Giảiphápvật lí cho bài toán nhiệt đô thị - Phần 2 Các bề mặt nguội Việc tăng suất phản chiếu củacác tòa nhàvà đường xáđể chúngphản xạ nhiều ánh sáng mặt trời hơn làmộtphươngpháp đã đượcsử dụng trong hàngthế kỉ ở Địa Trung Hải– hãy nghĩ tới những ngôi nhàquétvôi trắngở Hi Lạp,miền nam Italyvà Tây Ban Nha. Tạiphòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeleyở California,tínhhiệuquả của phươngpháp này đã đượcnghiên cứubởi Nhóm Nghiêncứu Hòn đảo Nhiệt Đô thị, đứngđầu lànhàvật líHashemAkbari. Tácdụng làm nguội củacác mái nhà tùythuộc và cáctính chất phảnchiếu và phátxạ của nó – khả năngcủa nó phản xạ các bước sóng ngắn như ánh sáng khả kiến vàbức xạ hồng ngoại gần,vàphát rabức xạ nhiệt trong vùng hồng ngoại xa.Trongkhinhững bề mặt sơn màu trắng bìnhthường giữ nguội tốt, thì người ta còn có thể chế tạo các bề mặtnguội sơnmàu trung-bình-tối, loại dễ bắt gặp hơntrên các mái nhà hiện nay. Các bề mặt này đượctạora bằng cách kết hợp mộtlớp sơn nềnphản xạ, thí dụ như titaniumdioxide trắng,với một sắctố tối hơn có hệ số phản xạ khả kiến vừa phải, thí dụ như oxidesắt đỏ hoặc peryleneđen. Từ hồi năm 1999, nhóm của Akbari đã chứngtỏ được rằng “những bề mặt nguội” này có thể làmgiảm nhiệt độ cực đại của các mái nhàvà vỉa hè ở Californiatừ 50 o C xuống còn khoảng 30 o C. Cũng nhóm trên đã nghiên cứu các ứng dụngcủa sự làm nguội nàycho các tòa nhà tư nhân. Trước tiên, các nhà nghiêncứu so sánh hiệu suất nhiệt của các tòa nhà thông thườngvới các tòa nhà giống hệt cómái nhà phủ các bề mặt nguội. Những thínghiệm kiểmtra này chothấyvào mùa hè, các bề mặt nguội thường làm giảm chi phíđiều hòa không khí đi 20-30%.Tuy nhiên, nhữngthí nghiệm nàyđã bỏ qua tác dụng làm nguội lũy tích có thể thu đượctừ việc sử dụng quy mô lớn các chất liệu nguội trong toàn thànhphố. Để nghiên cứu tác dụng củacác chất liệu nguội trên hòn đảo nhiệt đô thị, nhóm của Akbariphải sử dụng cácphươngpháp gián tiếp hơn,vì rõ ràng việc tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm có điều khiển so sánhhaithànhphố giống hệt nhau về mọi phươngdiện, ngoại trừ sự che phủ bề mặt của chúng,là hoàn toàn khôngkhả thi. Cái cácnhà nghiêncứu đã làm làmô phỏngnhiệt độ không khí ở khu vực Los Angeles,sử dụng các môhìnhkhí hậu chạy trên máy tính cực mạnhvà phức tạp. Các phép tínhcho thấy hònđảo nhiệt đô thị có thể giảm đi 2 o C nếutoàn bộ các tòanhà và đường xáđược phủ những bề mặt có suất phản xạ cao hơn hiện nay 30%.Sự giảmnhiệtđộ này làm giảm chi phí điều hòakhôngkhí vào mùa hè đi thêm2-3%nữa. Phủ xanh các tòa nhà Một phương pháp kiểm soát hòn đảonhiệtđô thị có khả năngcòn hiệu quả hơnso với sử dụngcác bề mặt nguội là gia tăngsuất phản xạ lẫn sự nguội đi dobay hơi của các thành phố thôngqua câycối và nước. Lại một lần nữa, phương pháp này đã được sử dụng phổ biến từ lâu ở các thành phố thuộcĐịa TrungHải, nơi có những quãng trườngmát mẻ và những con đườnglớn phủ đầy bóng cây và được làm mát bằngnhững vòi phunnước. Các nhà nghiên cứu ở Mĩ, thí dụ như nhóm củaAkbari và Cục Lâmnghiệp thuộcBộ Nông nghiệp Hoa Kì(USDA) do DavidNowak lãnh đạo, chủ yếu tập trung vào khảo sát xembóng cây cóthể làm chiphí điều hòa không khícủa cáctòa nhà như thế nào. Các thí nghiệm và mô phỏng máy tính chứngtỏ rằng một số cây xanh lớn được trồng có chiếnlượcở phíanamvà phía tây củacác tòa nhàcó thể cắt giảm chi phínày đi khoảng 30%. Tuy nhiên, tác dụng làm nguội của cây xanhhiện có ở thành phố mà họ nghiên cứu – Chicago– chỉ vào khoảng4-5% do độ che phủ hạn chế của thànhphố này, đặc biệt là ở những khuvực xây dựng cao tầng tập trung. Trongkhi đó,các nhànghiên cứu ở Đức vàCanada tập trung vàocác tác dụngcủa một phương phápkhác: đưa cây cối lên trên nóc củacáctòa nhàđể tạo ra những “mái nhà xanh”. Các nghiên cứu doBradBassvà nhómcủaông ở Trungtâm Môitrường tại trườngĐại học Torontothực hiện hồi năm 2008chothấy bằng cách sử dụng cácmái nhà xanh, chi phí điều hòa không khícó thể giảm đi tới 70%ở những căn nhà một tầng docây cối làm nguội mái nhà qua sự thoát hơi nướcvà do đất trồng tách li các phòng ốc bên dưới khỏi dòngnhiệt. Tuy nhiên, những chi phí tiết kiệm này tương ứnggiảm đi khoảng 30%và20% đối với các tòa nhàhai và ba tầng. Phủ xanh đường phố Việc xác định xemcây cối có hiệu quả như thế nào đối với sự nguội đi của một thànhphố tỏ ra khó hơn nhiều, do tínhphức tạp của nó; cây cối làmtăng suất phản xạ lẫn sự nguội đi do bốc hơi,và có rất nhiều tầng lá cây, đó là cái khó thể hiện trongcác mô hình khí hậu vùng.Một nỗ lực như vậy đã được thựchiện bởi Limor Shashua-Bar vàMilo Hoffman thuộc ViệnCông nghệ TechnionIsrael, họ nhậnthấy rằng các đườngphố phủ nhiều cây xanh ở Tel Avivcó thể có nhiệtđộ khôngkhí nguộihơn môi trường xung quanhđến4 o C. Tuynhiên,các nhà nghiên cứu phải biểu diễn tác dụng của câyxanh không phải bằngmột mô hình chi tiết mà đơn giản là bởi sự giảm đi bức xạ tới khoảng 40%. Trước khi chúngta có thể lập mô phỏng chínhxác các tácdụng củacây xanh lên hòn đảo nhiệt đô thị, rõ ràng chúng ta cần phải biết nhiều thứ hơn. Một phương pháp xácđịnh cái gì đang xảy ra,thực hiện bởi một nhóm ở trường Đại học Basel,Thụy Sĩ, đứng đầu là nhà thựcvật họcSebastian Leuzinger và nhàkhítượng học RolandVogt, là sử dụng mộtcamera nhiệt phân giải cao gắn trên trực thăng.Các nhà nghiên cứuđã đo nhiệtđộ bề mặt của cácbộ phận thuộc Basel vào một ngày mùa hè nắng nóng khi nhiệt độ không khí là 25 o C. Họ nhận thấyđườngphố đạt tới nhiệtđộ 37 o C và cácmái nhà là 45 o C, trong khinhiệt độ cây cối trung bìnhchỉ là 25 o C vàcácvật cónước là 18 o C. Những con số này cókhả năng cho vào mộtmô hìnhkhí hậu vùng để manglạimột gợi ýcủacác tác dụng của cây xanh lên nhiệtđộ không khí. Tuy nhiên, kết quả này đã bỏ quađộ cao của tán cây; nhưng tầng lá thấp hơn, bị những tầng lá trênche phủ, sẽ nguộihơn những tầng lá bên