Chương 2. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MÔI TRƯỜNG
2.1. Thạch quyển
2.1.1. Sự hình thành và cấu trúc của Trái đất
Trái đất là một hành tinh trong hệ Mặt trời, vào thời điểm sau khi hình thành
(cách đây khoảng 4,5 tỷ năm), Trái đất là một quả cầu lạnh, không có khí quyển, tự quay
xung quanh Mặt trời. Sự phân hủy của các chất phóng xạ làm cho quả cầu Trái đất nóng
lên dần, dẫn đến sự phân dị của vật chất bên trong và thoát khí, hơi nước, tạo nên khí
quyển nguyên sinh gồm CH4, NH3 và hơi nước. Các chất rắn trong lòng Trái đất phân dị,
phần nặng nhất gồm Fe, Ni tập trung tạo thành nhân Trái đất. Các phần nhẹ hơn gồm các
hợp chất MgO, FeO, SiO2,... tạo nên Manti. Phần nhẹ nhất gồm các kim loại Al, Si tập
trung ở lớp ngoài. Dần dần, lớp ngoài Trái đất nguội dần trở nên đông cứng và tạo nên
Vỏ Trái đất. Thành phần và cấu trúc của khí quyển, thủy quyển thay đổi theo thời gian
cho đến hiện nay.
Bảng 2.1: Các đặc trưng chủ yếu của Thái Dương hệ
Thiên thể Bán kính Thể tích Khối lượng Tỷ trọng Nhiệt độ Chất khí
(km) (Trái (Trái đất riêng cực đại bề trong khí
đất=1) =1) (g/cm3) mặt quyển
(oC)
Mặt trời 695.000 1.300.000 332.000 1,41 5.500 nhiều
Sao Thủy 2.400 0,05 0,05 5,33 350 không có
Sao Kim 6.100 0,87 0,81 5,15 460 CO2
Trái đất 6.371 1,0 1,0 5,52 60 Nhiều
Sao Hỏa 3.400 0,15 0,11 3,97 - 55 CO2,H2O
Sao Mộc 69.000 1.320 318 1,35 -138 CH4,NH3
Sao Thổ 57.500 736 95,3 0,71 -153 CH4,NH3
Thiên Vg 23.700 51 14,5 1,56 -184 CH4
HảiVươg 21.500 39 17,2 2,47 -200 CH4
Diêm Vg 2.900 0,1 0,03 2 - 220 -
Vỏ Trái đất (Thạch quyển) là một lớp vỏ cứng rất mỏng, có cấu tạo hình thái rất
phức tạp, có thành phần không đồng nhất, có độ dày thay đổi theo vị trí địa lý. Vỏ Trái
đất được chia làm 2 kiểu: vỏ lục địa và vỏ đại dương. Vỏ đại dương có thành phần chủ
yếu là các đá giàu CaO, FeO, MgO, SiO2 trải dài trên tất cả các đáy của các đại dương
với chiều dày trung bình 8 km. Vỏ lục địa gồm 2 lớp vật liệu chính là đá bazan dày 10-
20km ở dưới và các loại đá khác như granit, sienit giàu SiO2, Al2O3 và đá trầm tích ở bên
trên. Vỏ lục địa thường rất dày, trung bình 35km, có nơi 70-80km như ở vùng núi cao
Hymalaya. Ở vùng thềm lục địa, nơi tiếp xúc giữa đại dương và lục địa, lớp vỏ lục địa
giảm còn 15-20km.
Thành phần hóa học của Trái đất bao gồm các nguyên tố hóa học có số thứ tự từ
1-92 trong bảng hệ thống tuần hoàn Menđeleep.
Bảng 2.2: Các nguyên tố hóa học phổ biến trong vỏ Trái đất
Nguyên tố % trọng lượng toàn vỏ % thể tích so với toàn vỏ
O 46,60 93,77
Si 27,72 0,86
Al 8,13 0,47
Fe 5,0 0,43
Mg 2,09 0,29
Ca 3,63 1,03
Na 2,83 1,32
K 2,59 1,83
Vỏ Trái đất Áp suất
8 nguyên tố hóa học phổ biến trên chiếm 99% trọng lượng thạch quyển.
(K.Bar)
Cấu trúc bên trong của Trái đất 0
được trình bày ở hình sau:
Manti trên 1
36 10
Đới chuyển tiếp 16
400 0
45
100 Manti dưới 0
0
290
1400
0
Nhân
Trái đất
627 350
1 0
Tâm Trái đất
Hình 2.1: Cấu tạo bên trong của Trái đất
2.1.2. Sự hình thành đá và quá trình tạo khoáng tự nhiên
Đất đá và các khoáng vật tự nhiên được tạo ra trên Trái đất nhờ 3 quá trình địa
chất: macma, trầm tích và biến chất . Ba loại đá macma, biến chất và trầm tích có quan hệ
nhân quả chặt chẽ với nhau trong vỏ Trái đất
Nhiệt mặt trời Đá macma
Đá macma
Phong hóa Trầm
tích
Đá macma
Đá trầm tích
Biến
chất
Đá biến chất
Hình 2.2: Chu trình biến đổi các loại đá chính trong vỏ Trái đất
Nhiệt phóng xạ
Các tính toán của các nhà Địa chất cho thấy: trọng lượng các đá trong vỏ Trái đất
có tỷ lệ phân bố như sau: macma 65%, biến chất 25% và trầm tích 10%.
Phù hợp với các quá trình địa chất trên, các khoáng vật ở vỏ Trái đất được thành tạo
trong các quá trình trầm tích, biến chất và macma.Hai quá trình sau gọi là quá trình nội sinh.
