1.2. Tổng quan về cacbon đen
1.2.4. Tác động của hạt cacbon đen
a. Tác động của cacbon đen đến khí hậu toàn cầu
Cơ chế tác động của BC
BC ảnh hưởng đến hệ thống khí hậu thế giới thông qua một số cơ chế khác nhau dưới dây, các cơ chế này được liệt kê theo mức độ hiểu biết hiện nay:
i) Cơ chế hấp thụ trực tiếp bức xạ mặt trời đến;
ii) Cơ chế làm tối bề mặt tuyết và băng, làm giảm tỷ lệ albedo tức độ phản xạ bức xạ mặt trời thấp, gây ra xu hướng gia tăng tốc độ tan chảy băng tuyết;
iii) Cơ chế thay đổi số lượng và thành phần của các hạt nhỏ mà hơi nước ngưng tụ, ảnh hưởng đến tuổi thọ, độ phản xạ và tính ổn định của các đám mây [4], [6], [19].
17
Báo cáo AR5 của IPCC (2014) dù đều chỉ ra những kết quả tác động nhất định, nhưng trong khi các kiến thức về cơ chế tương tác bức xạ của BC cho thấy độ tin cậy cao, thì cơ chế tương tác với đám mây và cơ chế tác động của BC trên băng, tuyết vẫn còn nhiều nội dung cần được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn [19].
Cơ chế tác động trực tiếp
Các hạt BC hấp thụ ánh sáng mặt trời và làm nóng không khí do sự chuyển hoá năng lượng bị hấp thụ thành nhiệt năng. Quá trình làm ấm khí quyển này khác với các khí nhà kính như CO2 khi chúng cho phép ánh sáng mặt trời đi qua rồi hấp thụ nhiệt bức xạ của Trái Đất và phát lại lượng nhiệt đó vào bầu khí quyển. Do đó, BC có khả năng hấp thụ năng lượng lớn hơn CO2 gấp nhiều lần. Ước tính một ounce BC có thể hấp thụ năng lượng bức xạ lớn hơn một ounce CO2 khoảng một triệu lần [17]. Tuy nhiên, lượng phát thải CO2 cao hơn BC gấp 3000 lần và thời gian tồn tại trong khí quyển của nó lâu hơn 2.500 lần so với BC nên CO2 vẫn được coi là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng ấm lên toàn cầu. Khi các phân tử BC tồn tại lâu trong khí quyển, chúng được bao phủ bởi các loại hợp chất hoá học khác nhau làm gia tăng kích thước hạt và do đó các photon có trong ánh sáng mặt trời sẽ dễ dàng xảy ra va chạm với phân tử BC và bị hấp thụ. Cơ chế làm ấm Trái Đất của BC và CO2 được biểu diễn như sau:
Hình 1.6. Cơ chế tác động trực tiếp của cacbon đen trong khí quyển
Nguồn: John Bachman, 2009 [10]
Bức xạ hồng ngoại tỏa ra từ Trái Đất Bức xạ hồng ngoại giải phóng từ CO2, BC Cacbon đen
Khí nhà kính
18
Mặt trời phát ra các tia bức xạ theo mọi hướng (1), khoảng một nửa lượng bức xạ sẽ được hấp thụ bởi bề mặt Trái Đất, làm cho nó nóng lên và giãn nở ra;
khoảng 1/5 được hấp thụ vào khí quyển và phần còn lại bị phản xạ bởi bề mặt trái đất, bầu khí quyển và các đám mây. Khi bề mặt Trái Đất nóng lên, chúng sẽ toả nhiệt (hay bức xạ hồng ngoại) ra bên ngoài (3). Hầu hết bức xạ hồng ngoại từ bề mặt được hấp thụ bởi các khí nhà kính và các đám mây, sau đó lại được các tác nhân này giải phóng trở lại làm nóng bầu khí quyển và bề mặt trái đất (4). Trong khi đó, các hạt cacbon đen sẽ hấp thụ trực tiếp ánh sáng mặt trời đến và phản xạ lại đồng thời, qua đó làm nóng bầu khí quyển (5).
