Roland Ennos (Physics World, tháng 8/2010)
Mùa hè ở thành phố có thể đang thật ngột ngạt, với nhiệt lượng tuôn ra từ nhựa trải đường và máy điều hòa không khí. Nhưng những bề mặt thích hợp và cây cối có thể làm cho môi trường ngoại ô là nơi mát mẻ hơn, rẻ hơn và xanh sạch hơn để sinh sống.
Làm thế nào để cải thiện thời tiết mùa hè ở đô thị. (Ảnh: iStockphoto)
Bức tranh mùa hè hoàn mĩ đối với nhiều người là được nhúng đôi chân mình vào mép nước trên bãi cát, thả bộ trong công viên và ăn kem, hoặc bật nắp một chai bia mát lạnh khi ngồi với một bữa tiệc ngoài trời. Nhưng nếu bạn sinh sống ở thành phố - và hơn nửa dân số thế giới ngày nay là như vậy – thì thú vui mùa hè của bạn có lẽ bị giảm sút nhiều do môi trường xung quanh. Các thành phố là những nơi nóng rát, ồn ào với chất lượng không khí tồi tệ luôn sẵn sàng hưởng ứng mưa gió trong những đợt giông bão. Trong thành phố, chúng ta đang tiêu hao phung phí những lượng lớn năng lượng cho việc làm mát vào mùa hè, sưởi ấm vào mùa đông và đi lại trong suốt cả năm. Biến các thành phố thành nơi dễ chịu hơn và thoải mái hơn để sinh sống, do đó, là một trong những mục tiêu chủ yếu của nghiên cứu môi trường, và là một mục tiêu mà các nhà vật lí thật sự thích hợp để góp công góp sức, vì đa số các vấn đề môi trường đô thị được người ta hiểu rõ nhất theo các khái niệm vật lí.
Các nhà vật lí trên khắp thế giới, đặc biệt là những người đang nghiên cứu trong lĩnh vực vật lí môi trường và khí tượng học, hiện đang hợp tác với các nhà khoa học thuộc những phân ngành khác để nghiên cứu hiệu quả môi trường của các thành phố và xác lập xem những môi trường đô thị này “xanh” ở mức độ nào.
Hòn đảo nhiệt đô thị
Các thành phố thường nóng hơn vùng quê xung quanh khoảng 4 °C và ngày một mở rộng hơn, và sự chênh lệch nhiệt độ đó ngày một lớn hơn. Để tìm hiểu nguyên do, chúng ta phải xét đến sự cân bằng năng lượng của hai khu vực (hình 1). Mặc dù việc đun nấu, sưởi ấm, điều hòa không khí và đi lại đều tạo ra năng lượng trong các thành phố, nhưng đây lại là một thành phồ nhỏ đến bất ngờ của sự cân bằng nhiệt của chúng – chỉ khoảng 50 W m–2. Ngoại trừ vào mùa đông, con số này rõ ràng là nhỏ so với năng lượng chúng ta thu nhận từ Mặt trời, năng lượng đó thậm chí ở nước Anh cũng có cực đại là hơn 800 W m–2. Sự chênh lệch nhiệt độ của thành phố và vùng quê xung quanh, vì thế, chủ yếu là do cái xảy ra với năng lượng Mặt trời trong hai môi trường đó.
Ở khu vực nông thôn, cây cối phản xạ khoảng một phần tư bức xạ sóng ngắn tới (ánh sáng nhìn thấy hoặc những bước sóng ngắn hơn). Trong số ba phần tư bị hấp thụ, phần lớn năng lượng được sử dụng để làm bay hơi nước từ lá cây – một quá trình gọi là “thoát hơi nước”. Quá trình này làm mát cây cối, do đó phát ra ít bức xạ sóng dài (hồng ngoại), và còn làm giảm phần năng lượng còn lại để làm nóng không khí bởi sự đối lưu và làm nóng đất đai bởi sự dẫn nhiệt.
Ở các thành phố, nơi cây cối phần lớn được thay thế bởi những tòa nhà và đường xá, sự cân bằng năng lượng đó bị dịch chuyển nhiều. Các vật liệu nhân tạo, màu tối phản xạ ít – và hấp thụ nhiều – bức xạ hơn so với cây cối. “Suất phản chiếu” thấp hơn này có nghĩa là chỉ khoảng 10% bức xạ của Mặt trời bị phản xạ; con số này thậm chí còn thấp hơn ở thành phố cao tầng, nơi ánh sáng bị phản xạ trở xuống các “hẻm núi” đô thị. Hầu như toàn bộ năng lượng này đi vào làm nóng đường phố khô ráo và các mái nhà, nơi nó được trữ lại bên trong gạch vữa, hoặc làm nóng không khí phía bên trên, do đó làm tăng nhiệt độ không khí và nhiệt độ mặt ban ngày so với môi trường vùng quê xung quanh.
Hình 1. Sự trao đổi năng lượng ở khu vực nông thôn và đô thị. Các thành phố có ít sự phản xạ và bay hơi hơn, nhưng đối lưu nhiệt nhiều hơn và trữ lại một phần nhiệt suốt đêm trong các tòa nhà. Ở đây, dòng năng lượng tỉ lệ với bề rộng của các mũi tên.
Ban đêm, sự chênh lệch nhiệt độ giữa vùng quê và hòn đảo nhiệt đô thị có thể trở nên dễ nhận thấy hơn nữa. Các thành phố nguội đi từ từ vì có nhiều nhiệt trữ lại trong các tòa nhà của nó, chúng liên tục tiêu tán nhiệt vào bầu không khí đêm; vì có nhiều chất ô nhiễm bắt giữ bức xạ sóng dài; và bên trong các hẻm núi đô thị, có ít không gian bầu trời thoáng đãng phía trên có thể nhìn thấy, cho nên có ít bức xạ có thể thoát ra ngoài hơn.
Tất cả những điều này đang gây khổ sở cho cư dân đô thị. Sự gia tăng nhiệt độ không khí đô thị so với nhiệt độ của vùng quê xung quanh, cái có thể đạt tới 7 °C ở một thủ phủ như London, khiến cho các thành phố là những nơi kém dễ chịu hơn để sinh sống trong những tháng mùa hè. Nhiệt độ vút lên cũng làm tăng nguy cơ bệnh tật và thậm chí có thể giết người trong những đợt nắng nóng: người ta cho rằng hơn 35.000 người chết ở châu Âu là do hệ quả của đợt nắng nóng năm 2003, phần lớn trong số họ sống ở các thị tứ và thành phố. Hòn đảo nhiệt đô thị còn làm cho các thành phố khó thở hơn, vì nó làm tăng lượng năng lượng dùng cho điều hòa không khí – năng lượng được bơm vào không khí ngoài trời và làm cho tình hình thêm tồi tệ. May thay, vật lí học cho biết có thể sử dụng hai phương pháp rất khác nhau để xoa dịu hòn đảo nhiệt đô thị: sử dụng “các bề mặt nguội”; và sử dụng cây cối, hay “hạ tầng xanh”.
Trần Nghiêm dịch
Còn tiếp tục cập nhật, mời các bạn đón xem...
