GIÁO TRÌNH
V T LÝ MÔI TR NG ƯỜ
CH NG IƯƠ
1.1 KHOA H C MÔI TR NGV T Lí MÔI TR NG ƯỜ ƯỜ
M t s tiên đn dành cho th k 21 mà l m i ng i chúng ta đ u đ ng ý ế ườ
đó môi tr ng s tr thành m t trong nh ng thách th c l n nh t c a loàiườ
ng iườ .
Nh đ c bi t cho t i m nay, Trái đ t n i duy nh t trong tr sư ượ ế ơ
s ng trong s phát tri n r c r c a mình. Trái đ t s đa d ng cùng t n;
trong m i ph n c a đ a c u, th m chí trong nh ng vùng v i đi u ki n khí h u
c c kỳ kh t khe, trong các vùng B c và Nam c c ho c sâu t n đáy bi n, s s ng
đ c m th y d i muôn vàn d ng khác nhau nh ng đ c thích nghi v i môiượ ướ ư ượ
tr ng xung quanh m i m t d ng s ng đ u bi n hóa m t cách phù h p nh tườ ế
đ khai thác h u hi u ngu n i nguyên t nhiên c a Trái đ t đ duy trì s s ng
phát tri n. Tuy nhiên, ch m t d ng c a s s ng đã làm thay đ i đáng k
sinh thái c a nh tinh và ch m t d ng c a s s ng đã bi n đ i đ n m c đ ế ế
cho phép th quy t đ nh t ng lai c a s s ng trên Trái đ t, đó con ế ươ
ng i,ườ
giai đo n đ u con ng i bi n đ i theo nh ng đi u ki n môi tr ng đ c ườ ế ườ
bi t, thích nghi v i i tr ng xung quanh s ng b ng cách săn thú r ng ho c ườ
thu l m qu y. Ngay t th i ti n s con ng i đã b t đ u nh n bi t đ c sượ ư ế ượ
phát tri n c a th gi i xung quanh n i mình s ng; h đã bi t đ c đâu khi ế ơ ế ượ
o có th tìm đ c đàn thú r ng đang di chuy n, khi nào đâu cây ra hoa và cho ượ
trái. T ng b c d n d n con ng i b t đ u khai thác các ngu n l i thiên nhiên ướ ườ
đ ph c v cho cu c s ng c a nh. Trong quá trình khai phá các vùng đ t r ng
đ nuôi tr ng con ng i b t đ u thay đ i đ a m o. ườ
V i s xu t hi n c a cu c s ng văn minh con ng i b t đ u thay đ i nh ườ
d ng quang c nh c a Trái đ t. S hi u bi t c a con ng i s phát tri n c a ế ườ
khoa h c đã t o cho chúng ta kh năng c đ nh t ng lai c a nh ng bi n đ i ươ ế
c a hành tinh cùng v i t t c các d ng c a s s ng trên đó. V i nh ng ki n th c ế
v v t h t nhân con ng i ngày nay đã kh năng phá h y c Trái đ t, ườ
nh ng đ ng th i cũng t o c h i s d ng khoa h c không ch nh m duy trì cu cư ơ
s ng còn góp ph n phát tri n c ngu n năng l ng m i ph c v l i ích ượ
chung c a loài ng i ườ
Nh ng th p k g n đây c đ ng c a môi tr ng đ i v i cu c s ng trên hành ườ
tinh ngày ng tr nên b c xúc. Loài ng i luôn có xu h ng c i thi n cu c s ng ườ ướ
cho m i ngày thêm th nh v ng b ng cách khai thác các tài nguyên thiên nhiên ượ
trên Trái đ t. giai đo n đ u s khai thác đó còn đ c ki m soát ng i ta ượ ườ
ngr ng Trái đ t có th cung c p vô t n ngu n tài nguyên cho s phát tri n c a
loài ng i, nh ng sau cu c cách m ng ng nghi p dân s toàn c u gia tăngườ ư
con ng i đã ý th c đ c r ng s đ n m t th i kỳ t i đó ngu n tài nguyênườ ượ ế
1
s c n ki t. B ng hành đ ng c a nh chúng ta đang thay đ i s n b ng t
nhiên đã đ c thi t l p hàng t năm.ượ ế
S phát hi n l h ng t ng ozon, nh ng d u hi u đ u tiên c a s nóng lên
c a Trái đ t do s n xu t công nghi p gây ra, hi n t ng m a axit và nh ng bi u ượ ư
hi n ngày càng l n v s c kh e suy gi m do ô nhi m t i các thành ph đã làm
nhi u nhà bình lu n chính sách-xã h i đ c bi t quan m. Đã có nhi u cu c tranh
lu n sôi n i trong gi i c nhà khoa h c chính tr xung quanh s t n t i c a
các hi n t ng nói trên nh ng bi n pháp c n ph i tri n khai th c hi n nh m ượ
h n ch các tác đ ng đó. ế
Đ n m b t đánh giá các nguy c ti m tàng đ i v i Trái đ t y ra b i ơ
vi c khai thác tài nguyên phát tri n công nghi p, t 30 năm tr c m t nhánh ướ
khoa h c m i đã đ c nh thành ượ Khoa h c Môi tr ng ườ . Khoa h c y
nhi m v nghiên c u c v n đ c a môi tr ng- ư bao g m vi c nghiên c u
đi u ch nh môi tr ng toàn c u, c h u qu c a các chính sách hi n hành ườ
c bi n pháp th c hi n liên quan đ n vi c duy trì cân b ng sinh thái ế
quy mô toàn c u.
