Chương II CÁC KIẾN THỨC CHUNG VỀ KHÍ QUYỂN TRÁI ÐẤT Trái đất, lực hút tập trung xung quanh lớp chất khí gọi khí Lớp khí gần mặt đất có vai trị lớn lao sống trái đất, môi trường quan trọng sản xuất nơng nghiệp Hỗn hợp chất khí tạo nên khí gọi khơng khí Trong khí liên tục xẩy q trình tượng vật lý: tuần hoàn nước, tượng quang học, điện học Tập hợp tượng q trình vật lý chế độ thời tiết vùng Ở chừng mực biến đối thời tiết tạo nên điều kiện cần thiết cho sống nói chung cho ngành sản xuất nơng nghiệp nói riêng Sự biến động thái dẫn đến thiên tai đe dọa sống hoạt động sản xuất người Giữa khí quyển, sinh quyển, thủy địa luôn trao đổi tương tác lẫn suốt trình lịch sử hình thành trái đất đă tạo nên cân động Những cân có tác dụng trì, tái tạo pha cân tư nhiên Nếu điều kiện cân bị phá vỡ gây tổn thất không lường trước Sự hoạt động thiếu ý thức bảo vệ thiên nhiên người ngày xâm phạm cân sinh thái, làm cho nguồn tài nguyên ngày cạn kiệt Hàng năm 17 triệu hecta rừng nhiệt đới, 300.000 rừng thưa bị khai thác mức Một phần ba diện tích đất đai bị đe doạ nạn hoang mạc hóa Nạn nhiễm khơng khí, nhiễm nước làm ước chừng - 10% số loài sinh vật từ đến năm 2020; đến năm 2050 số loài sinh vật bị diệt chủng lên đến 25% Sinh bị phá vỡ gây biến động khí hậu khơ hạn, lũ lụt trái đất ngày gia tăng Việc bảo vệ cân sinh thái vấn đề định tồn vong loài người Mọi người cần có ý thức bảo vệ Ðể làm sở cho hiểu biết xem xét vấn đề sau đây: CẤU TRÚC THEO CHIỀU THẰNG ÐỨNG CỦA KHÍ QUYỂN Dựa đặc tính vật lý tính chất hoạt động, khí trái đất chia thành tầng tầng có đặc trưng vật lý khác (xem sơ đồ hình 2.1) 1.1 Tầng đối lưu (Troposphere) Là tầng khơng khí gần mặt đất nhất, độ cao trung bình vào khoảng 11 km: hai cực trái đất cao từ - 10 km, cịn vùng xích đạo 15 - 18 km Ðộ cao tầng khí độ cao dịng đối lưu định, thay đổi theo mùa năm thay đổi theo vĩ độ địa lý, tính chất nhiệt lực định Tầng đối lưu tầng khí quyền hoạt động Các tượng thời tiết, mưa, nắng, mây, dông bão xảy tầng khí Tầng đối lưu môi trường sống tất sinh vật trái đất Ðặc điểm quan trọng tầng đối lưu nhiệt độ giảm dần theo độ cao Trung bình lên cao 100m nhiệt độ giảm xuống 0,640C Nhiệt độ giới hạn xuống thấp, đạt - 700C vùng xích đạo trái đất Ở tầng thường xảy tượng dịng khơng khí lên xuống (do trung tâm khí áp cao, khí áp thấp , gặp chướng ngại vật mặt đất, tranh chấp 27 khối khơng khí ) Hiện tượng thăng giáng khối khơng khí làm thay đổi chế độ nhiệt, ẩm không khí (Khảo sát khí quyển, Oklahoma - 1997) Chúng ta biết chất khí chứa đựng lượng gọi động Ðộng chất khí phụ thuộc vào áp suất khí quyển, điều khiển trạng thái nhiệt: bị nén chúng nóng lên, giãn nở chúng bị lạnh Từ nguyên lý ta suy rằng: Khối khơng khí chuyển động lên, áp suất giảm dần giãn dó chúng lạnh Ngược lại, vận chuyển từ cao xuống thấp, khơng khí trạng thái bị nén làm nhiệt độ tăng lên Giả thiết khối khơng khí chuyển động nhanh, khơng có trao đổi nhiệt xáo trộn với khối khơng khí xung quanh Hiện tượng gọi đoạn nhiệt, có nghĩa khơng có trao đổi nhiệt với xung quanh Các khối khơng khí lên có tượng đoạn nhiệt lạnh; khối khơng khí xuống thường kèm theo tượng đoạn nhiệt nóng Ở khối khơng khí khơ (chưa 28 bão hòa nước) mức độ tăng giảm nhiệt độ 0C cho 100m gọi đoạn nhiệt khơ Ở khối khơng khí bão hịa nuớc mức độ tăng giảm nhiệt độ 0,50C/100m gọi đoạn nhiệt ẩm Ðối với khối không khí bốc lên cao lúc đầu lạnh theo mức đoạn nhiệt khơ chưa bão hịa nước, đến độ cao định nhiệt độ không khí giảm đến điểm sương, trở nên bão hòa nước, tiếp tục giảm nhiệt độ theo mức độ đoạn nhiệt ẩm Kết thống kê số liệu cao không 30 năm (1961 - 1990) Hà Nội cho thấy, vào mùa Đơng lớp khơng khí 500 mét thường xuất lớp nghịch