Đảo nhiệt đô thị (urban heat island) là hiện tượng khu vực đô thị có nhiệt độ cao hơn rõ rệt so với vùng nông thôn xung quanh, chủ yếu do bề mặt nhân tạo hấp thụ và tích trữ nhiệt, thiếu cây xanh và mặt nước để làm mát bằng bay hơi, và nhiệt thải từ hoạt động con người. Chênh lệch nhiệt độ không khí thường lớn nhất vào ban đêm trong những ngày trời quang, gió lặng.
Hiện tượng này không chỉ là vấn đề dễ chịu hay không. Trong các đợt nắng nóng, đêm không hạ nhiệt khiến cơ thể không phục hồi được, làm tăng nguy cơ bệnh tật và tử vong ở người già, người có bệnh nền, lao động ngoài trời. Nó cũng làm tăng nhu cầu điện cho điều hoà, và chính điều hoà lại thải thêm nhiệt ra đường phố.
Bài này giải thích cơ chế vật lý của đảo nhiệt, cách đo đúng, tác động và hiệu quả thực tế của từng biện pháp làm mát, từ cây xanh tới mái mát, cùng những điều đặc thù khi áp dụng ở khí hậu nóng ẩm như Việt Nam.
Từ quan sát ở London năm 1818 tới khoa học khí hậu đô thị
Người đầu tiên ghi nhận có hệ thống là nhà khí tượng nghiệp dư người Anh Luke Howard, người đặt tên cho các loại mây. Trong công trình The Climate of London (tập đầu năm 1818, tái bản mở rộng năm 1833), Howard so sánh số đo nhiệt độ trong thành phố với vùng ngoại ô và nhận thấy London ấm hơn, nhất là ban đêm. Ông đã gợi ý những nguyên nhân mà khoa học ngày nay vẫn công nhận: nhiệt từ lò sưởi và hoạt động con người, và việc thành phố cản gió.
Khoa học khí hậu đô thị hiện đại được định hình bởi nhà khí hậu học Timothy Oke từ thập niên 1970–1980. Oke liên hệ cường độ đảo nhiệt với hình học đường phố, cụ thể là tỷ lệ chiều cao công trình trên bề rộng đường và hệ số tầm nhìn bầu trời: phần bầu trời mà một điểm trên mặt đất có thể nhìn thấy. Đường phố hẹp giữa nhà cao giữ lại bức xạ sóng dài vào ban đêm, khiến bề mặt nguội chậm hơn.
Năm 2012, Iain Stewart và Timothy Oke công bố hệ thống phân loại vùng khí hậu cục bộ (Local Climate Zones), chia khu vực theo hình thái xây dựng và lớp phủ đất thành 17 loại, như nhà cao tầng dày đặc, nhà thấp tầng dày đặc, cây rải rác. Hệ thống này giúp so sánh nghiên cứu giữa các thành phố, thay cho cách đơn giản hoá cũ là chia "đô thị" và "nông thôn".
Năm cơ chế vật lý làm thành phố nóng hơn
Suất phản chiếu thấp. Suất phản chiếu (albedo) là tỷ lệ bức xạ mặt trời bị phản xạ lại. Đường nhựa sẫm màu và mái tối hấp thụ phần lớn bức xạ và nóng lên, trong khi bề mặt sáng màu phản xạ nhiều hơn. Trong ngày nắng, nhiệt độ bề mặt đường nhựa có thể cao hơn nhiều so với nhiệt độ không khí.
Nhiệt dung lớn. Bê tông, gạch, đá tích trữ nhiệt ban ngày và nhả dần ra ban đêm. Đây là lý do chính khiến đảo nhiệt không khí mạnh nhất sau khi mặt trời lặn: vùng nông thôn nguội nhanh, thành phố vẫn toả nhiệt từ khối vật liệu.
