Hiện tượng đảo nhiệt dưới lòng đất, sự tác động âm thầm của biến đổi khí hậu ngầm đối với cơ sở hạ tầng dân sự
Vn-Z.vn Ngày 10 tháng 09 năm 2023, Gần đây, các nhà khoa học đã lần đầu tiên đánh giá tác động của hiện tượng đảo nhiệt ngầm đến lớp đất dưới lòng đất trong khu vực thành phố, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học "Communications Engineering". Nghiên cứu mới cho thấy rằng hiện tượng đảo nhiệt ngầm có thể đe dọa đến an toàn sử dụng của các công trình xây dựng và cơ sở hạ tầng khác.
Đảo nhiệt dưới lòng đất ảnh hưởng tới đời sống cư dân đô thị
Nguyên nhân hình thành hiện tượng đảo nhiệt ngầm chia thành hai loại chính. Thứ nhất là yếu tố nhân tạo, ví dụ như việc phát điện nhiệt để làm ấm bên trong các tòa nhà, các cơ sở hạ tầng liên quan sẽ liên tục tiêu thụ nhiệt năng dưới lòng đất; giao thông ngầm cũng ảnh hưởng đến trường nhiệt độ ban đầu dưới lòng đất, việc di chuyển và phanh của xe lửa cùng với nhiệt lượng sinh ra từ hành khách đều tạo ra nhiệt năng; các đường ống ngầm khác, cáp điện cao áp cũng sẽ tiêu thụ nhiệt năng.
Thứ hai là yếu tố khí hậu, có thể xem là hiệu ứng tích lũy của yếu tố nhân tạo trong vài thế kỷ qua. Ví dụ, hiệu ứng đảo nhiệt thành phố làm tăng nhiệt độ bề mặt đất, từ đó dẫn đến tăng nhiệt độ môi trường dưới lòng đất.
Hiệu ứng đảo nhiệt ngầm liên quan chặt chẽ đến mật độ dân số và tổng dân số của thành phố, và nó cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình, địa chất thủy văn của thành phố. Theo dữ liệu được các nhà khoa học công bố cho thấy, do hiệu ứng đảo nhiệt ngầm, nhiệt độ môi trường dưới lòng đất của các thành phố lớn trên thế giới tăng khoảng 0,1-2,5°C mỗi thập kỷ (ở độ sâu 100 mét dưới mặt đất). Ở một số khu vực thành phố có mật độ dân số cao, thậm chí đã xuất hiện hiện tượng nhiệt độ bất thường lên đến 20°C. Các nhà khoa học cho biết, hiệu ứng đảo nhiệt ngầm có thể mang đến nhiều nguy cơ tiềm ẩn mà con người không thể bỏ qua cho khu vực đô thị.
Hiệu ứng đảo nhiệt ngầm có thể gây ra nhiều hạn chế cho sự phát triển của cây cối, ô nhiễm nhiệt độ của nước dưới lòng đất và gây ra một loạt vấn đề về giao thông , vệ sinh công cộng. Ví dụ, đường ray của hệ thống đường sắt ngầm trở nên quá nóng, các tàu chỉ có thể di chuyển chậm hoặc thậm chí tạm ngừng hoạt động, vì thế sự chậm trễ trong dịch vụ giao thông công cộng có thể gây ra tổn thất kinh tế lớn. Nhiệt độ cực đoan dưới lòng đất cũng có thể gây ra sự không thoải mái và thậm chí gây ra các vấn đề sức khỏe cho con người, như chuột rút do nhiệt, mất nước, tăng huyết áp, hen suyễn và say nắng.
Chú ý hiện tượng Hiệu ứng đảo nhiệt ngầm “thầm lặng”
Chúng ta cần phải lưu ý là tác động của hiệu ứng đảo nhiệt ngầm đối với khu vực đô thị có vẻ như là một sự tác động trong "thầm lặng". Hiệu ứng đảo nhiệt ngầm có thể làm biến dạng hoặc làm mất chức năng của đất, đá, vật liệu xây dựng, một số thay đổi là không thể đảo ngược, dẫn đến sự sụp đổ nghiêm trọng của mặt đất, biến dạng nhà cửa và các vấn đề khác. Tuy nhiên, các công trình xây dựng nhà ở và cơ sở hạ tầng hiện có của con người chưa hoặc không tính đến hiệu ứng đảo nhiệt ngầm, do đó, chúng ta khó có thể đánh giá các vấn đề mà những cơ sở này có thể gặp phải sau giai đoạn vận hành.