nhiệt (thể rõ giá trị nhiệt độ tối cao), mùa Hè lớp nghịch nhiệt yếu Do có lớp nghịch nhiệt, lớp khơng khí cao thường xảy ngưng kết nước Bảng 2.1 Nhiệt độ khơng khí khảo sát lúc 7h (0h GMT) độ cao Hà Nội (Số liệu 30 năm 1961 -1990) Mực (mét) Tháng I Tháng VII Ttb Tmax Tmin Ttb Tmax Tmin 14,6 23,0 5,5 27,3 31,4 21,6 200 13,8 21,7 3,5 26,2 31,9 20,3 500 12,5 24,7 0,9 25,2 30,0 19,1 1000 10,6 21,4 0,6 22,8 27,7 16,0 1500 9,3 19,1 -1,5 20,0 24,8 15,3 2100 7,9 18,1 -1,7 16,6 20,8 2,0 3100 5,0 14,2 -3,7 11,1 15,7 7,9 Nguồn: TS Hồng Thị Phương Hồng (Đài khí tượng cao không Hà Nội) Hiện tượng thăng, giáng khối khơng khí tầng đối lưu thường diễn hàng ngày, với cường độ mạnh hay yếu tùy theo chế độ nhiệt mặt đất nguyên nhân làm nước ngưng kết, tạo thành mây, mưa Hiện tượng xuống khối khơng khí (ở trung tâm áp cao, sườn núi xuống ) làm cho khơng khí nóng lên, độ ẩm xa dần trạng thái bão hòa Hiện tượng thăng, giáng khối khơng khí tượng đặc trưng quan trọng tầng đối lưu Tầng đối lưu chiếm 80% khối lượng khí 90% nước, thành phần khí tầng ln ln diễn trao đổi mặt đất, mặt đại dương khí 1.2 Tầng bình lưu (Stratosphere) Tầng bình lưu tầng tiếp giáp với tầng đối lưu, lên cao tới 50 - 55km Ðặc điểm tầng bình lưu khơng khí bị xáo trộn theo chiều thẳng đứng Có thể tách tầng thành hai lớp: - Lớp đẳng nhiệt: nằm sát tầng đối lưu lên cao tới 25km, nhiệt độ thay đổi, trung bình vào khoảng -550C Lớp khí thường chuyển động theo chiều nằm ngang từ đơng sang tây Kích thước khối khơng khí tới hàng nghìn số 29 - Lớp nghịch nhiệt: độ cao từ 25 đến 50km Ở tầng nhiệt độ tăng dần theo độ cao, nhiệt độ trung bình vào khoảng 00C, tối đa tới +100C Sư tăng dần nhiệt độ lớp khí có mặt tầng ơzơn, chất hấp thu mạnh tia sóng ngắn xạ mặt trời - Phía tầng nghịch nhiệt đỉnh tầng bình lưu (Stratopause), nhiệt độ ổn định, khoảng 00C độ cao 55km 1.3 Tầng trung gian (Mesosphere) Tầng trung gian nằm tầng bình lưu độ cao 80 - 90 km Tầng nhiệt độ giảm dần theo độ cao đạt đến giá trị - 700C đến - 800C 1.4 Tầng điện ly (Thermosphere) Tầng điện ly hay gọi tầng nhiệt tầng khơng khí có độ cao từ 80 đến 800km Ở tầng khơng khí thưa loăng Dưới tác dụng tia xạ, chất khí bị phân ly bị ion hố mạnh Khí có độ dẫn điện cao Ðộ dẫn điện cao tầng điện ly nguyên nhân làm phản hồi sóng vơ tuyến phát từ mặt đất, nhờ mà thiết bị vô tuyến điện mặt đất, vệ tinh nhân tạo hoạt động bình thường Tầng ion nhận thấy hai cực đại ion hóa độ cao 100 km 180 - 200km Ðặc điểm quan trọng tầng khí nhiệt độ khơng khí cao tăng nhanh theo độ cao Ở độ cao 200km có nhiệt độ 6000C, cịn giới hạn 20000C 1.5 Tầng khuyếch tán (Exosphere) Giới hạn tầng vào khoảng 2000 đến 3000 km, tầng chuyển tiếp khí khơng gian vũ trụ (Outer space), khơng khí tầng thưa lỗng thành phần chủ yếu hydrô hêli MẬT ÐỘ, KHỐI LƯỢNG VÀ SỰ PHÂN BỔ KHÍ QUYỂN THEO CHIỀU CAO 2.1 Mật độ khơng khí Mật độ khơng khí khối lượng chất khí có 1m3 khơng khí, tỷ số khối lượng thể tích chất khí, kí hiệu ρ Lần giới, mật độ khơng khí xác định vào kỷ thứ 17 sau sáng chế bơm khơng khí Mật độ khơng khí điều kiện tiêu chuẩn (áp suất khí 760 mm; nhiệt độ khơng khí 00C) 1,293 kg/m3 Cịn áp suất khí quyến 1000 mm mật độ khơng khí 1,276 kg/m3 Mật độ khơng khí phụ thuộc vào số yếu tố vật lý như: nhiệt độ, áp suất khí độ ẩm khơng khí Ðể xác định mật độ khơng khí người ta dùng thiết bị máy móc đo đếm trực tiếp, xác định cách gián tiếp dựa hai yếu tố nhiệt độ áp suất khí Ðại lượng nghịch đảo mật độ khơng khí gọi thể tích riêng khơng khí (V): 30 V= (1) ρ Mật độ khơng khí phụ thuộc vào nhiệt độ (T) áp suất khí (P) Sự phụ thuộc biểu thị phương trình Clapayron phương trình rút từ định luật vật lý Boymariotte Gayluitsac PV = RT Trong