3. THÀNH PHẦN KHÔNG KHÍ TRONG KHÍ QUYỂN TRÁI ÐẤT
3.2. Vai trò của các chất khí trong khí quyển
Là chất khớ chiếm tỷ lệ lớn nhất, là bộ xương của khớ quyển trỏi ủất. Nitơ là nguyờn tố dinh dưỡng cho mọi cơ thể sống, nó tham gia cấu tạo nên nhiều bộ phận và cơ quan trong cơ thể ủộng vật và thực vật. Trong sản phẩm cõy trồng hàm lượng nitơ tổng số khụng cao, song nó giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong quá trình sinh trưởng, phát triển, hình thành năng suất và phẩm chất của cây trồng. Viện sĩ N.A. Macximov cho rằng: Về số lượng, nitơ chỉ chiếm vị trí thứ tư trong thành phần cơ thể thực vật sau các chất cacbon, hydro và ôxy. Ba chất này tạo nờn 95% trọng lượng cơ thể thực vật, cũn nitơ chỉ chiếm từ 1 ủến 3%, nhưng thiếu nitơ cõy khụng thế sống ủược.
Nitơ trong tự nhiờn là nguồn vụ tận, nhưng thực vật khụng cú khả năng ủồng húa. Chỉ một số loài vi khuẩn sống tự do trong ủất như Azotobacter, Clostridium pasterianum, vi khuẩn cộng sinh ở rễ cõy họ ủậu (Rhisobium), tảo cộng sinh ở bốo hoa dõu (Anabaena) mới cú khả năng ủồng húa nitơ phõn từ - tạo thành những hợp chất chứa ủạm, bổ sung nguồn dinh dưỡng cho ủất. Phần lớn thực vật sống trong tỡnh trạng thiếu nitơ bởi vỡ rễ cõy chỉ cú thể hỳt nitơ dưới dạng các hợp chất như NH4+ , NO3-, urea [CO(NH2)2 ] hoặc Alanin (axit amin phân tử nhỏ).
Nguồn ủạm cung cấp thường xuyờn cho ủất là những hợp chất nitơ tan trong nước mưa, sương mự, sương muối.... Hợp chất này hỡnh thành chủ yếu do quỏ trỡnh phúng ủiện trong khớ quyển cung cấp lượng ủạm khoảng 3 - 4 kg/ha/năm, Ở những vựng khớ hậu nhiệt ủới nhiều mưa dụng, lượng ủạm thu ủược từ nước mưa cú thể tới 13 - 14 kg/ha/năm.
Cỏc sản phẩm phế thải của sinh vật (rễ, lỏ, thõn...) mục nỏt cũng là nguồn cung cấp ủạm cho ủất. Trong sản xuất nụng nghiệp, ngoài những nguồn ủạm tự nhiờn kể trờn nụng dõn cũn bún phõn ủạm vụ cơ và hữu cơ cho ủất... Những xỏc chết ủộng, thực vật, cỏc sản phụ phẩm nụng nghiệp cũng là nguồn bổ sung một lượng ủạm ủỏng kể cho ủất.
Quỏ trỡnh chuyển ủổi nitơ trờn mặt ủất là hiện tượng tự nhiờn, tạo nờn vũng tuần hoàn nitơ trong khớ quyển, giữ trạng trỏi cõn bằng nitơ giữa ủất và khớ quyển. éiều ủú giải thớch ủược bằng sự tồn tại của thực vật trờn bề mặt trỏi ủất khụng cần cú tỏc ủộng của con người.