Ảnh nature.com
Trong nghiên cứu gần đây , các nhà khoa học đã chọn khu vực vòng cung Chicago, nơi có mật độ dân số cao thứ hai ở Mỹ, làm khu vực nghiên cứu. Họ sử dụng mô hình số học của khu vực này cùng với dữ liệu từ nhiều cảm biến nhiệt không dây được lắp đặt trên bề mặt đất và dưới lòng đất để đánh giá tác động của hiệu ứng đảo nhiệt ngầm đối với cơ sở hạ tầng dân dụng.
Bằng cách thu thập và phân tích dữ liệu từ các cảm biến nhiệt, các nhà nghiên cứu có thể quan sát tác động của hiệu ứng đảo nhiệt ngầm đến các tầng đất dưới mặt đất xung quanh các công trình xây dựng. Dữ liệu này cung cấp thông tin về sự biến đổi nhiệt độ của đất và đá dưới lòng đất do hiệu ứng đảo nhiệt ngầm và các căng thẳng nhiệt dưới lòng đất có thể gây ra. Các nhà khoa học cũng tiến hành mô phỏng và phân tích dữ liệu này, từ đó có thể đánh giá tính an toàn và ổn định của công trình xây dựng và cơ sở hạ tầng trong điều kiện hiệu ứng đảo nhiệt ngầm.
Nghiên cứu cho thấy môi trường dưới lòng đất trong khu vực vòng cung Chicago đã gần như tiến gần đến sự bão hòa nhiệt, với mức tăng nhiệt trung bình hàng năm trong quá khứ khoảng 0,49°C (ở độ sâu 100 mét dưới mặt đất), và hiện tại khoảng 0,14°C. Dữ liệu cũng cho thấy theo thời gian, các lớp đất khác nhau sẽ trải qua các biến đổi nhiệt độ khác nhau. Sự khác biệt này phụ thuộc vào sự có mặt của nguồn nhiệt và vị trí của nguồn nhiệt, cấu trúc và mật độ của đất, khoảng cách đến bề mặt đất, các đặc tính vật lý nhiệt của bề mặt đất, sự có mặt của nước dưới đất và lưu lượng dòng chảy nước dưới đất, cùng nhiều yếu tố khác.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng, bỏ qua các yếu tố như khoảng cách đến nguồn nhiệt và bề mặt đất, một số loại đá vôi có sự biến đổi nhiệt độ đáng kể hơn so với các loại đá khác, nghĩa là đá vôi có điều kiện bão hòa nhiệt cao hơn so với các loại đá khác. Đây là một yếu tố không thể bỏ qua trong việc đánh giá tác động của hiệu ứng đảo nhiệt ngầm đối với cơ sở hạ tầng đô thị.
Thông qua việc nhận thức về sự khác biệt này, có thể nhận ra rằng các khu vực có sự hiện diện của đá vôi có thể có nguy cơ cao hơn về các vấn đề liên quan đến hiệu ứng đảo nhiệt ngầm, đòi hỏi các biện pháp đặc biệt để đảm bảo an toàn và ổn định của các công trình xây dựng và cơ sở hạ tầng trong những khu vực này.
Thu thập và cô lập nhiệt độ dưới lòng đất
Các nhà khoa học đã đề xuất hai cách để giảm thiểu đảo nhiệt dưới lòng đất.
Một là phương pháp sử dụng công nghệ năng lượng địa nhiệt nhằm thu thập phần lượng nhiệt thêm này. Điều này cũng cho thấy, mặc dù hiện tượng đảo nhiệt ngầm có thể gây ra một loạt vấn đề, nhưng đồng thời cũng mang đến một cơ hội, chúng ta có thể tận dụng lượng nhiệt này một cách hợp lý.