Quá trình làm nóng trong thực tế rất phức tạp do trong thành phần không khí gồm rất nhiều hỗn hợp các hạt khác nhau như chất hữu cơ, sulfat (sulfur dioxide), và nitrat (từ nitrogen oxides), nhờ đó tình trạng ấm lên do khí nhà kính và cacbon đen gây ra được giảm thiểu một phần nhờ sự tán xạ ánh sáng từ các hạt này. Quá trình tán xạ diễn ra làm giảm cường độ ánh sáng mặt trời chiếu tới bề mặt trái đất được gọi là cơ chế “làm mát”. Do đó, tỷ lệ tương đối giữa cacbon đen với các thành phần hạt còn lại là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tác động của các nguồn gây cháy đối với khí hậu. Có thể nói, các nguồn có tỷ lệ BC/OC cao hơn có xu hướng làm nóng toàn cầu mạnh hơn.
Cơ chế tác động gián tiếp
Cacbon đen và các hạt từ quá trình đốt cũng có thể tham gia vào một số cơ chế "gián tiếp" gây ra hiện tượng làm mát hoặc làm ấm khí quyển cũng như sự phân phối lại mưa và tuyết thông qua khả năng tương tác với các đám mây. Trong đó, các hạt có thể hòa tan trong nước như sulfat gây ra ảnh hưởng lớn hơn so với các hạt ít hòa tan như cacbon đen và hạt hữu cơ. Quá trình tác động diễn ra như sau:
Bầu khí quyển
Bề mặt Trái Đất
19
Hình 1.7. Cơ chế tác động gián tiếp của BC thông qua sự tương tác với đám mây Nguồn: John Bachman (2009) [10]
Đám mây chưa bị ô nhiễm được tạo ra nhờ hơi nước bốc hơi, gặp lạnh và ngưng tụ trong không khí, hình thành nên những hạt mây tự nhiên, có kích thước trung bình. Khi BC được hình thành, chúng sẽ thay thế các hạt trên xâm nhập vào quá trình tạo thành mây, qua đó làm giảm kích thước và số lượng của các giọt mây, làm tăng độ phản xạ và kéo dài tuổi thọ của đám mây nhưng cũng gây ra hiện tượng sụt giảm lượng mưa. Tuy nhiên, với đặc tính hấp thụ rất mạnh, BC sẽ dần dần làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của các giọt mây. Do đó, sự phóng thích bức xạ hấp thụ có thể làm cho đám mây co lại (tăng hiệu ứng ấm lên). Cuối cùng, BC sau khi rơi xuống theo mưa, được cố định, lắng đọng trên tuyết hoặc băng, sẽ hấp thụ ánh sáng mặt trời, kéo theo sự tan chảy, để lộ các bề mặt tối hơn bên dưới và tiếp tục hấp thụ ánh sáng mặt trời mạnh mẽ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tác động của BC
Vị trí địa lý và độ cao là hai yếu tố quyết định ảnh hưởng sự tác động của BC đến khí hậu toàn cầu. Với kích thước nhỏ, các hạt bụi tinh bao gồm cả BC có thể được vận chuyển ra xa nguồn thải hàng nghìn dặm, thậm chí đến các khu vực như Bắc Cực. Khi BC được phát tán hoặc lan truyền sang các bề mặt có độ phản chiếu cao như băng, tuyết và sa mạc, mức độ tác động của chúng đến sự hấp thụ bức xạ mặt trời trong không khí sẽ lớn hơn. Nếu không có BC, một lượng lớn ánh sáng mặt trời sẽ phản chiếu trên bề mặt băng tuyết và quay trở lại không gian bầu khí quyển.
Do đó, bất kỳ sự hấp thụ hay phản xạ ánh sáng nào của bụi trên các bề mặt này cũng sẽ dẫn đến sự ấm lên lớn hơn là sự hấp thụ ánh sáng của bụi trên các bề mặt thông thường. Cơ chế này giải thích tại sao các nghiên cứu trước đây đã tìm ra những ảnh hưởng của BC thường bùng nổ hơn ở vùng Bắc Cực và các vùng núi cao khác.