Thiếu làm mát bằng bay hơi. Cây xanh và đất ẩm làm mát bằng cách dùng năng lượng mặt trời để bốc hơi nước thay vì làm nóng không khí. Khi bề mặt bị bê tông hoá và nước mưa thoát hết vào cống, phần năng lượng đó chuyển thành nhiệt cảm nhận được.
Hình học hẻm phố. Đường hẹp giữa các toà nhà cao làm bức xạ phản xạ qua lại giữa các bức tường và hạn chế bức xạ thoát lên trời vào ban đêm. Cùng lúc, công trình dày đặc cản gió, giảm khả năng mang nhiệt đi.
Nhiệt nhân tạo. Điều hoà không khí, xe cộ, công nghiệp thải nhiệt trực tiếp. Điều hoà chuyển nhiệt từ trong nhà ra ngoài và thêm phần nhiệt do chính máy nén sinh ra, nên ở khu mật độ cao, việc dùng điều hoà nhiều hơn làm đường phố nóng hơn, tạo ra một vòng phản hồi.
Đo đảo nhiệt đúng cách: bề mặt và không khí là hai chuyện
Rất nhiều bài báo và báo cáo dùng ảnh vệ tinh nhiệt, chẳng hạn từ các vệ tinh Landsat, để vẽ bản đồ đảo nhiệt. Những ảnh này đo nhiệt độ bề mặt: mái nhà, mặt đường, tán cây. Vào giữa trưa, chênh lệch nhiệt độ bề mặt giữa mái tôn và thảm cỏ có thể rất lớn. Nhưng đó không phải nhiệt độ không khí mà người đi đường cảm nhận.
Nhiệt độ không khí được đo bằng trạm khí tượng, mạng cảm biến đặt ở độ cao chuẩn, hoặc các chuyến đo di động bằng xe gắn cảm biến chạy qua nhiều khu vực trong cùng một khung giờ. Đảo nhiệt không khí thường nhỏ hơn đảo nhiệt bề mặt về biên độ và đạt cực đại vào ban đêm, trong khi đảo nhiệt bề mặt mạnh nhất vào ban ngày.
Một chỉ số thứ ba quan trọng cho sức khoẻ là cảm giác nhiệt của con người, phụ thuộc vào nhiệt độ không khí, độ ẩm, tốc độ gió và bức xạ chiếu vào cơ thể. Các chỉ số như nhiệt độ bầu ướt địa cầu (WBGT) hay chỉ số khí hậu nhiệt phổ quát (UTCI) tổng hợp các yếu tố này. Đứng dưới bóng cây so với đứng giữa nắng có thể khác nhau rất nhiều về cảm giác nhiệt dù nhiệt độ không khí gần như nhau.
Khi đọc một nghiên cứu về đảo nhiệt, hãy hỏi ngay: họ đo nhiệt độ gì, lúc nào trong ngày, so với điểm tham chiếu nào. Một con số "thành phố nóng hơn X độ" không có ba thông tin này thì gần như vô nghĩa.
Tác động: sức khoẻ, năng lượng và bất bình đẳng nhiệt
Đợt nắng nóng châu Âu mùa hè năm 2003 thường được dẫn như ví dụ về tác động của nhiệt đô thị: số tử vong vượt mức thông thường rất lớn, tập trung ở người cao tuổi sống một mình tại các căn hộ nóng trong đô thị. Cơ chế y sinh khá rõ: khi nhiệt độ đêm cao, cơ thể không thể thải nhiệt tích luỹ ban ngày, làm căng thẳng hệ tim mạch và thận.
Về năng lượng, nhu cầu điện cho làm mát tăng theo nhiệt độ, và đỉnh phụ tải điện vào ngày nắng nóng là thách thức với lưới điện. Ở các đô thị nhiệt đới, nơi điều hoà đang phổ biến nhanh theo thu nhập, đảo nhiệt làm tăng cả chi phí của hộ gia đình lẫn áp lực đầu tư nguồn điện.
