Giáo trình Vật lý môi trường

í MÔI TRƯỜNG Một sự tiên đoán dành cho thế kỷ 21 mà có lẽ mọi người chúng ta đều đồng ý đó là môi trường sẽ trở thành một trong những thách thức lớn nhất của loài người. Như được biết cho tới hôm nay, Trái đất là nơi duy nhất trong vũ trụ có sự sống trong sự phát triển rực rỡ của mình. Trái đất có sự đa dạng vô cùng tận; trong mỗi phần của địa cầu, thậm chí trong những vùng với điều kiện khí hậu cực kỳ khắt khe, trong các vùng Bắc và Nam cực hoặc sâu tận đáy biển, sự sống được tìm thấy dưới muôn vàn dạng khác nhau nhưng được thích nghi với môi trường xung quanh và mỗi một dạng sống đều biến hóa một cách phù hợp nhất để khai thác hữu hiệu nguồn tài nguyên tự nhiên của Trái đất để duy trì sự sống và phát triển. Tuy nhiên, chỉ có một dạng của sự sống đã làm thay đổi đáng kể sinh thái của hành tinh và chỉ có một dạng của sự sống đã biến đổi đến mức độ cho phép nó có thể quyết định tương lai của sự sống trên Trái đất, đó là con người, Ở giai đoạn đầu con người biến đổi theo những điều kiện môi trường đặc biệt, thích nghi với môi trường xung quanh và sống bằng cách săn thú rừng hoặc thu lượm quả cây. Ngay từ thời tiền sử con người đã bắt đầu nhận biết được sự phát triển của thế giới xung quanh nơi mình sống; họ đã biết được ở đâu và khi nào có thể tìm được đàn thú rừng đang di chuyển, khi nào ở đâu cây ra hoa và cho trái. Từng bước dần dần con người bắt đầu khai thác các nguồn lợi thiên nhiên để phục vụ cho cuộc sống của mình. Trong quá trình khai phá các vùng đất rộng để nuôi trồng con người bắt đầu thay đổi địa mạo. Với sự xuất hiện của cuộc sống văn minh con người bắt đầu thay đổi hình dạng quang cảnh của Trái đất. Sự hiểu biết của con người và sự phát triển của khoa học đã tạo cho chúng ta khả năng xác định tương lai của những biến đổi của hành tinh cùng với tất cả các dạng của sự sống trên đó. Với những kiến thức về vật lý hạt nhân con người ngày nay đã có khả năng phá hủy cả Trái đất, nhưng đồng thời cũng tạo cơ hội sử dụng khoa học không chỉ nhằm duy trì cuộc sống mà còn góp phần phát triển các nguồn năng lượng mới phục vụ lợi ích chung của loài người Những thập kỷ gần đây tác động của môi trường đối với cuộc sống trên hành tinh ngày càng trở nên bức xúc. Loài người luôn có xu hướng cải thiện cuộc sống cho mỗi ngày thêm thịnh vượng bằng cách khai thác các tài nguyên thiên nhiên trên Trái đất. Ở giai đoạn đầu sự khai thác đó còn được kiểm soát và người ta nghĩ rằng Trái đất có thể cung cấp vô tận nguồn tài nguyên cho sự phát triển của loài người, nhưng sau cuộc cách mạng công nghiệp và dân số toàn cầu gia tăng con người đã ý thức được rằng sẽ đến một thời kỳ mà tại đó nguồn tài nguyên sẽ cạn kiệt. Bằng hành động của mình chúng ta đang thay đổi sự cân bằng tự nhiên đã được thiết lập hàng tỷ năm. Sự phát hiện lỗ hổng tầng ozon, những dấu hiệu đầu tiên của sự nóng lên của Trái đất do sản xuất công nghiệp gây ra, hiện tượng mưa axit và những biểu hiện ngày càng lớn về sức khỏe suy giảm do ô nhiễm tại các thành phố đã làm nhiều nhà bình luận chính sách-xã hội đặc biệt quan tâm. Đã có nhiều cuộc tranh luận sôi nổi trong giới các nhà khoa học và chính trị xung quanh sự tồn tại của các hiện tượng nói trên và những biện pháp cần phải triển khai thực hiện nhằm hạn chế các tác động đó. Để nắm bắt và đánh giá các nguy cơ tiềm tàng đối với Trái đất gây ra bởi việc khai thác tài nguyên và phát triển công nghiệp, từ 30 năm trước một nhánh khoa học mới đã được hình thành – Khoa học Môi trường. Khoa học này có nhiệm vụ nghiên cứu các vấn đề của môi trường- bao gồm việc nghiên cứu điều chỉnh môi trường toàn cầu, các hậu quả của các chính sách hiện hành và các biện pháp thực hiện liên quan đến việc duy trì cân bằng sinh thái ở quy mô toàn cầu. Các khoa học môi trường bao hàm nhiều lĩnh vực truyền thống của vật lý và hóa học, đặc biệt là thông qua việc tiếp thu các kỹ thuật đã được phát triển rộng rãi trong các lĩnh vực khác để sử dụng cho nghiên cứu các vấn đề môi trường đặc thù. Rất nhiều kỹ thuật mô hình hóa toán học được phát triển chỉ cho mục đích nghiên cứu lý thuyết đã được sử dụng để mô hình hóa các hiện tượng môi trường. Thí dụ mô hình động học dòng chảy đã được sử dụng để nghiên cứu quá trình thấm nước qua đất, các mã số nguyên tử và phân tử phát triển trong lĩnh vực hóa lý đã được áp dụng để xác định các tham số quang phổ trong viễn thám khí quyển. Tương tự như vậy, các thiết bị đo đạc phòng thí nghiệm dùng để nghiên cứu các tính chất cơ bản của vật chất đã được sử dụng để thực hiện các phép đo dã ngoại đối với các thành phần ô nhiễm khí quyển. Một thí dụ điển hình nhất là việc thiết kế hệ thống laze phân giải cao để quan sát quá trình ô nhiễm tầng bình lưu và phát triển các phương pháp quang phổ cho phép quan sát Trái đất từ các vệ tinh. Cùng với những thành tựu đó những hiểu biết về vật lý của các quá trình môi trường ngày càng được mở rộng, và môn vật lý môi trường đã được hình thành. Mục tiêu của mônVật lý môi trường là "giới thiệu những ý tưởng cơ bản của vật lý môi trường và trình bày các khái niệm cũng như các định lý vật lý có vai trò quyết định trong điều chỉnh môi trường Trái đất". Nhà vật lý môi trường nổi tiếng Nigel Mason đưa ra định nghĩa về vật lý môi trường như sau: Vật lý môi trường là môn khoa học vật lý về các quá trình môi trường, đặc biệt là các tương tác giữa khí quyển, thạch quyển, thủy quyển và sinh quyển. Và xét theo nghĩa rộng: Vật lý môi trường là khoa học về sự nhận dạng và đo đạc các vấn đề của môi trường (Boeker E. và Van Grondelle R.), nhằm ngăn ngừa hoặc giảm nhẹ các sự cố môi trường. Có thể chia trái đất thành những khoảng khoảng không sau: · Khí quyển, · Sinh quyển, · Thủy quyển và · Địa quyển Ở đây, sinh quyển bao hàm khoảng không có sinh vật sống ở trên bề mặt trái đất. Giữa các khoảng không này có sự dịch chuyển của vật chất và sự biến đổi từ dạng vật chất này sang dạng vật chất khác theo các quy luật của vật lý, hoá học và sinh học và theo các chu kỳ (hình 1.1). Chu kỳ năng lượng và chu kỳ thuỷ động lực xảy ra trong mỗi khoảng không và giữa các khoảng không với nhau tuân theo các định luật vật lý. Các quá trình và sự vận động của vật chất trong các chu trình này được diễn giải trong Vật lý môi trường. KHÍ QUYỂN SINH QUYỂN THỦY QUYỂN ĐỊA QUYỂN CHU KỲ NĂNG LƯỢNG CHU KỲ SINH-HÓA CHU KỲ THỦY ĐỘNG LỰC Hình 1.1. Các nội dung nghiên cứu liên quan của vật lý môi trường. 