Ozone là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa ozone

Ozone (O3) là một dạng thù hình của oxy, trong đó ba nguyên tử oxy liên kết với nhau tạo thành một phân tử có hoạt tính hóa học cao. Đây là một khí không màu ở điều kiện thường, có mùi đặc trưng dễ nhận biết, thường xuất hiện sau các hiện tượng sấm sét hoặc gần thiết bị phát tia UV. Cấu trúc của ozone không tuyến tính mà có hình dạng gấp khúc, làm cho nó ổn định hơn so với dạng nguyên tử đơn lẻ nhưng kém bền hơn oxy phân tử (O2).

Ozone đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong sinh quyển Trái Đất, với vai trò phụ thuộc vào vị trí tồn tại trong khí quyển. Ở tầng bình lưu, ozone tạo thành một lớp bảo vệ quan trọng – gọi là tầng ozone – giúp hấp thụ phần lớn bức xạ tử ngoại (UV-B và UV-C) từ Mặt Trời, bảo vệ sinh vật sống khỏi các tác hại sinh học nghiêm trọng. Ngược lại, ở tầng đối lưu, nơi sinh sống của con người, ozone lại là một chất ô nhiễm thứ cấp gây tác động tiêu cực đến sức khỏe và môi trường.

Về mặt hóa học, ozone là một trong những chất oxy hóa mạnh nhất được biết đến trong tự nhiên. Nhờ đặc tính này, nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xử lý nước, khử trùng, công nghiệp thực phẩm, nhưng đồng thời cũng cần kiểm soát chặt chẽ nồng độ để tránh các ảnh hưởng độc hại khi tiếp xúc quá mức.

Cấu trúc và tính chất hóa học

Phân tử ozone có cấu trúc cong hình chữ V với góc liên kết xấp xỉ 116,8°. Độ dài liên kết O–O trong ozone là trung gian giữa liên kết đơn và liên kết đôi, do hiện tượng cộng hưởng điện tử. Trạng thái cộng hưởng này mang lại cho ozone khả năng phản ứng cao, khiến nó dễ phân hủy và tạo ra gốc tự do – yếu tố quan trọng trong nhiều phản ứng khí quyển.

Ozone không bền ở điều kiện nhiệt độ và ánh sáng mạnh. Khi chịu tác động của bức xạ UV hoặc nhiệt độ cao, nó dễ dàng phân hủy theo phương trình:

$O_3 \rightarrow O_2 + O$

Nguyên tử oxy tự do sau đó có thể phản ứng tiếp với phân tử ozone khác tạo thành hai phân tử O2:

$O + O_3 \rightarrow 2O_2$

Ozone là chất oxy hóa mạnh, có khả năng phá vỡ liên kết hóa học của các hợp chất hữu cơ phức tạp. Vì vậy, ngoài ứng dụng trong khử trùng, nó còn tham gia vào nhiều quá trình oxy hóa trong khí quyển, đóng vai trò trong sự hình thành sương mù quang hóa và phân hủy các chất ô nhiễm trong không khí.

Phân bố ozone trong khí quyển

Ozone không phân bố đều trong khí quyển mà tập trung chủ yếu ở hai tầng chính là tầng bình lưu và tầng đối lưu. Tầng bình lưu, nằm ở độ cao từ 10 đến 50 km, chứa khoảng 90% tổng lượng ozone của khí quyển. Đây là nơi hình thành tầng ozone, có mật độ ozone cao nhất khoảng 15–35 km, và là lớp bảo vệ quan trọng chống lại bức xạ tử ngoại của Mặt Trời.

Ở tầng đối lưu, nằm từ mặt đất đến khoảng 10–12 km, ozone chỉ chiếm khoảng 10% tổng lượng nhưng lại đóng vai trò tiêu cực. Tại đây, ozone không được sinh ra tự nhiên mà hình thành từ phản ứng giữa oxit nitơ (NOx) và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) dưới tác động của ánh sáng mặt trời. Quá trình này tạo ra ozone tầng thấp – một thành phần chính trong sương mù quang hóa và là tác nhân gây ô nhiễm không khí đô thị.

Vai trò của tầng ozone

Tầng ozone có vai trò tối quan trọng trong việc bảo vệ sinh quyển khỏi các tác động gây hại của bức xạ tử ngoại. Các bức xạ UV-B và UV-C có bước sóng ngắn mang năng lượng cao có thể phá hủy DNA, gây đột biến gen, ung thư da, đục thủy tinh thể và ức chế hệ miễn dịch ở người. Tầng ozone hấp thụ hơn 97% lượng UV-B và gần như toàn bộ UV-C, ngăn chặn chúng tiếp cận bề mặt Trái Đất.