Ngoài ra, các hiệu ứng bức xạ của BC còn phụ thuộc mạnh mẽ vào độ cao.
Nghiên cứu của Ban -Weiss và cs (2011) cho thấy trong khi BC tại các vĩ độ thấp (nơi mà hầu hết BC trong thực tế được sinh ra) làm nóng bề mặt đáng kể, thì BC ở vĩ độ cao (tầng bình lưu hoặc trên tầng đối lưu) có thể làm giảm nhiệt độ bề mặt
20
[20]. Bên cạnh đó, tương tự như hiện tượng các hạt BC có thể lắng đọng trên băng tuyết, BC cũng có thể tích tụ dưới dạng lơ lửng trong các đám mây, giúp tăng khả năng hấp thụ cả bức xạ mặt trời đến và đi.
Sự khác nhau giữa cacbon đen và khí nhà kính
Sự khác biệt giữa BC và KNK được tóm tắt trong bảng dưới đây, nhưng đáng kể nhất là thời gian tồn lưu trong khí quyển. Những khác biệt này có liên quan trực tiếp tới mức độ ảnh hưởng của BC đến khí hậu và làm rõ tính hiệu quả của hoạt động giảm nhẹ BC so với giảm nhẹ CO2.
Bảng 1.3. Các đặc điểm khác nhau giữa cacbon đen và CO2
TT Đặc điểm BC CO2
1 Thời gian tồn tại Vài ngày đến vài tuần Vài thiên niên kỷ 2 Sự phân bố
trong khí quyển
Biến đổi theo thời gian và không gian, phụ thuộc nhiều
vào nguồn phát thải Phân bố rộng toàn cầu 3 Khả năng bức
xạ trực tiếp
Hấp thụ tất cả các bước sóng của bức xạ mặt trời
Chỉ hấp thụ bức xạ tia hồng ngoại
4 Sự tương tác với đám mây
Quá trình tương tác với đám mây có thể dẫn đến hiệu tượng làm ấm hoặc làm mát và tác động đến lượng mưa
Tăng tính axit của các hạt mưa
5 Vai trò gây ra
ấm lên toàn cầu Là tác nhân xếp thứ 3 (sau
CO2 và CH4) Là tác nhân chính 6 Gây mờ Góp phần làm mờ bề mặt
Không tác động trực tiếp đến quá trình làm mờ bề mặt
7 Axit hoá Không tác động đến quá trình axit hoá đại dương
Là nguyên nhân chính gây axit hoá đại dương
Trong khi các KNK có tuổi thọ khí quyển dài cho phép chúng hoà trộn với nhau trong bầu khí quyển và tiếp tục hấp thụ năng lượng trong nhiều thập niên hoặc nhiều thế kỷ thì BC sẽ được loại bỏ khỏi bầu khí quyển trong khoảng thời gian ngắn chỉ từ vài ngày tới vài tuần nhờ mưa hoặc sự lắng đọng bề mặt. Do thời gian tồn tại ngắn hạn nên các tác động của chúng vào quá trình làm mất cân bằng năng lượng của trái đất cũng được giảm nhẹ.
21
Do là một thành phần điển hình có trong bụi PM2,5, BC liên quan trực tiếp đến một loạt các tác động đối với sức khoẻ cộng đồng. Điều này cũng phân biệt nó với các KNK khi ảnh hưởng đến sức khoẻ con người của KNK chủ yếu thông qua các tác động của biến đổi khí hậu.
Nhờ đặc điểm dễ bị loại bỏ khỏi bầu khí quyển, việc giảm phát thải BC có thể đem lại hiệu quả ngay lập tức trong quá trình làm chậm lại tốc độ biến đổi khí hậu, đặc biệt đối với các vùng dễ bị tổn thương như Bắc cực và dãy Himalaya.
