Nồng độ các chất trong khí quyển, khí quyển Trái đất là lớp khí bao quanh bề mặt Trái đất và được giữ lại nhờ lực hấp dẫn của Trái đất. Khí quyển không có ranh giới rõ rệt, tuy nhiên dựa theo chiều hướng biến thiên của nhiệt độ theo độ cao, khí quyển Trái đất được chia làm bốn tầng gồm tầng đối lưu (cao độ 0-10 km và có thể giảm xuống từ 0 đến 7-8 km hay cao hơn từ 0 đến 16-18 km tùy theo mùa và ở vùng cực hay xích đạo); tầng bình lưu (cao độ 10-50 km); tầng trung gian (cao độ 50-80 km) và tầng nhiệt hay còn gọi là tầng điện ly (cao độ 80-1000 km). Tuy nhiên, trên thực tế các nhà khoa học thường quan tâm đến độ cao dưới 500 km. Đường Karman, tại độ cao khoảng 100 km được coi là ranh giới giữa khí quyển Trái đất và khoảng không vũ trụ.

Tầng đối lưu đóng vai trò quan trọng đối với sự sống, ảnh hưởng trực tiếp đến khí hậu, thời tiết. Các hiện tượng thời tiết như mưa, mưa đá, gió, tuyết, sương giá, sương mù,... đều diễn ra ở tầng đối lưu. Bầu khí quyển bảo vệ cuộc sống trên Trái đất khi các thành phần trong khí quyển hấp thụ bức xạ tia tử ngoại từ Mặt trời, duy trì cân bằng nhiệt và làm giảm sự chênh lệch về nhiệt độ giữa ngày và đêm. Thành phần của khí quyển đã được phát hiện, nghiên cứu từ rất lâu. Tuy nhiên mãi đến thế kỷ XVIII, các nhà khoa học mới nghiên cứu tách được oxy từ không khí. Ozon trong khí quyển được phát hiện vào thế kỷ XVIII và được phân tích vào giữa thế kỷ XIX. Đến khoảng thời gian thế kỷ XIX và XX thì argon và một số khí khác được xác định.

Trong thế kỷ XX đã phát hiện được các khí CFCs, nitơ, hydro, các hydrocarbon không phải metan. Các chất trong khí quyển chủ yếu tập trung ở tầng đối lưu, với hai thành phần chính là nitơ (N2) 78,1% và oxy (O2) 20,9% theo thể tích. Ngoài ra trong khí quyển có một lượng nhỏ argon (~0,9%), cacbon điôxít (dao động ở khoảng 0,035%), hơi nước và một số khí lượng vết khác như neon (Ne), hêli (He), mêtan (CH4), krypton (Kr) và hydro (H2) với nồng độ tương ứng 18,18; 5,24; 1,745; 1,14 và 0,55 ppmv (ppmv- phần triệu tính theo thể tích). Mật độ các khí trong khí quyển giảm dần theo độ cao. Ba phần tư khối lượng khí quyển nằm ở tầng đối lưu (trong khoảng 11 km đầu tiên từ bề mặt Trái đất). Ở tầng bình lưu không khí loãng, hàm lượng nước và thành phần hạt (bụi) rất thấp, không khí chủ yếu chuyển động theo phương ngang và có tính ổn định cao. Trong không khí ẩm, có mặt hơi nước với hàm lượng dao động rất lớn, thông thường ở khoảng 1%. Bên cạnh các thành phần khí và hơi, trong khí quyển còn có các thành phần hạt (ký hiệu là PM) có kích thước khác nhau, từ 0,01 đến hàng trăm micro mét (µm). Tùy thuộc vào đường kính của các hạt, những thành phần này được gọi tên khác nhau như khói, sương, bụi,… Các khí, hơi trong khí quyển chia thành 2 nhóm:

• Nhóm ổn định về hàm lượng gồm các khí nitơ, oxy, argon, neon, hêli và hydro
• Nhóm biến động về hàm lượng gồm các khí CO2, ozon và hơi nước. Các khí CO2, SO2, NO2 còn được gọi là các “khí axit” do trong khí quyển các khí này có thể gây ra hiện tượng lắng đọng axit khô và ướt (lắng đọng axit ướt còn gọi là mưa axit).

Theo báo cáo gần đây của Cục Quản lý Đại dương và Khí quyển Quốc gia, Mỹ, nồng độ CO2 trong khí quyển đã gia tăng tới mức kỷ lục mới, cao nhất đo được khoảng 400 ppmv. Trong tầng đối lưu còn có một số khí khác như CFC (clo flo carbon), một số hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) như benzen, toluen, xylen,… phát thải chủ yếu từ giao thông và hoạt động sản xuất công nghiệp. Ở tầng bình lưu lớp ozon tồn tại ở độ cao 20-30 km. Khoảng 90% ozon trong khí quyển phân bố ở tầng này. Hàm lượng ozon tại khu vực này là khoảng 10 ppmv, cao hơn khoảng 1000 lần so với nồng độ ở tầng đối lưu. Ở tầng nhiệt do bức xạ môi trường có năng lượng lớn, nhiều phản ứng hóa học xảy ra đối với oxy, nitơ, hơi nước, CO2,... và bị phân ly thành dạng nguyên tử và sau đó ion hóa thành các ion như NO+, O+, O2+, NO3-, NO2-,...

Nhiều thành phần bị ion hóa, phát ra bức xạ điện từ khi hấp thụ ánh sáng Mặt trời ở vùng tử ngoại xa. Nguồn gốc các chất trong khí quyển là từ khí và bụi thoát ra từ các vụ phun trào núi lửa; phát thải từ quá trình phân hủy các thành phần hữu cơ và hoạt động hô hấp của các sinh vật trong tự nhiên; CO2 và một số khí khác như SO2, NO2, CO, NO,…hình thành từ quá trình phân hủy xác động vật, quá trình lên men của một số vi sinh vật, quang hợp và hô hấp của tế bào; khí thải công nghiệp từ quá trình đốt nhiên liệu và phát thải từ quá trình sản xuất công nghiệp (lên men, sản xuất hóa chất,…); khí thải từ phương tiện giao thông vận tải; khí thải từ hoạt động xây dựng, sinh hoạt, dịch vụ; quá trình đốt phá rừng không kiểm soát là nguồn phát thải khí CO2.

Tài liệu tham khảo

1. Brimblecombe P., Air Composition and Chemistry, Part of Cambridge Environmental Chemistry Series, 2nd edi., 1995.
2. Larry G. A., The Encyclopedia of Environmental Science and Engineering - Atmospheric chemistry. Edited by James R. Pfafflin and Edward N. Ziegler, 6th edi., CRC Press Taylor & Francis Group, 2012.
3. Manahan S. E., Environmental Science, Technology, and Chemistry- Environmental Chemistry. Boca Raton: CRC Press LLC, 10th edi., 2017.