1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG Môi trường là một tổ hợp các yếu tố bên ngoài của một hệ thống nào đó. Chúng tác động lên hệ thống này, xác định xu hướng và tình trạng tồn tại của nó. Môi trường có thể coi là một tập hợp, trong đó hệ thống đang xem xét là một tập hợp con. Môi trường của một hệ thống đang được xem xét cần phải có tính tương tác với hệ thống đó 1.2.1. Môi trường cơ thể con người Các cơ thể sống phải thích nghi và tồn tại trong các điều kiện môi trường đa dạng khác nhau, kể cả khí hậu nóng và lạnh. Các yêu cầu cơ bản nhất cho việc duy trì sự sống của con người tối thiểu là thức ăn, quần áo mặc và chỗ ở. Cơ thể sống là một thực thể nhiệt động học được đặc trưng bởi dòng năng lượng đi đến và đi ra khỏi cơ thể hoạc lưu thông giữa các thực thể với môi trường. Để tồn tại được nhiệt độ cơ thể của con người phải được giữ ở khoảng nhiệt độ hẹp 35 – 400C. Ở nhiệt độ thấp hơn 350C con người có thể bị bệnh thiếu nhiệt (hypothermia), còn nếu nóng quá > 400C cơ thể sẽ bị mất nước. Việc kiểm soát nhiệt độ cơ thể con người được thực hiện bằng các phản ứng chuyển hóa năng lượng bên trong cơ thể. Tốc độ chuyển hóa năng lượng và cơ chế điều chỉnh nhiệt độ trong người được thực hiện thông qua các định lý vật lý sau: · Các định lý nhiệt động học · Entropy, enthalpy và năng lượng Gibbs tự do · Các nguyên lý về độ dẫn, đối lưu, bức xạ, bay hơi · Định luật làm lạnh Niutơn · Định luật bức xạ Stefan- Boltzmann. Nắm bắt và vận dụng được các nguyên lý vật lý này chúng ta có thể hiểu được các cơ chế mà cơ thể con người tự điều chỉnh trạng thái của mình. Lý do mà con người có thể tồn tại trong môi trường là ở sự cân bằng năng lượng. Điều này có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với quá trình trao đổi nhiệt giữa nhà ở và môi trường, giữa Trái đất và môi trường xung quanh nó. 1.2.2. Môi trường trong xây dựng Vào thời tiền sử con người dựng chỗ ở chỉ nhằm mục đích chống lại ảnh hưởng của thời tiết. Ngày nay việc thiết kế xây dựng nhà ở, trường học, công sở, nhà máy đều được quản lý bằng các điều luật liên quan đến bảo vệ sức khỏe, an ninh và tiện nghi cho người ở. Vì vậy việc thiết kế các toà nhà đều phải tuân theo các định lý vật lý. Tác động của sức gió, bão, động đất đều phải được tính toán chính xác để lựa chọn vật liệu phù hợp, xác định chiều cao của nhà, độ sâu của móng. Nhưng gần đây người ta đặc biệt quan tâm đến hậu quả môi trường của tòa nhà xây dựng. Sự đốt nóng và chiếu sáng nhà là một trong những nguồn tiêu hao năng lượng toàn cầu được sản xuất ra. Do các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, nhu cầu tạo ra các hệ thống tiết kiệm năng lượng trong ngành xây dựng ngày càng được các nhà thiết kế quan tâm. 1.2.3. Môi trường đô thị Con người mang tính xã hội nên có xu hướng thích chọn cách sống cộng đồng để có thể chia sẻ tài nguyên và kinh nghiệm. Khi dân số phát triển với mật độ cao thì tác động của con người lên môi trường sẽ trở nên đáng kể, nhất là khi sự phát triển đô thị không theo quy hoạch. Một thành phố phải đảm bảo: · Cung cấp