Biến động nồng độ ôzôn tầng mặt tại một số khu vực miền Bắc Việt Nam - Nghiên cứu điển hình tại Hà Nội, Phú Thọ và Quảng Ninh

03/07/2018

 

Dương Thành Nam, Lê Hoàng Anh, Nguyễn Viết Hiệp

Trung tâm Quan trắc môi trường miền Bắc

     1. Đặt vấn đề

     Tầng ôzôn (O₃) như một tấm khiên chắn bảo vệ con người chống lại các tia tử ngoại độc hại, nhưng khi chất khí này ở mặt đất (còn gọi là ôzôn tầng đối lưu hay ôzôn tầng mặt) lại trở thành chất ô nhiễm, gây hiệu ứng nhà kính, chỉ đứng sau CO₂ và CH₄. Mỗi phân tử O₃ gia tăng trong khí quyển mạnh hơn khoảng 1.200 - 2.000 lần so với gia tăng phân tử CO₂ trong quá trình gây nên hiện tượng ấm lên toàn cầu. O₃ cũng là thành phần chính của khói mù quang hóa, là yếu tố nguy hiểm đối với sức khỏe con người. Ô nhiễm ôzôn có thể làm cho bệnh hen suyễn, viêm phế quản mãn tính, bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính trở nên trầm trọng hơn và làm giảm khả năng chống lại vi sinh vật xâm nhập vào hệ hô hấp của cơ thể. Chất lượng môi trường không khí ở Việt Nam đang ngày càng bị ô nhiễm bởi hoạt động của con người (quá trình sản xuất, giao thông vận tải). Việc nghiên cứu nồng độ ôzôn ở tầng mặt là cần thiết nhằm kiểm soát chất lượng không khí. Nghiên cứu “Biến động nồng độ ôzôn tầng mặt tại một số khu vực miền Bắc Việt Nam - Nghiên cứu điển hình tại Quảng Ninh, Phú Thọ và Hà Nội” đã được chọn để thực hiện nhằm mục tiêu xác định được biến động nồng độ ôzôn có trong tầng mặt theo không gian (3 trạm quan trắc không khí tự động) và theo thời gian (biến động ngày, biến động theo các ngày trong tuần, biến động theo tháng và mùa).           

     2. Phương pháp nghiên cứu

     Đối tượng nghiên cứu: Biến động nồng độ ôzôn tầng mặt có trong không khí tại 3 trạm quan trắc không khí tự động.

     Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tại 3 tỉnh (Hà Nội, Quảng Ninh, Phú Thọ) thuộc khu vực miền Bắc Việt Nam. Đây là khu vực đặt các trạm quan trắc không khí tự động, liên tục. Khu vực nghiên cứu đặc trưng cho yếu tố địa lý khác nhau (miền núi, đồng bằng và ven biển).

     Thu thập dữ liệu: dữ liệu thu thập bằng thiết bị đo O₃ (model APOA - 370) theo nguyên lý hấp thụ quang phổ hồng ngoại không phân tán (NDIR), điều biến dòng khí ngang của hãng sản xuất Horiba, Nhật Bản.

     Nồng độ O₃ đo liên tục (5 phút/lần), tính trung bình giờ trong toàn bộ thời gian từ tháng 1 - 12/2016 với tổng cộng 315.360 giá trị đo. Tỷ lệ dữ liệu thiếu 5,8% (là những giá trị bất thường, dữ liệu trong thời gian hiệu chỉnh máy hoặc thiết bị không hoạt động). Dữ liệu thiếu không được đưa vào tính toán thống kê.

     Phân tích dữ liệu: Để phân tích các diễn biến nồng độ O₃ trong ngày, sử dụng số liệu trung bình giờ. Để so sánh nồng độ O₃ giữa các mùa trong năm, sử dụng số liệu nồng độ trung bình trong ngày.

Hình 1. Sơ đồ khu vực nghiên cứu

     3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

      3.1. Biến động nồng độ ôzôn trung bình giờ trong ngày

    Nồng độ ôzôn tầng mặt trung bình giờ trong ngày tại khu vực nghiên cứu có giá trị dao động từ 19,7 µg/m³ - 53,5 µg/m³. Cao nhất là khu vực Hà Nội với nồng độ tối đa lên đến gần 500 μg/m³ và thấp nhất tại Phú Thọ với thời điểm cao nhất đạt gần 145 μg/m³.