c khoa h c i tr ng bao hàm nhi u lĩnh v c truy n th ng c a v t ườ
hóa h c, đ c bi t là thông qua vi c ti p thu các k thu t đã đ c phát tri n r ng ế ượ
rãi trong các lĩnh v c khác đ s d ng cho nghiên c u các v n đ môi tr ng ườ
đ c thù. R t nhi u k thu t hình hóa toán h c đ c phát tri n ch cho m c ượ
đích nghiên c u thuy t đã đ c s d ng đ nh a c hi n t ng i ế ượ ượ
tr ng. Thí d mô hình đ ng h c dòng ch y đã đ c s d ng đ nghiên c u quáườ ượ
trình th m n c qua đ t, các s nguyên t phân t phát tri n trong lĩnh ướ
v c hóa đã đ c áp d ng đ xác đ nh các tham s quang ph trong vi n thám ượ
khí quy n. T ng t nh v y, các thi t b đo đ c phòng thí nghi m ng đ ươ ư ế
nghiên c u các tính ch t c b n c a v t ch t đã đ c s d ng đ th c hi n các ơ ượ
phép đo ngo i đ i v i các thành ph n ô nhi m khí quy n. M t thí d đi n
nh nh t vi c thi t k h th ng laze phân gi i cao đ quan sát quá trình ô ế ế
nhi m t ng nh l u và phát tri n các ph ng pháp quang ph cho pp quan sát ư ươ
Trái đ t t các v tinh.
ng v i nh ng thành t u đó nh ng hi u bi t v v t lý c a các quá trình môi ế
tr ng ngày càng đ c m r ng, ườ ượ n v t lý môi tr ng ườ đã đ c hình thành. ượ
M c tiêu c a mônV t lý môi tr ng là "gi i thi u nh ng ý t ng c b n c a ư ưở ơ
v t lý i tr ng trình bày các khái ni m cũng nh các đ nh lý v t lý vai trò ườ ư
quy t đ nh trong đi u ch nh môi tr ng Trái đ t".ế ườ
Nhà v t lý môi tr ng n i ti ng Nigel Mason đ a ra đ nh nghĩa v v t lý môi ườ ế ư
tr ng nh sau: V t môi tr ngườ ư ườ n khoa h c v t v c quá trình môi
tr ng, đ c bi t các t ng tác gi a khí quy n, th ch quy n, th y quy n ườ ươ
sinh quy n. xét theo nghĩa r ng: V t i tr ng ườ khoa h c v s nh n
d ng đo đ c các v n đ c a i tr ng ườ (Boeker E. Van Grondelle R.),
nh m ngăn ng a ho c gi m nh c s c i tr ng. ườ
th chia trái đ t thành nh ng kho ng kho ng không sau:
Kquy n,
Sinh quy n,
2
Th y quy n và
Đ a quy n
đây, sinh quy n bao m kho ng không sinh v t s ng trên b m t trái
đ t. Gi a các kho ng không này s d ch chuy n c a v t ch t s bi n đ i ế
t d ng v t ch t y sang d ng v t ch t khác theo các quy lu t c a v t lý, hoá
h c sinh h c và theo c chu kỳ (hình 1.1). Chu kỳ năng l ngchu kỳ thu ượ
đ ng l c x y ra trong m i kho ng không và gi a các kho ng không v i nhau tuân
theo các đ nh lu t v t lý. c quá tnh và s v n đ ng c a v t ch t trong các chu
trình này đ c di n gi i trong V t lý môi tr ng.ượ ườ
nh 1.1. Các n i dung nghiên c u liên quan c a v t lý i tr ng. ườ
1.2. Đ I T NG NGHN C U C A V T LÝ MÔI TR NG ƯỢ ƯỜ
i tr ngườ là m t t h p các y u t bên ngoài c a m t ế h th ng nào đó. Chúng
c đ ng lên h th ng y, c đ nh xu h ng tình tr ng t n t i c a nó. Môi ướ
tr ng có th coi là m t ườ t p h p , trong đó h th ng đang xem xét là m t t p h p