Trong khi nếu tập trung giảm phát thải các khí nhà kính, khí hậu cần một khoảng thời gian đáp ứng rất dài vì nồng độ KNK trong khí quyển - kết quả của quá trình tích lũy lượng khí thải trong quá khứ và hiện tại - vẫn tương đối ổn định trong suốt hàng thế kỷ qua. Ngược lại, chúng ta vẫn phải lưu ý rằng thời gian tồn tại ngắn hạn của BC cũng đồng nghĩa với việc giảm phát thải BC sẽ ít ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ vốn đã bị biến đổi do KNK từ trước đó. Vì vậy, chỉ có cách giảm thiểu KNK mới có thể ngăn ngừa sự thay đổi khí hậu lâu dài. Tuy nhiên, để tránh quá trình nhiệt độ tiếp tục tăng cao và đạt tới ngưỡng, các hành động, kế hoạch giảm thiểu BC trong tương lai vẫn có tính cấp thiết và quan trọng đặc biệt nhằm góp phần làm giảm sự nóng lên của Trái Đất.
b. Tác động đến sức khoẻ con người
Cơ chế tác động thông qua bụi của BC đến sức khoẻ
Một số nghiên cứu dịch tễ học đã khoanh nhóm BC như là một trong các chỉ số về ô nhiễm không khí bụi. Do BC là thành phần chính trong khối lượng PM2,5 nên những tác động quan sát được của BC trong các nghiên cứu sức khoẻ cũng tương tự như những quan sát cho PM2,5 và một số thành phần PM khác (như niken,
22 vanadium).
Hình 1.8. Quá trình xâm nhập của bụi vào hệ hô hấp
Nguồn: Zala Jenko Pražnikar và Jure Pražnikar, (2011) [21]
Sau khi bị hít phải, phần lớn bụi thô (PM10) lắng đọng trong vùng mũi, vùng họng và thanh quản, PM5 được lắng đọng trong khí quản, còn các hạt mịn và cực mịn (PM2,5 – 0,1), do kích thước siêu vi của chúng, đi vào sâu vào phổi, trong ống dẫn và túi phổi.
Mức độ ô nhiễm không khí và tỉ lệ tử vong do mắc các bệnh hô hấp có mối quan hệ mật thiết với nhau, đặc biệt là mối tương quan giữa ô nhiễm không khí đô thị (đặc biệt là giao thông đường bộ) tới các triệu chứng hô hấp ở trẻ em. Nồng độ bụi càng cao thì xu hướng gia tăng các bệnh hô hấp dị ứng và hen phế quản càng lớn. Các nghiên cứu trước đây đã khẳng định rằng ô nhiễm không khí có thể tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm nhập của các chất gây dị ứng vào tế bào hệ miễn dịch, từ đó làm tăng sự nhạy cảm của đường thở.
Tuy nguy cơ các vấn đề về tim mạch liên quan đến ô nhiễm không khí hạt mịn có thể nhỏ hơn so với các nguy cơ truyền thống như hút thuốc lá, béo phì, tiểu đường nhưng tính chất của sự ô nhiễm không khí khiến mức độ và quy mô bị ảnh hưởng lại rộng hơn nhiều lần [22]. Do đó các tác động của bụi đến hệ tim mạch tuy ít nhưng sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ cộng đồng.
Tác động trực tiếp của cacbon đen đến sức khoẻ con người
Nghiên cứu gây chú ý nhất liên quan đến tim mạch trong những năm gần đây là sự phơi nhiễm BC trong thời gian lâu dài có thể ảnh hưởng lớn đến hệ thống mạch máu trong cơ thể [23]. Nghiên cứu mới này đã chỉ ra có tồn tại một mối tương quan giữa các hạt BC trong môi trường xung quanh với sự sụt giảm hệ thống mạch máu. Các tác giả nhận thấy rằng sự gia tăng nồng độ BC trung bình có liên quan đến các phản ứng gây ra hiện tượng suy giảm mạch máu trong nhóm bệnh nhân mắc bệnh tiểu đường.