ðể khai thỏc nguồn tài nguyờn nitơ khớ quyển con người ủó sử dụng nhiều phương phỏp khỏc nhau như dựng nhiệt ủộ và ỏp suất cao sản xuất phõn vụ cơ, sử dụng phõn vi sinh, trồng cõy họ ủậu và thả bốo hoa dõu…
b) Ôxy (O2)
Ôxy chiếm gần 21% thể tích khí quyển, là chất có khả năng hấp thụ chọn lọc một số tia bức xạ mặt trời gúp phần vào việc ủiều tiết chế ủộ nhiệt khớ quyển. ễxy là chất cần cho quỏ trỡnh hụ hấp của mọi cơ thể sống, quỏ trỡnh ụxy hoỏ cỏc chất do cơ thể ủồng húa ủược, giải phúng năng lượng cung cấp cho mọi hoạt ủộng của cơ thể. Trong quỏ trỡnh hụ hấp, sinh vật hút ôxy từ khí quyển tự do và thải ra khí cacbonic (CO2).
Ôxy cần thiết cho sự phân giải các chất hữu cơ, chất thải, và tàn dư sinh vật… làm sạch môi trường. Giả sử trong khí quyển không có ôxy, không có sự phân giải các sản phẩm thừa
ễxy cũn cần thiết cho sự ủốt chỏy cỏc loại nhiờn liệu, giải phúng nhiệt lượng cung cấp cho cỏc hoạt ủộng cụng nghiệp, giao thụng vận tải và cỏc ngành kinh tế khỏc.
Nguồn cung cấp ôxy cho khí quyển chủ yếu là quá trình quang hợp của thực vật. Cây xanh quang hợp thải ôxy vào khí quyển, bởi vậy ở những nơi có cây xanh hàm lượng O2 cao hơn và khụng khớ trong lành hơn. Hàm lượng oxy khụng khớ trong cỏc kỷ ủịa chất trước ủõy rất thấp, hàm lượng này tăng dần qua các các kỷ Ðá vôi (Cổ sinh), Chu la (Trung sinh), kỷ Ðệ Tam (Tõn sinh) do cường ủộ quang hợp cao. Sự suy giảm O2 gõy nờn những hậu quả nghiệm trọng về hô hấp cho thế giới sinh vật, tình trạng nghèo oxy kéo dài thì cơ thể sẽ chết. Ðối với thực vật, hàm lượng 21% oxy khớ quyển vẫn chưa ủỏp ứng ủầy ủủ cho nhu cầu sinh trưởng. Chỉ cú thực vật thuộc nhúm C4 ủũi hỏi lượng oxy và lượng CO2 thấp. Thế nhưng, việc ủốt chỏy nhiờn liệu hoỏ thạch trong cụng nghiệp, giao thụng ủó tiờu tốn oxy và thải CO2 vào khớ quyển. Vào những thập kỷ gần ủõy, do tăng cường hoạt ủộng cụng nghiệp, nhiờn liệu hoỏ thạch bị thai thác quá mức. Ngoài ra, nhu cầu nguyên liệu gỗ gia tăng nên diện tích rừng cũng bị thu hẹp là nguyên nhân làm giảm hàm lượng ôxy, tăng hàm lượng CO2 trong khí quyển.
c) Ôzôn (O3)
Là dạng thự hỡnh của ụxy, cú mựi ủặc biệt, ủược gọi tờn theo tiếng Hi Lạp là ễzụn - khi cú mựi). ễzụn ủược hỡnh thành do tỏc dụng của cỏc tia súng ngắn bức xạ mặt trời. Cỏc tia bức xạ này có năng lượng lớn làm phân ly các phân tử ôxy thành nguyên tử; các nguyên tử ôxy lại liên kết lại thành ôzôn. Lượng ôzôn trong khí quyển không nhiều và có mặt ở tầng khí quyển cao từ 10 ủến 50 km, tập trung chủ yếu ở tầng từ 25 ủến 50 km. ễzụn là loại khớ hiếm ở lớp khụng khớ gần mặt ủất. Mỗi phõn tử ụzụn ủược tạo thành từ 3 nguyờn tử oxi, bởi vậy nhiều người tin rằng ôzôn cũng có ích cho cơ thể giống như ôxi. Nhưng thực tế không phải vậy, nhiều kết quả nghiờn cứu ủó chỉ rừ ụzụn ủộc hại, sự ụ nhiễm ụzụn tỏc ủộng xấu ủến năng suất cây trồng. Mặt khác, lớp ôzôn trên cao lại rất có ích vì nó làm nhiệm vụ như bộ phận lọc, hấp thụ cỏc bức xạ tử ngoại từ mặt trời chiếu xuống mặt ủất. Những tia tử ngoại rất nguy hiểm, nú tỏc ủộng ủến ADN của tế bào, gõy ủột biến và ung thư da. Như vậy ụzụn là tỏc nhõn gõy ụ nhiễm với khụng khớ ở lớp gần mặt ủất nhưng là tỏc nhõn bảo vệ sự sống, chống tia tử ngoại ở tầng bình lưu. Trên tầng bình lưu của khí quyển, những tia tử ngoại từ mặt trời tác ủộng với oxy rồi chuyển húa thành ụzụn. ễzụn cũng cú thể chuyển thành oxy (O2) nhờ những phản ứng quang hoỏ. Trong tự nhiờn tồn tại một cõn bằng ủộng giữa ụxy và ụzụn, duy trỡ ủược lớp ụzụn ở tầng bỡnh lưu. Một số loại khớ do cụng nghiệp phỏt thải cú khả năng phõn hủy O3, do ủú làm thủng tầng ụzụn.