đủ thực phẩm cho dân cư · Cung cấp đủ năng lượng cho sưởi ấm và chiếu sáng · Cung cấp đủ nước cho sinh hoạt và phục vụ công nghiệp · Đảm báo các hệ thống xử lý nước thải · Hệ thống đường giao thông ra vào thành phố · Cung cấp nhà ở tiện nghi và an toàn. Cuộc cách mạng công nghiệp đã tạo điều kiện để phát triển các thành phố lớn và đô thị hóa. Năm 1850 có 4 thành phố trên thế giới có số dân trên 1 triệu, năm 1900 – 19 thành phố và năm 1960 đã là 141 thành phố. Năm 1990 lần đầu tiên trong lịch sử loài người số người sống ở thành thị vượt số người sống ở nông thôn và xuất hiện các đại đô thị (mega-city). Thế kỷ 21 mức độ đô thị hóa sẽ càng tăng mạnh. Lúc này tại nhiều nước phát triển sẽ xuất hiện các vấn đề của một xã hội hậu công nghiệp hóa (post-industrial) – nông nghiệp thâm canh, thành phố ô nhiễm, lão hóa dân cư. Sự đô thị hóa tràn lan tất yếu dẫn đến tác động môi trường không chỉ đối với vùng đất nơi thành phố được xây dựng mà còn tác động lên dân chúng sống trong đó. Nhu cầu năng lượng cho thành phố dẫn đến việc xây dựng các nhà máy điện lớn làm ô nhiễm thêm không khí. Lượng khí điôxit lưu huỳnh thải ra từ nhà máy điện chạy than tạo ra mưa axit gây ảnh hưởng tai hại đến mùa màng và những khu rừng xung quanh ngoại ô thành phố. Sự hiện diện của các ôxit cacbon, nitơ và các hạt bụi trong không khí thành phố có ảnh hưởnglớn đến sức khỏe của cư dân làm tăng tỷ lệ tử vong trong thành phố. Việc loại trừ các chất ô nhiễm và kiểm soát mức độ ô nhiễm trong thành phố và thiết kế chế tạo các loại xe ít khí thải độc hại đòi hỏi chúng ta phải có đủ các kiến thức khoa học liên quan. Việc phát triển các công nghệ cho phép khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng Mặt trời, sức gió, thủy triều và sóng biển là những vấn đề sống còn của khoa học môi trường. 1.2.4. Môi trường toàn cầu Các vấn đề môi trường không còn mang tính địa phương hoặc quốc gia nữa mà có quy mô toàn cầu. Rất nhiều tai họa môi trường ngày nay mang ý nghĩa toàn cầu, Nguy cơ mở rộng lỗ thủng tằng ozon làm cho bức xạ tia cực tím đi xuống bề mặt Trái đất không thể được khắc phục bởi một quốc gia nào đó mà phải bằng một nỗ lực toàn cầu. Việc loại trừ khí CFC phải được thực thi bằng một thoả thuận mang tính toàn cầu. Hiện tượng sa mạc hóa ở Bắc Phi hoặc gia tăng bão lụt ở Bangladesh không thể do các nước đó giải quyết mà phụ thuộc vào những nỗ lực của toàn thể loài người trên hành tinh. Mãi đến cuối thế kỷ 20 loài người mới đi đến nhận thức rằng để có thể hiểu thấu các vấn đề toàn cầu thì cần phải nghiên cứu môi trường toàn cầu. Nhiệm vụ đó bắt đầu được triển khai thực hiện nhờ vào những thành tựu to lớn của khoa học công nghệ vũ trụ. Ngày nay chúng ta đã có thể nghiên cứu hầu như tất cả các quá trình môi trường từ các trạm vệ tinh nhân tạo. Để có thể sử dụng công nghệ tiên tiến này đòi hỏi chúng ta phải hiểu biết: · Định luật Niutơn về chuyển động và hấp dẫn · Định luật Kepler về sự chuyển động của các hành tinh · Các nguyên lý chuyển động vòng tròn · Các nguyên lý của rađar và hiệu ứng Doppler · Ứng dụng ảnh quang học kỹ thuật quang phổ · Sự phát triển các phương pháp tính toán hiệu quả cao. Các quá