đó: (2) P- áp suất khí (mm); V- thể tích riêng; R- số chất khí; T- nhiệt độ tuyệt đối khơng khí Thay (1) vào (2) ta có: ρ P = R.T Thừa nhận số chất khí R = 2,064 cal/mol độ = hay ρ = 0,4845 x (3) 0,4845 P 273 + t t nhiệt độ không khí tính theo độ bách phân (0C) Ta dùng phương trình (3) để xác định mật độ khơng khí điều kiện nhiệt độ áp suất khí Từ phương trình (3) ta suy rằng: Mật độ khơng khí tỷ lệ thuận với áp suất khí (áp suất tăng khối lượng chất khí có 1m3 khơng khí 1ớn mật độ khơng khí tăng) Mật độ khơng khí tỷ lệ nghịch với nhiệt độ Nhiệt độ khơng khí tăng mật độ khơng khí giảm, nhiệt độ tăng thể tích tăng làm cho khối lượng đơn vị thể tích khơng khí giảm Bảng 2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ ẩm độ đến mật độ khơng khí Nhiệt độ khơng khí (0C) Mật độ khơng khí (g/m ) 10 20 30 Mật độ khơng khí khơ 1293 1247 1203 1165 Mật độ khơng khí bão hồ nước 1290 1241 1194 1194 11 18 Chênh lệch khơng khí khơ ẩm Mật độ khí cịn phụ thuộc vào ẩm độ khơng khí Ẩm độ khơng khí tăng mật độ khơng khí giảm (bảng 2.2) 31 Mật độ khơng khí giảm nhanh theo độ cao khí Càng lên cao khối lượng chất khí đơn vị thể tích giảm sức hút trái đất yếu dần Nói cách khác, lên cao khơng khí thưa lỗng tiến dần vào không gian vũ tru 2.2 Khối lượng khí phân bố theo độ cao Khối lượng khí trái đất 5,26.1018 kg Trong khối lượng địa 5,96.1024 kg Như khối lượng khí 1/1.000.000 khối lượng địa Các kết nghiên cứu gần cho thấy: Gần 50% khối lượng khí phân bố từ mặt đất đến độ cao 5km, 75% độ cao 10km 95% độ cao từ mặt đất đến 20km Lớp khí 80km chứa 0,5% khối lượng Cho đến việc xác định độ cao khí cịn gặp nhiều khó khăn lên cao khơng khí thưa lỗng Người ta quan sát thấy tượng cực quang độ cao 1.100 km Ðiều cho ta thấy độ cao cịn khơng khí Những chất khí độ cao 1000 km trở lên loăng Các chất khí có tốc độ chuyển động lớn gần khỏi trường trọng lực trái đất tỏa vào không gian vũ trụ Nhiều kết nghiên cứu cho thấy khí trái đất khơng có dạng đối xung mà lép phía mặt trời làm thành chất khí trái đất kéo dải hàng chục vạn số THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ TRONG KHÍ QUYỂN TRÁI ÐẤT 3.1 Thành phần khơng khí lớp khí gần mặt đất Bảng 2.3 Thành phần khơng khí khơ, khơng bị nhiễm STT Tên chất Công thức Tỉ l ệ Tổng khối lượng (tấn) Nitơ N2 78,09% 3850 1012 Oxy O2 20,94% 1180 1012 Argon Ar 0,93% 65 1012 Cacbonic CO2 0,032% 2,5 1012 Neon Ne 18 ppm 64 109 Heli He 5,2 ppm 3,7 109 Metan CH4 1,3 ppm 3,7 109 Kripton Kr 1,0 ppm 15 109 Hydro H2 0,5 ppm 0,18 109 10 Nitơ ôxit N2O 0,25 ppm 1,9 109 11 Cacbon monoxit CO 0,10 ppm 0,5 109 12 Ôzon O3 0,02 ppm 0,2 109 13 Sulfurdioxit SO2 0,001 ppm 11 106 14 Nitơ dioxit NO2 0,001 ppm 106 Sự trao đổi liên tục khí quyển, địa quyển, thủy sinh tạo nên cân động trì có mặt tồn chất khí khí Trong đơn vị thể tích khơng khí khơ có chứa 78,08% nitơ (N2), 20,95% ôxy (O2), 0,93% acgon (Ar), 0,03% cacbonic Các chất khí nêon, li, cripton, hyđrơ, xênon ôzôn chiếm 32 0,01% (bảng 2.3) Trong khí cịn có số chất có thành phần biến động nước, bụi khói, chất khí độc hại, ion chất hữu thực vật thải 3.2 Vai trò chất khí khí a) Nitơ (N2) Là chất khí chiếm tỷ lệ lớn nhất, xương khí trái đất Nitơ nguyên tố dinh dưỡng cho thể sống, tham gia cấu tạo nên nhiều phận quan thể động vật thực vật Trong sản phẩm trồng hàm lượng nitơ tổng số khơng cao, song giữ vai trị quan trọng q trình sinh trưởng, phát triển, hình thành suất phẩm chất trồng Viện sĩ N.A Macximov cho rằng: Về số lượng, nitơ chiếm vị trí thứ tư thành phần thể thực vật sau chất cacbon, hydro ôxy Ba chất tạo nên 95% trọng lượng thể thực vật, nitơ chiếm từ đến 3%, thiếu nitơ không sống Nitơ tự nhiên nguồn vô tận, thực vật khơng