Ôzôn - lá chắn bảo vệ
Tỏc dụng của bức xạ Mặt trời ủó duy trỡ sự sống trờn hành tinh của chỳng ta. Tỏc dụng ủú phụ thuộc vào ủộ dài ban ngày, ủộ cao Mặt trời, mõy, ủộ ẩm và ủộ nhiễm bẩn của khụng khớ. Bức xạ Mặt trời chiếu xuống Trỏi ủất dưới dạng súng ủiện từ với phổ bước súng rất rộng.
Bức xạ Mặt trời chiếu tới giới hạn ngoài của khớ quyển Trỏi ủất (ủộ cao cỏch mặt ủất khoảng 3000km) gồm các tia gamma, tia rơn ghen, tia tử ngoại, tia nhìn thấy, tia hồng ngoại và các bước súng dài (súng radio, TV). Cỏc tia nhỡn thấy cú bước súng từ 0,39 à* (ỏnh sỏng tớm) ủến 0,76à (ỏnh sỏng ủỏ). Khớ quyển Trỏi ủất cú tỏc dụng khuếch tỏn, hấp thụ và lọc một bộ phận lớn các tia bức xạ Mặt trời. Vì vậy, người ta gọi khí quyển là màn chắn các tia bức xạ, nó chỉ dành lại 2 cửa sổ cho một phần bức xạ Mặt trời chiếu xuống mặt ủất, ủú là “cửa sổ” dành cho cỏc tia nhỡn thấy, một số tia tử ngoại ủi qua và một "cửa sổ" dành cho cỏc bước súng dài chiếu
ủiện ly cú tỏc dụng hấp thụ súng cực ngắn (bước súng nhỏ hơn 0,099à). Cỏc tia tử ngoại cú bước súng ngắn, dao ủộng từ 0,20 - 0,39à. Cỏc tia cú bước súng từ 0,20 - 0,28 à gọi là UV - C, từ 0,28 - 0,32 à gọi là UV - B. Cỏc tia cũn lại cú bước súng dài hơn từ 0,32 - 0,39 à gọi là UV - A. Trong số cỏc tia này thỡ UV - B cú tỏc dụng tớch cực nhất ủối với ủộng, thực vật và con người. UV - C bị hấp thụ bởi thành phần O3 của khí quyển và UV - A xuyên qua tầng ôzôn, nhưng lại bị phản xạ bởi oxi và nitơ trở lại vũ trụ. Như vậy, trên thực tế tồn tại một cơ chế tự nhiờn bảo vệ sinh quyển chống lại tỏc ủộng nguy hiểm của cỏc tia tử ngoại. Sở dĩ cỏc tia tử ngoại cú bước súng dưới 0,28 à khụng xuyờn qua tầng bỡnh lưu ủược vỡ cú tầng ụzụn.