2.1.3. Sự hình thành đất và biến đổi của địa hình cảnh quan
Đất là lớp ngoài cùng của thạch quyển, bị biến đổi tự nhiên dưới tác động tổng
hợp của nước, không khí, sinh vật. Các thành phần chính của đất là chất khoáng, nước,
không khí, mùn và các loại sinh vật từ vi sinh vật cho đến côn trùng, chân đốt,... Thành
phần chính của đất được trình bày ở hình sau:
Không khí Humic
5%
20%
Các hạt khoáng
chất
40%
Nước
35%
Hình 2.3: Các thành phần chính của đất
Đất có cấu trúc phân lớp rất đặc trưng, xem xét một phẩu diện đất có thể thấy sự
phân tầng cấu trúc từ trên xuống dưới như sau:
• Tầng thảm mục và rễ cỏ được phân hủy ở mức độ khác nhau
• Tầng mùn thường có mầu thẩm hơn, tập trung các chất hữu cơ và dinh dưỡng
của đất
• Tầng rữa trôi do một phần vật chất bị rửa trôi xuống tầng dưới
• Tầng tích tụ chứa các chất hòa tan và hạt sét bị rửa trôi từ tầng trên
• Tầng đá mẹ bị biến đổi ít nhiều nhưng vẫn giữ được cấu tạo của đá
• Tầng đá gốc chưa bị phong hóa hoặc biến đổi.
Các nguyên tố hóa học trong đất tồn tại dưới dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ, có
nguồn gốc chủ yếu từ đá mẹ. Hàm lượng các nguyên tố hóa học của đất không cố định,
biến đổi phụ thuộc vào quá trình hình thành đất. Theo hàm lượng và nhu cầu dinh dưỡng
đối với cây trồng, các nguyên tố hóa học của đất được chia thành 3 nhóm:
- Nguyên tố đa lượng: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, P, S, N, C, H.
- Nguyên tố vi lượng: Mn, Zn, Cu, B, Mo, Co,…
- Nguyên tố hiếm và phóng xạ: Br, In, Ra, I, Hf, U, Th,…
Địa hình mặt đất và cảnh quan là kết quả tác động tương hỗ đồng thời, ngược với
nhau và liên tục của hai nhóm quá trình nội sinh và ngoại sinh. Địa hình phát triển qua
nhiều giai đoạn khác nhau trên các cấu trúc địa chất rất khác nhau, nên rất đa dạng. sự
phân loại địa hình theo hình thái và trắc lượng hình thái được thể hiện qua bảng sau:
Bảng 2.3: Phân loại địa hình theo hình thái và trắc lượng hình thái (Alan E. kêhew, 1998)
Tính chất địa hình Độ cao tuyệt đối(m) Đặc điểm hình thái
Đồng bằng
- Trũng Dưới mực nước biển Gợn sóng, chia cắt yếu, có gò thấp, chỗ trũng
- Thấp 0-200 Độ chia cắt sâu hoặc dao động độ cao dưới
- Cao 200-500 10m
- Trên núi 500-2500
Đồi Dao động độ cao 10-100m
- Đồi ở vùng thấp 0-200 - Đồi thấp, tỷ cao 10-25m
- Đồi ở vùng cao 200-500 - Đồi trung bình thấp, tỷ cao 25-50m
- Đồi ở vùng núi 500-2500 - Đồi lớn, tỷ cao 50-75m
- Đồi rất lớn, tỷ cao 75-100m
- Có dạng bát úp, dạng nón, dạng vách dốc
Núi Dao động độ cao trên 100m
- Thấp 600-900 Giá trị độ chia cắt sâu:
- Trung bình thấp 700(900)-1200 - Nhỏ 100-250
- Trung bình 1200-2500 - Trung bình 250-500m
- Cao vừa 2500-3000 - Lớn 500-750m
- Cao 3000-5000 - Rất lớn 750-1000m
- Rất cao >5000 Sườn dốc, thung lũng sâu, đường sống núi có
thể sắc nét hoặc mềm mại, xếp thành nhóm,
dải hoặc hệ thống các dải núi
2.1.4. Tai biến địa chất, xói mòn, trượt lở đất đá
1. Khái niệm tai biến môi trường.
Tai biến MT là điều kiện, yếu tố, hiện tượng, quá trình xảy ra trong MT sống, gây
nguy hiểm và tổn hại cho tính mạng, sức khỏe, tài sản, hoạt động của con người và các
chức năng của MT. Với cách hiểu này, nhiều khi nói đến khái niệm tai biến người ta ngụ
ý là tai biến MT.
Tai biến MT là quá trình gây hại vận hành trong hệ thống MT. Quá trình tai biến
phản ánh tính nhiễu loạn, tính bất ổn của hệ thống và thường gồm 3 giai đoạn. Với mỗi
giai đoạn của quá trình tai biến sẽ có những chiến lược ứng phó thích hợp và cần phải cân
nhắc trong quá trình ra quyết định:
- Giai đoạn nguy cơ hay hiểm họa: Đã tồn tại các yếu tố gây hại nhưng chưa
gây mất ổn định cho hệ thống.
- Giai đoạn phát triển: Tập trung và gia tăng các yếu tố tai biến, xuất
hiện trạng thái mất ổn định, nhưng chưa vượt qua ngưỡng an toàn của
hệ thống MT.
- Giai đoạn sự cố: Trạng thái mất ổn định đã vượt qua ngưỡng an toàn của hệ
thống, gây ra các thiệt hại không mong đợi cho con người đwocj gọi là
thiên tai hoặc sự cố MT.
Là thiên tai nếu thiệt hại gây ra do quá trình tự nhiên, là sự cố nếu thiệt hại được
gây ra do cả quá trình tự nhiên hoặc nhân tạo.
2. Nguyên nhân
- Quá trình tự nhiên (hạn hán, lũ lụt, động đất,…)
- Hoạt động nhân sinh (khai thác quá mức, xả thải chất ô nhiễm, can thiệp
thô bạo vào HST,…)
- Hỗn hợp của hoạt động nhân sinh và quá trình tự nhiên – loại tai biến
thường xảy ra.
3. Phân loại tai biến MT.
Dựa vào bản chất có thể phân biệt được 4 nhóm tai biến MT sau đây:
• Các tai biến vật lý là tai biến tuân theo quy luật vật lý
• Các tai biến hóa học liên quan tới sự phát tán và tập trung các nguyên tố hóa
học vượt ngưỡng sinh thái trong các hợp phần MT
• Tai biến sinh học như bệnh dịch nguy hiểm, nổ bom sinh học, nạn côn trùng
phá hoại mùa màng...
• Các tai biến kinh tế - xã hội bao gồm phá sản, tham ô làm thất thoát tài sản,
ma túy, các tệ nạn xã hội khác và do coi thường pháp luật, thiếu việc làm,
khủng hoảng tinh thần, sai sót về điều hành,...