trình môi trường tạo ra nền tảng của vật lý môi trường là kết quả của sự tích hợp 4 thành phần của đất, biển, không khí và sinh quyển. Bề mặt của Trái đất bao gồm phần phía trên của thổ quyển (thạch quyển), thủy quyển ( bao gồm cả mây và hơi nước bao quang Trái đất) và sinh quyển. Nhìn từ vũ trụ, 70% bề mặt Trái đất được bao phủ bởi nước và các đại dương, như một phần của chu trình nước, có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc phát triển và duy trì khí hậu toàn cầu thông qua quá trình vận chuyển khối lượng nhiệt năng. Các phần đất sa mạc và các vùng băng giá vĩnh cửu cũng có vai trò trong sự phân bố năng lượng này. Thêm vào đó, thạnh quyển bao gồm đá và đất là thành phần chủ yếu của lớp vỏ Trái đất, giữ vai trò quyết định đối với các chu trình sinh-địa-hóa và quá trình di chuyển của các mảng kiến tạo gây ra động dất và xúc tác các hoạt động núi lửa dẫn đến sự xuất hiện các hạt rắn trong khí quyển, ảnh hưởng đến thời tiết. Cấu trúc và thành phần của khí quyển cho thấy bản chất nhiệt của nó và ý nghĩa quan trọng đối với sự sống. Phần dưới cùng của khí quyển, tầng đối lưu, là nơi tạo ra thời tiết, và tác động của năng lượng Mặt trời lên bề mặt Trái đất và khí quyển cùng với hiệu ứng quay của Trái đất đã phát sinh ra các kiểu gió đặc trưng cho các hệ thời tiết khác nhau như El Nino Thái Bình Dương, chu trình Bắc Đại Tây Dương và các cơn bão. Sự phức tạp của các hệ thống khí hậu toàn cầu được xuất phát từ các hệ thống ghép nối chẳng hạn như giữa khí quyển và đại dương. Thời tiết liên quan trực tiếp đến sự thăng giáng hàng ngày của rất nhiều tham số như mưa, bức xạ Mặt trời, áp suất, nhiệt độ, gió, độ ẩm, độ bao phủ của mây. Khí hậu là giá trị trung bình của các điều kiện thời tiết thường gặp trong một vùng địa lý nhất định trong một thời gian dài. Sự sống trên Trái đất rất nhạy cảm; nếu như Trái đất được đặt nằm ở vị trí xa hơn Mặt trời một chút, nhiệt độ của nó đã có thể xuống thấp đến mức để khó có thể duy trì sự sống, còn nếu như nó nằm gần Mặt trời hơn một chút thì nhiệt độ của nước sẽ cao đến mức các đại dương không thể hình thành để làm cho sự sống phát sinh từ trong đó. Bức xạ từ Mặt trời duy trì nhiệt độ cần thiết trên Trái đất và tạo ra mây để mang nước không chứa muối nuôi dưỡng cây cối và động vật. Năng lượng từ Mặt trời thiết lập động học bên trong khí quyển tạo ra gió và chuyển động các đám mây. Bức xạ Mặt trời đạt tới bề mặt Trái đất được sử dụng cho quá trình quang hợp để sản sinh ra ôxy cần thiết cho tất cả các loài động vật máu nóng, đồng thời tạo ra bầu khí quyển xung quanh Trái đất. Vì vậy, để có thể hiểu biết các quá trình môi trường toàn cầu đòi hỏi chúng ta phải hiểu được bằng cách nào năng lượng Mặt trời có thể điều khiển các quá trình xảy ra trong khí quyển. Để làm điều đó chúng ta phải nắm được những kiến thức sau đây: · Các định lý bức xạ và nhiệt động học · Quá trình vật lý của sự bay hơi và nguyên lý nhiệt ẩn · Các tính chất của nước đá và hơi nước · Các khái niệm vật lý về độ ẩm và áp suất hơi bão hòa · Các tính chất của dòng chảy và các định lý vật lý của động học dòng chảy · Các nguyên lý và định lý về điện (liên quan đến sấm