Khớ ụzụn tự nhiờn ủược hỡnh thành là do cỏc tia tử ngoại chiếu vào cỏc phõn tử oxi (O2), phõn tách chúng thành các nguyên tử (O), các nguyên tử oxi lại tiếp tục kết hợp với các phân tử oxi khỏc ủể hỡnh thành ụzụn (O3). Phản ứng diễn ra theo cỏc bước:
O2 + Bức xạ tử ngoại = O + O O + O2 = O3
Ôzôn có thể hấp thụ năng lượng bức xạ tử ngoại và lại phân huỷ theo phản ứng:
O3 + Bức xạ tử ngoại = O2 + O
Như vậy, trong thiờn nhiờn, khớ ụzụn luụn luụn phõn huỷ và tỏi tạo, giữ ủược sự tồn tại ổn ủịnh cho lớp ụzụn. Khớ ụzụn hấp thu tia tử ngoại nờn cú tỏc dụng che chắn cho bề mặt trỏi ủất. Vỡ thế, lớp ụzụn trong khớ quyển ủược gọi là chiếc "ụ bảo vệ" hay "lỏ chắn" cho sinh vật trờn Trỏi ủất. Ở giới hạn ngoài khớ quyển, bức xạ tử ngoại chiếm 7% tổng năng lượng bức xạ mặt trời, khi qua tầng khớ quyển bị ụzụn giữ lại, chỉ cũn l% chiếu tới mặt ủất. Ở mặt ủất hàm lượng bức xạ súng ngắn khụng những khụng gõy ủộc hại cho cơ thể sống mà cũn cú tỏc dụng kớch thớch, thỳc ủẩy cỏc quỏ trỡnh trao ủổi chất, làm tăng cường sinh trưởng, phỏt triển ủể cho năng suất cao.
Trong nhiều thập kỷ qua, do hoạt ủộng thiếu ý thức của con người ủó và ủang làm tổn hại ủến lớp ụzụn của khớ quyển. Một trong những nguyờn nhõn quan trọng là những hoạt ủộng thái quá của nền công nghiệp, giao thông vận tải, sử dụng ngày càng nhiều than, dầu và khí ủốt, thải vào khớ quyển mỗi năm hàng trăm triệu tấn khớ ủộc như CO2, CFC, CO, CH4…, gõy ơ nhiễm khí quyển và phá hủy tầng ơzơn. Các nhà khoa học dự đốn rằng đến năm 2030 sự suy thoái tầng ôzôn trên phạm vi toàn cầu sẽ là 6,5%. Ðặc biệt, sự suy thái này xảy ra mạnh ở cỏc vĩ ủộ cao, ủến năm 2030 cú thể là 16% ở 600N. Nếu việc cấm sản xuất CFC cú hiệu quả thì sự suy thoái trung bình vẫn ở mức 2% và 8% ở 600N.
d) Khí cacbonic (CO2)
Ở ủiều kiện bỡnh thường khớ CO2 chỉ chiếm 0,032% thể tớch khớ quyển nhưng nú là nguồn dinh dưỡng quan trọng của thực vật, là yếu tố tạo thành năng suất. Hoạt ủộng của nỳi lửa, quá trình cháy, quá trình hô hấp của sinh vật, sự phân hủy các hợp chất hữu cơ là nguồn bổ sung khí CO2 thường xuyên cho khí quyển. Bộ lá của thực vật là nơi hấp thu khí CO2 chủ yếu trong tự nhiên.
Khí cacbonic cần thiết cho quá trình quang hợp của cây xanh, là nguyên liệu tổng hợp cỏc chất hữu cơ ủảm bảo sự sinh trưởng, phỏt triển và tạo năng suất. Một số loại cõy trồng, lượng CO2 trong khớ quyển chưa ủủ cung cấp cho quỏ trinh quang hợp ủể ủạt năng suất cao.
Nhiều thớ nghiệm tăng dần nồng ủộ CO2 trong mụi trường sống của thực vật cho thấy, nõng cao dần nồng ủộ CO2 làm tăng cường ủộ quang hợp giỳp thực vật sinh trưởng, phỏt triển tốt.
khụng khớ ủạt tới 0,28%. Hàm lượng ủú cao gấp 10 lần so với ủiều kiện bỡnh thường.