Hai là thay đổi và can thiệp vào môi trường dưới lòng đất, ví dụ như cải thiện hàng rào dưới đất hiện có hoặc xây dựng hàng rào dưới đất mới để cách ly nhiệt. Thường thì chúng ta chỉ thực hiện biện pháp can thiệp này khi công nghệ năng lượng địa nhiệt chưa được phát triển hoặc khi môi trường dưới lòng đất thực sự khắc nghiệt.
Các nhà khoa học cho rằng trong nghiên cứu đảo nhiệt dưới lòng đất, cần sử dụng toàn diện các phương tiện kỹ thuật vật lý và khoa học năng lượng để có thể đưa ra đề xuất sửa đổi chiến lược quy hoạch đô thị cho các thành phố trên khắp thế giới cả về mặt lý thuyết và kỹ thuật.
Vật lý học có thể giúp chúng ta hiểu cơ chế hình thành và lý thuyết truyền nhiệt trong đảo nhiệt ngầm. Thông qua nghiên cứu về dẫn nhiệt vỏ Trái đất, bức xạ nhiệt và dòng chảy nước dưới lòng đất, chúng ta có thể khám phá những nguyên lý và quy luật cơ bản của hiện tượng đảo nhiệt ngầm.
Các phương pháp kỹ thuật của khoa học năng lượng có thể được áp dụng để phát triển và ứng dụng các công nghệ liên quan đến sử dụng năng lượng. Ví dụ, các công nghệ sử dụng năng lượng địa nhiệt như điện năng địa nhiệt, hệ thống sưởi và làm lạnh địa nhiệt có thể giúp giảm ảnh hưởng của đảo nhiệt ngầm đối với thành phố. Ngoài ra, quản lý năng lượng và tối ưu hóa hệ thống năng lượng đô thị có thể cải thiện hiệu suất năng lượng, giảm tiêu thụ năng lượng và giảm tác động của đảo nhiệt ngầm.
Kết hợp các phương pháp kỹ thuật từ vật lý học và khoa học năng lượng, có thể đưa ra những khuyến nghị cụ thể về cách giảm thiểu và thích nghi với hiện tượng đảo nhiệt ngầm. Những khuyến nghị này có thể liên quan đến quy hoạch đô thị, thiết kế kiến trúc, quản lý năng lượng và chính sách, nhằm đảm bảo sự phát triển bền vững và khả năng thích nghi với biến đổi khí hậu của thành phố.
Bạn đọc có thể tham khảo thêm thông tin tại đây
www.nature.com
Đảo nhiệt dưới lòng đất ảnh hưởng tới đời sống cư dân đô thị
Nguyên nhân hình thành hiện tượng đảo nhiệt ngầm chia thành hai loại chính. Thứ nhất là yếu tố nhân tạo, ví dụ như việc phát điện nhiệt để làm ấm bên trong các tòa nhà, các cơ sở hạ tầng liên quan sẽ liên tục tiêu thụ nhiệt năng dưới lòng đất; giao thông ngầm cũng ảnh hưởng đến trường nhiệt độ ban đầu dưới lòng đất, việc di chuyển và phanh của xe lửa cùng với nhiệt lượng sinh ra từ hành khách đều tạo ra nhiệt năng; các đường ống ngầm khác, cáp điện cao áp cũng sẽ tiêu thụ nhiệt năng.
Hiệu ứng đảo nhiệt ngầm liên quan chặt chẽ đến mật độ dân số và tổng dân số của thành phố, và nó cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình, địa chất thủy văn của thành phố. Theo dữ liệu được các nhà khoa học công bố cho thấy, do hiệu ứng đảo nhiệt ngầm, nhiệt độ môi trường dưới lòng đất của các thành phố lớn trên thế giới tăng khoảng 0,1-2,5°C mỗi thập kỷ (ở độ sâu 100 mét dưới mặt đất). Ở một số khu vực thành phố có mật độ dân số cao, thậm chí đã xuất hiện hiện tượng nhiệt độ bất thường lên đến 20°C. Các nhà khoa học cho biết, hiệu ứng đảo nhiệt ngầm có thể mang đến nhiều nguy cơ tiềm ẩn mà con người không thể bỏ qua cho khu vực đô thị.