chớp) và từ (liên quan đến vừng sáng nam cực và bắc cực- aurorae). Trong khi khảo sát các quá trình khí quyển toàn cầu con người hướng tới việc tiên đoán các hậu quả của chúng trong tương lai. Trên cơ sở sự hiểu biết về các diễn biến động học của khí quyển xảy ra hàng ngày chúng ta có thể dự đoán thời tiết ở quy mô toàn cầu. Trong khi đó sự hiểu biết về việc các mẫu thời tiết toàn cầu bị tác động như thế nào bởi các thay đổi của bức xạ Mặt trời có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển nông nghiệp toàn cầu. Nếu nhìn lại các thời kỳ địa chất có thể thấy các thay đổi khí hậu là rất đáng kể, và người ta cho rằng sự thay đổi khí hậu là yếu tố có thể đã làm biến mất chủng loài và hủy diệt một số nền văn minh cổ đại. Khí hậu cổ sinh học (palaeoclimatology) cung cấp cho chúng ta những số liệu thú vị về khí hậu trước đây thông qua việc phân tích các thỏi băng cổ (chẳng hạn thỏi băng Greenland với chiều dài trên 3000m và có tuổi khoảng 500 000 năm, tỷ số đồng vị ôxy, hiện tượng phấn hoa và số vòng trong cây). Tương lai của môi trường Trái đất nằm trong tay con người và phụ thuộc vào việc chúng ta phản ứng như thế nào đối với các thách thức môi trường mà chúng ta phải đối mặt. Vấn đề lớn nhất mà Trái đất đang phải đối mặt là số người tìm cách khai thác và tận dụng tài nguyên ngày càng tăng. Chìa khóa của mọi vấn đề ở đây vẫn là năng lượng từ Mặt trời. Đó là quá trình quang học mà ở đó điôxit cacbon và nước kết hợp với nhau với sự giúp đỡ của bức xạ Mặt trời và clorophyl để sản xuất ra cacbohydrat và ôxy. Cơ chế hấp thụ bức xạ Mặt trời của cây cũng như cơ chế truyền bức xạ Mặt trời qua tầng khí quyển xuống mặt đất có thể được nghiên cứu bằng cách sử dụng các phương pháp quang phổ. Các mối liên hệ nội tại nằm ở ngay tâm điểm của vật lý môi trường. Chúng ta có thể quan sát điều đó thậm chí ngay ở thời kỳ khởi đầu của nông nghiệp. Không phải là sự trùng lặp ngẫu nhiên khi việc tổ chức trồng trọt và thuần hóa động vật được triển khai thực hiện cùng một lúc đúng vào thời điểm khí hậu thay đổi do băng hà kết thúc vào khoảng10 000 năm trước đây. Bằng những nguyên lý vật lý có thể giải thích tại sao một số loài cây có lá dài và to trong khi các loài khác lại có lá ngắn và nhỏ phát triển lan tràn trên một vùng rộng lớn. Tốc độ truyền năng lượng bức xạ Mặt trời vào đất trồng có thể giải thích trên cơ sở nguyên lý nhiệt động học. Vật lý cũng cho phép giải thích sự thấm nước từ đất vào cây dựa trên các nguyên lý hấp dẫn, mao dẫn và thẩm thấu. 1.3 THÁCH THỨC MÔI TRƯỜNG TOÀN CẦU Báo cáo tổng quan MT toàn cầu năm 2000 của Chương trình MT LHQ (UNEP) được biên soạn bởi 850 nhà khoa học trên thế giới cùng với 30 cơ quan MT cùng tham gia 3. Đây là một báo cáo đánh giá tổng hợp về MT toàn cầu khi bước sang thiên niên kỷ mới, trong đó nêu ra những thách thức MT hiện nay trên thế giới [Khoa học Môi trường, Lê Văn Khoa chủ biên, NXB Giáo dục, 2004]. Đó là: 1.3.1. Khí hậu toàn cầu biến đổi và tần suất thiên tai gia tăng Mức phát tán điôxit cacbon vào cuối những năm 1990 xấp xỉ 4 lần mức phát tán năm 1950. Theo đánh gía của Ban Liên Chính phủ về biến đổi khí hậu thì có bằng chứng cho thấy về