Nguyên nhân ô nhiễm phát sinh từ con người là đô thị và quá trình xây dựng đô thị. Xây dựng đô thị có thể thay đổi chế độ gió, làm trầm trọng hơn trạng thái sinh thái của khí quyển. Trên thực tế, ô nhiễm nhiệt của bầu khí quyển (do thời tiết nóng cộng với ít gió) gây ra các bệnh về đường hô hấp ở người, từ đó phát triển các bệnh về hệ thần kinh và tim mạch.

Hiệu ứng đảo nhiệt đô thị

Đô thị hóa  ảnh hưởng đến khí hậu thông qua sự tăng nhiệt độ không khí. Nguồn nhiệt chính của môi trường đô thị là bức xạ mặt trời. Một phần bức xạ mặt trời ảnh hưởng tới bề mặt hoạt động của thành phố và làm tăng nhiệt độ không khí. Ở tất cả các thành phố đều có thể quan sát thấy xu hướng này. Sự hình thành các đảo nhiệt đô thị là rõ nhất. Quy mô và hoạt động biến đổi của các đảo nhiệt đô thị phụ thuộc vào quy mô diện tích lãnh thổ, mật độ xây dựng cũng như các điều kiện kết hợp và tương phản với các đảo mát. Hoạt động của các đảo nhiệt bị ảnh hưởng đáng kể bởi công suất nhiệt của bề mặt hoạt động lớn của các thành phố, dân số, vị trí địa lý và một số điều kiện tự nhiên và khí hậu khác của khu vực. Cần lưu ý diện tích và thể tích của các thành phố càng lớn, hoạt động của bức xạ mặt trời cũng như độ tương phản nhiệt và chênh lệch nhiệt độ trong thành phố, giữa nội đô và ngoại ô thành phố sẽ càng lớn.

Sự khác biệt giữa các cụm đô thị và vùng ngoại ô càng rõ hơn nếu thời tiết nắng đẹp, và biến mất khi trời nhiều mây và gió thổi mạnh.

Sự hình thành các đảo nhiệt đô thị như một vùng có nhiệt độ không khí cao dưới dạng mái vòm, được tăng cường hơn bởi sự gia tăng nhiệt độ không khí bên trong thành phố. Kích thước và các chỉ số khác của đảo nhiệt phụ thuộc vào điều kiện khí tượng và đặc điểm quy hoạch đô thị. Trong điều kiện lặng gió, đảo nhiệt đô thị thể hiện sự ổn định. Gió và mưa có thể phá vỡ các đảo nhiệt. Sự hình thành đảo nhiệt trong phạm vi các khu vực xây dựng cao tầng tại các thành phố có rất nhiều hiệu ứng môi trường, cả tích cực và tiêu cực.

Tường xanh, mái nhà xanh và các công viên cây xanh giúp làm mát bầu không khí trong đô thị

Gió đóng vai trò hàng đầu trong các biện pháp bảo vệ và cải thiện môi trường sống vi mô, sinh thái của con người.

Sự lưu thông của các luồng không khí "thành phố-ngoại ô" có thể được coi gần giống như gió đồng. Các giá trị tối đa của cường độ đảo nhiệt được thiết lập khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa khu vực thành thị và ngoại ô. Cụ thể: khoảng 4°С đối với Stuttgart; khoảng 8°С đối với Moskva  và Berlin; khoảng 8,5°С đối với London...

Môi trường sống đô thị khác biệt đáng kể với môi trường tự nhiên, bởi trên lãnh thổ của một thành phố hiện đại luôn có nhiều công trình xây dựng, tồn tại nhiều ngành sản xuất, thiết bị công nghệ và phương tiện giao thông, tỷ lệ dân cư lớn hơn... tạo điều kiện để hình thành các đảo nhiệt. Sinh quyển bị thay đổi thực sự do hoạt động của con người; ngược lại, con người cũng cảm nhận sâu sắc hậu quả của những thay đổi trong sinh quyển. Sự xuất hiện của đảo nhiệt ở các khu vực thành thị là ví dụ rõ nhất, được chứng minh rõ ràng bằng biến đổi khí hậu tự nhiên tại các khu vực xây dựng cao tầng cũng như sự chuyển đổi tính lưu động của không khí giữa thành phố và các lãnh thổ cận biên.