Không chỉ bảo vệ sức khỏe con người, tầng ozone còn đóng vai trò thiết yếu đối với hệ sinh thái. Bức xạ UV quá mức có thể làm giảm năng suất quang hợp ở thực vật, ảnh hưởng đến sự phát triển của sinh vật phù du – nền tảng chuỗi thức ăn đại dương, và phá hủy vật liệu polymer hoặc cao su nhân tạo. Tầng ozone vì thế được ví như “lá chắn sống” của hành tinh.

Sự suy giảm tầng ozone do tác động của các hợp chất như chlorofluorocarbons (CFCs) và halon là mối đe dọa lớn trong thập niên 1980, đặc biệt với sự hình thành “lỗ thủng ozone” tại Nam Cực. Những nỗ lực quốc tế thông qua Nghị định thư Montreal đã góp phần làm chậm quá trình suy giảm và thúc đẩy phục hồi tầng ozone toàn cầu.

Ozone tầng đối lưu và ô nhiễm không khí

Ozone ở tầng đối lưu là một chất ô nhiễm thứ cấp hình thành từ các phản ứng quang hóa trong khí quyển. Khi ánh sáng mặt trời tương tác với các hợp chất tiền chất như oxit nitơ (NOx) và hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) – phát sinh từ phương tiện giao thông, công nghiệp, và dung môi – các phản ứng phức tạp sẽ tạo thành ozone tầng thấp. Ozone này không phát sinh trực tiếp từ nguồn phát thải mà là kết quả của quá trình chuyển hóa trong môi trường.

Nồng độ ozone tầng đối lưu thường cao nhất vào những ngày nắng nóng và gió nhẹ, đặc biệt trong mùa hè. Trong môi trường đô thị, nơi mật độ giao thông và công nghiệp cao, tình trạng vượt ngưỡng ozone thường xảy ra, dẫn đến hiện tượng sương mù quang hóa. Các thành phố lớn như Los Angeles, Bắc Kinh, và New Delhi là những ví dụ điển hình về khu vực chịu ảnh hưởng mạnh từ ô nhiễm ozone tầng thấp.

Tác động của ozone tầng đối lưu đến sức khỏe và môi trường được đánh giá nghiêm trọng. Nó gây tổn thương mô phổi, làm giảm chức năng hô hấp, và đặc biệt nguy hiểm với nhóm người dễ bị tổn thương như trẻ em, người già, và bệnh nhân hen suyễn. Ngoài ra, ozone còn làm giảm năng suất cây trồng, phá hủy chất liệu polymer, sơn, và cao su – ảnh hưởng lâu dài đến kinh tế và hạ tầng kỹ thuật.

Ứng dụng của ozone

Nhờ đặc tính oxi hóa mạnh, ozone được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và dân dụng. Trong xử lý nước, ozone được sử dụng để khử trùng nước uống, xử lý nước thải, và khử mùi nước hồ bơi. So với clo, ozone có ưu điểm là không để lại dư lượng độc hại và hiệu quả tiêu diệt vi khuẩn, virus, và nấm mốc cao hơn.

Trong công nghiệp thực phẩm, ozone được dùng để khử trùng bề mặt, tiêu diệt vi sinh vật trên rau quả, thịt cá, và bao bì. Nó giúp kéo dài thời hạn sử dụng mà không cần sử dụng chất bảo quản hóa học. Một số hệ thống bảo quản lạnh sử dụng khí ozone để giảm nấm mốc và vi khuẩn trong kho lưu trữ thực phẩm.

Trong lĩnh vực y tế, ozone được áp dụng để tiệt trùng thiết bị y tế, dụng cụ phẫu thuật và phòng mổ. Ngoài ra, liệu pháp ozone (ozone therapy) đang được nghiên cứu và áp dụng thận trọng trong điều trị vết thương, viêm khớp, và hỗ trợ miễn dịch. Tuy nhiên, các ứng dụng y học cần kiểm soát nghiêm ngặt vì ozone có thể gây kích ứng và độc nếu tiếp xúc không đúng liều lượng.

• Xử lý nước: Tiêu diệt vi sinh vật, khử mùi, không để lại dư lượng.
• Thực phẩm: Giảm vi khuẩn, nấm, không làm thay đổi cảm quan sản phẩm.
• Y tế: Khử trùng bề mặt và thiết bị, nghiên cứu điều trị bổ trợ.
• Môi trường: Khử mùi khí thải, xử lý không khí công nghiệp.

Tác động của ozone đến sức khỏe con người

Tiếp xúc với nồng độ ozone cao, dù trong thời gian ngắn hay kéo dài, đều có thể gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho sức khỏe. Hít phải ozone có thể dẫn đến viêm đường hô hấp, đau ngực, ho, và giảm chức năng phổi. Đặc biệt, người mắc bệnh hô hấp mãn tính như hen suyễn, bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính (COPD), và trẻ em là nhóm dễ bị ảnh hưởng nhất.