ảnh hưởng rất rõ rệt của con người đến khí hậu toàn cầu. Cụ thể là hiện tượng dịch chuyển của các đới khí hậu, những thay đổi trong thành phần loài và năng suất của các hệ sinh thái, sự gia tăng các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt. Các nhà khoa học cho biết, trong vòng 100 năm trở lại đây TĐ đã nóng lên ~0,50C và trong thế kỷ này sẽ tăng từ 1,5 – 4,5 0C so với nhiệt độ ở thế kỷ 20. TĐ nóng lên có thể mang tới những tai hại như: Mực nước biển có thể dâng lên cao từ 25 – 140cm do sự tan băng, nhấn chìm một vùng ven biển rộng lớn, làm mất đi nhiều vùng đất nông nghiệp phì nhiêu Gia tăng tần suất thiên tai như gió, bão, hỏa hoạn và lũ lụt. TĐ nóng lên chủ yếu do hoạt động của con người, cụ thể là: Do sử dụng ngày càng tăng lượng than đá, dầu mỏ và phát triển công nghiệp dẫn đến gia tăng CO2 và SO2 trong khí quyển; Khai thác triệt để dẫn đến làm cạn kiệt các nguồn tài nguyên, đặc biệt là rừng và đất rừng và nước – là bộ máy khổng lồ điều hòa khí hậu TĐ; Nhiều hệ sinh thái bị mất cân bằng nghiêm trọng làm cho thiên nhiên mất đi khả năng tự điều chỉnh vốn có của mình. 1.3.2. Sự suy giảm tầng ozon Vấn đề gìn giữ tầng ozon có vai trò sống còn đối với nhân loại. Tầng ozon là lớp vỏ bảo vệ chặn đứng các tia cực tím độc hại đối với con người, động vật, thực vật cũng như các loại vật liệu khác nhau. Mức cạn kiệt tầng ozon 10% thì mức bức xạ tia cực tím tăng 20%. Sự gia tăng bức xạ tia cực tím được coi là nguyên nhân gây ung thư, làm suy yếu các hệ miễn dịch của con người và động vật, đe doạ sự sống của động thực vật nổi trong MT nước sống nhờ quá trình chuyển hóa năng lượng qua quang hợp để tạo ra thức ăn trong MT thủy sinh. Các chất làm cạn kiệt tầng ozon bao gồm: cloruafloruacacbon (CFC); metan; các khí ôxit nitơ (NO2, NO, NOx) có khả năng phản ứng với O3 và chuyển nó thành ôxy. Các chất làm suy giảm tầng ozon trong tầng bình lưu đạt mức cao nhất vào năm 1994, nhưng nhờ vào những nỗ lực quốc tế hiện đang được giảm dần 1.3.3. Tài nguyên bị suy thoái Rừng, đất rừng và đồng cỏ hiện đang bị triệt phá mạnh mẽ, đất hoang bị biến thành sa mạc. Theo tính toán của các nhà thổ nhưỡng học Hà Lan, khoảng 305 triệu ha đất màu mỡ gần bằng diện tích của Tây Âu đã bị suy thoái do bàn tay con người. Sự suy thoái rừng vẫn diễn ra ở mức độ cao: Thế giới có khoảng 40 triệu km2 rừng song cho đến hôm nay chỉ còn lại một nửa. Sự tàn phá rừng xảy ra mạnh mẽ đặc biệt là ở các nước đang phát triển, chủ yếu là do nhu cầu khai thác gỗ làm củi và mở rộng đất làm nông nghiệp. Tại các nước phát triển diện tích rừng hàng năm đã tăng được 9 triệu ha. Với tổng lượng nước là gần 1400 triệu km2, bao phủ gần khắp bề mặt TĐ, nhưng trong đó nước ngọt chỉ chiếm 2,5% mà hầu hết tồn tại dưới dạng đóng băng tập trung ở hai cực (chiếm tới 2,24%), còn lượng nước mà con người có thể tiếp cận để sử dụng chỉ chiếm 0,26%. Sự gia tăng dân số nhanh cùng với quá trình phát triển công nghiệp hóa, đô thị hóa, thâm canh nông nghiệp đang gây ra sự khủng hoảng nước trên phạm vi toàn cầu. Thật không thể tin được rằng thế giới ngày nay cứ mỗi năm có khoảng 20 triệu người chết vì nguyên nhân MT. 1.3.4. Ô nhiễm MT đang