Lượng CO2 thích hợp cho người và gia súc từ 0,02 - 0,03%. Nếu tăng lên trên 0,2% sẽ gây ngộ ủộc và cú thể gõy chết. Vỡ vậy cỏc cụng trỡnh xõy dựng nhà ở và chuồng trại phải ủảm bảo ủiều kiện thụng thoỏng ủể lượng CO2
không tăng tới mức gây hại.
Thực vật hấp thụ CO2 qua các khí khổng ở lá và cố ủịnh cacbon qua hàng loạt cỏc phản ứng của quá trình quang hợp. Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng sử dụng ủể tổng hợp những chất photphat cao năng (ATP - Anủenozintriphotphate), tỏch hydro từ phõn tử nước rồi cố ủịnh CO2 thành glucoze.
Hình 2.2. Quang hợp của cây thông và nồng ủộ CO2 trong khụng khớ Cựng lỳc ủú, một lượng tương ứng O2 ủược giải phúng vào khớ quyển. Lượng cacbon mà thực vật cố ủịnh hàng năm trờn phạm vi toàn cầu khoảng 4 - 9.1013kg. Trong một ngày thực vật hấp thụ CO2 suốt từ sỏng sớm ủến chiều tối, do ủú ban ngày hàm lượng CO2 giảm ủi, oxy tăng lờn và ủạt ủến cực ủại vào buổi chiều..Sự trao ủổi CO2 cũng xảy ra giữa khớ quyển và ủại dương, nước biển chứa lượng CO2 lớn hơn 50 lần so với khụng khớ và vỡ vậy ủại dương ủúng vai trũ ủiều chỉnh nồng ủộ CO2 của khớ quyển. CO2 cú khả năng hấp thụ bức xạ súng dài phản xạ từ mặt ủất do ủú ban ủờm nhiệt ủộ khụng khớ khụng xuống quỏ thấp. Hiện nay do khụng khí bị ô nhiễm, hàm lượng CO2 ngày càng tăng gây nên "hiệu ứng nhà kính", nhiều thập kỷ qua nhiệt ủộ khớ quyển ủang tăng lờn (xem chương IX).
e) Hơi nước
Hơi nưúc là một mắt xớch của vũng tuần hoàn nước trong tự nhiờn. ở một ủiều kiện nào ủú hơi nước ngưng kết tạo thành sương, sương muối ở mặt ủất, sương mự và mõy ở cỏc tầng khí quyền rồi gây ra mưa, tạo nên các hiện tượng thời tiết khác nhau.
Lương hơi nước chứa trong khớ quyển tạo nờn ủộ ẩm khụng khớ. Lượng hơi nước cú thể biến ủộng từ một vài phần nghỡn ủến 4% thể tớch khớ quyển (khoảng 0,02% ở vựng cực ủới và 2,5% ở vựng nhiệt ủới). Hơi nước giảm nhanh theo ủộ cao khớ quyển, ở ủộ cao 10-15 km khụng cũn thấy hơi nước. Hơi nước ủúng vai trũ quan trọng trong nhiều quỏ trỡnh vật lý xảy ra trong khí quyển như sự hấp thu, khúc xạ, khuếch tán bức xạ mặt trời tạo nên các hiện tượng quang học (quầng, tán mặt trăng, mặt trờì, cầu vồng, ráng…). Hơi nước còn có vai trò trong việc ủiều tiết chế ủộ nhiệt khớ quyển nhờ khả năng hấp thu súng dài của bức xạ, khả năng chuyển trạng thỏi từ thế hơi sang thể lỏng, thể rắn và ngược lại. Hơi nước cú vai trũ ủặc biệt quan trọng trong ủời sống thực vật, ủộng vật và con người. Chỳng ta sẽ tiếp tục nghiờn cứu kỹ cỏc vấn ủề này ở phần sau (xem chương IV).
g) Bụi
Bụi là những phân tử vật chất có kích thước nhỏ bé bay lơ lửng trong khí quyển. Thành phần của bụi trong khớ quyển biến ủộng lớn theo thời gian và khụng gian.