     Kết quả trung bình ngày và đêm của các vị trí quan trắc thể hiện giá trị trung bình thấp hơn rất nhiều so với giá trị nồng độ tối đa, các giá trị cao đột biến có tần suất xuất hiện rất thấp trong năm 2016. Vào ban ngày từ 7 giờ - 18 giờ, nồng độ ôzôn có giá trị trong khoảng từ 28,4 μg/m³ - 73,3 μg/m³ và buổi đêm từ 19 giờ - 6 giờ sáng hôm sau có giá trị từ 11,0 μg/m³ - 33,8 μg/m³. Có sự chênh lệch rõ ràng giữa nồng độ ôzôn ban ngày và ban đêm khi ban ngày giá trị tại cả 3 địa điểm đều cao hơn giá trị ban đêm 2 - 3 lần. Kết quả nghiên cứu cho thấy, sự khác biệt về biến động của nồng độ ôzôn tại 3 trạm tập trung vào ban ngày, trong khi đó nồng độ ôzôn về ban đêm không có sự khác biệt. Nồng độ ôzôn trung bình vào 12 giờ trưa tại địa điểm Hà Nội cao gấp đôi so với Quảng Ninh và gấp khoảng 4 lần so với Phú Thọ. Theo QCVN 05:2013/BTNMT, giá trị nồng độ ôzôn vẫn đạt ở mức độ cho phép trung bình 1 giờ (200 μg/m³) và 8 giờ (120 μg/m³). Tuy nhiên, vẫn có 1 số thời điểm nồng độ ôzôn vượt quá giá trị nhưng tần suất rất thấp.

Hình 2. Biến động nồng độ ôzôn trung bình ngày tại 3 địa điểm

     Nồng độ ôzôn trung bình trong ngày tại cả 3 khu vực có sự giao động theo quy luật tăng giảm đặc trưng bởi phản ứng quang hoá, phù hợp với các nghiên cứu trước đây trên thế giới. Hình 2 cho thấy nồng độ ôzôn tại cả 3 địa điểm đều có diễn biến tương đối giống nhau, có thể chia thành 4 giai đoạn chính. Giai đoạn 1 bắt đầu từ 2 - 6 giờ sáng, khi đó, nồng độ ôzôn giảm nhanh và đạt giá trị cực tiểu vào khoảng 5 - 6 giờ sáng. Giai đoạn 2 nồng độ ôzôn bắt đầu tăng lên nhanh từ 7 giờ sáng - 12 giờ trưa, đạt giá trị cực đại trong khoảng 12 - 14 giờ. Tiếp đến giai đoạn 3, từ sau 15 giờ chiều nồng độ ôzôn bắt đầu giảm xuống nhanh cho đến 18 giờ. Giai đoạn 4 từ 19 giờ tối đến sáng hôm sau thì giảm chậm.

     Tương quan cho thấy, nồng độ ôzôn có sự tương quan thuận với cường độ bức xạ tổng với hệ số xác định R² tương đối cao (lần lượt là 0,76; 0,62 và 0,54 tại Hà Nội, Quảng Ninh và Phú Thọ). Bức xạ nhiệt luôn đóng vai trò hình thành khí ôzôn trong biến trình ngày.

     3.2. Biến động nồng độ ôzôn trung bình ngày trong tuần

     Vào các ngày trong tuần (từ thứ 2 - thứ 6), nồng độ ôzôn trong không khí có giá trị cao hơn nhiều so với cuối tuần (thứ 7 và Chủ nhật). Điều này có thể do vào các ngày trong tuần gia tăng các hoạt động sản xuất và di chuyển của các loại phương tiện giao thông khiến cho nồng độ chất ô nhiễm không khí là các tiền chất của ôzôn tăng cao, dẫn đến nồng độ ôzôn trong không khí cũng tăng theo.