4. Một số tai biến thường gặp.
Tai biến địa chất, xói mòn, trượt lở đất đá là các hiện tượng tự nhiên tham gia tích
cực vào quá trình biến đổi địa hình bề mặt thạch quyển.
Tai biến địa chất là một dạng tai biến MT phát sinh trong thạch quyển. Các dạng
tai biến như là : phun núi lửa, động đất, nứt đất, lún đất. Chúng thường liên quan tới các
quá trình địa chất xảy ra trong lòng Trái đất.
Trên bề mmặt Trái đất, hoạt động của nước và gió gây ra sự xói mòn. Xói mòn
do mưa là dạng xói mòn phổ biến nhất. Lượng đất xói mòn do mưa hằng năm trên một
đơn vị diện tích có thể xác định theo công thức lý thuyết:
A = R.K.L.S.C.P.
R- khả năng xói mòn do mưa
K- tính chất dễ xói mòn của đất
L- chiều dài sườn dốc
S- độ dốc của sườn dốc
C- thảm thực vật
P- hiệu quả của các biện pháp chống xói mòn.
Trượt lở đất là một dạng biến đổi bề mặt Trái đất khác. Tại đây, một khối lượng
đất đá khác theo các bề mặt đặc biệt, bị trọng lực kéo trượt xuống các địa hình thấp. Hiện
tượng trượt lở đất thường xuất hiện một cách tự nhiên trong các vùng núi, vào thời kỳ
mưa nhiều hằng năm.
Hình 2.4: Xói mòn đất đồi núi
2.2. Thủy quyển
2.2.1. Cấu tạo hình thái của thủy quyển
Khoảng 71 % với 361 triệu km2 bề mặt Trái đất được bao phủ bởi mặt nước.Cho
nên đã có nhà khoa học gọi Trái đất là “Trái nước”.Thủy quyển là lớp vỏ lỏng không liên
tục bao quanh Trái đất gồm: nước ngọt, nước mặn ở cả 3 trạng thái cứng, lỏng và hơi.
Thủy quyển bao gồm: Đại dương, biển, ao hồ, sông ngòi, nước ngầm và băng tuyết. Khối
lượng của thủy quyển khoảng 1,4. 1018 tấn, tương đương với 7 % trọng lượng thạch quyển. Hiện
nay người ta chia thủy quyển làm 4 đại dương, 4 vùng biển và 1 vùng vịnh lớn.
Bảng 2.4: Diện tích các Đại dương và các Biển chính
Đại dương, biển Diện tích(triệu km2) Phần trăm
Thái Bình Dương 165,242 46,91
Đại Tây Dương 82,362 23,38
Ấn Độ Dương 73,556 20,87
Bắc Băng Dương 13,986 3,97
Biển Malaixia 8,143 0,80
Biển Caribbe 2,756 0,71
Biển Địa Trung Hải 2,505 0,64
Biển Bering 2,269 0,58
Vịnh Mexico 1,544 0,39
Tổng 252,36 100
2.2.2. Sự hình thành đại dương
Sự đông cứng lớp vỏ Trái đất được coi là sự bắt đầu lịch sử địa chất, các dấu hiệu
địa chất thu được cho thấy, sự kiện này xảy ra cách đây khoảng 4,5 tỷ năm. Sự đông cứng
lớp vỏ Trái đất liên quan đến sự nguội đi do sự phát xạ năng lượng lớn vào không gian.
Đồng thời, Trái đất cũng mất một phần các khí bao bọc. Quá trình này diễn ra phức tạp,
song có thể thấy các khí nhẹ như hyđrô, heli bị mất vào không gian vũ trụ, còn các khí
khác nặng hơn như oxy, nitơ vẫn được Trái đất giữ lại. Vào thời kỳ này, núi lửa vẫn hoạt
động rất mạnh, phát thải ra nhiều loại khí hình thành nên khí quyển với thành phần khác
xa với khí quyển hiện tại. Khí quyển lúc này chứa một hàm lượng oxy tự do nhỏ còn
phần lớn là CO2 và hơi nước.Với sự lạnh dần đi của Trái đất làm cho hơi nước ngưng kết
lại rơi xuống bề mặt Trái đất. Trái đất tiếp tục bị lạnh đi làm cho hơi nước tích lũy ngày
một dày tạo nên các đại dương đầu tiên trên Trái đất. Chính sự bốc hơi (mất nhiệt),
ngưng kết (tỏa nhiệt) của hơi nước với nhiệt dung lớn lại làm gia tăng quá trình lạnh
đicủa bề mặt Trái đất qua thoát nhiệt vào các đám mây vũ trụ. Vì vậy, có thể nói hơi nước
tự bản thân nó quyết định sự tồn tại của mình trên bề mặt Trái đất.
Từ khi hình thành, khoảng 3,8 tỷ năm về trước, diện mạo của đại dương đã có
những thay đổi lớn. Sự thay đổi này biểu hiện qua độ mặn của nước biển, mực nước biển,
quá trình hình thành và tạo những khối băng khổng lồ, địa hình đáy biển và đặc biệt là sự
phân bố giữa đại dương và đất liền.
Để có hình dạng lục địa và đại dương như hiện nay, đã có nhiều giả thuyết về sự
hình thành, có thể nêu ra các giả thuyết sau: trôi dạt lục địa, nới rộng đáy biển và kiến
tạo mảng.
2.2.3. Đới ven biển, cửa sông và thềm lục địa
- Đới ven biển là nơi gặp nhau giữa đất liền và biển, được đánh dấu bằng những
nét chung của hệ thống lục địa-đại dương. Là khu vực chịu sự chi phối của 3 quyển
chính: thạch quyển, thủy quyển và khí quyển.
Đây được coi là hệ thống mở, luôn diễn ra các tương tác lý hóa với ảnh hưởng của
văn hóa. Đới ven biển có năng suất sinh học cao. Đới ven biển còn là nơi diễn ra nhiều
hoạt động mạnh mẽ như xói mòn, bão lũ, bất ổn định, ngoài ra còn có tranh chấp lợi
nhuận liên quan tới hoạt động của con người như gây ô nhiễm, khai thác tài nguyên và
phát triển không bền vững.