có khả đồng hóa Chỉ số loài vi khuẩn sống tự đất Azotobacter, Clostridium pasterianum, vi khuẩn cộng sinh rễ họ đậu (Rhisobium), tảo cộng sinh bèo hoa dâu (Anabaena) có khả đồng hóa nitơ phân từ - tạo thành hợp chất chứa đạm, bổ sung nguồn dinh dưỡng cho đất Phần lớn thực vật sống tình trạng thiếu nitơ rễ hút nitơ dạng hợp chất NH4+ , NO3-, urea [CO(NH2)2 ] Alanin (axit amin phân tử nhỏ) Nguồn đạm cung cấp thường xuyên cho đất hợp chất nitơ tan nước mưa, sương mù, sương muối Hợp chất hình thành chủ yếu q trình phóng điện khí cung cấp lượng đạm khoảng - kg/ha/năm, Ở vùng khí hậu nhiệt đới nhiều mưa dơng, lượng đạm thu từ nước mưa tới 13 - 14 kg/ha/năm Các sản phẩm phế thải sinh vật (rễ, lá, thân ) mục nát nguồn cung cấp đạm cho đất Trong sản xuất nơng nghiệp, ngồi nguồn đạm tự nhiên kể nơng dân cịn bón phân đạm vơ hữu cho đất Những xác chết động, thực vật, sản phụ phẩm nông nghiệp nguồn bổ sung lượng đạm đáng kể cho đất Quá trình chuyển đổi nitơ mặt đất tượng tự nhiên, tạo nên vịng tuần hồn nitơ khí quyển, giữ trạng trái cân nitơ đất khí Ðiều giải thích tồn thực vật bề mặt trái đất khơng cần có tác động người Để khai thác nguồn tài nguyên nitơ khí người sử dụng nhiều phương pháp khác dùng nhiệt độ áp suất cao sản xuất phân vô cơ, sử dụng phân vi sinh, trồng họ đậu thả bèo hoa dâu… b) Ôxy (O2) Ôxy chiếm gần 21% thể tích khí quyển, chất có khả hấp thụ chọn lọc số tia xạ mặt trời góp phần vào việc điều tiết chế độ nhiệt khí Ơxy chất cần cho q trình hơ hấp thể sống, q trình ơxy hố chất thể đồng hóa được, giải phóng lượng cung cấp cho hoạt động thể Trong q trình hơ hấp, sinh vật hút ơxy từ khí tự thải khí cacbonic (CO2) Ơxy cần thiết cho phân giải chất hữu cơ, chất thải, tàn dư sinh vật… làm môi trường Giả sử khí khơng có ơxy, khơng có phân giải sản phẩm thừa trình sống, xác chết động thực, vật làm cho môi trường bị nhiễm nghiêm trọng 33 Ơxy cịn cần thiết cho đốt cháy loại nhiên liệu, giải phóng nhiệt lượng cung cấp cho hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải ngành kinh tế khác Nguồn cung cấp ơxy cho khí chủ yếu trình quang hợp thực vật Cây xanh quang hợp thải ơxy vào khí quyển, nơi có xanh hàm lượng O cao khơng khí lành Hàm lượng oxy khơng khí kỷ địa chất trước thấp, hàm lượng tăng dần qua các kỷ Ðá vôi (Cổ sinh), Chu la (Trung sinh), kỷ Ðệ Tam (Tân sinh) cường độ quang hợp cao Sự suy giảm O gây nên hậu nghiệm trọng hơ hấp cho giới sinh vật, tình trạng nghèo oxy kéo dài thể chết Ðối với thực vật, hàm lượng 21% oxy khí chưa đáp ứng đầy đủ cho nhu cầu sinh trưởng Chỉ có thực vật thuộc nhóm C4 địi hỏi lượng oxy lượng CO2 thấp Thế nhưng, việc đốt cháy nhiên liệu hố thạch cơng nghiệp, giao thơng tiêu tốn oxy thải CO2 vào khí Vào thập kỷ gần đây, tăng cường hoạt động cơng nghiệp, nhiên liệu hố thạch bị thai thác q mức Ngoài ra, nhu cầu nguyên liệu gỗ gia tăng nên diện tích rừng bị thu hẹp nguyên nhân làm giảm hàm lượng ôxy, tăng hàm lượng CO2 khí c) Ơzơn (O3) Là dạng thù hình ơxy, có mùi đặc biệt, gọi tên theo tiếng Hi Lạp Ơzơn - có mùi) Ơzơn hình thành tác dụng tia sóng ngắn xạ mặt trời Các tia xạ có lượng lớn làm phân ly phân tử ôxy thành nguyên tử; nguyên tử ôxy lại liên kết lại thành ơzơn Lượng ơzơn khí khơng nhiều có mặt tầng khí cao từ 10 đến 50 km, tập trung chủ yếu tầng từ 25 đến 50 km Ơzơn loại khí lớp khơng khí gần mặt đất Mỗi phân tử ôzôn tạo thành từ nguyên tử oxi, nhiều người tin ơzơn có ích cho thể giống ôxi Nhưng thực tế vậy, nhiều kết nghiên cứu rõ ôzôn độc hại, ô nhiễm ôzôn tác động xấu đến suất trồng Mặt khác, lớp ôzôn cao lại có ích làm nhiệm vụ phận lọc, hấp thụ xạ tử ngoại từ mặt trời chiếu xuống mặt đất Những tia tử ngoại nguy hiểm, tác động