trên. Vì thế, cây xanhsẽ mang lại sự làm nguội nhiềuhơn cái đượctiên đoán từ các phép đocameranhiệt. Để giải quyết vấn đề này, nhóm củatôitại trườngĐại học Manchester, bao gồm cácnhà vật lí, nhà sinh họcvànhà lập kế hoạch, đã sử dụng một mô hìnhcân bằngnăng lượng đơn giản để tính ranhiệt độ bề mặtcủa cây cối, các tòa nhàvà đườngphố tiêu biểu (hình1). Vốnđược phát triển ban đầubởi Chih Pin Tso,khi đó làm việc tại trườngĐại học Malaya,KualaLumpur, vào thậpniên 1990,môhình trên đề xuấtrằngcây xanh có tácdụnghiệu quả hơn so với các phépđo nhiệtcủa Basel đề xuất. Vào những ngày nắngnóng, nhiệt độ cực đại theo dự đoán của vùng rừngnguội hơn 18-25 o C sovới nhiệt độ của các tòa nhàvà đường phố. Nhóm của chúng tôiđã sử dụng khuvực Greater Manchester làm một trường hợp nghiên cứu, vùng này baogồm toàn bộ thành phố Manchestervà các đô thị vệ tinh củanó. Trước tiên, chúngtôi phân loại kiểu cây xanh củakhu vực bằngảnh chụp từ trên máy bay (hình2) và nhậnthấy rằng, thật bất ngờ đối với một khuvực xây dựng công nghiệp, 59%vùngGreater Manchesterđược bao phủ bởi cây xanhthoát hơi nước. Tất nhiên, độ bao phủ cây xanh,và do đó nhiệt độ bề mặtmà mô hìnhtiên đoán,khôngđồng đều trong toàn khuvực.Các khuvựcđông đúc như trung tâm thành phố có độ che phủ cây xanh chưa tới 30%và nóng hơn các không gianxanhtới 13 o C. Chúng tôi còn thao tác với không gianxanhtrong mô hình để tiến hành các “thí nghiệm” thông thườngkhôngthể thực hiện được. Chẳng hạn, chúng tôi đã chứng minhđượcrằngviệc bổ sung thêm 10%độ che phủ cây xanh chocáctrung tâm thành phố sẽ làm giảm nhiệt độ bề mặt cựcđại đi khoảng 4 o C. Tuynhiên,các kết quả nghiên cứu củachúngtôi thật sự cần phải đưa vào một mô hình khí hậu vùngđể có thể tính ra nhiệt độ không khí. Hình 2.Sự phân bố không đồng đều củacác bề mặt thoát hơi nướcxung quanh vùngGreater Manchesterở Anh. Một cái nữacác nhà khoahọc cần phải khámphá ralà câyxanhvàthảm có tác dụnglàm nguội tốt như thế nào so với các đốitượngkhác.Cách tốtnhấtthực hiện điều nàylà khảo sát sự cân bằng năng lượng của các bề mặtmột cách trực tiếp hơn. Vì cây xanh tự nguội đi bởisự thoát hơi nước, và nhiệt hóa hơi của nước là không đổiở mức 2,43 kJ/gram, nên sự làm nguội domột cây xanh mang lại tỉ lệ với tốcđộ mất nướccủa nó. Người ta có thể trông đợicây cối mang lại sự làm nguộinhiều hơn cỏ, vì lá của chúng được giữ cao hơn phía trên mặtđất và vì thế sẽ mấtnước nhanhhơn, giốngnhư việc phơi quầnáo trênsào; mặtkhác, cây xanh dẫn nước lên lácủachúng phải kháng lại trọng lực.Các nhà vật lí môi trường và các nhà thực vật họcđã phát triển các kĩ thuật đo sự mất nước, chúng sẽ cho phép chúngta kiểm tra nhữngý tưởngnày. Sự mất nước ở cỏ đượcđo tốt hơnbằng cách gắn lớp cỏ lên trên một cái cân nhạy và theo dõi sự mất trọnglượngtrongngày. Sự mất nước ở cây cốiđược đo bằngthước đo dòng nhựa: một vòngđệm làm nóng bằng điện áp các xung nhiệt vào thân cây để