Khí quyển là gì? Các nghiên cứu khoa học về Khí quyển

Khái niệm khí quyển

Khí quyển là lớp hỗn hợp các khí bao quanh hành tinh dưới tác động của trọng lực, duy trì sự sống bằng cách cung cấp oxy, điều hòa nhiệt độ và bảo vệ bề mặt khỏi bức xạ năng lượng cao. Khí quyển có khối lượng và áp suất nhất định, thể hiện qua áp suất khí quyển tại mực nước biển khoảng 101,325 kPa.

Khí quyển không chỉ đơn thuần là hệ khí tĩnh, mà là một hệ thống động, chịu ảnh hưởng của gió, thời tiết, bức xạ mặt trời và các hoạt động địa chất – sinh học. Sự trao đổi vật chất giữa khí quyển, thủy quyển và sinh quyển tạo nên các chu trình nước, carbon, nitơ quan trọng cho cân bằng sinh thái.

Phân biệt khí quyển với các lớp khác như từ quyển (magnetosphere) – khu vực chứa các hạt tích điện do từ trường Trái Đất giữ lại, và tầng ôzôn – lớp khí giàu O₃ trong tầng bình lưu có nhiệm vụ hấp thụ tia cực tím UV-B và UV-C.

Thành phần hóa học

Không khí tại mực nước biển là hỗn hợp đồng nhất gồm:

Khí	Tỷ lệ thể tích (%)
Nitơ (N₂)	78,08
Oxy (O₂)	20,95
Argon (Ar)	0,93
Carbon dioxide (CO₂)	0,04

Ngoài ra, tồn tại các khí vết (trace gases) với nồng độ rất thấp như neon (Ne), heli (He), krypton (Kr), methane (CH₄) và hơi nước (H₂O) dao động theo vùng khí hậu và mùa. Hơi nước chiếm vai trò quan trọng nhất trong cơ chế hình thành mây, mưa và cân bằng nhiệt qua quá trình bay hơi – ngưng tụ.

• NO₂, SO₂: chất ô nhiễm từ hoạt động công nghiệp, gây mưa axit.
• Aerosol: hạt rắn hoặc lỏng kích thước rất nhỏ, ảnh hưởng tán xạ ánh sáng và hạt nhân ngưng tụ.
• Ozone tầng đối lưu (O₃): khí ô nhiễm, khác với ozone tầng bình lưu.

Theo dữ liệu quan trắc của NOAA, nồng độ trung bình CO₂ đã tăng từ 280 ppm (năm 1750) lên hơn 415 ppm (năm 2020), góp phần làm tăng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu .

Cấu trúc và các tầng khí quyển

Khí quyển được chia thành các tầng dựa trên biến thiên nhiệt độ theo độ cao:

• Tầng đối lưu (0–12 km): nhiệt độ giảm dần ~6,5 °C/km, chứa 75 % khối lượng khí quyển, diễn ra hầu hết hiện tượng thời tiết.
• Tầng bình lưu (12–50 km): nhiệt độ tăng do hấp thụ bức xạ UV bởi tầng ôzôn, độ cao đỉnh ôzôn vào khoảng 20–30 km.
• Tầng trung tầng (50–85 km): nhiệt độ giảm dần, khí quyển rất loãng, xuất hiện sao băng khi thiên thạch bốc cháy.
• Tầng nhiệt (85–600 km): nhiệt độ tăng lên rất cao (>1 000 °C) do tương tác tia cực tím với khí quyển, là nơi hình thành ionosfera.

Tầng đối lưu và bình lưu gọi chung là đồng quyển (homosphere) do thành phần khí tương đối đồng nhất, trong khi tầng trên (heterosphere) thành phần thay đổi theo độ cao, phân tách theo khối lượng phân tử.

Cơ chế trao đổi khối lượng và năng lượng giữa các tầng quyết định sự phát triển bão, dòng jet stream và sự truyền sóng vô tuyến dài. Các dữ liệu lớn từ vệ tinh và mô hình khí hậu giúp mô phỏng chính xác tuần hoàn khí quyển .

Tính chất vật lý

Áp suất khí quyển giảm theo độ cao theo định luật hàm mũ:

$P(z) = P_0 \exp\bigl(-\tfrac{M\,g\,z}{R\,T}\bigr)$ với P₀ = 101 325 Pa, M khối lượng phân tử trung bình của không khí (0,02897 kg/mol), g = 9,81 m/s², R = 8,314 J/mol·K, T nhiệt độ tuyệt đối (K).

Nhiệt độ khí quyển biến đổi theo gradient tiêu chuẩn ~–6,5 °C/km trong tầng đối lưu, sau đó tăng ở tầng bình lưu do hấp thụ năng lượng UV. Độ ẩm tương đối, mật độ không khí và năng suất bức xạ mặt trời cũng thay đổi rõ nét theo mùa và vĩ độ.

• Mật độ không khí tại mực nước biển ~1,225 kg/m³, giảm xuống ~0,364 kg/m³ ở 8 km.
• Hệ số khuếch tán và độ nhớt động học thay đổi với áp suất và nhiệt độ, ảnh hưởng đến sự lan truyền ô nhiễm.
• Điều kiện cân bằng nhiệt bức xạ: năng lượng vào từ Mặt Trời cân bằng năng lượng bức xạ trả về không gian.

Đặc tính tán xạ Rayleigh và Mie giải thích màu xanh của bầu trời và đỏ của hoàng hôn, đóng vai trò quan trọng trong quan sát quang học và viễn thám .

Quá trình hình thành và tiến hóa

Khí quyển sơ khai của Trái Đất hình thành qua quá trình thoát khí (outgassing) từ manti và sự va chạm của tiểu hành tinh, cung cấp CO₂, H₂O, N₂ và các khí khác vào không gian gần bề mặt (Nature Geoscience).