con. Môi tr ng c a m t h th ng đang đ c xem xét c n ph i có tính t ng tácườ ượ ươ
v i h th ng đó
1.2.1. Môi tr ng c th con ng iườ ơ ư
c c th s ng ph i thích nghi và t n t i trong các đi u ki n môi tr ng đaơ ườ
d ng khác nhau, k c khí h u nóng l nh. Các yêu c u c b n nh t cho vi c ơ
duy trì s s ng c a con ng i t i thi u là th c ăn, qu n áo m c ch . C th ườ ơ
3
KHÍ QUYỂN
SINH QUYỂN THỦY QUYỂN
ĐỊA QUYỂN
CHU K
NĂNG LƯỢNG
CHU K
SINH-HÓA
CHU K THỦY
ĐỘNG LỰC
s ng m t th c th nhi t đ ng h c đ c đ c tr ng b i dòng năng l ng đi ượ ư ượ
đ n và đi ra kh i c th ho c l u thông gi a các th c th v i môi tr ng.ế ơ ư ườ
Đ t n t i đ c nhi t đ c th c a con ng i ph i đ c gi kho ng ượ ơ ườ ượ
nhi t đ h p 35 40 0C. nhi t đ th p h n 35 ơ 0C con ng i th b b nhườ
thi u nhi t (hypothermia), còn n u nóng quá > 40ế ế 0C c th s b m t n c.ơ ướ
Vi c ki m soát nhi t đ c th con ng i đ c th c hi n b ng các ph n ơ ườ ượ
ng chuy n hóa năng l ng bên trong c th . T c đ chuy n hóa năng l ng và ượ ơ ượ
c ch đi u ch nh nhi t đ trong ng i đ c th c hi n thông qua các đ nh lý v tơ ế ườ ượ
sau:
Các đ nh nhi t đ ng h c
Entropy, enthalpy và năng l ng Gibbs t doượ
Các nguyên lý v đ d n, đ i l u, b c x , bay h i ư ơ
Đ nh lu t làm l nh Niut n ơ
Đ nh lu t b c x Stefan- Boltzmann.
N m b t v n d ng đ c các nguyên v t này chúng ta th hi u ượ
đ c các c ch c th con ng i t đi u ch nh tr ng thái c a mình. doượ ơ ế ơ ườ
con ng i có th t n t i trong môi tr ng s cân b ng năng l ng. Đi uườ ườ ượ
y ý nghĩa cùng quan tr ng đ i v i quá trình trao đ i nhi t gi a nhà
i tr ng, gi a Trái đ t và môi tr ng xung quanh nó.ườ ườ
1.2.2. Môi tr ng trong xây d ng ườ
Vào th i ti n s con ng i d ng ch ch nh m m c đích ch ng l i nh ườ
h ng c a th i ti t. Ngày nay vi c thi t k y d ng nhà , tr ng h c, côngưở ế ế ế ườ
s , nhà y đ u đ c qu n b ng các đi u lu t liên quan đ n b o v s c ượ ế
kh e, an ninh ti n nghi cho ng i . Vì v y vi c thi t k c toà nhà đ u ph i ườ ế ế
tuân theo các đ nh lý v t lý.
c đ ng c a s c gió, bão, đ ng đ t đ u ph i đ c tính toán chính xác đ ượ
l a ch n v t li u phù h p, xác đ nh chi u cao c a nhà, đ sâu c a móng. Nh ng ư
g n đây ng i ta đ c bi t quan tâm đ n h u qu i tr ng c a tòa nhà xây ườ ế ườ
d ng. S đ t nóng chi u sáng nhà m t trong nh ng ngu n tiêu hao năng ế
l ng toàn c u đ c s n xu t ra. Do các ngu n năng l ng hóa th ch ngày càngượ ượ ượ
c n ki t, nhu c u t o ra các h th ng ti t ki m năng l ng trong ngành y d ng ế ượ
ngày càng đ c các nhà thi t k quan tâm. ượ ế ế
1.2.3. Môi tr ng đô thườ
Con ng i mang tính xã h i nên có xu h ng thích ch n cách s ng c ng đ ngườ ướ
đ th chia s tài nguyên kinh nghi m. Khi dân s phát tri n v i m t đ
cao thì tác đ ng c a con ng i lên môi tr ng s tr nên đáng k , nh t là khi s ườ ườ
phát tri n đô th không theo quy ho ch.
