Khí quyển là gì? Thành phần, 5 tầng cấu trúc và hoàn lưu toàn cầu

Khí quyển (tiếng Anh: Atmosphere) là lớp vỏ chất khí bao bọc xung quanh một hành tinh hoặc thiên thể có khối lượng đủ lớn, được giữ lại cố định bởi trường hấp dẫn của thiên thể đó. Đối với Trái Đất, bầu khí quyển không chỉ là một môi trường chất khí đơn thuần mà là một hệ thống nhiệt động học động lực phức tạp, đóng vai trò như một tấm khiên sinh quyển bảo vệ sự sống: nó cung cấp các dưỡng khí thiết yếu cho quá trình hô hấp và quang hợp, ngăn chặn các chùm tia bức xạ tử ngoại năng lượng cao từ vũ trụ, thiêu rụi hầu hết các thiên thạch trước khi va chạm mặt đất, và điều hòa nền nhiệt độ toàn cầu thông qua hiệu ứng nhà kính tự nhiên. Bài viết này trình bày toàn diện về thành phần hóa học, cấu trúc phân tầng thẳng đứng, các định luật nhiệt động lực học khí quyển và những biến động khí hậu do hoạt động của con người.

Thành phần hóa học của Khí quyển Trái Đất

Theo chuyên khảo kinh điển của Seinfeld và Pandis (1998) về hóa học khí quyển, không khí khô ở tầng thấp có thành phần tương đối đồng nhất trên toàn cầu nhờ quá trình xáo trộn đối lưu liên tục:

Khí thành phần	Ký hiệu hóa học	Tỷ lệ thể tích trong không khí khô	Vai trò sinh thái và địa hóa học
Khí Nitơ (Nitrogen)	$N_2$	Khoảng 78% (78) thể tích	Khí trơ tương đối, làm loãng oxy, cung cấp nguồn nitơ cho chu trình sinh địa hóa thông qua vi khuẩn cố định đạm
Khí Oxy (Oxygen)	$O_2$	Khoảng 21% (21) thể tích	Dưỡng khí tối cần thiết cho sự hô hấp hiếu khí của sinh vật và duy trì các phản ứng cháy oxy hóa
Khí Argon (Argon)	$Ar$	Khoảng 0.93% (0.93) thể tích	Khí hiếm trơ sinh ra từ quá trình phân rã phóng xạ của đồng vị Kali trong vỏ Trái Đất
Khí Carbon Dioxide và vết	$CO_2, CH_4, N_2O, O_3$	Dưới một phần trăm	Các khí nhà kính quan trọng hấp thụ bức xạ hồng ngoại, cùng hơi nước quyết định trực tiếp đến cân bằng nhiệt năng toàn cầu

Cấu trúc phân tầng thẳng đứng của Khí quyển

Theo phân loại chuẩn mực của Wallace và Hobbs (2006) trong tác phẩm Atmospheric Science, dựa trên sự thay đổi của gradient nhiệt độ theo độ cao (lapse rate), khí quyển Trái Đất được chia thành năm tầng đồng tâm từ thấp lên cao:

• Tầng đối lưu (Troposphere): Trải dài từ mặt đất lên đến độ cao từ tám kilômét (ở hai cực) đến mười tám kilômét (ở xích đạo). Chiếm hơn bảy mươi lăm phần trăm tổng khối lượng khí quyển và gần như toàn bộ lượng hơi nước. Nhiệt độ giảm dần theo độ cao với tốc độ khoảng sáu phẩy năm độ C trên mỗi kilômét. Hầu hết các hiện tượng thời tiết như mây, mưa, sấm sét, bão tố đều diễn ra tại tầng này.
• Tầng bình lưu (Stratosphere): Nằm trên tầng đối lưu đến độ cao khoảng năm mươi kilômét. Điểm đặc trưng là nhiệt độ tăng dần theo độ cao nhờ sự hiện diện của tầng ôdôn ($O_3$). Ôdôn hấp thụ mạnh bức xạ tử ngoại UV-B và UV-C từ Mặt Trời, bảo vệ sinh vật trên mặt đất khỏi tổn thương DNA và ung thư da. Không khí ở tầng này rất khô và chuyển động chủ yếu theo phương ngang.
• Tầng trung gian (Mesosphere): Trải từ độ cao năm mươi đến tám mươi lăm kilômét. Nhiệt độ giảm mạnh theo độ cao, đạt mức lạnh nhất trong toàn bộ khí quyển (xuống tới âm chín mươi độ C). Đây là nơi hầu hết các mảnh thiên thạch bị bốc cháy và tạo thành vệt sao băng do ma sát với các phân tử khí.
• Tầng nhiệt (Thermosphere): Kéo dài từ tám mươi lăm đến khoảng sáu trăm kilômét. Do hấp thụ bức xạ tia X và tia cực tím cực ngắn từ Mặt Trời, các phân tử bị ion hóa mạnh tạo thành tầng điện ly (Ionosphere) có khả năng phản xạ sóng vô tuyến ngắn, đồng thời sinh ra hiện tượng cực quang (Aurora) lộng lẫy ở các vĩ độ cao.
• Tầng ngoài (Exosphere): Tầng trên cùng tiếp giáp với chân không vũ trụ, nơi mật độ khí vô cùng loãng và các nguyên tử nhẹ như hydro, heli có thể đạt vận tốc vũ trụ cấp hai để thoát ly khỏi lực hấp dẫn Trái Đất.

Định luật phân bố áp suất và thủy tĩnh khí quyển

Dưới tác dụng của trọng lực, áp suất khí quyển giảm dần theo hàm mũ của độ cao. Áp suất tiêu chuẩn tại mực nước biển xấp xỉ 101.325 (101.325) kPa. Phương trình khí áp phân bố theo độ cao chuẩn (Barometric formula) được biểu diễn bởi công thức:

$P(z) = P_0 \exp\bigl(-\tfrac{M\,g\,z}{R\,T}\bigr)$

Trong đó $P_0$ là áp suất tại mặt đất, $M$ là khối lượng mol trung bình của không khí, $g$ là gia tốc trọng trường, $z$ là độ cao, $R$ là hằng số khí lý tưởng và $T$ là nhiệt độ nhiệt động học trung bình.

Động lực học khí quyển và hoàn lưu toàn cầu

Theo phân tích của Holton và Hakim (2013) trong An Introduction to Dynamic Meteorology, sự chênh lệch bức xạ nhiệt giữa vùng xích đạo (thặng dư nhiệt) và hai cực (thiếu hụt nhiệt) cùng lực quán tính Coriolis do Trái Đất tự quay quanh trục đã tạo nên ba hoàn lưu khí quyển quy mô lớn:

• Hoàn lưu Hadley: Khí nóng bốc lên ở xích đạo, tỏa ra hai bên rồi chìm xuống ở vĩ độ ba mươi độ Bắc và Nam, tạo nên các vành đai áp cao chí tuyến và các vùng sa mạc lớn nhất hành tinh.
• Hoàn lưu Ferrel và Hoàn lưu Cực: Hình thành nên các đới gió tây ôn đới (Westerlies) và gió đông cực (Polar Easterlies), nơi giao tranh của các khối khí nóng lạnh tạo ra các dòng xiết gió (Jet Streams) ở độ cao tầng đối lưu trên.

Tác động của biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường

Các hoạt động công nghiệp và đốt nhiên liệu hóa thạch trong hai thế kỷ qua đã làm tăng vọt nồng độ khí nhà kính trong khí quyển, phá vỡ thế cân bằng bức xạ tự nhiên:

• Nóng lên toàn cầu: Nồng độ carbon dioxide tăng cao giữ lại nhiều bức xạ nhiệt hồng ngoại hơn, làm gia tăng nhiệt độ bề mặt Trái Đất, tan băng ở hai cực và làm nước biển dâng cao.
• Ô nhiễm sol khí (Aerosols) và bụi mịn: Các hạt bụi PM2.5 và sol khí lưu huỳnh vừa gây suy giảm chất lượng không khí đô thị, vừa tán xạ ánh sáng Mặt Trời (hiệu ứng mờ quang học toàn cầu), làm phức tạp các mô hình dự báo thời tiết và khí hậu.