     Riêng đối với trạm quan trắc khu vực Hà Nội, nồng độ ôzôn giảm mạnh vào thứ 7 và tăng lên vào Chủ nhật. Do đây là trạm ven đường và đặt tại cửa ngõ đi vào Hà Nội, nên chỉ có thứ 7 là lưu lượng phương tiện tham gia giao thông giảm mạnh, ngày Chủ nhật mật độ phương tiên giao thông tiếp tục tăng cao khi các phương tiện quay lại TP để chuẩn bị cho một tuần làm việc mới.

     Có thể thấy nồng độ ôzôn trong tuần tại Hà Nội cao hơn nhiều so với 2 địa điểm còn lại. Điều khác biệt này phần lớn do mật độ giao thông tại trạm quan trắc của Hà Nội luôn lớn hơn so với 2 trạm còn lại.

Hình 3. Diễn biến nồng độ ôzôn các ngày trong tuần

     3.3. Biến động nồng độ ôzôn theo tháng và mùa

     Miền Bắc là vùng khí hậu cận nhiệt đới ẩm nên có sự phân chia 4 mùa rõ rệt với mùa xuân (tháng 2 - tháng 4), mùa hè (tháng 5 - tháng 7), mùa thu (tháng 8 - tháng 10), mùa đông (tháng 11 - tháng 1 năm sau). Ngoài ra, còn phân chia theo 2 mùa chính là mùa mưa (cuối mùa xuân tới đầu mùa thu) và mùa khô (cuối mùa thu tới đầu mùa xuân).

Hình 4. Diễn biến nồng độ ôzôn tại 3 địa điểm trong năm, giá trị trung bình theo tháng

     Thời gian mùa xuân, nồng độ ôzôn tầng mặt giảm từ tháng 2 - tháng 3, sau đó bắt đầu tăng nhanh vào tháng 4. Tháng 2, 3 thời tiết tại miền Bắc vẫn còn se lạnh, thời gian mặt trời chiếu sáng trong ngày vẫn còn ngắn, đến tháng 4, tần suất ngày nắng nhiều tăng tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành của ôzôn mặt đất. Bước sang thời kì mùa hè, là khoảng thời gian ngày dài hơn đêm, mặt đất bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi bức xạ mặt trời khiến cho nồng độ ôzôn tầng mặt tiếp tục tăng cao và đạt giá trị cực đại vào tháng 5 (là thời gian nhiệt độ tăng cao, thời gian chiếu sáng của mặt trời dài hơn và lượng mưa chưa nhiều). Tháng 6, 7, miền Bắc vào mùa mưa khiến không khí được làm sạch tự nhiên, dẫn đến nồng độ trung bình các chất ô nhiễm vào thời điểm này giảm xuống rõ rệt.

     Vào mùa đông, mặc dù ánh nắng mặt trời ít hơn, các phản ứng hóa học tạo ra ôzôn khó khăn hơn, nhưng số liệu lại cho thấy nồng độ ôzôn vẫn tăng cao. Đó là do, mùa đông ít mưa nên các khối khí ô nhiễm ít có khả năng được làm sạch, vào ban ngày trời vẫn có nắng khiến cho lớp không khí bề mặt ấm hơn, tới buổi tối nhiệt độ của khối khí lạnh đi do phát ra bức xạ hồng ngoại dẫn đến nhiệt độ không khí tăng dần theo chiều cao (khả năng khếch tán). Khối không khí chứa chất ô nhiễm vào buổi sáng không thể bốc lên cao mà bị giữ lại tại mặt đất khiến cho nồng độ các chất ô nhiễm giảm rất chậm vào buổi tối cộng thêm việc tích tụ sau nhiều ngày nên nồng độ của O₃ vào khoảng thời gian này có giá trị lớn và có thể kéo dài trong nhiều ngày, dẫn đến nồng độ O₃ trung bình của mùa đông cao.

     4. Kết luận

     Biến động nồng độ ôzôn theo giờ trong ngày tại các khu vực nghiên cứu dao động trong khoảng 8,8 μg/m³ - 79,9 μg/m³. Nồng độ ôzôn trung bình vào 12 giờ trưa tại địa điểm Hà Nội cao gấp đôi so với Quảng Ninh, gấp khoảng 4 lần so với Phú Thọ. Vào các thời điểm trong ngày, cả 3 khu vực đều cho thấy sự tăng giảm của nồng độ ôzôn theo quy luật, tăng lên vào buổi sáng, đạt giá trị cực đại vào buổi trưa và giảm dần vào chiều tối, cường độ ánh sáng là nguyên nhân chính ảnh hưởng tới sự biến động nồng độ ôzôn tầng mặt.