Vùng ven biển bao gồm nhiều thành phần như :
• Vách: là phần lục địa giáp biển, có độ dốc cao
• Bãi biển: là phần cát sỏi, bùn do sông đưa ra
• Bờ sau: được giới hạn bởi vách và mực nước biển khi thủy triều cao
• Bờ trước: là miền giữa 2 đường bờ ứng với mực nước thủy triều cao và thấp
• Bờ : bao gồm bờ trước, bờ sau và kéo dài tới rìa nước cuối cùng khi thủy triều thấp
Ở nhiều nơi, bờ trước có khoảng cách lớn, cấu tạo bởi phù sa các sông và là nơi rừng
ngập mặn phát triển tốt, với HST rất đa dạng, phong phú.
Ngoài khơi Ven bờ
Đường triều Vách
Rìa thấp
nước Bờ trước Bờ sau
Mức triều cao thấp
Cồn cát
Mức triều thấp
Hình 2.5: Đới ven bờ và các thành phần của nó
- Vùng cửa sông là cửa của một con sông, nơi nước chảy ra biển. Các điều kiện
vùng cửa sông phụ thuộc nhiều vào quá trình xảy ra trong đại dương và biển, đặc biệt là
sự trộn lẫn nước ngọt của sông và nước mặn của biển và ảnh hưởng của thủy triều.
HST vùng của sông là HST nhạy cảm và chịu nhiều ảnh hưởng của độ mặn nước
biển. Phần lớn sinh vật cửa sông là sinh vật biển, năng suất sinh học thuộc diện cao nhất,
tới gần 2.000g/m2/năm. Do đa dạng về MT sống và nhiều chất dinh dưỡng nên vùng cửa
sông khá đa dạng về loài động vật, như loài chim, bò sát, cá, thân mềm,…
Hiện nay việc khai thác vùng ven biển nói chung và vùng cửa sông nói riêng đã
làm nảy sinh nhiều vấn đề MT.
- Thềm lục địa có thể coi là vùng biển nông, gần bờ với đáy biển tương đối bằng
phẳng.Thềm lục địa với phạm vi rộng lớn xuất hiện ở vùng bờ biển ít chấn động địa chất
và hoạt động của núi lửa.Thềm lục địa thường rộng cỡ vài trăm km tới 1.500km. Độ dốc
đáy biển ở đây rất nhỏ chỉ trong vòng vài độ. Thềm lục địa được giới hạn xa bờ có độ dốc
đáy biển tăng đột ngột.
2.2.4. Băng
Băng là một thành phần quan trọng của thủy quyển, tập trung chủ yếu ở 2 cực
Trái đất. Theo các số liệu hiện nay, khối lượng băng trên Trái đất chiếm trên 75% tổng
lượng nước ngọt và gần 2% khối lượng thủy quyển. Khối lượng băng trên Trái đất thay
đổi theo thời gian địa chất, phụ thuộc vào nhiệt độ trung bình của Trái đất.
Trong những năm gần đây, sự gia tăng của nhiệt độ của khí quyển toàn cầu
(khoảng 0,3-0,60C trong 100 năm) bởi hiệu ứng nhà kính, đang làm cho tốc độ tan băng ở
2 cực và mực nước biển tăng lên. Với tốc độ tăng này, vào cuối thế kỷ XXI, sự tan băng
ở vùng cực và núi cao sẽ làm cho mực nước biển dâng cao từ 65-100m.
2.3. Khí quyển
2.3.1. Sự hình thành và cấu trúc khí quyển Trái đất
Khí quyển là lớp vỏ ngoài của Trái đất, với ranh giới dưới là bề mặt thủy
quyển, thạch quyển và ranh giới trên là khoảng không giữa các hành tinh. Khí quyển
Trái đất được hình thành do sự thoát hơi nước, các chất khí từ thủy quyển và thạch
quyển. Thời kỳ đầu, khí quyển chủ yếu gồm hơi nước, amoniac, metan, các loại khí
trơ và hydro. Dưới tác dụng phân hủy của tia mặt trời, hơi nước bị phân hủy thành
oxy và hydro. Oxy tác động với amoniac và metan tạo ra khí N 2 và CO2. Quá trình
tiếp diễn, một lượng H2 nhẹ mất vào khoảng không vũ trụ, khí quyển còn lại chủ yếu
là hơi nước, Nitơ, CO2, một ít Oxy.
Khí quyển Trái đất có cấu trúc phân lớp với các tầng đặc trưng từ dưới lên trên như
sau: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung gian, tầng nhiệt, tầng điện ly.( xem hình 2.3)
- Tầng đối lưu (Troposphere): là tầng thấp nằm ngay trên mặt đất, chiếm khoảng 70%
khối lượng khí, ở tầng này càng lên cao nhiệt độ càng giảm, có nhiệt độ thay đổi giảm dần từ
+400C ở lớp sát mặt đất tới -500C ở trên cao. Tầng đối lưu có chiều cao thay đổi từ 7- 8km ở
các đới cực và khoảng 16-18km ở đới xích đạo. Số lượng các khí ở tầng này khoảng 4,12 x
1015 tấn so với tổng khối lượng khí là 5,15.10 15 tấn. Tầng đối lưu là nơi tập trung nhiều hơi
nước nhất, bụi và các hiện tượng thời tiết chính như mây, mưa, tuyết, mưa đá, bão,…
- Tầng bình lưu (Stratosphere): có một vùng thấp hơn với độ cao trên 25km và có
nhiệt độ gần như không đổi, trong khi đó tầng trên của nó nhiệt độ tăng cùng với tăng độ cao.
Không khí ở tầng bình lưu loãng hơn, ít chứa bụi và các hiện tượng thời tiết. Ở độ cao
khoảng 25km trong tầng bình lưu, tồn tại một lớp không khí giàu khí ôzôn thường được gọi
là tầng ôzôn.
- Tầng trung quyển (Mesosphere): nằm bên trên tầng bình lưu cho đến độ cao 80km.
Nhiệt độ tầng này giảm theo độ cao, từ -20C ở phía dưới giảm xuống -920C ở lớp trên.
- Tầng nhiệt quyển (Thermosphere): có độ cao từ 80km đến 500km, ở đây nhiệt độ
không khí có xu hướng tăng dần theo độ cao, từ -920C đến +12000C. Nhiệt độ không khí ban
ngày rất cao và ban đêm thấp.
