Giải pháp vật lí cho bài toán nhiệt đô thị

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giải pháp vật lí cho bài toán nhiệt đô thị Giải pháp vật lí cho bài toán nhiệt đô thị Mùa hè ở thành phố có thể đang thật ngột ngạt, với nhiệt lượng tuôn ra từnhựa trải đường và máy điều hòa không khí. Nhưng những bề mặt thích hợp vàcây cối có thể làm cho môi trường ngoại ô là nơi mát mẻ hơn, rẻ hơn và xanh sạchhơn 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 mìnhvào mép nước trên bãi cát, thả bộ trong công viên và ăn kem, hoặc bật nắp mộtchai bia mát lạnh khi ngồi với một bữa tiệc ngoài trời. Nhưng nếu bạn sinh sống ởthành phố - và hơn nửa dân số thế giới ngày nay là như vậy – thì thú vui mùa hècủa bạn có lẽ bị giảm sút nhiều do môi trường xung quanh. Các thành phố là nhữngnơi nóng rát, ồn ào với chất lượng không khí tồi tệ luôn sẵn sàng hưởng ứng mưagió trong những đợt giông bão. Trong thành phố, chúng ta đang tiêu hao phung phínhững lượng lớn năng lượng cho việc làm mát vào mùa hè, sưởi ấm vào mùa đôngvà đi lại trong suốt cả năm. Biến các thành phố thành nơi dễ chịu hơn và thoải máihơn để sinh sống, do đó, là một trong những mục tiêu chủ yếu của nghiên cứu môitrường, 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 kháiniệm vật lí. Các nhà vật lí trên khắp thế giới, đặc biệt là những người đang nghiên cứutrong lĩnh vực vật lí môi trường và khí tượng học, hiện đang hợp tác với các nhàkhoa học thuộc những phân ngành khác để nghiên cứu hiệu quả môi trường củacác 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 ngàymột mở rộng hơn, và sự chênh lệch nhiệt độ đó ngày một lớn hơn. Để tìm hiểunguyên 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 lượngtrong các thành phố, nhưng đây lại là một thành phồ nhỏ đến bất ngờ của sự cânbằng nhiệt của chúng – chỉ khoảng 50 W m–2. Ngoại trừ vào mùa đông, con số nàyrõ ràng là nhỏ so với năng lượng chúng ta thu nhận từ Mặt trời, năng lượng đóthậm chí ở nước Anh cũng có cực đại là hơn 800 W m–2. Sự chênh lệch nhiệt độ củathành phố và vùng quê xung quanh, vì thế, chủ yếu là do cái xảy ra với năng lượngMặt trời trong hai môi trường đó. Ở khu vực nông thôn, cây cối phản xạ khoảng một phần tư bức xạ sóng ngắntới (ánh sáng nhìn thấy hoặc những bước sóng ngắn hơn). Trong số ba phần tư bịhấp thụ, phần lớn năng lượng được sử dụng để làm bay hơi nước từ lá cây – mộtquá trình gọi là “thoát hơi nước”. Quá trình này làm mát cây cối, do đó phát ra ítbức xạ sóng dài (hồng ngoại), và còn làm giảm phần năng lượng còn lại để làmnóng 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 vàđường 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 phảnchiếu” 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 xạtrở xuống các “hẻm núi” đô thị. Hầu như toàn bộ năng lượng này đi vào làm nóngđường phố khô ráo và các mái nhà, nơi nó được trữ lại bên trong gạch vữa, hoặclàm nóng không khí phía bên trên, do đó làm tăng nhiệt độ không khí và nhiệt độmặt 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 phốcó ít sự phản xạ và bay hơi hơn, nhưng đối lưu nhiệt nhiều hơn và trữ lại một phầnnhiệt 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 cóthể trở nên dễ nhận thấy hơn nữa. Các thành phố nguội đi từ từ vì có nhiều nhiệttrữ lại trong các tòa nhà của nó, chúng liên tục tiêu tán nhiệt vào bầu không khíđêm; vì có nhiều chất ô nhiễm bắt giữ bức xạ sóng dài; và bên trong các hẻm núi đôthị, có ít không gian bầu trời thoáng đãng phía trên có thể nhìn thấy, cho nên có ítbức xạ có thể thoát ra ngoài hơn. Tất cả những điều này đang gây khổ sở cho cư dân đô thị. Sự gia tăng nhiệtđộ không khí đô thị so với nhiệt độ của vùng quê xung quanh, cái có thể đạt tới 7 °Cở một thủ phủ như London, khiến cho các thành phố là những nơi kém dễ chịu hơnđể sinh sống trong những tháng mùa hè. Nhiệt độ vút lên cũng làm tăng nguy cơbệnh tật và thậm chí có thể giết người trong những đợt nắng nóng: người ta chorằng 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 ...