Gradient nhiệt độ tương ứng với "vách đứng" của đảo nhiệt, được mặc định tại khu vực giáp ranh nội đô và ngoại thành. Gradient này có thể đạt tới 4°С. Nhiệt độ trong thành phố tăng nhẹ về phía trung tâm. Sự thay đổi đồng nhất này sẽ bị phá vỡ khi có sự hiện diện của các vùng mát (bao gồm công viên cây xanh, vườn hoa, không gian nước, cũng như các khu vực của các tòa nhà công nghiệp và hành chính). Những “đỉnh” đảo nhiệt nằm ở trung tâm thành phố. Thông thường, nhiệt độ tại đây đạt tối đa và có thể lên tới 50°C tại nhiều thành phố, thậm chí cao hơn.

Đã có rất nhiều công trình khoa học nghiên cứu quá trình hình thành đảo nhiệt. Tuy nhiên, cơ chế hình thành và biến đổi đảo nhiệt đô thị trong quá trình tương tác giữa mức độ phơi sáng và bề mặt hoạt động năng lượng của thành phố chưa được nghiên cứu, khám phá một cách đầy đủ. Thực tế này đòi hỏi phải có những nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực liên quan. Cần nghiên cứu các phương pháp tính toán thực tế để áp dụng trong thiết kế quy hoạch đô thị.

Cần lưu ý điều kiện tối ưu để hình thành đảo nhiệt cố định là hình thành gió yếu hoặc lặng gió và bầu trời không mây. Điều kiện khí hậu này đặc trưng cho nhiều thành phố nằm trong khoảng từ 0 - 45° vĩ Bắc và Nam tính từ đường xích đạo lên/xuống (Tirana, Bucharest ở châu Âu; Bern, Jakarta, Nicosia, Delhi ở châu Á; Abidjan, El Jazair, Yaounde ở châu Phi; Mexico city, Rio de Janeiro, Santiago ở châu Mỹ; Almaty, Dushanbe, Samarkand, Tashkent ở Trung Á; Krasnodar, Makhachkala, Novorossiysk, Astrakhan ở Bắc Kavkaz và khu vực phía Nam Liên bang Nga và nhiều thành phố khác.

Đánh giá sự hình thành đảo nhiệt ở các thành phố điển hình vùng Trung Á như Bishkek, Dushanbe, Tashkent và Buka, đặc trưng bởi mùa hè kéo dài 6–8 tháng với cường độ bức xạ mặt trời cao tới 980 W/m2, không khí nhiệt độ lên tới +45°C và độ ẩm thấp (25–30%) được thực hiện có tính đến các điều kiện sau:

- Khoảng thời gian phơi sáng của các khu vực đô thị, xét cả về chất lượng và số lượng;

- Mức độ hấp thụ nhiệt của bề mặt hoạt động của thành phố;

- Sự bức xạ hiệu quả của bề mặt hoạt động tích tụ nhiệt của công trình xây dựng;

- Tăng hấp thụ bức xạ sóng ngắn và tái tạo bức xạ sóng dài do “nén” các công trình xây dựng;

- Trữ lượng nhiệt lớn của thành phố sau khi phơi sáng vào ban ngày;

- Gia tăng các bề mặt gồ ghề trong thành phố do các tòa nhà cao thấp khác nhau;

- Việc giải phóng nhiệt do con người từ sự vận hành các công trình xây dựng;

- Giảm truyền nhiệt do giảm diện tích xanh và khu vực nước;

- Suy giảm khả năng truyền nhiệt (bằng cách bay hơi trên bề mặt hoạt động của các khu vực đô thị) do giảm diện tích cây xanh - mặt nước;

- Tăng nhiệt do sự trao đổi hỗn loạn (do tốc độ gió suy yếu) của các công trình đô thị bên trong trong khu vực.

Chênh lệch nhiệt độ không khí giữa khu vực đô thị và nông thôn, giữa nội đô và ngoại ô là rất đáng kể (tới 5 - 7°C). Sự tương phản nhiệt độ giữa thành phố và khu vực ngoại thị rõ nhất ở nửa sau của ngày, gần cuối chiều ngay trước khi mặt trời lặn, khi nhiệt tích tụ trên các bề mặt nhân tạo chịu nhiều nhiệt của các công trình đô thị được hứng nắng trực tiếp cả ngày. Trường nhiệt độ của khu vực đô thị được giới hạn bởi các đường cô lập khép kín giữa các khối nhà cao tầng dày đặc, giữa khu vực mới xây dựng và khu vực công viên cây xanh, vườn hoa, các khu vực nước đô thị. Trong phạm vi này, các điểm đảo nhiệt được hình thành.