Các nghiên cứu dịch tễ học chỉ ra rằng nồng độ ozone cao liên quan đến tăng tỷ lệ nhập viện do bệnh hô hấp, giảm khả năng hoạt động thể chất và tăng nguy cơ tử vong sớm. Theo [EPA](https://www.epa.gov/ground-level-ozone-pollution/health-effects-ozone-pollution), mức ozone vượt ngưỡng an toàn có thể ảnh hưởng đến cả người khỏe mạnh nếu tiếp xúc trong thời gian dài.

Ozone cũng có thể gây kích ứng mắt, niêm mạc mũi, họng, và thậm chí ảnh hưởng đến hệ tim mạch. Vì ozone là chất oxy hóa mạnh, nó có thể dẫn đến stress oxy hóa trong tế bào, thúc đẩy quá trình viêm và tổn thương mô. Do đó, việc giám sát và giảm phát thải các tiền chất tạo ozone là ưu tiên trong chiến lược kiểm soát ô nhiễm không khí đô thị.

Biến đổi khí hậu và ozone

Mối liên hệ giữa ozone và biến đổi khí hậu là hai chiều và phức tạp. Ozone tầng đối lưu là một khí nhà kính, có khả năng giữ nhiệt trong khí quyển và góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu. Ngược lại, biến đổi khí hậu cũng ảnh hưởng đến sự hình thành và phân bố của ozone thông qua thay đổi nhiệt độ, độ ẩm và tuần hoàn khí quyển.

Ví dụ, nhiệt độ tăng cao làm gia tăng tốc độ phản ứng quang hóa trong tầng đối lưu, dẫn đến nồng độ ozone tầng thấp cao hơn vào những ngày hè. Điều này có thể tạo ra “vòng phản hồi dương” trong đó biến đổi khí hậu thúc đẩy gia tăng ozone, và ozone lại góp phần làm trầm trọng biến đổi khí hậu.

Ở tầng bình lưu, sự thay đổi nhiệt độ và luồng khí quyển có thể ảnh hưởng đến tốc độ phục hồi của tầng ozone. Một số mô hình khí hậu cho thấy sự phục hồi tầng ozone có thể diễn ra chậm hơn ở các vĩ độ cao nếu nhiệt độ tầng bình lưu giảm do khí nhà kính tăng. Do đó, kiểm soát biến đổi khí hậu và phục hồi tầng ozone cần được phối hợp trong các chính sách môi trường toàn cầu.

Nghị định thư Montreal và phục hồi tầng ozone

Nghị định thư Montreal được ký kết vào năm 1987 là hiệp định quốc tế mang tính bước ngoặt trong nỗ lực bảo vệ tầng ozone. Mục tiêu của nghị định thư là loại bỏ dần các chất làm suy giảm tầng ozone (ODS), đặc biệt là chlorofluorocarbons (CFCs), halon và các hợp chất chứa brom, được sử dụng phổ biến trong bình xịt, tủ lạnh, và chất cách nhiệt.

Nhờ hiệu lực của Nghị định thư và các sửa đổi sau đó (London, Copenhagen, Kigali…), việc sản xuất và tiêu thụ các ODS đã giảm hơn 99% trên toàn cầu. Theo [UNEP](https://www.unep.org/ozonaction/who-we-are/about-montreal-protocol), tầng ozone đã có dấu hiệu phục hồi, với dự báo sẽ trở lại mức trước năm 1980 vào khoảng năm 2065 ở các vùng cực.

Đây là một trong những minh chứng thành công nhất cho hành động tập thể toàn cầu dựa trên bằng chứng khoa học. Đồng thời, việc triển khai hiệu quả Nghị định thư cũng tạo tiền lệ và cơ sở cho các hiệp định khí hậu như Thỏa thuận Paris, khẳng định vai trò của hợp tác quốc tế trong bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Kết luận

Ozone là một phân tử có hai mặt: là lá chắn bảo vệ sự sống ở tầng bình lưu và là chất ô nhiễm nguy hiểm ở tầng đối lưu. Hiểu đúng vai trò của ozone trong khí quyển giúp chúng ta đưa ra các chính sách và công nghệ phù hợp để bảo vệ tầng ozone, giảm thiểu ô nhiễm không khí và ứng phó với biến đổi khí hậu.

Việc bảo vệ tầng ozone không chỉ là trách nhiệm của các nhà khoa học hay chính phủ mà còn phụ thuộc vào nhận thức và hành động của cộng đồng. Hạn chế sử dụng hóa chất gây hại, hỗ trợ các sản phẩm thân thiện với khí hậu và tuân thủ các hướng dẫn an toàn sẽ là bước đi thiết thực để bảo vệ "tấm lá chắn vô hình" của hành tinh.