     Các ngày trong tuần nồng độ ôzôn và các chất ô nhiễm cao vào các ngày từ thứ 2 - thứ 6. Tuy nhiên, nồng độ ôzôn có giá trị thấp vào ngày cuối tuần, nguyên nhân có thể hiểu là do các hoạt động sản xuất và đi lại đều giảm hơn vào cuối tuần. Nồng độ ôzôn trong tuần của Hà Nội cao hơn hẳn so với 2 vị trí còn lại.

     Vào mùa mưa nồng độ ôzôn tầng mặt có giá trị thấp hơn nhưng biến động lại cao hơn so với mùa khô. Mùa khô, mức độ ô nhiễm tăng cao do sự kết hợp của các yếu tố khí tượng. Từ đó có thể thấy, nồng độ ôzôn tại cả 3 vị trí đều có sự phụ thuộc lớn vào thời tiết.

     TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Bộ TN&MT, “Báo cáo Môi trường Quốc Gia - Môi trường Không khí Đô thị Việt Nam,” trang. 14-18, 2007.
2. Bộ TN&MT, “QCVN 05:2013/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh.” 2013.
3. Nguyễn Như Bảo Chính và Nguyễn Thanh Tâm, “Khảo sát mức độ ôzôn và các yếu tố tác động đến ôzôn,” TP. Hồ Chí Minh, 2013.
4. Vũ Văn Mạnh, “Nghiên cứu tính biến động của tầng ôzôn khí quyển phục vụ cho việc sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên và BVMT ở Việt Nam,” ĐH Khoa học Tự nhiên, Hà Nội, 2004.
5. J. N. Cape, “Surface ozone concentrations and ecosystem health: Past trends and a guide to future projections,” Sci. Total Environ., vol. 400, No.1-3, pp. 257-269, Aug. 2008.
6. W. Lu, X. Wang, W. Wang, A. Y. T. Leung, and K. Yuen, “A preliminary study of ozone trend and its impact on environment in Hong Kong,” Environ. Int., vol. 28, No. 6, pp. 503-512, 2002.
7. A. M. Fiore et al., “Background ozone over the United States in summer: Origin, trend, and contribution to pollution episodes,” J. Geophys. Res. Atmos., vol. 107, No. 15, 2002.
8. K. Sadighi, E. Coffey, A. Polidori, B. Feenstra, Q. Lv, and D. K. Henze, “Intra-urban spatial variability of surface ozone and carbon dioxide in Riverside , CA : viability and validation of low-cost sensors,” no. August, pp. 1-30, 2017.

SURFACE OZONE VARIATION IN SELECTED AREAS OF NORTH VIETNAM - CASE STUDY IN HÀ NỘI, PHÚ THỌ AND QUẢNG NINH Dương Thành Nam, Lê Hoàng Anh, Nguyễn Viết Hiệp Centre for Northern Environmental Monitoring Vietnam Environment Administration      ABSTRACT      Air quality in Việt Nam is increasingly polluted by human activities (production, transportation). Surface ozone is one of the environmental pollutants, greenhouse gases and photochemical smog. This study aims to determine surface ozone concentration variations in 3 locations (Hà Nội, Phú Thọ, Quảng Ninh) and over time (days, weeks, months and seasons). The results indicate that daily average surface ozone concentrations in the study areas ranged from 8.8 - 79.9 μg/m3, with the increase in ozone concentration morning, reaching peak value at noon and gradually decreasing in the evening. Ozone concentrations are high on Monday to Friday, be low in value on weekends and ozone concentrations in Hà Nội are significantly higher than in Phú Thọ and Quảng Ninh. In the rainy season, the surface ozone levels are lower but the volatility is higher than the dry season. In the dry season, the level of pollution increases due to a combination of meteorological factors.      Key words: Surface ozone, ambient air, air pollution, diurnal variation, North of Việt Nam.

(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số Chuyên đề II/2018)