đến ADN tế bào, gây đột biến ung thư da Như ôzôn tác nhân gây ô nhiễm với không khí lớp gần mặt đất tác nhân bảo vệ sống, chống tia tử ngoại tầng bình lưu Trên tầng bình lưu khí quyển, tia tử ngoại từ mặt trời tác động với oxy chuyển hóa thành ơzơn Ơzơn chuyển thành oxy (O2) nhờ phản ứng quang hoá Trong tự nhiên tồn cân động ôxy ơzơn, trì lớp ơzơn tầng bình lưu Một số loại khí cơng nghiệp phát thải có khả phân hủy O3, làm thủng tầng ơzơn Ơzơn - chắn bảo vệ Tác dụng xạ Mặt trời trì sống hành tinh Tác dụng phụ thuộc vào độ dài ban ngày, độ cao Mặt trời, mây, độ ẩm độ nhiễm bẩn khơng khí Bức xạ Mặt trời chiếu xuống Trái đất dạng sóng điện từ với phổ bước sóng rộng Bức xạ Mặt trời chiếu tới giới hạn ngồi khí Trái đất (độ cao cách mặt đất khoảng 3000km) gồm tia gamma, tia rơn ghen, tia tử ngoại, tia nhìn thấy, tia hồng ngoại bước sóng dài (sóng radio, TV) Các tia nhìn thấy có bước sóng từ 0,39 µ* (ánh sáng tím) đến 0,76µ (ánh sáng đỏ) Khí Trái đất có tác dụng khuếch tán, hấp thụ lọc phận lớn tia xạ Mặt trời Vì vậy, người ta gọi khí chắn tia xạ, dành lại cửa sổ cho phần xạ Mặt trời chiếu xuống mặt đất, “cửa sổ” dành cho tia nhìn thấy, số tia tử ngoại qua "cửa sổ" dành cho bước sóng dài chiếu xuống Trái đất Trong khí Trái đất, tới độ cao khoảng 80km tầng điện ly (tầng ion hố) Tầng 34 điện ly có tác dụng hấp thụ sóng cực ngắn (bước sóng nhỏ 0,099µ) Các tia tử ngoại có bước sóng ngắn, dao động từ 0,20 - 0,39µ Các tia có bước sóng từ 0,20 - 0,28 µ gọi UV - C, từ 0,28 - 0,32 µ gọi UV - B Các tia cịn lại có bước sóng dài từ 0,32 - 0,39 µ gọi UV A Trong số tia UV - B có tác dụng tích cực động, thực vật người UV - C bị hấp thụ thành phần O khí UV - A xuyên qua tầng ôzôn, lại bị phản xạ oxi nitơ trở lại vũ trụ Như vậy, thực tế tồn chế tự nhiên bảo vệ sinh chống lại tác động nguy hiểm tia tử ngoại Sở dĩ tia tử ngoại có bước sóng 0,28 µ khơng xun qua tầng bình lưu có tầng ơzơn Khí ơzơn tự nhiên hình thành tia tử ngoại chiếu vào phân tử oxi (O2), phân tách chúng thành nguyên tử (O), nguyên tử oxi lại tiếp tục kết hợp với phân tử oxi khác để hình thành ơzơn (O3) Phản ứng diễn theo bước: O2 + Bức xạ tử ngoại = O + O O + O2 = O3 Ơzơn hấp thụ lượng xạ tử ngoại lại phân huỷ theo phản ứng: O3 + Bức xạ tử ngoại = O2 + O Như vậy, thiên nhiên, khí ơzơn ln ln phân huỷ tái tạo, giữ tồn ổn định cho lớp ơzơn Khí ôzôn hấp thu tia tử ngoại nên có tác dụng che chắn cho bề mặt trái đất Vì thế, lớp ôzôn khí gọi "ô bảo vệ" hay "lá chắn" cho sinh vật Trái đất Ở giới hạn ngồi khí quyển, xạ tử ngoại chiếm 7% tổng lượng xạ mặt trời, qua tầng khí bị ơzơn giữ lại, cịn l% chiếu tới mặt đất Ở mặt đất hàm lượng xạ sóng ngắn khơng khơng gây độc hại cho thể sống mà cịn có tác dụng kích thích, thúc đẩy q trình trao đổi chất, làm tăng cường sinh trưởng, phát triển suất cao Trong nhiều thập kỷ qua, hoạt động thiếu ý thức người làm tổn hại đến lớp ơzơn khí Một nguyên nhân quan trọng hoạt động thái công nghiệp, giao thông vận tải, sử dụng ngày nhiều than, dầu khí đốt, thải vào khí năm hàng trăm triệu khí độc CO 2, CFC, CO, CH4…, gây nhiễm khí phá hủy tầng ôzôn Các nhà khoa học dự đoán đến năm 2030 suy thoái tầng ôzôn phạm vi toàn cầu 6,5% Ðặc biệt, suy thái xảy mạnh vĩ độ cao, đến năm 2030 16% 600N Nếu việc cấm sản xuất CFC có hiệu suy thối trung bình mức 2% 8% 600N d) Khí cacbonic (CO2) Ở điều kiện bình thường khí CO2 chiếm 0,032% thể tích khí nguồn dinh dưỡng quan trọng thực vật, yếu tố tạo thành suất Hoạt động núi lửa, trình cháy, trình hơ hấp sinh vật, phân hủy hợp chất hữu nguồn bổ sung khí CO2 thường xuyên cho khí Bộ thực vật nơi hấp thu khí CO2 chủ yếu tự nhiên Khí cacbonic cần thiết cho q trình quang hợp xanh, nguyên