- Tầng ngoại quyển (Exosphere): bắt đầu từ độ cao 500km trở lên. Tầng này là nơi
xuất hiện cực quang và phản xạ các sóng ngắn vô tuyến.
Cấu trúc tầng của khí quyển được hình thành do kết quả của lực hấp dẫn và nguồn
phát sinh khí từ bề mặt Trái đất, có tác động to lớn trong việc bảo vệ và duy trì sự sống trên
Trái đất.
2000 km
Khoảng không giữa các hành tinh
Các ion
Tầng ngoại quyển
500 km
Không khí rất loãng
Tầng nhiệt quyển
80 km
Không khí loãng
Tầng trung quyển
50 km
Tầng bình lưu Khí ôzôn
15 - 18 km
Tầng đối lưu 0km
Nhiệt độ không khí
Hình 2.6 : Cấu trúc của khí quyển theo chiều thẳng đứng
2.3.2. Thành phần của khí quyển
Thành phần khí quyển Trái đất khá ổn định theo phương nằm ngang và phân dị
theo phương thẳng đứng. Phần lớn khối lượng 5.1015 tấn của toàn bộ khí quyển tập trung
ở tầng thấp: đối lưu và bình lưu. Mặc dù chỉ chiếm khoảng 0,05% khối lượng thạch
quyển, khí quyển Trái đất có vai trò rất quan trọng đối với đời sống Trái đất. Thành phần
không khí của khí quyển thay đổi theo thời gian địa chất, cho đến nay khá ổn định, bao
gồm chủ yếu là nitơ, ôxy và một sô loại khí trơ.
Bảng 2.5: Hàm lượng trung bình của khí quyển
Chất khí % thể tích % trọng lượng Khối lượng
( n. 1010tấn)
N2 78,08 75,51 386.480
O2 20,91 23,15 118.410
Ar 0,93 1,28 6.550
CO2 0,035 0,005 233
Ne 0,0018 0,00012 6,36
He 0,0005 0,000007 0,37
CH4 0,00017 0,000009 0,43
Kr 0,00014 0,000029 1,46
N2O 0,00005 0,000008 0,4
H2 0,00005 0,0000035 0,02
O3 0,00006 0,000008 0,35
Xe 0,000009 0,00000036 0,18
2.3.3. Ozon khí quyển và chất CFC
Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu để duy trì sự sống trên Trái đất. Bức xạ
đó khi truyền xuống Trái đất với một phổ sóng rất rộng. Bầu khí quyển Trái đất có tác dụng
khuếch tán, hấp thụ và lọc một phần các tia BXMT, không cho chúng chiếu toàn bộ xuống bề
mặt Trái đất. Vì vậy, khí quyển không phải là nơi cung cấp không khí cho hoạt động sống
của sinh vật mà còn là màn chắn đối với các tác động có hại của tia sáng mặt trời. Cấu trúc
của phổ BXMT và độ rộng của các cửa sổ khí quyển được trình bày ở hình sau:
Cửa số ánh sáng nhìn thấy
Cửa số vô tuyến
Màn chắn khí quyển
Bước sóng ánh sáng Mặt Trời µm
10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 0 10 102 103 104 105 106 107 108
Hình 2.7: Cấu trúc phổ bức xạ Mặt Trời và màn chắn khí quyển
Như vậy, khí quyển Trái đất chỉ để lọt xuống bề mặt Trái đất các tia sóng vô
tuyến có bước sóng từ 104 đến 106 µm và ánh sáng trong phạm vi từ 10-1 đến 10 µm.
Cơ chế hấp thụ tia tử ngoại của tầng Ôzon có thể trình bày theo các phương trình phản
ứng sau:
O2 + Bức xạ tia tử ngoại --- O + O
O + O2--------------------------- O3
O3 + Bức xạ tia tử ngoại ---- O2 + O
Các phản ứng trên liên tục xảy ra trong khí quyển, dẫn tới sự ổn định và tồn tại
tầng Ôzon của Trái đất.
Trong thực tế, chiều dày và nồng độ của tầng ôzon trong lớp ôzon của Trái đất
liên tục suy thoái bởi các nguyên nhân xuất phát từ hoạt động của con người trên mặt đất.
Một trong các tác nhân quan trọng nhất đó là khí CFC, mêtan, các khí oxít nitơ
(NO,N2O). Các khí trên có khả năng tác dụng với Ôzon biến nó thành O2. Cơ chế tác
động của khí CFC có thể trình bày theo sơ đồ sau:
Tia tử ngoại
CFC + O2 ----------------- ClO + O2
ClO + O3 ----------------- 2O2 + Cl
Cl + O3 ----------------- ClO + Cl
Các phản ứng dây chuyền trên diễn ra liên tục, cho tới khi nguyên tử Cl hóa hợp
được với H2 có trong khí quyển thành HCl và gây mưa axit.
Sự suy thoái tầng ôzon trên phạm vi toàn cầu đòi hỏi phải hạn chế việc phát sinh
khí CFC,CH4, ôxit nitơ,... Theo dự đoán của các nhà khoa học, đến năm 2030 sự suy
thoái tầng ôzon trên phạm vi toàn cầu là 6,5% và 16% ở các nước vĩ độ từ 60 0 trở lên.
Trong trường hợp chương trình ôzon hoạt động có hiệu quả, thì sự suy thoái tầng ôzon
vẫn còn ở mức 2% trên phạm vi TG và 8% ở các vĩ độ cao hơn 600.
2.3.4. Chế độ nhiệt, bức xạ và hoàn lưu khí quyển
Trái đất tiếp nhận năng lượng từ vũ trụ, chủ yếu là năng lượng mặt trời. Theo tính
toán, dòng năng lượng đến từ mặt trời ở tầng cao khí quyển là 2 Cal/cm2/phút, nhưng 30-
40% bị khí quyển phản xạ vào vũ trụ, 60% - 70% bị khí quyển hấp thụ. Hằng năm,Trái
đất nhận được 1,4.1013Kcal năng lượng từ Mặt Trời, khoảng 1-2% số lượng đó ứng với
bước sóng 6.700- 7.350A được cây xanh sử dụng để tạo ra sinh khối. Trái đất hoàn trả
lại vũ trụ một phần năng lượng từ mặt trời dưới dạng bức xạ nhiệt sóng dài. Phần còn lại
được tích lũy dưới dạng nhiên liệu hóa thạch hoặc sinh khối.Quá trình tiếp nhận và phân
phối dòng năng lượng từ Mặt Trời đến Trái đất thông qua khí quyển, sinh quyển, thạch
quyển và thủy quyển đạt trạng thái cân bằng trong suốt thời gian gần 2 tỷ năm trở lại đây.
