở hai nơi không trao đổi cho nhau đủ nhiều để "bù" lẫn nhau: ozone ô nhiễm ở thành phố không bay lên vá lỗ thủng ozone, vì nó tồn tại chỉ vài ngày đến vài tuần và bị phá trước khi lên tới bình lưu.
| Ozone bình lưu ("tốt") | Ozone mặt đất ("xấu") | |
|---|---|---|
| Độ cao | khoảng 15–35 km | từ mặt đất tới vài km |
| Sinh ra từ | Tia cực tím bẻ gãy O₂ | NOx + VOC + ánh nắng |
| Vai trò | Chắn tia cực tím | Chất ô nhiễm, khí nhà kính |
| Vấn đề | Bị CFC làm mỏng | Do con người thải NOx, VOC làm tăng |
Ozone mặt đất sinh ra thế nào
Ozone mặt đất gần như không được thải trực tiếp từ ống xả hay ống khói. Nó là chất ô nhiễm "thứ cấp", hình thành trong không khí qua một chuỗi phản ứng quang hoá:
- NO₂ (từ khí thải xe, nhà máy) hấp thụ ánh nắng, tách thành NO và một nguyên tử oxy.
- Nguyên tử oxy gắn với O₂, tạo ozone.
- Bình thường NO lại phản ứng với ozone, biến về NO₂, và vòng tuần hoàn giữ ozone ở mức thấp.
- Khi có thêm VOC (hơi xăng, dung môi sơn, khí thải công nghiệp, và cả hợp chất do cây toả ra như isoprene), các gốc hoá học sinh ra từ VOC biến NO thành NO₂ mà không tiêu tốn ozone. Vòng tuần hoàn bị lệch, ozone tích lại.
Cần cả ba: NOx, VOC và ánh nắng. Thiếu một thì ozone không tăng nhiều. Đó là lý do ozone cao vào mùa nắng, buổi trưa chiều, và thấp vào ban đêm.
Khám phá ở Los Angeles
Từ thập niên 1940, Los Angeles bị một loại sương khói lạ phủ: trời màu nâu vàng, mắt cay, cây cối, cao su bị hư hại, dù thành phố không đốt nhiều than như London. Năm 1952, nhà hoá sinh Arie Haagen-Smit ở Viện Công nghệ California (Caltech) chứng minh trong phòng thí nghiệm rằng hơi xăng và NOx trong ánh nắng tạo ra ozone và các chất kích ứng. Ông đặt nền tảng cho khái niệm sương khói quang hoá (photochemical smog), khác với sương khói khói than kiểu London.
Phát hiện này dẫn tới các quy định về khí thải ô tô ở California, trong đó có bộ chuyển đổi xúc tác (catalytic converter) trên xe từ giữa thập niên 1970, rồi lan ra khắp thế giới.
Những đặc điểm "lạ" của ozone mặt đất
Ngoại ô có thể cao hơn trung tâm
Ở trung tâm thành phố, xe cộ thải nhiều NO, mà NO "ăn" ozone. Vì vậy ngay sát đường lớn, ozone có thể thấp hơn. Khối khí ô nhiễm trôi theo gió ra ngoại ô, NO đã phản ứng hết, ozone tiếp tục được tạo ra trong nắng và tích lại. Kết quả: có ngày ozone ở vùng ngoại ô, nông thôn phía dưới gió cao hơn ở nội đô.
Ozone cuối tuần
Ở một số thành phố, ozone ngày cuối tuần cao hơn ngày thường dù giao thông ít hơn. Hiện tượng gọi là "hiệu ứng cuối tuần": khi NOx giảm ở vùng nhiều NOx, NO bớt "ăn" ozone, và tỷ lệ VOC/NOx thay đổi theo hướng tạo ozone nhiều hơn. Điều này cho thấy giảm ozone không đơn giản: phải biết vùng đó bị giới hạn bởi NOx hay bởi VOC mới chọn đúng biện pháp.
Không nhìn thấy
Ozone là khí không màu ở nồng độ ô nhiễm. Màu nâu của sương khói quang hoá chủ yếu do NO₂ và bụi mịn đi kèm. Một buổi chiều trời trong xanh, nắng chói vẫn có thể có ozone cao.
Ozone mặt đất ảnh hưởng tới những gì
- Sức khoẻ: ozone là chất oxy hoá mạnh, gây kích ứng đường hô hấp. Theo các cơ quan y tế, người có bệnh hen, bệnh phổi, trẻ em, người cao tuổi và người hoạt động gắng sức ngoài trời là nhóm cần chú ý. Thông tin về triệu chứng và cách phòng tránh cụ thể nên theo hướng dẫn của Bộ Y tế và bác sĩ.