Bụi cú trong khớ quyển là do cỏc quỏ trỡnh phong húa ủất ủỏ, quỏ trỡnh chỏy của cỏc mảnh thiờn thể, chỏy rừng, hoạt ủộng của nỳi lửa, ủốt chỏy nhiờn liệu trong cụng nghiệp, giao
nhiều năm.
Bụi là những hạt nhõn ngưng kết hơi nước, ủặc biệt cỏc hạt bụi cú chứa những chất hỳt ẩm và dễ tan trong nước. Khi hút các phần tử hơi nước, bụi dễ hòa tan tạo thành những hạt dung dịch nhỏ bộ trở thành những hạt nhõn ngưng kết rất tốt. Ở ủiều kiện thuận lợi hạt nhõn ngưng kết ấy lớn dần lờn ủể tạo thành những giọt nước mưa.
Bụi cú vai trũ quan trọng trong việc ủiều tiết chế ủộ nhiệt khụng khớ. Những phần từ bụi nhỏ bộ cú khả năng hấp thu và bức xạ nhiệt. Lợi dụng ủặc ủiểm này người ta ủó dựng biện phỏp hun khúi ủể chống sương muối, bảo vệ cõy trồng trong mựa ủụng.
Trong không khí chứa nhiều bụi sẽ gây ra nhiều bất lợi cho cây trồng. Hiện tượng sương mự khụ, sương mự ủen ngăn cản phần lớn cỏc tia bức xạ mặt trời chiếu tới mặt lỏ, làm giảm cường ủộ quang hợp. Bụi cú thể bịt kớn khớ khổng của lỏ cõy cản trở việc thoỏt hơi nước mặt lỏ, ảnh hưởng xấu ủến cỏc chức năng sinh lý của cõy trồng. Hiện tượng mưa axit, mưa mầu ở Nga và Bắc Mỹ hiện nay ủó tàn phỏ rừng, ủồng ruộng là do bụi cụng nghiệp thải vào khớ quyển mang tớnh axit... ðể nghiờn cứu bụi, người ta ủó phõn loại theo nhiều tieu chớ khỏc nhau.
+/ Phõn loại theo kớch thước: bụi: Φ >10 àm; mự: Φ = 0,1 - 10 àm; khúi: Φ < 0,1 àm.
Gồm 2 loại: bụi bay và bụi lắng.
• Bụi bay: cú kớch thước Φ = 0,001 - 10 àm (tro, muội, khúi và cỏc hạt chất rắn nhỏ chuyển ủộng Braonơ hoặc rơi theo ủịnh luật Stok. Gõy tổn thương cơ quan hụ hấp, bệnh nhiễm bụi thạch anh (silicose)
• Bụi lắng :cú kớch thước lớn hơn 10 àm, rơi theo ủịnh luật Niutơn, gõy bệnh cho mắt, nhiễm trùng, dị ứng da...
+/ Phân loại theo nguồn gốc: bụi hữu cơ (phấn hoa, phấn côn trùng); bụi vô cơ (bụi khoáng, bụi kim loại, hỗn hợp); bụi tự nhiên: bụi vũ trụ; bụi núi lửa, bão cát; bụi nhân tạo: bụi công nghiệp, bụi giao thông…
+/ Phõn loại theo tớnh xõm nhập vào ủường hụ hấp: bụi khụng ở lại phế nang: Φ <0,1 àm; bụi ở lại phế nang: Φ = 0,1 - 5,0 àm; bụi vào phổi nhưng lại ủược ủào thải ra: Φ = 5 -10 àm; bụi ủọng lại ngoài mũi: Φ > 10 àm.
+/ Phõn loại theo cỏc ủặc ủiểm khỏc: theo tỏc hại (nhiễm ủộc, gõy ung thư, xơ phổi, nhiễm trùng)