Hiệu ứng đảo nhiệt ngầm có thể gây ra nhiều hạn chế cho sự phát triển của cây cối, ô nhiễm nhiệt độ của nước dưới lòng đất và gây ra một loạt vấn đề về giao thông , vệ sinh công cộng. Ví dụ, đường ray của hệ thống đường sắt ngầm trở nên quá nóng, các tàu chỉ có thể di chuyển chậm hoặc thậm chí tạm ngừng hoạt động, vì thế sự chậm trễ trong dịch vụ giao thông công cộng có thể gây ra tổn thất kinh tế lớn. Nhiệt độ cực đoan dưới lòng đất cũng có thể gây ra sự không thoải mái và thậm chí gây ra các vấn đề sức khỏe cho con người, như chuột rút do nhiệt, mất nước, tăng huyết áp, hen suyễn và say nắng.
Chú ý hiện tượng Hiệu ứng đảo nhiệt ngầm “thầm lặng”
Chúng ta cần phải lưu ý là tác động của hiệu ứng đảo nhiệt ngầm đối với khu vực đô thị có vẻ như là một sự tác động trong "thầm lặng". Hiệu ứng đảo nhiệt ngầm có thể làm biến dạng hoặc làm mất chức năng của đất, đá, vật liệu xây dựng, một số thay đổi là không thể đảo ngược, dẫn đến sự sụp đổ nghiêm trọng của mặt đất, biến dạng nhà cửa và các vấn đề khác. Tuy nhiên, các công trình xây dựng nhà ở và cơ sở hạ tầng hiện có của con người chưa hoặc không tính đến hiệu ứng đảo nhiệt ngầm, do đó, chúng ta khó có thể đánh giá các vấn đề mà những cơ sở này có thể gặp phải sau giai đoạn vận hành.
Ảnh nature.com
Bằng cách thu thập và phân tích dữ liệu từ các cảm biến nhiệt, các nhà nghiên cứu có thể quan sát tác động của hiệu ứng đảo nhiệt ngầm đến các tầng đất dưới mặt đất xung quanh các công trình xây dựng. Dữ liệu này cung cấp thông tin về sự biến đổi nhiệt độ của đất và đá dưới lòng đất do hiệu ứng đảo nhiệt ngầm và các căng thẳng nhiệt dưới lòng đất có thể gây ra. Các nhà khoa học cũng tiến hành mô phỏng và phân tích dữ liệu này, từ đó có thể đánh giá tính an toàn và ổn định của công trình xây dựng và cơ sở hạ tầng trong điều kiện hiệu ứng đảo nhiệt ngầm.
Nghiên cứu cho thấy môi trường dưới lòng đất trong khu vực vòng cung Chicago đã gần như tiến gần đến sự bão hòa nhiệt, với mức tăng nhiệt trung bình hàng năm trong quá khứ khoảng 0,49°C (ở độ sâu 100 mét dưới mặt đất), và hiện tại khoảng 0,14°C. Dữ liệu cũng cho thấy theo thời gian, các lớp đất khác nhau sẽ trải qua các biến đổi nhiệt độ khác nhau. Sự khác biệt này phụ thuộc vào sự có mặt của nguồn nhiệt và vị trí của nguồn nhiệt, cấu trúc và mật độ của đất, khoảng cách đến bề mặt đất, các đặc tính vật lý nhiệt của bề mặt đất, sự có mặt của nước dưới đất và lưu lượng dòng chảy nước dưới đất, cùng nhiều yếu tố khác.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng, bỏ qua các yếu tố như khoảng cách đến nguồn nhiệt và bề mặt đất, một số loại đá vôi có sự biến đổi nhiệt độ đáng kể hơn so với các loại đá khác, nghĩa là đá vôi có điều kiện bão hòa nhiệt cao hơn so với các loại đá khác. Đây là một yếu tố không thể bỏ qua trong việc đánh giá tác động của hiệu ứng đảo nhiệt ngầm đối với cơ sở hạ tầng đô thị.