xảy ra ở quy mô rộng Sự phát triển đô thị, khu công nghiệp, du lịch và việc đổ các loại chất thải vào đất, biển, các thủy vực đã gây ô nhiễm nghiêm trọng. Nhiều vấn đề MT nảy sinh, đặc biệt là tại các khu vực nhỏ nhưng với mật độ dân số cao. Vì vậy sự đô thị hóa là một vấn đề hóc búa của MT. Đầu thế kỷ 20 loài người sống chủ yếu ở nông thôn, số người sống ở thành phố chiếm 1/7 dân số thế giới, nhưng đến cuối thế kỷ 20 tỷ lệ đó đã là 1/2. Đại dương đang biến thành nơi chứa rác khổng lồ của con người, nơi chứa đủ loại chất thải của nền văn minh kỹ thuật. Việc đổ chất thải xuống biển đang làm xuống cấp các khu vực ven biển trên toàn thế giới, gây hủy hoại các hệ sinh thái. 1.3.5. Sự gia tăng dân số Mỗi năm dân số thế giới tăng 78 triệu người, dự tính đến năm 2015 đạt con số 6,9 – 7,4 tỷ người và đến năm 2050 – 10,3 tỷ người., trong đó 95% dân số tăng thêm là thuộc các nước đang phát triển. Do đó các nước này sẽ phải đối mặt với những vấn đề nghiêm trọng cả về mặt kinh tế, xã hội, đặc biệt là MT. Xét về mức tiêu thụ vật chất tính theo đầu người, người ở nước càng văn minh thì mức tiêu thụ càng cao: một người Mỹ trung bình mỗi năm tiêu thụ 37 tấn vật chất, còn người Ấn Độ mỗi năm dưới 1 triệu tấn. Nếu toàn bộ dân số trên thế giới có mức tiêu thụ trung bình như người Mỹ hoặc người Âu thì phải có 3 TĐ mới cung cấp đủ tài nguyên. 1.3.6. Sự suy giảm tính đa dạng sinh học (ĐDSH) trên TĐ Các loài động thực vật trong quá trình tiến hóa hàng trăm triệu năm đã và đang góp phần quan trọng trong việc duy trì sự cân bằng MT sống trên TĐ, ổn định khí hậu, làm sạch các nguồn nước, hạn chế xói mòn, làm tăng độ phì nhiêu của đất. Đ ĐDSH được chia thành 3 dạng: Đa dạng di truyền: những cá thể cùng loài thì có những đặc điểm di truyền giống nhau, nhưng những biến đổi di truyền lại xác định những đặc tính riêng biệt của những cá thể trong cùng loài Đa dạng loài: được thể hiện đối với từng khu vực, đa dạng loài được tính bằng số lượng loài và những đơn vị dưới loài trong một vùng Đa dạng HST: sự phong phú về sinh cảnh trên cạn và MT dưới nước của TĐ đã tạo nên một số lượng lớn HST. Những sinh cảnh rộng lớn bao gồm rừng mưa nhiệt đới, đồng cỏ, đất ngập nước, san hô và rừng ngập mặn chứa đựng nhiều HST khác nhau và rất giàu có về ĐDSH. 1.4. VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH NGHỊ SỰ VỀ MÔI TRƯỜNG TOÀN CẦU Mối quan tâm về môi trường từ mức độ địa phương, quốc gia cho đến quy mô toàn cầu ngày càng lớn mạnh. Các tổ chức bảo vệ môi trường thuộc các khu vực khác nhau trên thế giới đã tập hợp lại thành một tổ chức quốc tế hùng mạnh với diễn đàn của các chương trình nghị sự về môi trường. Nhiệm vụ của Vật lý ở đây là đưa ra những giải pháp cho các vấn đề môi trường, cụ thể là xác lập các phương tiện và lực lượng cần thiết để tiên đoán và tạo điều kiện thích hợp cho những thay đổi của thế giới chúng ta. Chúng ta cần phải biết những gì cần làm trong trường hợp các nguồn dự trữ về nước uống, thực phẩm và năng lượng. Sử dụng các phương pháp đo đạc, quan trắc và phân tích, và bằng cách hạn chế tối đa các bất định trong mô hình hóa, vật lý môi trường sẽ cho chúng ta hiểu được các quá trình