Một số nghiên cứu sau khi thí nghiệm độc tính của BC trên động vật và nhận thấy rằng BC có thể gây ra ảnh hưởng đến rối loạn nhịp tim, co bóp tim và phản
23
ứng kích ứng oxy hóa, cung cấp một bằng chứng sinh học xác đáng chứng minh những tác động lâu dài của BC đến vấn đề tim mạch [24], [25]. Gan & cs (2011)đã thực hiện một nghiên cứu đoàn hệ dựa trên các trường hợp bệnh nhân tử vong hoặc phải nhập viện do bệnh mạch vành đối với toàn bộ 450.000 người dân ở Vancouver (Canada). Với cùng nồng độ trên 1 μg/m3, và tương đồng về giới tính, độ tuổi, tình trạng sức khoẻ cũng như điều kiện sống, tỷ lệ rủi ro tử vong vì bệnh tim mạch vành do BC gây ra (RR 1.06) cao gấp 10 lần so với PM2,5 (RR 1.006) [25].
Năm 2010, Clark và cs tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của việc tiếp xúc với ô nhiễm không khí xung quanh đến tử cung của phụ nữ có thai. Kết quả cho thấy, trong năm đầu tiên khi chào đời, đứa bé có nguy cơ bị mắc bệnh hen suyễn bẩm sinh và tỷ lệ tăng nguy cơ mắc bệnh hen suyễn do phơi nhiễm BC vào khoảng 14%
[26]. Bên cạnh đó, một nghiên cứu của Suglia và cs (2008)cũng thống kê rằng nồng độ BC cao trong không khí có liên quan đến suy giảm chức năng nhận thức, trí tuệ và khả năng ghi nhớ đối với trẻ em (nghiên cứu thực hiện trên đối tượng có độ tuổi trung bình = 9,7 tuổi) [27].
Từ đó, ta thấy nồng độ BC trong môi trường xung quanh là nguyên nhân gây nên các tác động lớn đến sức khoẻ con người và sinh vật, từ các triệu chứng cận lâm sàng (như thay đổi huyết áp, rối loạn nhịp tim, …) đến các triệu chứng bệnh chuyên sâu cần cấp cứu và điều trị lâu dài.
c. Một số tác động khác của các bon đen
Giảm tầm nhìn
BC nói riêng và các hạt ô nhiễm trong không khí là tác nhân chính gây ra sự suy giảm tầm nhìn, hay gọi là hiện tượng “Sương khói” ở các đô thị lớn. Tương tự như cách mà các hạt BC ảnh hưởng đến sự cân bằng bức xạ của Trái đất bằng cách tán xạ hoặc hấp thụ bức xạ mặt trời, chúng ảnh hưởng đến số lượng và chất lượng ánh sáng mà mắt người nhận được. Và trong điều kiện độ ẩm thấp, BC và OC là hai thành phần có khả năng ảnh hưởng lớn nhất đến tầm nhìn so với các dạng bụi hạt khác. Với mỗi đơn vị khối lượng, hiệu suất BC hấp thụ lớn hơn hiệu suất OC tán xạ ánh sáng gấp 2,5 lần [4].
24
Thiệt hại mùa màng
Do sản lượng cây trồng có tính nhạy cảm với lượng ánh sáng mặt trời nhận được, trong khi BC và các hạt trong không khí khác góp phần làm giảm lượng bức xạ nhiệt trực tiếp của mặt trời xuống bề mặt Trái Đất nên đã gây ra thiệt hại cây trồng ở một số khu vực trên thế giới. Chameides và cs, (1999) và Auffhammer và cs (2006) lần lượt phát hiện rằng chính quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch và sinh khối là nguyên nhân gây ra tình trạng giảm năng suất thu hoạch lúa ở Ấn Độ và Trung Quốc [28], [29].
Ăn mòn kim loại
Vật liệu xây dựng (kim loại, đá, xi măng và sơn) luôn trải qua một quá trình phong hóa tự nhiên do phải tiếp xúc với một loạt các yếu tố môi trường như: gió, độ ẩm, biến động nhiệt độ, ánh sáng mặt trời, …. Sự lắng đọng của bụi cũng liên quan mạnh mẽ đến các thiệt hại về chất lượng vật liệu hay làm suy giảm thẩm mỹ công trình bởi chúng thúc đẩy tốc độ ăn mòn kim loại, làm giảm nước sơn và lớp bao phủ, kéo theo sự xuống cấp các vật liệu xây dựng.