Giải mã cơ chế hình thành lỗ thủng tầng ozone

Năm 1973, Mario Molina, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ làm việc trong phòng thí nghiệm của F. Sherwood Rowland tại Đại học California, Irvine (Mỹ), đã có một khám phá đáng lo ngại khi nghiên cứu hợp chất chlorofluorocarbons, hoặc CFCs. Hợp chất này thường được sử dụng làm chất làm lạnh, bình xịt, và tạo bọt nhựa. Molina đề xuất giả thuyết cho rằng CFCs có khả năng phá hủy tầng ozone trong bầu khí quyển của Trái đất. Tầng ozone đóng vai trò rất quan trọng đối với sự tồn tại của các sinh vật trên địa cầu, bởi vì nó giúp ngăn chặn bức xạ tia cực tím có hại từ Mặt trời.

Tuy nhiên, các nhà khoa học đương thời không chú ý đến nghiên cứu của Molina do nó chỉ được xây dựng dựa trên mô hình máy tính, cho đến khi họ có một phát hiện quan trọng và đáng báo động vào năm 1983. Cụ thể, nồng độ ozone (O3) trong tầng bình lưu ở phía trên Nam Cực đã giảm đột ngột tới 35% vào mùa xuân so với thập niên 1960.

Từ đó, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu cuộc đua nhằm khám phá nguyên nhân gây ra “lỗ thủng tầng ozone”. Các câu hỏi đặt ra khi đó là: Tại sao hiện tượng suy giảm tầng ozone diễn ra nhanh hơn nhiều so với dự đoán của mọi người? Và tại sao nó chủ yếu hình thành phía trên Nam Cực? Nếu CFCs là nguyên nhân, thì tại sao lỗ thủng tầng ozone lại hình thành ở vị trí rất xa so với nơi sử dụng CFCs?

Susan Solomon, nhà hóa học khí quyển người Mỹ, là người đầu tiên thu thập các bằng chứng thực nghiệm để trả lời tất cả những câu hỏi này.

Solomon sinh ra tại Chicago, bang Illinois (Mỹ) vào ngày 19/1/1956. Ngay từ lúc còn nhỏ, cô đã say mê tìm hiểu về khoa học khi xem các chương trình truyền hình như “Thế giới dưới đáy biển của Jacques Cousteau”. Ở trường trung học, cô từng giành vị trí thứ ba trong hội chợ khoa học quốc gia với dự án đo hàm lượng oxy trong hỗn hợp khí. Sau khi tốt nghiệp tại Viện Công nghệ Illinois (IIT) năm 1977, cô tiếp tục học cao học tại Đại học California ở Berkeley – nơi cô theo đuổi chuyên ngành về hóa học khí quyển. Cô bảo vệ thành công luận án tiến sĩ vào năm 1981, sau đó làm việc tại Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ (NOAA).

Tại NOAA, Solomon bắt đầu điều tra mối liên hệ tiềm ẩn giữa CFCs và lỗ thủng tầng ozone. Theo lý thuyết trước đó của Molina, các photon có nguồn gốc từ ánh sáng cực tím của Mặt trời có thể phá vỡ phân tử CFCs, giải phóng các nguyên tử clo (Cl) và một số sản phẩm khác. Bởi vì clo có một electron chưa ghép đôi nên nó là một gốc tự do rất dễ tham gia vào các phản ứng hóa học. Khi nguyên tử clo phản ứng với một phân tử ozone (O3), nó sẽ lấy đi một trong những nguyên tử oxy để tạo ra khí oxy (O2) và chlorine oxide (ClO). ClO cũng là một gốc tự do nên nhanh chóng phản ứng với một phân tử ozone khác, chuyển đổi nó thành hai phân tử O2, và giải phóng Cl để tiếp tục gây ra nhiều thiệt hại hơn. Bởi vì nguyên tử clo không bị tiêu hao trong suốt quá trình nên nó là chất xúc tác cho phản ứng phá hủy tầng ozone.