Do đó nhiệt độ trên bề mặt Trái đất hầu như không có thay đối đáng kể theo thời gian.
Dòng nhiệt từ Mặt Trời phân bố không đồng đều trên bề mặt Trái đất. Do chuyển
động tự quay quanh Mặt Trời, trên Trái đất có hiện tượng ngày đêm và biến đổi mùa. Do
ánh sáng Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái đất theo những góc độ khác nhau, nên lượng
nhiệt ở các khu vực trên Trái đất hấp thụ cũng khác nhau.Tất cả các hiện tượng trên làm
cho nhiệt độ bề mặt Trái đất thay đổi theo chu kỳ ngày đêm, theo mùa và giữa các vùng
có vĩ độ khác nhau.
Bề mặt Trái đất tiếp nhận nhiều năng lượng Mặt Trời bị nung nóng lên kéo theo
sự nóng lên của toàn bộ khối khí nằm trên. Dòng khí nóng trở nên nhẹ hơn không khí
xung quanh, hướng lên các tầng cao của khí quyển. Không khí ở các vùng lạnh hơn có xu
hướng chuyển tới khu vực nóng để thay thế cho không khí nóng bay đi, xuất hiện chuyển
dịch của các khối không khí dưới dạng gió.Quá trình trên diễn ra liên tục, theo xu hướng
san bằng sự chênh lệch nhiệt độ và áp suất không khí ở các đới khí hậu, các khu vực cục
bộ trên Trái đất. Không khí nóng, khi bay lên trên hoặc chuyển động ngang, mang theo
nhiều hơi nước tạo ra mưa. Do vậy, quá trình hoàn lưu của khí quyển luôn đi kèm với chu
trình tuần hoàn nước trong tự nhiên.
Sự chênh lệch về tính chất của các khôí không khí theo chiều ngang tạo nên gió,
bão và các hiện tượng thời tiết khác.Năng lượng và hơi nước đi kèm với các hiện tượng
thời tiết trên góp phần đáng kể điều hòa nhiệt độ và khí hậu của các vùng khác nhau trên
Trái đất.
Bão, giông, vòi rồng là những hiện tượng đặc biệt của quá trình hoàn lưu khí
quyển. Hoàn lưu khí quyển và chu trình hoàn lưu nước trong tự nhiên là các nguyên nhân
cơ bản tạo nên đặc điểm khí hậu, thời tiết, chúng tác động mạnh mẽ tới chất lượng MT
không khí và điều kiện sống của sinh vật, con người.
2.3.5. Hiệu ứng nhà kính
Nhiệt độ bề mặt Trái đất được tạo nên do sự cân bằng giữa năng lượng Mặt trời
đến bề mặt Trái đất và năng lượng bức xạ của Trái đất vào khoảng không gian giữa các
hành tinh. Năng lượng Mặt Trời chủ yếu là các tia sóng ngắn dễ dàng xuyên qua cửa sổ
khí quyển. Trong khi đó, bức xạ của Trái đất với nhiệt độ bề mặt trung bình + 16 0C là
sóng dài có năng lượng thấp, dễ dàng bị khí quyển giữ lại. Các tác nhân gây ra sự hấp thụ
bức xạ sóng dài trong khí quyển là khí CO2, bụi, hơi nước, khí mêtan, khí CFC,...
“ Kết quả của sự trao đổi không cân bằng về năng lượng giữa Trái đất với không
gian xung quanh, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ của khí quyển Trái đất. Hiện tượng này
diễn ra theo cơ chế tương tự như nhà kính trồng cây và được gọi là Hiệu ứng nhà kính”
Sự gia tăng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch của loài người đang làm cho nồng độ khí
CO2 của khí quyển tăng lên. Sự gia tăng khí CO2 và các khí nhà kính khác trong khí
quyển Trái đất làm nhiệt dộ Trái đất tăng lên. Theo tính toán của các nhà khoa học, khi
nồng độ CO2 trong khí quyển tăng gấp đôi, thì nhiệt độ bề mặt Trái đất tăng lên khoảng 3
0
C. Các số liệu nghiên cứu cho thấy nhiệt độ Trái đất đã tăng 0,5 0C trong khoảng thời
gian từ 1885 đến 1940 do thay đổi của nồng độ CO2 trong khí quyển từ 0,027% đến
0,035%. Dự báo, nếu không có biện pháp khắc phục hiệu ứng nhà kính, nhiệt độ Trái đất
sẽ tăng lên 1,5-4,50C vào năm 2050.
Vai trò gây nên hiệu ứng nhà kính của các chất khí được xếp theo thứ tự sau: CO2
=> CFC=> CH4 => O3 => NO2. Sự gia tăng nhiệt độ Trái đất do hiệu ứng nhà kính có tác
động mạnh mẽ tới nhiều mặt của MT Trái đất:
• Nhiệt độ Trái đất tăng sẽ làm tan băng và dâng cao mực nước biển. Như vậy,
sẽ có nhiều vùng bị ngập
• Sự nóng lên của Trái đất làm thay đổi điều kiện sống bình thường của các sinh
vật trên Trái đất.
• Khí hậu Trái đất sẽ bị biến đổi sâu sắc, các đới khí hậu có xu hướng thay đổi.
Toàn bộ các điều kiện sống của tất cả các quốc gia bị xáo động.
• Nhiều loại bệnh tật mới xuất hiện, dịch bệnh lan tràn.
2.3.6. Biến đổi khí hậu và sự nóng lên toàn cầu
Nguyên nhân của sự nóng lên của Trái đất bao gồm các nguồn nhân tạo và tự nhiên.
