Khoa học đang giám sát, bảo vệ tầng ozone ra sao?

Chủ đề của năm nay là “Từ khoa học đến hành động toàn cầu”, nhấn mạnh vai trò thiết yếu của nghiên cứu khoa học và hợp tác quốc tế trong việc bảo vệ tầng ozone. Chương trình giám sát khí quyển Copernicus (CAMS) đã và đang đóng góp cho nỗ lực toàn cầu này thông qua việc cung cấp phân tích và dự báo hằng ngày về nồng độ ozone trong tầng bình lưu suốt mùa.

Tổng thư ký Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO), bà Celeste Saulo, ca ngợi ý nghĩa của Ngày quốc tế ozone, nhấn mạnh đóng góp mang tính quyết định của khoa học khi phát hiện lỗ thủng tầng ozone và đưa ra cảnh báo năm 1975 - tiền đề cho chính sách khí hậu mang tính phổ quát đầu tiên trên thế giới. Chính những nỗ lực đó đã giúp bảo vệ tầng ozone và duy trì tấm lá chắn sống còn cho sự sống trên Trái đất.

Tình trạng lỗ thủng tầng ozone năm 2025

Mùa hình thành lỗ thủng tầng ozone Nam Cực năm 2025 bắt đầu sớm hơn so với mức trung bình giai đoạn 1979-2022. Các chỉ số giám sát chính - diện tích lỗ thủng, lượng ozone cực tiểu, thâm hụt khối lượng ozone và nhiệt độ cực tiểu tại độ cao 50 hPa (tương đương 20km) - có xu hướng gần giống với năm 2023.

Đến cuối tháng 8, diện tích lỗ thủng gần 15 triệu cây số vuông, sớm hơn một tuần so với năm 2024. Trong nửa đầu tháng 9, diện tích ước tính 21,08 triệu cây số vuông, vượt khỏi xu hướng năm 2023 và trở nên tương đồng hơn với mùa 2024 cũng như mức trung bình dài hạn.

Sự phát triển ban đầu của lỗ thủng tầng ozone năm nay tương đồng hơn với các mô hình quan sát được trong năm 2023, so với mùa 2024 vốn diễn biến ôn hòa hơn. Tốc độ hình thành lỗ thủng chậm lại do hiện tượng ấm lên tầng bình lưu vào tháng 7 đã làm gián đoạn gió đới và trì hoãn sự hình thành vòng xoáy cực.

Trong nửa đầu tháng 9, khi diện tích ước tính đã tới 21,08 triệu cây số vuông, kích thước và các chỉ số giám sát khác bắt đầu lệch khỏi mô hình của năm 2023 và trở nên tương đồng hơn với năm 2024 cũng như mức trung bình giai đoạn 1979-2022.

Thời gian tồn tại và diện tích của lỗ thủng tầng ozone có sự biến động do phụ thuộc vào động lực khí quyển toàn cầu và các yếu tố hóa học, vì vậy những dao động như vậy là hoàn toàn bình thường. Mùa lỗ thủng ozone ở Nam bán cầu thường kết thúc vào cuối năm.

Vai trò của CAMS trong giám sát lỗ thủng tầng ozone

Trong giai đoạn từ tháng 8 đến tháng 12 - cao điểm của mùa lỗ thủng tầng ozone Nam Cực, CAMS công bố hằng ngày bản đồ, biểu đồ và hình động theo dõi quá trình phát triển của lỗ thủng. Các biểu đồ dự báo ozone cho thấy giá trị tổng cột ozone (tính theo đơn vị Dobson, DU) và nồng độ ozone ở nhiều tầng khí quyển, cả toàn cầu lẫn khu vực, với dự báo trước 5 ngày.

Các dự báo này được CAMS thường xuyên kiểm chứng bằng dữ liệu đo đạc độc lập tại chỗ, như ozonesonde thả từ bóng thám không ở nhiều trạm tại Nam Cực, nhằm bảo đảm chất lượng và độ chính xác.

Năm 2023, CAMS nâng cấp hệ thống mô hình bằng cách trực tiếp mô phỏng hóa học tầng bình lưu, sử dụng hệ thống BASCOE do Viện Khí quyển vũ trụ Hoàng gia Bỉ (BIRA/IASB) phát triển. Việc tích hợp BASCOE vào Hệ thống dự báo tổng hợp (IFS) của ECMWF đã bổ sung 57 thành phần hóa học, mở ra khả năng dự báo và giám sát các chất gây suy giảm ozone trong tầng bình lưu.

Cơ chế hình thành lỗ thủng tầng ozone

Tầng ozone nằm trong tầng bình lưu, từ độ cao khoảng 7km tại cực và 20km ở xích đạo, kéo dài tới khoảng 50km trên bề mặt Trái đất. Đây là “lá chắn” bảo vệ sự sống khỏi bức xạ tử ngoại (UV) gây hại.

Trong thập niên 1970-1980, các nhà khoa học phát hiện nhiều hóa chất nhân tạo chứa halogen như clo, brom và flo gây suy giảm nghiêm trọng tầng ozone. Hiện tượng này diễn ra rõ rệt nhất tại Nam Cực, nơi xuất hiện lỗ thủng ozone, thúc đẩy cộng đồng quốc tế hành động khẩn cấp.