Nếu Molina đúng, tại sao lỗ thủng tầng ozone lại hình thành chủ yếu ở Nam Cực? Solomon đề xuất giả thuyết cho rằng câu trả lời nằm trong những đám mây ở tầng bình lưu vùng cực (PSC), có độ cao từ 15–25km. PSC xuất hiện tại cả hai cực của Trái đất, nhưng chúng phổ biến hơn ở Nam Cực.

Theo Solomon, các đám mây PSC ở Nam Cực hút các phân tử CFCs bằng lực tĩnh điện, đồng thời cung cấp bề mặt rắn lý tưởng – dưới dạng tinh thể băng – nơi các phản ứng phá hủy tầng ozone do Molina đề xuất có thể diễn ra một cách nhanh chóng. Hiện tượng phá hủy tầng ozone cũng có khả năng xảy ra ở các vĩ độ khác, nhưng với tốc độ chậm hơn nhiều.

Năm 1986, Solomon và các đồng nghiệp tại NOAA đã quyết định tới Nam Cực để kiểm định giả thuyết của mình. Bởi vì lỗ thủng tầng ozone mở rộng vào đầu mùa xuân ở Nam Cực (từ tháng 9 đến tháng 12), Solomon và nhóm nghiên cứu đã phải đến Căn cứ McMurdo (Nam Cực) vào cuối mùa đông (tháng 8) để nghiên cứu cơ chế hình thành lỗ thủng tầng ozone. Họ đã phải chịu đựng nhiệt độ lạnh giá khủng khiếp và bóng tối bao phủ gần 24 giờ một ngày. Solomon là trưởng nhóm đồng thời là phụ nữ duy nhất trong đoàn.

Trong chuyến thám hiểm này và lần thứ hai vào năm 1987, Solomon và nhóm của cô đã thu thập đủ dữ liệu cho thấy nồng độ cao của ClO được giải phóng do sự phân hủy của CFCs trong bầu khí quyển. Từ đó, Solomon đã chứng minh lý thuyết của Molina là hoàn toàn chuẩn xác.

Kết quả nghiên cứu là yếu tố nền tảng để dẫn đến sự ra đời Nghị định thư Montreal của Liên Hợp Quốc vào năm 1987, nhằm ngăn chặn việc sử dụng các hợp chất CFCs trên toàn thế giới. Đến năm 2009, tất cả các quốc gia là thành viên của Liên Hợp Quốc đã phê chuẩn nghị định thư ban đầu. Đây là một trong những nỗ lực bảo vệ môi trường thành công nhất trong lịch sử, và lỗ thủng tầng ozone đã thu hẹp đáng kể từ khi Nghị định thư Montreal được thông qua.

Sau chuyến thám hiểm Nam Cực, Solomon tiếp tục điều tra hiện tượng suy giảm tầng ozone trong bầu khí quyển ở những nơi khác trên thế giới. Cô đã dẫn đầu các đoàn thám hiểm đến Bắc Cực để nghiên cứu một lỗ thủng ozone nhỏ hơn, cũng như phát hiện núi lửa có thể đẩy nhanh tốc độ CFCs phá hủy tầng ozone.

Solomon là thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ, Viện Hàn lâm Khoa học châu Âu, Viện Hàn lâm Khoa học Pháp và Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) của Liên Hợp Quốc. Trong suốt sự nghiệp, cô đã được trao nhiều giải thưởng danh giá, trong đó nổi bật nhất là Huân chương Khoa học Quốc gia năm 1999 (giải thưởng khoa học cao nhất do Chính phủ Mỹ trao tặng), Giải thưởng Hành tinh Xanh Quốc tế (2004) và Giải thưởng Cuộc sống Tương lai (năm 2021). Người ta cũng đặt tên cô cho cho một dòng sông băng ở Nam Cực vào năm 1994.

Năm 2002, tạp chí Discover đã công nhận Solomon là một trong 50 phụ nữ quan trọng nhất trong khoa học. Năm 2008, tạp chí Time bình chọn cô là một trong 100 người có ảnh hưởng nhất trên thế giới.