Tầng ozone là vùng trong tầng bình lưu, chủ yếu ở độ cao khoảng 15–35 km, nơi khí ozone (O₃) đậm đặc hơn hẳn phần còn lại của khí quyển. Khoảng 90% lượng ozone của Trái Đất nằm ở đây. Lớp khí mỏng này hấp thụ gần như toàn bộ tia cực tím UV-C và phần lớn UV-B từ Mặt Trời, nhờ vậy sự sống trên cạn mới tồn tại được như ngày nay.
Ozone là khí gì
Phân tử oxy ta thở có hai nguyên tử (O₂). Ozone có ba nguyên tử (O₃). Chỉ thêm một nguyên tử mà tính chất đổi hẳn: ozone có mùi hăng, màu xanh nhạt khi đậm đặc, oxy hoá mạnh, và hấp thụ tia cực tím rất tốt. Tên gọi đến từ chữ Hy Lạp ozein, nghĩa là "bốc mùi". Nhà hoá học Christian Friedrich Schönbein đặt tên và mô tả khí này vào khoảng năm 1840, sau khi để ý mùi lạ quanh các thí nghiệm điện phân và tia lửa điện. Mùi "tanh tanh" sau một trận sét hay cạnh máy photocopy cũ chính là ozone.
Ozone hiếm đến bất ngờ. Ngay trong tầng ozone, nồng độ cao nhất cũng chỉ khoảng 8–10 phần triệu thể tích (ppm). Nghĩa là "tầng ozone" không phải một lớp khí ozone nguyên chất, mà là một vùng không khí bình thường có pha thêm chút ozone, đủ để tạo khác biệt sống còn.
Tầng ozone nằm ở độ cao bao nhiêu
Ozone có mặt từ mặt đất tới trên 50 km, nhưng phân bố rất lệch. Khoảng 90% nằm trong tầng bình lưu, đỉnh nồng độ thường ở quãng 20–25 km. Khoảng 10% còn lại nằm trong tầng đối lưu, sát nơi con người sống. Độ cao của "lớp" thay đổi theo vĩ độ và mùa: ở vùng nhiệt đới, đỉnh ozone nằm cao hơn; ở vùng cực, thấp hơn.
| Vùng | Độ cao gần đúng | Tỷ lệ ozone | Vai trò |
|---|---|---|---|
| Tầng đối lưu | 0 – khoảng 10–16 km | ~10% | Ozone "xấu" ở mặt đất: chất ô nhiễm, khí nhà kính |
| Tầng bình lưu (tầng ozone) | khoảng 15–35 km | ~90% | Ozone "tốt": chắn tia cực tím |
| Trên 50 km | trung lưu trở lên | rất ít | Không đáng kể với việc chắn UV |
Các con số ranh giới là gần đúng. Ranh giới giữa đối lưu và bình lưu cao khoảng 8 km ở vùng cực và 16–18 km ở xích đạo, nên "tầng ozone bắt đầu từ đâu" cũng thay đổi theo nơi.
Đơn vị Dobson: nếu gom hết ozone lại thì dày bao nhiêu
Các nhà khoa học đo tổng lượng ozone trong một cột không khí từ mặt đất lên tới đỉnh khí quyển bằng đơn vị Dobson (DU), đặt theo tên nhà vật lý người Anh Gordon Dobson, người chế tạo máy quang phổ đo ozone từ thập niên 1920. Một DU tương ứng với lớp ozone dày 0,01 mm nếu đem toàn bộ ozone trong cột đó nén về áp suất và nhiệt độ chuẩn ở mặt đất.
Lượng ozone trung bình toàn cầu khoảng 300 DU. Đổi ra, toàn bộ ozone phía trên đầu ta, nếu ép xuống mặt đất, chỉ dày khoảng 3 mm, mỏng cỡ hai đồng xu xếp chồng. Lớp chắn của cả hành tinh mỏng như vậy. Khi tổng lượng ozone tụt dưới 220 DU, các nhà khoa học gọi vùng đó là "lỗ thủng ozone". Đó là ngưỡng quy ước, không phải một lỗ trống thật trên trời.