Khía cạnh ngày càng được nghiên cứu nhiều là bất bình đẳng nhiệt. Ở nhiều thành phố, khu dân cư thu nhập thấp có ít cây xanh hơn, nhà mái tôn, phòng chật, thiếu điều hoà, nên người dân phơi nhiễm nhiệt cao hơn và ít khả năng tránh nóng hơn. Lao động ngoài trời như công nhân xây dựng, người giao hàng, bán hàng rong chịu tác động trực tiếp, kèm theo giảm năng suất lao động mà các nghiên cứu của Tổ chức Lao động Quốc tế đã cảnh báo.
Các biện pháp làm mát và hiệu quả thực tế
Bảng dưới tóm tắt các biện pháp phổ biến cùng điều kiện để chúng phát huy tác dụng. Mức hiệu quả cụ thể khác nhau nhiều theo khí hậu và thiết kế, nên bảng chỉ mô tả xu hướng:
| Biện pháp | Cơ chế | Hiệu quả rõ nhất | Lưu ý |
|---|---|---|---|
| Cây xanh tán rộng | Che bóng, bay hơi | Giảm mạnh cảm giác nhiệt người đi bộ ban ngày | Cần đất và nước đủ cho rễ; chọn loài phù hợp |
| Mái mát, sơn phản xạ | Tăng suất phản chiếu | Giảm nhiệt trong nhà tầng trên cùng, giảm điện điều hoà | Bám bụi giảm hiệu quả; chói nếu hướng xuống đường |
| Mái xanh, tường xanh | Bay hơi, cách nhiệt | Làm mát công trình, giữ nước mưa | Chi phí, tải trọng và tưới |
| Mặt lát mát, lát thấm | Phản xạ hoặc bay hơi | Giảm nhiệt độ bề mặt | Mặt sáng có thể làm tăng bức xạ phản xạ lên người đi bộ |
| Mặt nước, đài phun | Bay hơi | Làm mát cục bộ quanh mặt nước | Kém hiệu quả hơn khi độ ẩm rất cao |
| Hành lang thông gió | Đưa không khí mát từ vùng ven vào | Giảm nhiệt về đêm ở quy mô khu vực | Phải giữ từ giai đoạn quy hoạch |
Thành phố Stuttgart của Đức thường được dẫn về hành lang thông gió: từ nhiều thập kỷ, quy hoạch ở đây giữ các sườn đồi và thung lũng thoáng để không khí mát ban đêm chảy vào lòng thành phố. Medellín ở Colombia với chương trình Hành lang Xanh cuối thập niên 2010 trồng cây dọc đường phố và kênh, được báo cáo là giảm nhiệt độ cục bộ đáng kể. Các ví dụ này cho thấy làm mát hiệu quả nhất khi được tính từ quy hoạch, không phải chỉ là trang trí bổ sung.
Làm mát đô thị nóng ẩm: lưu ý riêng cho Việt Nam
Khí hậu nóng ẩm của phần lớn Việt Nam làm một số giải pháp kém hiệu quả hơn so với vùng khô, và đòi hỏi ưu tiên khác:
- Ưu tiên bóng mát hơn bay hơi: khi độ ẩm đã cao, làm mát bằng bay hơi bị hạn chế và còn làm không khí oi hơn. Che bóng bằng cây tán rộng, mái hiên, mái che lối đi giảm bức xạ trực tiếp lên người, hiệu quả ổn định hơn.
- Bảo vệ cây hiện có: một cây trưởng thành tán lớn cho hiệu quả làm mát mà cây mới trồng cần hàng chục năm mới đạt. Thiết kế cải tạo vỉa hè, hạ ngầm cáp nên tránh làm tổn thương bộ rễ.
- Chọn loài cây đúng: loài bản địa hoặc đã thích nghi, rễ cọc ăn sâu, chịu được bão, tán rộng; tránh loài dễ gãy đổ trong mùa mưa bão.
- Mái mát cho nhà ống và nhà xưởng: phần lớn nhiệt vào nhà qua mái. Sơn phản xạ, lớp cách nhiệt hoặc mái kép thông gió là biện pháp chi phí thấp cho hộ gia đình và nhà xưởng mái tôn.