- Cây trồng: ozone đi vào lá qua khí khổng, làm hỏng tế bào, giảm quang hợp. Các nghiên cứu ước tính ozone làm giảm năng suất lúa mì, đậu tương, lúa gạo đáng kể ở những vùng ô nhiễm. Trên lá cây nhạy cảm, có thể thấy các đốm nhỏ màu nâu, tím.
- Vật liệu: ozone làm cao su nứt, giòn. Đây từng là cách thô sơ để đo ozone thời đầu: căng dải cao su và đếm thời gian xuất hiện vết nứt.
- Khí hậu: ozone tầng đối lưu là khí nhà kính, đứng hàng thứ ba về cưỡng bức bức xạ do con người sau CO₂ và mê-tan theo IPCC AR6.
Ngưỡng tham chiếu
Hướng dẫn chất lượng không khí của WHO năm 2021 đặt mức ozone: trung bình 8 giờ cao nhất trong ngày không quá 100 µg/m³, và một chỉ số mới cho "mùa cao điểm" (trung bình trong sáu tháng liên tiếp có ozone cao nhất của năm) là 60 µg/m³. Quy chuẩn Việt Nam cũng có ngưỡng ozone trung bình 1 giờ và 8 giờ; khi cần dùng cho mục đích chính thức, nên tra văn bản quy chuẩn hiện hành.
Trong chỉ số AQI, ozone thường là chất ô nhiễm chính vào những buổi trưa chiều nắng gắt, trong khi PM2.5 là chất chính vào sáng sớm và tối.
Ở Việt Nam thì sao
Ở các đô thị Việt Nam, bụi mịn vẫn là mối quan tâm lớn hơn ozone trong phần lớn thời gian. Tuy nhiên, khí hậu nhiệt đới nhiều nắng, lượng xe máy lớn và hơi xăng nhiều là điều kiện thuận lợi cho ozone hình thành. Các trạm quan trắc tự động có đo ozone, và có những ngày nắng nóng mùa hè, ozone đẩy AQI lên mức trung bình hoặc kém vào buổi chiều, ngay cả khi bụi mịn không cao.
Góc nhìn hôm nay
Khi thấy bản tin nói "tầng ozone đang hồi phục" và "ô nhiễm ozone tăng", đó không phải mâu thuẫn: một bên nói về ozone ở độ cao 20 km, một bên nói về ozone ngang mũi. Nhớ phân biệt hai loại là đủ để đọc đúng hầu hết tin tức.
Muốn tìm hiểu kỹ, trang của EPA Mỹ có phần giải thích "Ground-level Ozone Basics" rất dễ hiểu; WHO có toàn văn Air Quality Guidelines 2021. Câu chuyện Haagen-Smit được Hội Hoá học Mỹ kể lại trong loạt bài về các mốc lịch sử hoá học.
Câu hỏi thường gặp
Ozone mặt đất là gì?
Là ozone nằm trong lớp không khí sát mặt đất, hình thành khi NOx và hợp chất hữu cơ bay hơi từ khí thải gặp ánh nắng. Nó là chất ô nhiễm thứ cấp, gây kích ứng đường hô hấp, hại cây trồng và là khí nhà kính.
Ozone tốt và ozone xấu khác nhau thế nào?
Cùng là O₃ nhưng ở hai độ cao khác nhau. Ozone trong tầng bình lưu (khoảng 15–35 km) chắn tia cực tím nên là "tốt". Ozone sát mặt đất là chất ô nhiễm nên là "xấu". Ozone ô nhiễm không bay lên vá được tầng ozone.
Vì sao ozone cao vào buổi chiều?
Ozone mặt đất cần ánh nắng để hình thành từ NOx và VOC. Khí thải giờ cao điểm buổi sáng được nắng "nấu" dần, nên ozone thường tăng từ trưa và cao nhất vào đầu buổi chiều, rồi giảm khi trời tối.
Ozone mặt đất có nhìn thấy được không?
Không. Ở nồng độ ô nhiễm, ozone là khí không màu. Màu nâu của sương khói quang hoá chủ yếu do NO₂ và bụi mịn. Trời trong xanh, nắng chói vẫn có thể có ozone cao.
Ai phát hiện ra cơ chế sương khói quang hoá?
Nhà hoá sinh Arie Haagen-Smit ở Caltech, năm 1952, khi nghiên cứu sương khói Los Angeles. Ông cho thấy hơi xăng và NOx dưới ánh nắng tạo ra ozone và các chất kích ứng.