Ozone sinh ra và mất đi thế nào: chu trình Chapman
Năm 1930, nhà địa vật lý người Anh Sydney Chapman đưa ra lời giải thích cơ bản cho việc tầng ozone tồn tại, nay gọi là chu trình Chapman. Có bốn bước chính:
- Bẻ gãy oxy: tia cực tím năng lượng rất cao (bước sóng dưới khoảng 240 nm) tách phân tử O₂ thành hai nguyên tử oxy tự do.
- Tạo ozone: mỗi nguyên tử oxy tự do gặp một phân tử O₂ khác, kết hợp thành O₃.
- Ozone hấp thụ UV: khi ozone nuốt một photon cực tím, nó tách lại thành O₂ và O. Năng lượng của tia UV biến thành nhiệt.
- Ozone bị phá: một nguyên tử O gặp một phân tử O₃, tạo ra hai phân tử O₂.
Ozone liên tục được tạo và bị phá, nên lượng ozone là một trạng thái cân bằng động chứ không phải một kho cố định. Về sau người ta thấy chu trình Chapman một mình dự đoán dư ozone so với đo đạc; phần chênh được giải thích bằng các chu trình phá ozone có xúc tác của nitơ oxit, hydro và clo, brom tự nhiên. Chính chu trình xúc tác clo, brom về sau bị con người khuếch đại bằng CFC.
Bước thứ ba giải thích một điều nghe lạ: tầng bình lưu càng lên cao càng ấm. Ozone hấp thụ tia cực tím và toả nhiệt, làm phần trên của bình lưu nóng hơn phần dưới. Lớp khí ấm đè lên lớp lạnh thì rất ổn định, ít xáo trộn, nên bình lưu êm hơn tầng đối lưu nhiều.
Tầng ozone chặn loại tia nào
Tia cực tím từ Mặt Trời thường chia làm ba nhóm theo bước sóng:
| Loại | Bước sóng | Đi qua khí quyển |
|---|---|---|
| UV-C | 100–280 nm | Bị oxy và ozone hấp thụ gần như hoàn toàn, không tới mặt đất |
| UV-B | 280–315 nm | Phần lớn bị ozone hấp thụ, một phần nhỏ tới mặt đất |
| UV-A | 315–400 nm | Đi qua phần lớn, ozone chặn rất ít |
UV-B là phần đáng quan tâm nhất: nó đủ năng lượng làm hại ADN, gây cháy nắng, liên quan ung thư da và đục thuỷ tinh thể, và cũng gây hại cho sinh vật phù du, cây trồng. Lượng UV-B tới mặt đất phụ thuộc rất nhạy vào lượng ozone. Vì vậy khi tầng ozone mỏng đi, điều đáng lo không phải là "nóng lên" mà là nhiều UV-B hơn.
Một chỗ hay nhầm: tầng ozone không có liên hệ trực tiếp nào với việc giữ nhiệt của Trái Đất kiểu khí nhà kính. CO₂ không chặn tia cực tím; ozone mới làm việc đó. Khí nhà kính hấp thụ tia hồng ngoại do mặt đất toả ra. Ozone cũng là một khí nhà kính, nhưng vai trò chắn UV và vai trò giữ nhiệt là hai chuyện khác nhau.
Ozone phân bố trên Trái Đất thế nào
Nghe hợp lý thì ozone nên nhiều nhất ở xích đạo, nơi nắng gắt nhất và ozone được tạo nhiều nhất. Thực tế ngược lại: tổng ozone thường thấp nhất ở vùng nhiệt đới (khoảng 250–280 DU) và cao hơn ở vĩ độ trung bình và cao, nhất là vào cuối đông, đầu xuân.
Nguyên nhân là một dòng hoàn lưu chậm trong bình lưu, gọi là hoàn lưu Brewer–Dobson. Không khí bốc lên ở vùng nhiệt đới, mang ozone mới tạo đi về phía hai cực, rồi chìm xuống ở vĩ độ cao. Ozone tích lại ở đó, nơi ít ánh sáng để phá nó. Tên gọi ghép từ Alan Brewer và Gordon Dobson, hai người suy ra hoàn lưu này từ số đo hơi nước và ozone giữa thế kỷ 20.
Ozone cũng thay đổi theo ngày, theo thời tiết. Khi một vùng áp cao đẩy ranh giới đối lưu lên cao, cột ozone phía trên mỏng đi; khi có áp thấp, cột ozone dày hơn. Do đó số ozone ở một nơi có thể dao động vài chục DU trong vài ngày mà không có gì bất thường.