làm nóng nhựa cây bên trong. Dụngcụ gắn cao trênthâncây theo dõi nhiệt độ ở đó, chophéptính ravậntốc và,do đó, thể tích dòngnước dâng lên thân cây. Sử dụng những kĩ thuật này, nhiềunghiên cứudo cácnhà lâm học và nônghọc thực hiệnnhận thấy cácrừng cây và thảm cỏ có sự nguội đi dobay hơi là 100–200W m –2 . Nhưng ítcó thôngtinnào như thế này đối với thảm cỏ và cây cối ở đô thị -cho nên việc nghiêncứu thực nghiệm là hết sức cần thiết. Bức xạ từ Mặt trời Một lợi ích khí hậu tối hậu của cây xanhlà mang lại những ốc đảo mát mẻ để nghỉ dưỡng. Nhiều nghiên cứu, do đó, đã sosánh nhiệt độ không khí trongcác công viên với nhiệtđộ không khítrên đường phố xung quanh,chỉ để nhận ra rằng, ngoại trừ vào nhữngngày thật sự lặng gió, sự chênh lệch nhiệt độ là khá nhỏ - thường chưa tới 1 o C, vì khôngkhí ấm từ môi trường xungquanhcứ thổi vào công viên. Vậy thì tại saokhi ở trongcông viên chúng ta cảm thấy mát mẻ hơn, và bóng cây thật sự có tác dụng gì? Để trả lời nhữngcâu hỏi này,chúngta phải xét sự cânbằng nhiệt củamột người. Ở trạng thái nghỉ, cơ thể một ngườisản sinhra nhiệt ở tốc độ khỏng 60 W m –2 bề mặt cơ thể của chúng ta.Chúng ta cảm thấy nóng như thế nào là tùy thuộcvào chỗ chúng ta có thể mất nhiệt làm nóng môi trường xungquanhchúng ta đềuđặn như thế nào. Thậtbất ngờ, ngoại trừ trong những cơn gió rấtcao,chúng ta mất rất ítnhiệt bởi sự đối lưu – chỉ khoảng 9 Wm –2 – và khoảng 15 Wm –2 bởi sự bay hơi từ hơi thở của chúngta. Tuynhiên, mọi cá thể đềuphátra bức xạ hồng ngoại xa ở tốc độ tỉ lệ với lũy thừa bốn của nhiệt độ củachúng, nhưng chúng cũng hấp thụ bức xạ ấy từ môitrường xungquanhcủa chúng. Dođó, nếu môi trường xungquanhchúng ta lạnh hơn37 o C, thì rốt cuộc chúng ta có sự mất nhiệt do bức xạ. Ở ngoài một công viên đầybóng râm,chúng ta cảmthấy dễ chịu vì chúng ta bị vây quanh bởi nhữngtán lá mátlạnh.Ở trên một đườngphố rộng thênh thang, trái lại, chúng ta cảmthấy nóng hơnvì hainguyêndo: thứ nhất, chúng tanhận thêmtới 120 Wm –2 bức xạ sóng ngắn từ Mặt trờiđến;thứ hai, nhựa đườngxung quanh cũng nóng hơn,làm giảm sự mất nhiệtdo bứcxạ khoảng6 Wm –2 đối với mỗisự tăng nhiệt độ 1 o C. Trong nhữngđiều kiện như vậy, chúngta phải toátmồ hôi để giải thoát cho gánh nặng nhiệt bổ sung. Để nghiên cứu tầm quantrọng tươngđối của Mặt trời theobóng râm trên nhiệt độ của môi trườngxungquanh,chúngtôi đã thực hiện một thí nghiệm đơn giản vào mùahè năm2009.Thí nghiệm theodõi nhiệt độ bức xạ trên cỏ và các thảmbê tông,chúng hoặc nằmtrong bóngnắng vĩnh viễn hoặc nằm trongbóng cây vĩnh viễn. Chúngtôi thực hiệnthí nghiệmvới một nhiệt độ cầu, về cơ bản là một nhiệt kế gắn bên trong một quả cầu plastic màu xám.Giữ ở độ cao1,1 mét,thí nghiệmnày nhại lại các tínhchất nhiệt của một người trưởngthành mặcy phục. Chúng tôi nhậnthấy việc ở trên cỏ hoặc bêtông cóít ảnhhưởng lên nhiệt độ bức xạ; những điều kiện này bị ảnh hưởngnhiềuhơn bởi bóngrâm, chúng