Hoạt động núi lửa tiếp tục bổ sung khí, trong khi sự ngưng tụ tạo ra đại dương sơ khai, hút bớt hơi nước và CO₂, dẫn đến giảm nhanh nồng độ CO₂ khí quyển và làm mát hành tinh.

Sự xuất hiện của vi sinh vật quang hợp (cyanobacteria) tạo ra O₂, dần tích lũy lên ~21 % hiện tại trong kỷ Proterozoic, thiết lập các điều kiện hỗ trợ đa dạng sinh vật trên cạn (Great Oxidation Event).

Động lực học khí quyển

Chu trình Hadley, Ferrel và cực tạo nên dòng chuyển động khổng lồ trong tầng đối lưu, phân phối nhiệt từ xích đạo đến hai cực và hình thành vùng áp thấp – áp cao đặc trưng cho thời tiết toàn cầu (NASA Atmospheric Science).

Hiệu ứng Coriolis khiến gió bán cầu Bắc lệch phải và miền Nam lệch trái, dẫn đến gió mậu dịch và gió Tây ôn đới. Các dải jet stream ở cao khoảng 9–12 km điều khiển hệ thống bão và luồng không khí liên tục.

Quá trình đối lưu cục bộ, bốc lên và hạ xuống tạo mây tích và mưa rào, ảnh hưởng mạnh đến khí hậu cục bộ và hệ sinh thái rừng nhiệt đới, sa mạc hay đồng cỏ.

Vai trò trong điều hòa khí hậu và bảo vệ sinh quyển

Khí nhà kính như CO₂, CH₄ và N₂O giữ phần lớn năng lượng bức xạ hồng ngoại phát ra từ mặt đất, giữ nhiệt độ trung bình hành tinh ~15 °C thay vì –18 °C nếu không có khí quyển (IPCC AR6).

Tầng ôzôn trong tầng bình lưu hấp thụ gần 90 % tia UV-B và hầu hết tia UV-C, bảo vệ ADN và giảm nguy cơ ung thư da cho sinh vật trên cạn (WMO Ozone).

Khí quyển cũng kiểm soát chu trình nước qua bay hơi, ngưng tụ, mưa và dòng chảy mặt đất, duy trì nguồn nước cho sinh quyển và điều hòa độ ẩm không khí.

Sự tương tác với thủy quyển và sinh quyển

Chu trình carbon liên kết khí quyển, đại dương và sinh quyển: cây xanh và vi tảo hấp thu CO₂, chuyển thành sinh khối, khi phân hủy hoặc hỏa táng thải CO₂ trở lại khí quyển.

Đại dương hấp thụ ~25 % lượng CO₂ do con người thải ra, hình thành acid carbonic, làm giảm pH nước biển và ảnh hưởng đến hệ sinh thái san hô.

• Bay hơi nước biển và đất liền cung cấp hơi ẩm cho khí quyển.
• Thực vật rừng nhiệt đới Amazon tạo ~20 % lượng oxy toàn cầu và điều hòa mưa.
• Khu vực băng vĩnh cửu phản xạ bức xạ mặt trời, giảm nhiệt hấp thu.

Ảnh hưởng của con người và biến đổi khí hậu

Đốt than đá, dầu mỏ và khí đốt tăng nồng độ CO₂ từ 280 ppm (1750) lên 420 ppm (2024), làm gia tăng hiệu ứng nhà kính và nhiệt độ trung bình tăng ~1,2 °C so với kỷ tiền công nghiệp (NOAA GHG Trends).

Nguồn ô nhiễm NOₓ, SO₂ và PM₂.₅ từ công nghiệp và giao thông tạo mưa axit, ảnh hưởng đa dạng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người (WHO Air Quality).

Phá hủy tầng ôzôn do CFC đã giảm sau Nghị định thư Montreal (1987), nhưng vẫn cần giám sát và tuân thủ các quy định quốc tế để phục hồi hoàn toàn.

Phương pháp nghiên cứu khí quyển

Vệ tinh như MODIS, AIRS và Sentinel đo nồng độ khí, nhiệt độ, độ ẩm và đám mây toàn cầu, hỗ trợ theo dõi biến đổi nhanh và dài hạn.

Quan trắc mặt đất với trạm khí tượng, đo đạc CO₂ tại Mauna Loa (Hawaii) và các mạng đo ô nhiễm đô thị cung cấp dữ liệu độ phân giải cao.

Phương pháp	Thông số	Ưu điểm
MODIS (NASA)	Đám mây, aerosol, nhiệt độ bề mặt	Phủ toàn cầu, chu kỳ 1–2 ngày
AIRS (NASA)	Hàm lượng hơi nước, CO₂, O₃	Độ phân giải quang phổ cao
Trạm Mauna Loa (NOAA)	CO₂, CH₄	Dữ liệu liên tục từ 1958
GCM (IPCC)	Nhiệt độ, mưa, gió	Mô phỏng kịch bản phát thải

Mô hình khí hậu toàn cầu (GCM) và mô phỏng khu vực (RCM) giúp dự báo biến đổi khí hậu theo các kịch bản phát thải RCP và SSP, cung cấp căn cứ cho chính sách giảm thiểu và thích ứng.

Tài liệu tham khảo

• Lyons, T. W. et al. (2014). The Rise of Oxygen in Earth’s Early Ocean and Atmosphere. Nature Geoscience.
• NASA – Atmospheric Science Overview
• IPCC (2021). AR6 Climate Change Report
• WMO – Ozone Layer Protection
• NOAA – Global Greenhouse Gas Trends
• WHO – Air Quality and Health