Sự biến đổi khí hậu Trái đất là sự thay đổi của hệ thống khí hậu gồm khí quyển,
thủy quyển, sinh quyển, thạch quyển bởi các nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo. Các biểu
hiện của sự biến đổi khí hậu Trái đất gồm:
• Sự nóng lên của khí quyển và Trái đất nói chung
• Sự thay đổi thành phần và chất lượng khí quyển có hại cho MT sống của con
người và các sinh vật trên Trái đất
• Sự dâng cao mực nước biển do tan băng dẫn tới sự ngập úng của các vùng đất
thấp, các đảo nhỏ trên biển
• Sự di chuyển của các đới khí hậu tồn tại hàng nghìn năm trên các vùng khác
nhau của Trái đất dẫn tới nguy cơ đe dọa sự sống của các loài sinh vật, các hệ
sinh thái và hoạt động bình thường khác của con người
• Sự thay đổi cường độ hoạt động của quá trình hoàn lưu khí quyển, chu trình
tuần hoàn nước trong tự nhiên và các chu trình sinh địa hóa khác
• Sự thay đổi năng suất sinh học của các hệ sinh thái, chất lượng và thành phần
của thủy quyển, sinh quyển, các địa quyển.
Nguyên nhân chính của sự biến đổi khí hậu Trái đất là sự gia tăng các hoạt động
tạo ra các chất thải khí nhà kính, các hoạt động khai thác quá mức các bể hấp thụ và bể
chứa khí nhà kính như: sinh khối, rừng, các hệ sinh thái biển, ven bờ và đất liền khác.
Trước nguy cơ của sự biến đổi khí hậu Trái đất đối với nhân loại và sự sống trên
hành tinh, các quốc gia trên thế giới đã họp tại New York ngày 9/5/1992, thông qua Công
ước khung về thay đổi khí hậu của LHQ. Với mục tiêu: ổn định các nồng độ khí quyển ở
mức có thể ngăn ngừa được sự can thiệp của con người đối với hệ thống khí hậu. Mức
phải đạt nằm trong một khung thời gian, đủ để các HST thích nghi một cách tự nhiên với
sự thay đổi khí hậu, bảo đảm việc sản xuất lương thực không bị đe dọa và tạo khả năng
cho sự phát triển kinh tế tiến triển một cách bền vững.
Hình 2.8: Ống khói nhà máy gây nên ô nhiễm không khí
2.4. Sinh quyển
2.4.1. Sinh quyển và sinh khối
Các khái niệm hiện đại về sinh quyển đã xuất hiện trong các công trình của nhà tự
nhiên vĩ đại người Pháp J.B.Lamac vào đầu thế kỷ XIX. Năm 1875, nhà Địa chất nổi
tiếng người Aïo E.Zins (1831-1914) đã tách sinh quyển thành 1 quyển độc lập của Trái
đất. Học thuyết về sinh quyển (biosphere) được nhà Địa hóa người Nga V.N.Vernatxki
đưa ra năm 1926. Theo học thuyết này, sinh quyển là toàn bộ dạng vật chất sống tồn tại ở
bên trong, bên trên và phía trên Trái đất hoặc là lớp vỏ sống của Trái đất, một hệ thống
động vô cùng phức tạp với số lượng lớn các yếu tố ngẫu nhiên và nhiều quá trình mang
đặc điểm xác suất. Đây là một hệ thống động và rất phức tạp. Nhờ hoạt động của các
HST mà năng lượng ánh sáng Mặt trời đã bị biến đổi cơ bản để tạo thành vật chất hữu cơ
trên Trái đất. Sự sống trên bề mặt Trái đất được phát triển nhờ sự tổng hợp các mối quan
hệ tương hổ giữa các sinh vật với MT tạo thành dòng liên tục trong quá trình trao đổi vật
chất và năng lượng. Như vậy, trong sự hình thành sinh quyến có sự tham gia tích cực của
các yếu tố bên ngoài như năng lượng Mặt trời, sự nâng lên và hạ xuống của vỏ Trái đất,
các quá trình tạo núi, băng hà,...Các cơ chế xác định tính thống nhất và toàn diện của sinh
quyển là sự di chuyển và tiến hóa của thế giới sinh vật; vòng tuần hoàn sinh địa hóa của
các nguyên tố hóa học; vòng tuần hoàn nước tự nhiên. Sinh quyển tồn tại trên Trái đất
trong mối cân bằng động với các hệ tự nhiên khác.Với sự xuất hiện và phát triển mạnh
mẽ của loài người, bên trên sinh quyển hình thành một quyển đặc biệt là Trí tuệ quyển
(Noosphere).
2.4.2. Hệ sinh thái
Hệ sinh thái (HST) là tập hợp của quần xã sinh vật và sinh cảnh. Quần xã và
sinh cảnh là hai thành phần của một khối thống nhất tạo thành một hệ thống tương đối
ổn định, bền vững. Có thể minh họa bằng công thức sau:
Quần xã Môi trường Nănglượng Hệ sinh
Sinh vật + xung quanh + Mặt trời = thái
Sinh quyển được duy trì và phát triển trong những hệ thống tác động tương hỗ
giữa sinh vật và MT vô sinh xung quanh, như một thực thể khách quan, xác định trong
không gian và thời gian, được gọi là HST.
Theo độ lớn, HST có thể chia thành: HST nhỏ (bể nuôi cá), HST vừa (một thảm
rừng, một hồ chưa nước), HST lớn (đại dương). Tập hợp tất cả các HST trên bề mặt Trái
đất thành một HST khổng lồ là sinh thái quyển(sinh quyển).
Trong HST, tồn tại hai thành phần : vô sinh (abiotic) như nước, không khí,... và
sinh vật ( biotic). Giữa 2 thành phần trên luôn có sự trao đổi chất, năng lượng và thông
tin. Sinh vật trong HST được chia làm 3 loại chủ yếu:
• Sinh vật sản xuất, thông thường là tảo hoặc thực vật, có chức năng tổng hợp
chất hữu cơ từ vật chất vô sinh dưới tác động của ánh sáng Mặt Trời.
• Sinh vật tiêu thụ, gồm các loại động vật ở nhiều bậc khác nhau. Bậc 1 là động
vật ăn thực vật. Bậc 2 là động vật ăn thịt,...
• Sinh vật phân hủy gồm các vi khuẩn, nấm, phân bố ở khắp mọi nơi, có chức
năng chính là phân hủy xác chết sinh vật, chuyển chúng thành các thành phần
dinh dưỡng cho thực vật.