liệu tổng hợp chất hữu đảm bảo sinh trưởng, phát triển tạo suất Một số loại trồng, lượng CO2 khí chưa đủ cung cấp cho trinh quang hợp để đạt suất cao Nhiều thí nghiệm tăng dần nồng độ CO2 môi trường sống thực vật cho thấy, nâng cao dần nồng độ CO2 làm tăng cường độ quang hợp giúp thực vật sinh trưởng, phát triển tốt Hàm lượng CO2 thích hợp loại trồng khơng giống Hình 2.2 cho biết mối quan hệ cường độ quang hợp nồng độ CO2 lồi thơng Qua đồ thị ta 35 thấy khả đồng hoá cao giống thông hàm lượng CO khơng khí đạt tới 0,28% Hàm lượng cao gấp 10 lần so với điều kiện bình thường Lượng CO2 thích hợp cho người gia súc từ 0,02 - 0,03% Nếu tăng lên 0,2% gây ngộ độc gây chết Vì cơng trình xây dựng nhà chuồng trại phải đảm bảo điều kiện thơng thống để lượng CO2 khơng tăng tới mức gây hại Thực vật hấp thụ CO2 qua khí khổng cố định cacbon qua hàng loạt phản ứng trình quang hợp Bức xạ mặt trời nguồn lượng sử dụng để tổng hợp chất photphat cao (ATP Hình 2.2 Quang hợp thơng Anđenozintriphotphate), tách hydro từ phân tử nồng độ CO2 khơng khí nước cố định CO2 thành glucoze Cùng lúc đó, lượng tương ứng O2 giải phóng vào khí Lượng cacbon mà thực vật cố định hàng năm phạm vi toàn cầu khoảng - 9.10 13kg Trong ngày thực vật hấp thụ CO2 suốt từ sáng sớm đến chiều tối, ban ngày hàm lượng CO giảm đi, oxy tăng lên đạt đến cực đại vào buổi chiều Sự trao đổi CO2 xảy khí đại dương, nước biển chứa lượng CO2 lớn 50 lần so với khơng khí đại dương đóng vai trị điều chỉnh nồng độ CO2 khí CO2 có khả hấp thụ xạ sóng dài phản xạ từ mặt đất ban đêm nhiệt độ khơng khí khơng xuống q thấp Hiện khơng khí bị ô nhiễm, hàm lượng CO2 ngày tăng gây nên "hiệu ứng nhà kính", nhiều thập kỷ qua nhiệt độ khí tăng lên (xem chương IX) e) Hơi nước Hơi nưóc mắt xích vịng tuần hoàn nước tự nhiên điều kiện nước ngưng kết tạo thành sương, sương muối mặt đất, sương mù mây tầng khí quyền gây mưa, tạo nên tượng thời tiết khác Lương nước chứa khí tạo nên độ ẩm khơng khí Lượng nước biến động từ vài phần nghìn đến 4% thể tích khí (khoảng 0,02% vùng cực đới 2,5% vùng nhiệt đới) Hơi nước giảm nhanh theo độ cao khí quyển, độ cao 10-15 km khơng cịn thấy nước Hơi nước đóng vai trị quan trọng nhiều q trình vật lý xảy khí hấp thu, khúc xạ, khuếch tán xạ mặt trời tạo nên tượng quang học (quầng, tán mặt trăng, mặt trờì, cầu vồng, ráng…) Hơi nước cịn có vai trị việc điều tiết chế độ nhiệt khí nhờ khả hấp thu sóng dài xạ, khả chuyển trạng thái từ sang thể lỏng, thể rắn ngược lại Hơi nước có vai trị đặc biệt quan trọng đời sống thực vật, động vật người Chúng ta tiếp tục nghiên cứu kỹ vấn đề phần sau (xem chương IV) g) Bụi Bụi phân tử vật chất có kích thước nhỏ bé bay lơ lửng khí Thành phần bụi khí biến động lớn theo thời gian khơng gian Bụi có khí q trình phong hóa đất đá, trình cháy mảnh thiên thể, cháy rừng, hoạt động núi lửa, đốt cháy nhiên liệu công nghiệp, giao thông vận tải, hoạt động người động vật… Năm 1938 hoạt động núi lửa Cracatau 36 (Liên Xô cũ) sinh lượng bụi khói khổng lồ bao bọc trái đất, bụi làm giảm cường độ xạ mặt trời, làm xuất màu sắc đặc biệt bầu trời kéo dài nhiều năm Bụi hạt nhân ngưng kết nước, đặc biệt hạt bụi có chứa chất hút ẩm dễ tan nước Khi hút phần tử nước, bụi dễ hòa tan tạo thành hạt dung dịch nhỏ bé trở thành hạt nhân ngưng kết tốt Ở điều kiện thuận lợi hạt nhân ngưng kết lớn dần lên để tạo thành giọt nước mưa Bụi có vai trị quan trọng việc điều tiết chế độ nhiệt khơng khí Những phần từ bụi nhỏ bé có khả hấp thu xạ nhiệt Lợi dụng đặc điểm người ta dùng biện pháp hun khói để chống sương muối, bảo vệ trồng mùa đơng Trong khơng khí chứa nhiều bụi gây nhiều bất lợi cho trồng Hiện tượng sương mù khô, sương mù đen ngăn cản