M t tnh ph ph i đ m b o:
Cung c p đ th c ph m cho dân c ư
Cung c p đ năng l ng cho s i m và chi u sáng ượ ưở ế
Cung c p đ n c cho sinh ho t và ph c v ng nghi p ướ
Đ m báo các h th ng x lý n c th i ướ
4
H th ng đ ng giao thông ra vào thành ph ườ
Cung c p nhà ti n nghi và an toàn.
Cu c cách m ng công nghi p đã t o đi u ki n đ phát tri n các thành ph
l n đô th hóa. Năm 1850 4 thành ph trên th gi i s dân trên 1 tri u, ế
năm 1900 19 thành ph năm 1960 đã 141 thành ph . Năm 1990 l n đ u
tiên trong l ch s loài ng i s ng i s ng thành th v t s ng i s ng ườ ườ ượ ườ
ng thôn xu t hi n các đ i đô th (mega-city). Th k 21 m c đ đô th a ế
s càng tăng m nh. Lúc y t i nhi u n c phát tri n s xu t hi n các v n đ ướ
c a m t h i h u công nghi p a (post-industrial) nông nghi p thâm canh,
thành ph ô nhi m, lão hóa dân c . ư
S đô th a tràn lan t t y u d n đ n tác đ ng môi tr ng không ch đ i v i ế ế ư
ng đ t n i thành ph đ c xây d ng màn tác đ ng lên dân chúng s ng trong ơ ượ
đó. Nhu c u năng l ng cho thành ph d n đ n vi c y d ng các nhà máy đi n ượ ế
l n làm ô nhi m thêm không khí. L ng khí điôxit l u huỳnh th i ra t nhà y ượ ư
đi n ch y than t o ra m a axit y nh h ng tai h i đ n a màng nh ng ư ưở ế
khu r ng xung quanh ngo i ô thành ph . S hi n di n c a các ôxit cacbon, nit ơ
và các h t b i trong không khí thành ph nh h ngl n đ n s c kh e c a c ưở ế ư
n làm tăng t l t vong trong thành ph . Vi c lo i tr c ch t ô nhi m
ki m soát m c đ ô nhi m trong thành ph và thi t k ch t o c lo i xe ít khí ế ế ế
th i đ c h i đòi h i chúng ta ph i có đ các ki n th c khoa h c liên quan. Vi c ế
phát tri n các công ngh cho phép khai thác các ngu n năng l ng i t o nh ượ ư
năng l ng M t tr i, s c gió, th y tri u và sóng bi n nh ng v n đ s ng cònượ
c a khoa h c môi tr ng. ườ
1.2.4. Môi tr ng toàn c uườ
c v n đ môi tr ng không còn mang tính đ a ph ng ho c qu c gia n a ườ ươ
quy mô tn c u. R t nhi u tai h a môi tr ng ngày nay mang ý nghĩa toàn ườ
c u, Nguy c m r ng l th ng t ng ozon làm cho b c x tia c c m đi xu ng ơ
b m t Trái đ t không th đ c kh c ph c b i m t qu c gia o đó ph i ượ
b ng m t n l c toàn c u. Vi c lo i tr khí CFC ph i đ c th c thi b ng m t ượ
tho thu n mang tính toàn c u. Hi n t ng sa m c hóa B c Phi ho c gia tăng ượ
o l t Bangladesh không th do c n c đó gi i quy t ph thu c o ướ ế
nh ng n l c c a toàn th loài ng i trên hành tinh. ườ
i đ n cu i th k 20 loài ng i m i đi đ n nh n th c r ng đ có th hi uế ế ư ế
th u c v n đ toàn c u thì c n ph i nghiên c u môi tr ng toàn c u. Nhi m ườ
v đó b t đ u đ c tri n khai th c hi n nh vào nh ng thành t u to l n c a ượ
khoa h c công ngh tr . Ngày nay chúng ta đã có th nghiên c u h u nh t t ư
c các quá trình môi tr ng t các tr m v tinh nhân t o. Đ th s d ng ườ
ng ngh tiên ti n này đòi h i chúng ta ph i hi u bi t: ế ế
Đ nh lu t Niut n v chuy n đ ng và h p d n ơ
Đ nh lu t Kepler v s chuy n đ ng c a các hành tinh
Các nguyên lý chuy n đ ng vòng tròn
Các nguyên lý c a rađar và hi u ng Doppler
ng d ng nh quang h c k thu t quang ph
5