Trong HST liên tục xảy ra quá trình tổng hợp và phân hủy vật chất hữu cơ và
năng lượng. Các HST đều có nhu cầu về nguồn năng lượng bên ngoài, nhất là ánh sáng
mặt trời để hoạt động. Những yếu tố vô cơ cần thiết cho đời sống của sinh vật đều được
sử dụng và tái sử dụng theo chu trình trong HST.
2.4.3. Các chu trình sinh địa hóa
Thực vật tổng hợp hydratcacbon trực tiếp từ khí oxit cacbon, nước, các khoáng
chất tan trong đất và nước để tạo ra các tế bào của mình. Động vật ăn cỏ sử dụng các chất
hữu cơ do thực vật tổng hợp. Động vật ăn thịt sử dụng động vật ăn cỏ làm thức ăn.Tất cả
thức ăn thừa, xác chết của động vật được vi khuẩn và nấm phân hủy thành các hợp chất
đơn giản làm chất dinh dưỡng cho thực vật. Các chất dinh dưỡng theo chu trình tuần hoàn
trên chuyển vận từ đất, nước, không khí, đá và các cơ thể sống nhờ nguồn năng lượng
được cung cấp từ Mặt Trời.
Trong thành phần của tế bào sống có mặt hầu hết các nguyên tố hóa học quan
trọng của sinh quyển. Hàm lượng của các nguyên tố hóa học chứa trong các tế bào sống
sắp xếp theo trật tự từ cao xuống thấp như sau: C-H-O-N-P-C-Cl-Cu-Fe-Mg-K-Na-S-Al-
B-Br-Cr-Co-F-Ga-I-Mn-Mo-Se-Si-Sn-Ti-V-Zn. Nồng độ của các nguyên tố trên trong
các loài sinh vật thay đổi và phụ thuộc vào từng loại và đặc điểm MT sống của các cá thể.
Chu trình dinh dưỡng của nguyên tố hóa học tham gia vào thành phần của các cơ
thể sống có thể trình bày dưới dạng sơ đồ sau:
1. Chu trình nước.
Nước là thành phần quan trọng cần thiết cho sự sống và cơ thể sống của sinh vật.
Nước tồn tại trên Trái đất ở 3 dạng: rắn, lỏng và hơi tùy thuộc vào nhiệt độ của bề mặt
Trái đất. Ở trong biển và đại dương, nước chiếm 97,5%. Nước vận chuyển trong các
quyển, hòa tan và mang theo nhiều các chất dinh dưỡng khoáng và một số chất khác rất
cần thiết cho sinh vật.
Nước từ bề mặt đại dương, ao, hồ,… nhờ NLMT, bốc hơi vào khí quyển, ở đó hơi
nước ngưng tụ rồi rơi xuống bề mặt Trái đất. Nước chu chuyển trên phạm vi toàn cầu, tạo
nên các cân bằng nước và tham gia vào sự điều hòa khí hậu.
2. Chu trình cacbon.
Protêin, cacbon hydrat và nhiều phân tử chứa cacbon khác rất cần thiết cho cơ thể
sống. Cacbon chứa ở dạng khí CO2 hòa tan như cacbonat (CO2-3 ) và bicacbonat(HCO-3)
trong đá vôi. Thực vật hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp và chuyển hóa thành
những hợp chất hữu cơ trong sinh vật sản xuất. (xem hình 2.5)
Khí quyển
Động vật
Đất
Thực vật
Đốt nhiên liệu
Sinh vật đất
Nước Sinh vật nước
Đá Trầm tích
Hình 2.9: Chu trình dinh dưỡng của Cacbon
Bảng 2.6: Cacbon trong sinh quyển (tỷ tấn)(Bolin et al, 1979)
- Khí quyển 692
- Nước đại dương 35.000
- Trong trầm tích >10.000.000
- Cơ thể sinh vật 3.432 (đang sống 529 và chết 1840)
- Nhiên liệu hóa thạch > 5.000
+ Tổng cacbon hữu cơ 8.432
+ Tổng cacbon vô cơ 10.035.692
3. Chu trình nitơ.
Khí nitơ chiếm 78% thể tích khí quyển mà phần lớn động thực vật không sử dụng
được. Nếu nitơ biến đổi hòa tan trong nước dưới dạng hợp chất chứa NO -3 thì được rễ
cây hấp thụ như là một phần của chu trình nitơ. Thực vật biến đổi NO -3 thành phân tử
chứa nitơ như protein, axit nucleic cần thiết cho sự sống. Khi động vật và thực vật chết,
vi sinh vật phân hủy các phân tử N2 thành khí NH3 và các muối chứa ion NH+4.
Khí quyển
Nông nghiệp
Thực vật và
động vật
Công nghiệp và
giao thông
Sinh vật đất
Nước Sinh vật nước
Đá Trầm tích
Hình 2.10: Chu trình dinh dưỡng của Nitơ
4. Chu trình photpho.
P là thành phần quan trọng của chất nguyên sinh. Hàm lượng photpho trong cơ
thể thường lớn hơn so với môi trường bên ngoài. Vì vậy, photpho trở thành nhân tố sinh
thái vừa mang tính giới hạn, vừa mang tính chất điều chỉnh. Trong tự nhiên, photpho có
nhiều trong các loại đá, đặc biệt là apatit.
Quá trình phong hóa đá và khoáng hóa các hợp chất hữu cơ, photpho được giải
phóng ra và tạo thành các muối của axit photphoric được các rễ cây hấp thụ. Một số lớn
photpho đi theo chu trình nước vào đại dương và làm giàu cho nước mặn, làm thức ăn
cho sinh vật phù du và phân tán vào các chuỗi thức ăn.
2.4.4. Quang hợp và hô hấp
Từ khi Trái đất được hình thành thì quá trình tổng hợp và phân hủy các chất bằng
con đường hóa học cũng diễn ra, quá trình này gọi là “Vòng tuần hoàn địa chất”. vào thời
kỳ tiền Cambri, những sinh vật đơn bào đầu tiên đã xuất hiện và song song với vòng đại
tuần hoàn địa chất là sự ra đời của “Vòng tuần hoàn sinh học”. Sinh quyển ra đời và tiến
hóa dưới ảnh hưởng của 2 nhóm yếu tố:
- Yếu tố bên ngoài: điều kiện MT thay đổi, các biến cố thiên nhiên và biến
đổi địa lý.
Copyright by webtailieu.net