Ai đã tìm ra tầng ozone
- Khoảng 1840: Schönbein nhận diện và đặt tên ozone.
- 1879–1881: Marie Alfred Cornu thấy quang phổ Mặt Trời bị "cắt" đột ngột ở vùng cực tím; Walter Hartley đề xuất ozone trong khí quyển là thủ phạm hấp thụ.
- 1913: hai nhà vật lý Pháp Charles Fabry và Henri Buisson đo quang phổ và xác định có một lớp ozone trên cao.
- Thập niên 1920: Gordon Dobson chế tạo máy quang phổ đo ozone, lập mạng đo trên nhiều nước.
- 1930: Sydney Chapman đưa ra cơ chế hoá học tạo và phá ozone.
- 1957–1958: Năm Địa vật lý Quốc tế mở rộng mạng đo, trong đó có trạm Halley ở Nam Cực — nơi gần 30 năm sau phát hiện lỗ thủng ozone.
Góc nhìn hôm nay: theo dõi tầng ozone ở đâu
Ngày nay tầng ozone được theo dõi liên tục bằng vệ tinh và mạng trạm mặt đất. NASA công bố bản đồ ozone hằng ngày trên trang Ozone Watch; Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) và Dịch vụ giám sát khí quyển Copernicus của Liên minh châu Âu cũng có dữ liệu mở. Mỗi năm, khi mùa xuân Nam Cực tới (tháng 9–10), các cơ quan này báo diện tích lỗ thủng ozone năm đó.
Ở góc đời thường, điều có ích nhất là đọc chỉ số UV trong bản tin thời tiết. Chỉ số UV phản ánh phần UV-B và UV-A tới mặt đất, phụ thuộc vào ozone, độ cao Mặt Trời, mây và độ cao địa hình. Việc che chắn nắng nên theo khuyến cáo của ngành y tế. Ngày 16 tháng 9 hằng năm là Ngày Quốc tế Bảo vệ tầng ozone, kỷ niệm ngày ký Nghị định thư Montreal năm 1987.
Muốn đọc sâu hơn, tài liệu chuẩn mực là bộ Scientific Assessment of Ozone Depletion của WMO và UNEP, cập nhật khoảng bốn năm một lần (bản gần nhất năm 2022), có phần "Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer" viết cho người đọc phổ thông.
Câu hỏi thường gặp
Tầng ozone nằm ở tầng nào của khí quyển?
Tầng ozone nằm trong tầng bình lưu, chủ yếu ở độ cao khoảng 15–35 km, đỉnh nồng độ quanh 20–25 km. Khoảng 90% lượng ozone của Trái Đất ở đây, 10% còn lại nằm trong tầng đối lưu sát mặt đất.
Tầng ozone dày bao nhiêu?
Nếu nén toàn bộ ozone trong một cột không khí về áp suất mặt đất, lớp đó chỉ dày khoảng 3 mm, tương ứng 300 đơn vị Dobson. Trên thực tế ozone trải loãng trong một vùng dày hàng chục km, nồng độ cao nhất cũng chỉ vài phần triệu.
Tầng ozone có tác dụng gì?
Tầng ozone hấp thụ gần như toàn bộ tia UV-C và phần lớn UV-B từ Mặt Trời. Đây là những tia có thể làm hỏng ADN, gây hại cho người, động vật, cây trồng và sinh vật phù du. Ozone cũng làm nóng tầng bình lưu, khiến tầng này ấm dần lên theo độ cao.
Ozone tốt và ozone xấu khác nhau thế nào?
Cùng một chất O₃, khác nhau ở chỗ nằm đâu. Ozone trong bình lưu là "tốt" vì chắn tia cực tím. Ozone sát mặt đất là "xấu" vì là chất ô nhiễm sinh ra từ khí thải gặp nắng, gây kích ứng đường hô hấp và hại cây trồng.
Vì sao tầng ozone ở xích đạo lại mỏng hơn ở vùng cực?
Ozone được tạo nhiều nhất ở vùng nhiệt đới, nhưng hoàn lưu Brewer–Dobson trong bình lưu chậm rãi mang nó về phía hai cực rồi tích lại ở đó. Vì thế tổng ozone thường thấp nhất ở nhiệt đới và cao hơn ở vĩ độ trung bình, vĩ độ cao.