phần lớn tia xạ mặt trời chiếu tới mặt lá, làm giảm cường độ quang hợp Bụi bịt kín khí khổng cản trở việc nước mặt lá, ảnh hưởng xấu đến chức sinh lý trồng Hiện tượng mưa axit, mưa mầu Nga Bắc Mỹ tàn phá rừng, đồng ruộng bụi công nghiệp thải vào khí mang tính axit Để nghiên cứu bụi, người ta phân loại theo nhiều tieu chí khác +/ Phân loại theo kích thước: bụi: Φ >10 µm; mù: Φ = 0,1 - 10 µm; khói: Φ < 0,1 µm Gồm loại: bụi bay bụi lắng • Bụi bay: có kích thước Φ = 0,001 - 10 µm (tro, muội, khói hạt chất rắn nhỏ chuyển động Braonơ rơi theo định luật Stok Gây tổn thương quan hô hấp, bệnh nhiễm bụi thạch anh (silicose) • Bụi lắng :có kích thước lớn 10 µm, rơi theo định luật Niutơn, gây bệnh cho mắt, nhiễm trùng, dị ứng da +/ Phân loại theo nguồn gốc: bụi hữu (phấn hoa, phấn trùng); bụi vơ (bụi khống, bụi kim loại, hỗn hợp); bụi tự nhiên: bụi vũ trụ; bụi núi lửa, bão cát; bụi nhân tạo: bụi cơng nghiệp, bụi giao thơng… +/ Phân loại theo tính xâm nhập vào đường hô hấp: bụi không lại phế nang: Φ 10 µm +/ Phân loại theo đặc điểm khác: theo tác hại (nhiễm độc, gây ung thư, xơ phổi, nhiễm trùng) 3.3 Thành phần khơng khí đất Ðất cấu tạo hạt có kích thước khác nhau, hạt khe hở chứa đầy nước chứa đầy khơng khí Những loại đất trồng trọt thường có dung tích khe hở lớn tác động biện pháp kỹ thuật làm đất, xới xáo rễ tạo nên Khơng khí đất yếu tố quan trọng đảm bảo cho sinh trưởng, phát triển rễ trồng, loài sinh vật vi sinh vật sống đất dồng thời yếu tố thúc đẩy q trình phong hố, hình thành đất Khơng khí đất khơng có thành phần cố định khí Khơng khí đất có hàm lượng CO2 cao ngồi khí đất thường bổ sung CO2 phân giải chất hữu cơ, hô hấp sinh vật đất rễ thực vật Hàm lượng CO2 thay đổi theo mùa sinh trưởng mùa khí hậu 37 Hàm lượng ôxy nitơ đất thấp ngồi khí hơ hấp sinh vật đất lấy lượng ôxy định Do hoat động vi sinh vật, phân giải chất hữu thải số chất khí mà ngồi khí khơng có với hàm lượng thấp (H2S, NH3, CH4…) Theo Vítkêvic, thành phần chất khí đất gồm nitơ, cacbonic, ôxy bảng 2.4 Không khí đất lớp khơng khí sát mặt đất thường xun diễn trình trao đổi tạo nên cân động làm cho khơng khí đất có đủ thành phần tỷ lệ cần thiết cho sống sinh vật đất Cường độ trao đổi phụ thuộc vào tính chất lý, hóa học, chế độ nước đất trình canh tác Trong tự nhiên trình trao đổi bị nhiều yếu tố chi phối: * Áp suất khí Sự biến động áp suất khí xúc tiến trình trao đổi khí đất Khí áp tăng tạo nên lực nén khơng khí vào đất, khí áp giảm tạo lực hút chất khí từ đất Áp suất khí yếu tố biến động mạnh thường xuyên, động lực thúc đẩy q trình trao đổi * Gió: Cũng áp suất khí quyển, gió vừa tạo nên lực hút lực nén khơng khí vừa xúc tiến q trình vận chuyển khơng khí mặt đất Cường độ trao đổi xảy mạnh hay yếu phụ thuộc vào tốc độ hướng gió mặt đất * Bức xạ mặt trời: Bức xạ mặt trời đốt nóng lớp đất mặt, khơng khí đất bị đốt nóng nên giãn nở thể tích, trở nên nhẹ bay khỏi đất Khơng khí cao lạnh nên có tỷ trọng lớn, lắng xuống thay vị trí khơng khí vừa bay lên Bảng 2.4.Thành phần chất khí đất Chất khí * Nước mưa, nước tưới Cũng yếu tố tích cực làm thay đổi chế Cácbonic (Theo Vitkêvic, 1966) Giới hạn dao động chất khí (% thể tích) Nitơ từ 76 đến 87 Ôxy từ 10 đến 20 từ 0,01 đến 10-12 độ khơng khí đất Nước mưa nước tưới nước chui vào khe hở đất, đẩy khơng khí Hầu hết khe hở đất chứa đầy nước sau mưa, độ ẩm đất giảm khơng khí chiếm lại khe hở đất Sự xen kẽ thời kỳ mưa không mưa, thời kỳ tưới khơng tưới, chế độ khơng khí đất cải thiện theo hướng có lợi cho sinh vật đất * Thành phần giới cấu trúc đất yếu tố có vai trị quan trọng q trình trao đổi khí Các loại đất tơi xốp có kích thước hạt Φ > 0,l cm tạo khoảng cách lớn viên đất, trao đổi