Khí quyển là gì? Thành phần và cấu tạo của khí quyển
1. Khái niệm chung về khí quyển
Khí quyển là lớp vỏ ngoài cùng bao quanh Trái Đất, thường xuyên chịu ảnh hưởng của vũ trụ, trước hết là Mặt Trời.
Các thuộc tính của khí quyển phụ thuộc vào khối lượng và thành phần của nó. Khối lượng chung của khí quyển bằng 5,29.1021 gram, rất nhỏ so vối tổng khối lượng của Trái Đất (5,98.1027 gram) và đại dương (1,35.1024). Vì vậy, những biến đổi dù rất nhỏ ở Trái Đất và đại dương cũng gây nên những biến đổi trong khí quyển.
Chiều dày chung lớp khí quyển trên 10.000km. Từ mặt đất đến độ cao 5km, tập trung khoảng 50% toàn bộ khối lượng khí quyển, đến độ cao 10km – 75% và đến độ cao 16km – 90%. Ở độ cao trên 3.000km, mật độ không khí đã bị loãng đến mức không khác gì so với không gian giữa các hành tinh, nhưng dấu vết của nó còn thấy ở độ cao trên 10.000km.
Do sự trao đổi vật chất, năng lượng và momen động lượng giữa đại dương và khí quyển, cho nên rất khó xác định được ranh giới bên dưới của khí quyển. Sự trao đổi đó đã làm cho nước kết hợp vói lục địa hoặc với khí quyển thành một thể thông nhất. Vì vậy trong một số trường hợp có thể coi đại dương và khí quyển là một trong những bộ phận của hệ thống thống nhất.
2. Thành phần của khí quyển
Khí quyển là một hỗn hợp các khí, trong đó có thể phân thành nhóm các chất khí hầu như không biến đổi (Bảng 1) và các chất khí có nhóm biến đổi về khối lượng
Không khí khô và sạch trong tự nhiên, thực tế chỉ tồn tại ở điều kiện nhiệt độ thấp. Ngoài ra, không khí còn gồm nhóm các khí biến đổi (Bảng 2), do tác động của các hiện tượng, quá trình tự nhiên và các hoạt động của con người.
Thành phần và mật độ khôi lượng không khí biến đổi theo chiều cao: ở độ cao dưới 120km, tầng không khí đồng nhất do không khí lưu thông; từ 120km trỏ lên không khí không đồng nhất và xảy ra hiện tượng khuyếch tán, ở độ cao 200 – 250km nitơ và oxy chiếm ưu thế; ỏ độ cao 250 – 700km, oxy, heli, hyđro chiếm ưu thế.
Khí quyển còn biến đổi theo thời gian cùng với quá trình phát triển của vũ trụ và hành tinh Trái Đất. Ban đầu, khí quyển gồm hyđro và amoniac có nguồn gốc từ đám mây nguyên thủy của hành tinh. Sau đó xuất hiện cacbon đioxyt…, qua quá trình tiến hóa lâu dài, đến cuối Paleozoi, thành phần khí quyển đã gần giống khí quyển hiện đại, gọi là khí quyển nitơ – oxy. Khí quyển phát triển cùng với sự phát triển đi lên của vật chất sông và thành phần khí quyển hiện nay tiếp tục được sinh vật điều chỉnh. Khi sinh quyển đạt tói giai đoạn cây xanh, bắt đầu từ thòi kỳ Đêvon, và khi cây xanh lan tràn lên lục địa, thì một trong những quá trình tự nhiên quan trọng là quá trình quang hợp bắt đầu và khí quyển oxy hiện đại được hình thành.
Quá trình quang hợp có thể biểu thị bằng phương trình tổng hợp sau đây:
6 CO2 + 6 H2O —Năng lượng—» C6H12O6+ 6 O2.
Nước và khí cacbonic tham gia vào quá trình quang hợp và ôxy tự do được tách ra. Nước là nguồn cung cấp chủ yếu ôxy tự do. Khí quyển có khoảng 1015 tấn ôxy. Ôxy tự do giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong tự nhiên. Nhờ có ôxy, cơ thể nhận được năng lượng để thực hiện các chức năng sinh học.
Ôxy còn tồn tại trong khí quyển dưới dạng ôzôn (O3). Ôzôn được hình thành do các tia tử ngoại và các điện tích tách phân tử ôxy (O2) thành các nguyên tử ôxy, rồi các nguyên tử này lại kết hợp với các phân tử ôxy khác.
O2 = O + O , O2 + O = O3.
Khối lượng của ôzôn xuất hiện ở độ cao từ 10 – 16km, nhưng tập trung tôi đa ở độ cao 22 – 25km tạo thành một màn ôzôn và một dải nhiệt độ tăng bao quanh hành tinh Trái Đất.