làm giảm nhiệt độ bức xạ cực đại lêntới 9 o C, từ 35 o C xuống 26 o C. Vì ngườitacó xu hướng cảm thấy khôngthoải mái ở nhữngnhiệtđộ bức xạ trên 24 o C, cho nên rõ ràng là bóng râm cótác dụng lớn lên cảm giác dễ chịu của mọi người, do đó xácnhận tầm quan trọng của cây xanh ở khu vực đô thị. Tác động lên chính sách đô thị Toàn bộ nghiêncứunày là dựng nên mộtbức tranh mô tả xemchúng ta có thể cải tạo các đô thị như thế nào: cây cốicó tiềm nănglớn nhất cải tiến các môi trường đô thị, còn những bề mặt nguội,cácmái nhà xanh và thậm chí “những bức tường sống” cóthể cải thiện hiệu suất môi trườngcủa từngtòa nhà một. Ngoài ra, hạ tầng kiếntrúc xanh còncó những lợi ích khác thí dụ như làm giảm sự ngập tràn ánh nắng chói chang và sự ô nhiễm hạt khôngkhí. Tuy vậy, rõ ràng vẫn có rất nhiều việc phải làm nữa. Chúngta khôngbiết những loài cây nào có thể làm mát đô thị và bắt giữ các hạt ô nhiễm tốt nhất, khôngbiết một cây to thìcó tốthơn nhiều cây nhỏ hay không, haycây rụng lá có tốt hơn câythường xanh hay không. Chúng ta cũng chẳngbiết hiệu quả của những loại thực vật khác nhausẽ thay đổinhư thế nào theo sự biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, chúng ta thật sự biết đủ để tácđộng đến các nhà hoạch định chínhsách. Các nhà khoahọcthuộc Cục Lâm nghiệpMĩ, chẳng hạn,đã hợp tácvới các nhà kinh tế học để ước tínhnhững lợi ích kinh tế củaviệc trồngcây xanh đườngphố, từ việclàm giảmchi phí năng lượngcho đến việc giảm chi phí chăm sóc sức khỏedo sự ô nhiễmkhôngkhí. Môhìnhkinh tế mà họ sángtạo ra – mô hình iTree–cho thấy với mỗi đô la đầu tư vào trồng vàbảo dưỡngcây xanh đường phố thì người ta tiết kiệm đượcnăm đô la. Ở NewYork,kiếnthức này, cùng với sự hậu thuẫn của thị trưởng MichaelBloomberg, đã đưa đếnviệc trồngmới 20.000 cây xanhđườngphố mỗi năm, còn thị trưởng London,BorisJohnson, cũng đã cam kết trồng mới thêm 10.000 cây xanh đường phố trong nhiệm kì chính trị củaông. Cùng với cây xanh, người ta còn triển khai giảipháp mái nhàxanhcho những tòa nhà mới mọcở các thành phố lớn. Thật vui khichúngta có thể nói rằngchính các nhà vật lí đanggópphần làmcho các thành phố của chúngta ngày mộtxanhhơn, dễ chịu hơn để sống. Tác giả Roland Ennos là một nhà nghiên cứu sinh thái học tại Khoa Các khoa học Sự sống tại trường Đại học Manchester, Anh quốc. . Giảiphápvật lí cho bài toán nhiệt đô thị - Phần 2 Các bề mặt nguội Việc tăng suất phản chiếu củacác tòa nhàvà đường xáđể chúngphản xạ nhiều ánh sáng mặt trời hơn làmộtphươngpháp đã đượcsử. cao hơn hiện nay 30%.Sự giảmnhiệtđộ này làm giảm chi phí điều hòakhôngkhí vào mùa hè đi thêm 2- 3 %nữa. Phủ xanh các tòa nhà Một phương pháp kiểm soát hòn đảonhiệtđô thị có khả năngcòn hiệu quả hơnso. xanh, người ta còn triển khai giảipháp mái nhàxanhcho những tòa nhà mới mọcở các thành phố lớn. Thật vui khichúngta có thể nói rằngchính các nhà vật lí đanggópphần làmcho các thành phố của chúngta