- Giữ hành lang gió và mặt nước trong quy hoạch: sông, hồ, kênh và các dải cây xanh dọc theo hướng gió mùa chủ đạo có giá trị làm mát vượt ra ngoài diện tích của chúng.
- Ưu tiên khu dân cư dễ tổn thương: dùng bản đồ nhiệt kết hợp dữ liệu dân cư để đưa cây xanh, điểm làm mát công cộng tới nơi người già, lao động ngoài trời và hộ nghèo tập trung.
Sáu điểm này không đòi hỏi công nghệ phức tạp, mà đòi hỏi tính nhất quán: một kế hoạch cây xanh và một quy định mái mát được duy trì qua nhiều năm thường có hiệu quả hơn những dự án làm mát đơn lẻ, ngắn hạn.
Câu hỏi thường gặp
Đảo nhiệt đô thị có phải là biến đổi khí hậu không?
Không. Đảo nhiệt là hiện tượng cục bộ do bề mặt và hình thái đô thị, tồn tại cả khi khí hậu toàn cầu không đổi. Biến đổi khí hậu là sự ấm lên trên quy mô toàn cầu do khí nhà kính. Hai hiện tượng cộng dồn với nhau, nên các đô thị chịu nắng nóng ngày càng gay gắt. Các bộ dữ liệu nhiệt độ toàn cầu có quy trình hiệu chỉnh để loại trừ ảnh hưởng đảo nhiệt.
Một cây xanh làm mát được bao nhiêu?
Khó đưa ra một con số chung vì phụ thuộc loài, kích thước tán, độ ẩm và vị trí. Điều được nhiều nghiên cứu xác nhận là dưới tán cây trưởng thành, nhiệt độ bề mặt và cảm giác nhiệt của người giảm rõ rệt so với chỗ trống nắng. Hiệu quả trên nhiệt độ không khí khu vực đòi hỏi tỷ lệ tán cây đủ lớn, không chỉ vài cây rải rác.
Sơn mái trắng có làm nóng nhà hàng xóm cao hơn không?
Mái phản xạ chủ yếu đưa bức xạ lên bầu trời. Với nhà cao tầng sát bên có cửa kính hướng xuống mái, có thể tăng chói và một phần nhiệt phản xạ. Đây là lý do một số hướng dẫn khuyến nghị dùng lớp phủ phản xạ khuếch tán thay vì bề mặt bóng như gương.
Vì sao đêm thành phố nóng hơn ngày so với vùng ven?
Ban ngày cả thành phố và nông thôn đều nhận nhiều bức xạ, chênh lệch nhiệt độ không khí thường không lớn. Sau hoàng hôn, nông thôn mất nhiệt nhanh qua bức xạ lên bầu trời quang, còn thành phố nhả nhiệt tích trong bê tông và bị các toà nhà cản tầm nhìn bầu trời, nên nguội chậm. Chênh lệch vì vậy đạt cực đại vào ban đêm.
Đảo nhiệt có ảnh hưởng tới mưa không?
Có những nghiên cứu cho thấy đô thị lớn có thể làm thay đổi phân bố mưa đối lưu, với lượng mưa tăng ở phía cuối hướng gió của thành phố, do nhiệt và độ nhám bề mặt thúc đẩy dòng thăng. Bằng chứng khác nhau giữa các thành phố và còn đang được nghiên cứu, nên chưa thể khái quát cho mọi đô thị.
Chỉ tiêu cây xanh trên đầu người có đủ để đánh giá không?
Không đủ. Chỉ tiêu mét vuông cây xanh trên đầu người có thể đạt nhờ vài công viên lớn ở rìa thành phố, trong khi các phố trung tâm không có bóng mát. Thước đo hữu ích hơn cho làm mát là tỷ lệ che phủ tán cây theo từng khu và khoảng cách từ nhà tới không gian xanh gần nhất.