khí loại đất xảy manh so với loại đất chặt Từ sở lý luận ta cải tạo chế độ khơng khí đất theo chiều hướng có lợi cho sinh trưởng rễ trồng thông qua biện pháp kỹ thuật làm đất chăm sóc hợp lý xới xáo, bón phân, tưới nước 3.4 Thành phần khơng khí quần thể thực vật Sự có mặt thực vật làm cho thành phần khơng khí xung quanh chúng có khác biệt lớn với khơng khí tự hàm lượng, thành phần phân bố chất khí Mức độ khác biệt phụ thuộc vào mức độ phát triển tầng tán thực vật (mật độ, độ cao độ rậm rạp 38 tán cây) Khi mật độ thưa, non gieo trồng khơng có sai khác nhiều khơng khí quần thể so với khơng khí tự Khi trưởng thành, độ che phủ tán lớn khác biệt thành phần khơng khí quần thể thực vật khơng khí tự trở nên đáng kể Nguyên nhân gây khác biệt tán thực vật ngăn cản trao đổi khơng khí quần thể khí tự (tốc độ gió giảm, hạn chế xạ mặt trời chiếu xuống mặt đất Do hấp thu, phản xạ điều tiết nhiệt độ nhờ thực vật mà chế độ nhiệt khơng khí quần thể biến động so với khơng khí bên ngồi Mặt khác hoạt động sống nước, hấp thu cácbonic, quang hợp, hô hấp khiến cho khơng khí quần thể thực vật có biến động thành phần tỷ lệ số chất a) Khí CO2 CO2 nguyên liệu trình quang hợp đồng thời lại sản phẩm q trình hơ hấp, vào ban ngày lượng CO2 giảm đáng kể Nếu khảo sát từ gốc lên tầng tán dầy thấy hàm lượng CO2 giảm dần theo chiều cao Vào ban đêm xanh không hấp thu CO2 mà thải lượng đáng kể trình hô hấp làm cho hàm lượng CO tăng vọt lên đạt tới mức 0,06% - gấp đơi hàm lượng CO2 có khí tự b) Ơxy Ơxy quần thực vật có tỷ lệ biến động mạnh ngược chiều với CO Lượng O2 tăng lên vào ban ngày nhờ trình quang hợp lại giảm đáng kể vào ban đêm bị sử dụng cho q trình hơ hấp c) Hơi nước Hơi nước quần thể thực vật cao hoạt động thoát nước qua bề mặt xanh Vào ban đêm nước quần thể thực vật thường mức bão hòa bão hòa Tuy nhiên, tán dày khơng khí có nhiệt độ cao mặt tán độ ẩm quần thể thấp Độ ẩm cao thường thúc đẩy hoạt động nấm bệnh vi sinh vật quần thể thực vật, kỹ thuật canh tác người ta thường phải tỉa cành, tạo tán, trồng che bóng… thích hợp để điều tiết độ ẩm Bảng 2.5 Ảnh hưởng biện pháp trồng che bóng sâu, bệnh hại cà phê chè Catimor huyện Hướng hóa, Quảng trị Biện pháp kỹ thuật Tỷ lệ bị sâu đục thân (%)* Vườn không che bóng 4,3 Vườn che bóng thưa 2,9 Vườn che bóng dày 1,8 Nguồn: Đoàn Văn Điếm, Lê Quang Vĩnh, 2001 Bệnh gỉ sắt (%)** Tỷ lệ bị bệnh Chỉ số bệnh 5,3 0,47 5,6 0,56 10,3 0,91 Ghi chú: *Sâu đục thân: Xylotrechus quadripes Zeuzera coffea ** Bệnh gỉ sắt: Hemileia vastatrix CÂU HỎI ÔN TẬP Anh /chị trình bày cấu trúc khí theo chiều thẳng đứng ? Đặc điểm tầng khí ? 39 Mật độ, khối lượng phân bố theo độ cao khơng khí tầng đối lưu ? Công thức xác định mật độ khơng khí ? Phân tích đặc điểm thành phần nitơ, CO2, O2, nước, bụi lớp khơng khí sát mặt đất ? Vai trị chúng sinh vật, phương pháp khai thác ? Thành phần Ơzơn (O3) khơng khí, Vai trị Ơzơn khí hậu trái đất, q trình phân hủy Ơzơn nguy tầng Ơzơn bị thủng ? Thành phần khơng khí đất quần thể thực vật ? Hãy nêu biến động vai trị số thành phần ? 40 ... mặt trời làm thành chất khí trái đất kéo dải hàng chục vạn số THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ TRONG KHÍ QUYỂN TRÁI ÐẤT 3.1 Thành phần khơng khí lớp khí gần mặt đất Bảng 2.3 Thành phần khơng khí khơ, khơng... khơng khí khơ ẩm Mật độ khí cịn phụ thuộc vào ẩm độ khơng khí Ẩm độ khơng khí tăng mật độ khơng khí giảm (bảng 2.2 ) 31 Mật độ khơng khí giảm nhanh theo độ cao khí Càng lên cao khối lượng chất khí. .. tiếp khí khơng gian vũ trụ (Outer space), khơng khí tầng thưa loãng thành phần chủ yếu hydrô hêli MẬT ÐỘ, KHỐI LƯỢNG VÀ SỰ PHÂN BỔ KHÍ QUYỂN THEO CHIỀU CAO 2.1 Mật độ khơng khí Mật độ khơng khí