Nghị định thư Montreal và các sửa đổi sau đó đã yêu cầu loại bỏ gần 100 loại ODS, trong đó chủ yếu là CFC (chlorofluorocarbons) - được dùng trong làm lạnh, điều hòa, cách nhiệt và bình xịt; cùng với halon - hợp chất chứa carbon và brom dùng trong hệ thống chữa cháy và nông nghiệp.

Lỗ thủng ozone Nam Cực hình thành mỗi năm là kết quả của sự kết hợp phức tạp giữa điều kiện khí tượng và phản ứng hóa học. Trong mùa đông cực, gió tầng bình lưu mạnh hình thành vòng xoáy cực ổn định, giữ vùng khí lạnh, tạo điều kiện cho mây tầng bình lưu hình thành. Khi ánh sáng Mặt trời trở lại vào mùa xuân Nam bán cầu, ODS tích tụ sẽ phản ứng trên bề mặt các đám mây này, giải phóng clo và brom phá hủy phân tử ozone, làm nồng độ ozone sụt giảm mạnh dưới ngưỡng 220 DU, hình thành lỗ thủng ozone.

Đến mùa hè, nhiệt độ tăng và vòng xoáy cực suy yếu, cho phép không khí giàu ozone từ các vĩ độ thấp tràn vào, giúp lỗ thủng tự đóng lại vào cuối năm.

Tiến triển toàn cầu trong phục hồi tầng ozone

Cho đến nay, cộng đồng quốc tế đã loại bỏ được 99% ODS nhờ sự phối hợp toàn cầu trong khuôn khổ Nghị định thư Montreal. Báo cáo năm 2022 của Ủy ban Đánh giá khoa học thuộc nghị định thư khẳng định việc cấm ODS đã đặt tầng ozone vào lộ trình phục hồi.

Tháng 3.2025, một nghiên cứu mới xác nhận xu hướng phục hồi lỗ thủng ozone chủ yếu nhờ giảm lượng ODS. Nếu duy trì, lỗ thủng ozone có thể biến mất hoàn toàn vào năm 2066.

Thông qua việc cung cấp dữ liệu chất lượng cao, miễn phí về tầng ozone, CAMS hỗ trợ các nhà hoạch định chính sách, nhà khoa học và các bên liên quan đưa ra quyết định kịp thời và hiệu quả trong bảo vệ môi trường, phục hồi tầng ozone và giảm thiểu rủi ro do tia UV gia tăng.

Dùng AI bảo vệ tầng ozone

Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Tạ Bình Hoa (Xie Pinhua) thuộc Viện Khoa học vật lý Hợp Phì, Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc dẫn đầu đã phát triển một mô hình dự báo mới cho nồng độ ozone tầng mặt tại khu vực đồng bằng Hoa Bắc (NCP) và vùng đồng bằng sông Dương Tử (YRD). Mô hình này ứng dụng khung mạng tích chập kết hợp bộ nhớ ngắn hạn dài theo chuỗi (CNN-LSTM), cho phép tích hợp các đặc trưng khí tượng không gian - thời gian, từ đó khắc phục những hạn chế lớn của các phương pháp dự báo hiện nay.

Kết quả nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Environmental Science & Technology, mang đến một hướng tiếp cận kỹ thuật mới cho công tác cảnh báo sớm ô nhiễm ozone.

Ozone tầng mặt hiện đã trở thành chất ô nhiễm không khí chính trong mùa hè, thường gắn với nhiệt độ cao và độ ẩm thấp. Tuy nhiên, mức ozone cũng chịu tác động của nhiều yếu tố khí tượng phức tạp khác như hoàn lưu khí quyển, bức xạ mặt trời, độ cao tầng ranh giới và độ che phủ mây... khiến việc dự báo chính xác luôn là thách thức. Các mô hình học máy thông thường thường bỏ qua động lực học không gian-thời gian này, trong khi các mô hình số lại tốn kém chi phí tính toán và bị hạn chế trong khả năng dự báo những đợt ozone nồng độ cao.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã xây dựng một mô hình ánh xạ đa thang, dựa trên dữ liệu dự báo khí tượng kết hợp với kiến trúc CNN-LSTM. Bằng cách đưa vào các trường khí tượng ở nhiều quy mô không gian-thời gian khác nhau, mô hình đã đạt độ chính xác cao: tỷ lệ phát hiện đúng các sự kiện ozone nồng độ cao (MDA8 ≥ 160 μg/m³) đạt 83% tại đồng bằng Hoa Bắc và 56% tại đồng bằng sông Dương Tử; đồng thời, hệ số xác định (R²) vượt 0,85 trong việc giải thích biến động ozone hằng ngày.

Mô hình cũng chứng minh được khả năng định lượng tác động của sự dịch chuyển vị trí bão đối với nồng độ ozone khu vực, cho thấy độ ổn định và độ tin cậy cao.

Giáo sư Tạ Bình Hoa nhấn mạnh: “Chúng tôi đã có được cái nhìn rõ ràng hơn về cách các mô hình thời tiết tác động đến ô nhiễm ozone, điều này thực sự có thể hỗ trợ việc đưa ra cảnh báo sớm chính xác hơn cho những ngày có nguy cơ ozone cao”.

Bùi Tú