Màn ôzôn rất quan trọng đô! với lớp vỏ địa lý, nó hấp thụ bức xạ tử ngoại với bước sóng 0,29mm mà bức xạ này rất nguy hiểm đối với sinh vật. Nhưng một lượng rất nhỏ các tia này vẫn lọt qua được màn ôzôn lại có tác dụng diệt nhiều loại vi sinh vật có hại cho cơ thể con người phát sinh do hoạt động của núi lửa, do đốt nhiên liệu (than đá, dầu mỏ, các khí thiên nhiên, đốt phá rừng v.v…), do sự hô hấp của động vật và sự phân giải các chất hữu cơ. Sự quang hợp của thực vật và sự hô hấp của động vật duy trì sự cân bằng giữa ôxy và khí cacbonic trong khí quyển. Ngày nay, các dòng khí cacbonic tỏa vào không khí tăng lên 0,5% mỗi năm do con người thải ra ngày càng nhiều khói công nghiệp và đốt phá rừng bừa bãi. Và đó là một trong những nguyên nhân làm cho khí hậu toàn cầu dao động do “hiệu ứng nhà kính” của khí quyển.
Hệ quả của “hiệu ứng nhà kính” là phá vỡ thế cân bằng vốn có trong cán cân bức xạ nhiệt, làm xuất hiện nhiệt lượng dư thừa và do đó nhiệt độ không khí được tăng lên.
Theo IPCC (Inter – Govermental Panel on Climate Change), trong vòng 100 năm trở lại đây, nhiệt độ trung bình toàn cầu đã tăng thêm 0,3°C ÷ 0,6°C . Và với tốc độ ngày càng tăng.
Nhiệt độ tăng dần, dẫn đến sự giãn nở nhiệt của các đại dương gây ra sự tan lớp băng vĩnh cửu trên núi cao và các vùng cực, làm cho mực nước biển dâng lên.
IPCC cho biết, ở Bắc bán cầu từ 1973 đã có dấu hiệu về lớp tuyết phủ bị giảm đi v.v… và trong vòng 200 năm qua, mực nước biển tăng trung bình 1 – 2 mm/năm. Dự báo cho rằng đến năm 2030 nhiệt độ toàn cầu tăng từ 1,5°C ÷ 4,5°C, và mực nước biển có khả năng dâng cao từ 20 ÷ 140cm.
3. Cấu tạo của khí quyển
Dựa vào sự biến đổi nhiệt độ theo chiều cao, khí quyển được chia thành 5 tầng: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng giữa, tầng nhiệt và tầng ngoài.
1/ Tầng đối lưu tiếp giáp vối bề mặt Trái Đất, ở xích đạo tới độ cao 17km, ở vĩ độ trung bình là 10 – 12km và ở cực – 8km. Tầng này chiếm 80% khối lượng của khí quyển và hầu như toàn bộ hơi nước.
Nguồn cung cấp nhiệt chủ yếu cho dòng đối lưu là do nhiệt độ của bề mặt Trái Đất được Mặt Trời đốt nóng. Nhiệt của bề mặt Trái Đất bằng +14,3°C. Nhưng nhiệt độ ở tầng này giảm từ mặt đất đến đỉnh tầng đối lưu, trung bình cứ lên cao 10 0 m nhiệt độ giảm 0,6°C.
2/ Tầng bình lưu. Đặc điểm của tầng bình lưu là không khí loãng, hầu như không có hơi nước, lượng ôzôn lốn và tích tụ tối đa ở độ cao 22 – 25km. Mây bạc ở đây gồm các tinh thể băng và các giọt nước nhỏ. Nhiệt độ giới hạn dưới của tầng bình lưu ỏ xích đạo quanh năm là -74°C, ở vùng cực còn thấp hơn. Nhưng ở đỉnh tầng bình lưu nhiệt độ lại là 0°C, hoặc +10°C, do tia Mặt Trời đốt nóng trực tiếp và do ôzôn hấp thụ bức xạ Mặt Trời, đặc biệt là tia cực tím.
3/ Tầng giữa (tầng trung lưu) có đỉnh ở độ cao 80 – 90km. Tại đây, ở độ cao 75km có nhiệt độ là -75°C. Do lượng các tia tử ngoại và hồng ngoại của bức xạ tới lớn nên không khí ở đây bị ion hóa và có sự dao động dị thường về nhiệt độ. ở đỉnh tầng giữa (90km) nhiệt độ không đổi, khoảng +180°C.
4/ Tầng nhiệt ở độ cao khoảng 800 – Không khí bị ion hóa mạnh do tác động của bức xạ hạt và tử ngoại ở trạng thái plasma. Ở độ cao 100km nhiệt độ không khí là 0°C, ở 150km là + 240°C, 200km là +500°C và ở 600km là +1.500°C, đó là hiện tượng tăng nhiệt.
5/ Tầng ngoài (tầng khuyếch tán / tầng ngoại quyển). Là nơi trao đổi của các không gian giữa các hành Nhiệt độ ở tầng ngoài tới +2.000°C. Hiđro thắng được sức hút của Trái Đất, tạo thành địa hoa bao quanh Trái Đất và kết thúc ở độ cao 20.000km.
Khí quyển của Trái Đất là một dị thường địa hóa trong vũ trụ. Khí quyển là môi trường tồn tại và phát triển của sinh vật trên Trái Đất vì nó ngăn không cho các thiên thạch rơi xuống bề mặt Trái Đất, hấp thụ các tia cực tím của Mặt Trời và giữ bức xạ sóng dài của Trái Đất, tạo nên điều kiện thuận lợi cho sự sông. Thông qua trao đổi năng lượng và vật chất, khí quyển tác động thường xuyên qua lại với các lốp vỏ địa lý khác và chịu ảnh hưởng của vũ trụ, trước hết là Mặt Trời.