Thông qua việc nhận thức về sự khác biệt này, có thể nhận ra rằng các khu vực có sự hiện diện của đá vôi có thể có nguy cơ cao hơn về các vấn đề liên quan đến hiệu ứng đảo nhiệt ngầm, đòi hỏi các biện pháp đặc biệt để đảm bảo an toàn và ổn định của các công trình xây dựng và cơ sở hạ tầng trong những khu vực này.
Thu thập và cô lập nhiệt độ dưới lòng đất
Các nhà khoa học đã đề xuất hai cách để giảm thiểu đảo nhiệt dưới lòng đất.
Một là phương pháp sử dụng công nghệ năng lượng địa nhiệt nhằm thu thập phần lượng nhiệt thêm này. Điều này cũng cho thấy, mặc dù hiện tượng đảo nhiệt ngầm có thể gây ra một loạt vấn đề, nhưng đồng thời cũng mang đến một cơ hội, chúng ta có thể tận dụng lượng nhiệt này một cách hợp lý.
Hai là thay đổi và can thiệp vào môi trường dưới lòng đất, ví dụ như cải thiện hàng rào dưới đất hiện có hoặc xây dựng hàng rào dưới đất mới để cách ly nhiệt. Thường thì chúng ta chỉ thực hiện biện pháp can thiệp này khi công nghệ năng lượng địa nhiệt chưa được phát triển hoặc khi môi trường dưới lòng đất thực sự khắc nghiệt.
Các nhà khoa học cho rằng trong nghiên cứu đảo nhiệt dưới lòng đất, cần sử dụng toàn diện các phương tiện kỹ thuật vật lý và khoa học năng lượng để có thể đưa ra đề xuất sửa đổi chiến lược quy hoạch đô thị cho các thành phố trên khắp thế giới cả về mặt lý thuyết và kỹ thuật.
Vật lý học có thể giúp chúng ta hiểu cơ chế hình thành và lý thuyết truyền nhiệt trong đảo nhiệt ngầm. Thông qua nghiên cứu về dẫn nhiệt vỏ Trái đất, bức xạ nhiệt và dòng chảy nước dưới lòng đất, chúng ta có thể khám phá những nguyên lý và quy luật cơ bản của hiện tượng đảo nhiệt ngầm.
Các phương pháp kỹ thuật của khoa học năng lượng có thể được áp dụng để phát triển và ứng dụng các công nghệ liên quan đến sử dụng năng lượng. Ví dụ, các công nghệ sử dụng năng lượng địa nhiệt như điện năng địa nhiệt, hệ thống sưởi và làm lạnh địa nhiệt có thể giúp giảm ảnh hưởng của đảo nhiệt ngầm đối với thành phố. Ngoài ra, quản lý năng lượng và tối ưu hóa hệ thống năng lượng đô thị có thể cải thiện hiệu suất năng lượng, giảm tiêu thụ năng lượng và giảm tác động của đảo nhiệt ngầm.
Kết hợp các phương pháp kỹ thuật từ vật lý học và khoa học năng lượng, có thể đưa ra những khuyến nghị cụ thể về cách giảm thiểu và thích nghi với hiện tượng đảo nhiệt ngầm. Những khuyến nghị này có thể liên quan đến quy hoạch đô thị, thiết kế kiến trúc, quản lý năng lượng và chính sách, nhằm đảm bảo sự phát triển bền vững và khả năng thích nghi với biến đổi khí hậu của thành phố.
Bạn đọc có thể tham khảo thêm thông tin tại đây
The silent impact of underground climate change on civil infrastructure - Communications Engineering
Alessandro F. Rotta Loria explores the impact of subsurface urban heat islands on ground deformations as well as civil infrastructure performance. The results provide a meaningful reference to take account of rising ground temperatures for future civil construction design.
www.nature.com