Khi xem xét thành phố và cấu trúc hình thái phức tạp của thành phố như một mặt phẳng nằm ngang bị nung nóng dưới tác động của việc phơi sáng và sự gồ ghề bởi các tòa nhà có chiều cao và mật độ xây dựng khác nhau nhằm cung cấp không khí cho thành phố bằng các luồng gió cục bộ có nguồn gốc nhiệt, các tác giả nghiên cứu đã thiết lập được mô hình hình thành đảo nhiệt đô thị. Sự phụ thuộc của luồng không khí đối lưu có nguồn gốc nhiệt trên các đảo nhiệt và khu vực đô thị lân cận (về mặt vật lý và toán học) được hình thành trên cơ sở tổng hợp các nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực tế. Luồng khí này được hình thành trên bề mặt hoạt động nhiệt của thành phố trong thời gian phơi sáng. Sự phụ thuộc là cơ sở để đánh giá các thông số thông khí tự nhiên trong công trình đô thị.

Khi phân tích các mặt cắt thẳng đứng của tốc độ gió gần bề mặt và ở tầng không khí phía dưới, trong vùng hiện hữu và di chuyển của con người, sự hình thành các luồng gió cục bộ được ghi nhận. Tốc độ gió cục bộ bên trong cấu trúc quy hoạch không gian đô thị, tùy theo sự tương phản nhiệt độ 10–12°C giữa các đảo nhiệt và đảo mát, có thể đạt tới 3,5 m/s; còn ở mức cao hơn mức trung bình của mái nhà cao tầng có thể đạt 5 m/s.

Như vậy, giải pháp đúng đắn hơn cả để giảm ô nhiễm không khí ở các thành phố miền Nam có khí hậu nóng bức là điều chỉnh chế độ thông khí. Với tính chất đảo chiều của sự thay đổi nhiệt độ, mức độ ô nhiễm bầu khí quyển sẽ gia tăng. Tần suất đảo ngược bề mặt tối đa (96- 99%) được quan sát thấy vào ban đêm vào mùa hè. Điều này dẫn đến những hậu quả tiêu cực của sự biến đổi đảo nhiệt và hình thành sương mù.

Vai trò của gió cục bộ (được hình thành do hoạt động của đảo nhiệt đô thị và tăng cường thanh lọc các chất gây ô nhiễm khỏi bầu khí quyển) vô cùng quan trọng. Với sự phát triển của các gió này, các tạp chất gây ô nhiễm sẽ bốc lên các tầng trên của khí quyển (nhờ dòng đối lưu) và ở khoảng cách xa tiếp tục bị phân tán bởi nền gió hoàn lưu chung. Sức mạnh của các dòng đối lưu và bình lưu, hoạt động của chúng tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ của các đảo nhiệt gần đó (trong khu vực đô thị). Các dòng đối lưu và bình lưu giữa các điểm vi khí hậu nóng và mát tương phản, được hình thành do các giải pháp kiến trúc - bố cục và quy hoạch hình khối của các thiết chế đô thị, cũng như các công cụ cải thiện cảnh quan, phủ xanh, tiểu cảnh kiến trúc trong các khu vực đô thị... góp phần phân tán khí thải độc hại do con người tạo ra, nhờ vậy giảm nồng độ của các khí này.

Các kết quả nghiên cứu đã xác lập tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm xác định những thay đổi mang tính chuyển đổi trên các đảo nhiệt đô thị ở tầm vĩ mô, trung bình, vi mô và siêu vi với các phương pháp xây dựng - kiến ​​trúc và các công cụ điều chỉnh vi khí hậu và khí hậu sinh thái.

GS.TS. Kuchekova  Ludmila - Trưởng khoa Môi trường đô thị, Đại học Tổng hợp Quốc gia Nam Ural

Nguồn: Bản tin điện tử ĐHTHQG Nam Ural (Nga) tháng 1/2023

ND: Lệ Minh