Biến đổi khí hậu ngầm
Ở nhiều khu vực đô thị trên toàn cầu, nhiệt liên tục khuếch tán từ các tòa nhà và giao thông ngầm, khiến mặt đất nóng lên ở mức báo động. Các nhà nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng, bề mặt nông bên dưới các thành phố (TP) đang ấm lên từ 0,1 - 2,5 độ C qua mỗi thập kỷ.
Một nghiên cứu mới đây của Đại học Northwestern (Mỹ) đã tiên phong liên kết sự thay đổi khí hậu dưới lòng đất với sự chuyển dịch của bề mặt đất tại các khu vực đô thị.
Theo đó, khi mặt đất nóng lên, nó cũng biến dạng đáng kể. Hiện tượng này làm cho nền móng của các tòa nhà tọa lạc trên đó bị dịch chuyển quá mức - do giãn nở và co lại - và thậm chí là bị nứt gãy. Cuối cùng, nó sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động lâu dài và độ bền của công trình.
Được gọi là “biến đổi khí hậu ngầm” hoặc “đảo nhiệt đô thị dưới bề mặt”, hiện tượng này đã được biết là nguyên nhân gây ra các vấn đề sinh thái - chẳng hạn như nước ngầm bị ô nhiễm, và các vấn đề sức khỏe - bao gồm hen suyễn và say nắng. Tuy nhiên, cho đến nay, ảnh hưởng của biến đổi khí hậu ngầm đối với cơ sở hạ tầng dân dụng vẫn chưa được nghiên cứu và tìm hiểu rõ ràng.
Nghiên cứu của Đại học Northwestern, được công bố hôm 11/7 trên các tạp chí khoa học Communications Engineering và Nature Portfolio, đánh dấu lần đầu tiên khoa học định lượng biến dạng mặt đất do các đảo nhiệt dưới bề mặt gây ra, và ảnh hưởng của chúng đối với cơ sở hạ tầng dân dụng.
“Biến đổi khí hậu ngầm là một mối nguy hiểm thầm lặng. Mặt đất đang biến dạng do sự thay đổi nhiệt độ và không có công trình dân dụng hay cơ sở hạ tầng nào hiện có được thiết kế để chịu được những biến đổi này” - Alessandro Rotta Loria, Giám đốc Phòng thí nghiệm Cơ học và Năng lượng tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường của Đại học Northwestern, cũng là người đứng đầu nghiên cứu, cho biết.
Trong những năm gần đây, Rotta Loria và nhóm của ông đã lắp đặt một mạng lưới không dây gồm hơn 150 cảm biến nhiệt độ trên khắp Chicago Loop - khu dân cư đông đúc ở TP Chicago, bang Illinois (Mỹ) - cả trên và dưới mặt đất.
Các cảm biến đã được đặt trong tầng hầm của các tòa nhà, đường hầm tàu điện ngầm và các con đường dưới lòng đất như Lower Wacker Drive. Để so sánh, nhóm cũng chôn các cảm biến ở Grant Park - một công viên với không gian xanh lớn nằm dọc theo hồ Michigan - cách xa các tòa nhà và hệ thống giao thông ngầm.
Dữ liệu từ mạng cảm biến không dây chỉ ra rằng, nhiệt độ dưới lòng đất bên dưới Loop thường ấm hơn 10oC so với nhiệt độ bên dưới Grant Park.
Nhiệt độ không khí trong các công trình ngầm có thể cao hơn tới 25oC so với nhiệt độ mặt đất không bị xáo trộn. Khi nhiệt khuếch tán xuống mặt đất, nó gây áp lực đáng kể lên các vật liệu giãn nở và co lại khi nhiệt độ thay đổi.
Rotta Loria cho biết: “Chicago như là một “phòng thí nghiệm sống” của chúng tôi. Nhưng thực tế, biến đổi khí hậu ngầm đang là vấn đề phổ biến đối với hầu hết các khu vực đô thị dày đặc trên toàn thế giới. Và tất cả các khu vực đô thị chịu tác động của biến đổi khí hậu ngầm đều dễ gặp vấn đề về cơ sở hạ tầng”.
Ông cảnh báo: “Do nhiệt độ tăng lên dưới lòng đất, nhiều nền móng ở trung tâm các TP đang bị lún - chậm nhưng liên tục. Nói cách khác, bạn không cần phải sống ở Venice để biết thế nào là một TP đang chìm, ngay cả khi nguyên nhân của những hiện tượng như vậy là hoàn toàn khác nhau”.
Làm gì khi “mọi thứ đang dần dần chìm xuống”?
Sau khi thu thập dữ liệu nhiệt độ tại Chicago trong 3 năm, nhóm của Rotta Loria đã xây dựng một mô hình máy tính 3D để mô phỏng nhiệt độ mặt đất thay đổi như thế nào từ năm 1951 - thời điểm mà Chicago hoàn thành các đường hầm tàu điện ngầm - cho đến ngày nay. Kết quả sau đó được sử dụng mô phỏng để dự đoán nhiệt độ sẽ thay đổi như thế nào cho đến năm 2051.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northwestern cũng đã lập mô hình cách mặt đất biến dạng khi nhiệt độ tăng. Trong khi một số vật liệu như đất sét mềm co lại khi bị nung nóng, các vật liệu khác, bao gồm đất sét cứng, cát và đá vôi, lại nở ra. Theo các mô phỏng của nghiên cứu, nhiệt độ ấm hơn có thể khiến mặt đất phồng lên và mở rộng lên tới 12mm. Chúng cũng có thể làm cho mặt đất co lại và lún xuống - dưới sức nặng của một tòa nhà - tới 8mm.
Mặc dù điều này có vẻ không dễ để nhận thấy bằng mắt thường, nhưng sự thay đổi này được cho đang vượt quá khả năng xử lý của nhiều thành phần của công trình và hệ thống nền móng của nó.
Rotta Loria cho biết: “Dựa trên các mô phỏng trên máy tính, chúng tôi đã chỉ ra rằng biến dạng mặt đất có thể nghiêm trọng đến mức dẫn đến các vấn đề về hiệu suất của cơ sở hạ tầng dân dụng. Nói vậy không có nghĩa là một tòa nhà có thể đột nhiên sụp đổ, nhưng mọi thứ đang dần dần chìm xuống. Hậu quả đối với khả năng sử dụng của các cấu trúc và cơ sở hạ tầng có thể rất tồi tệ, nhưng phải mất một thời gian dài ta mới có thể nhận ra điều đó”.
“Nhiều khả năng, biến đổi khí hậu ngầm đã gây ra các vết nứt và lún nền quá mức của nhiều công trình trong quá khứ mà chúng ta chưa hiểu rõ” - chuyên gia người Mỹ nhận định.
Các nhà quy hoạch đô thị và kiến trúc sư chủ yếu đã thiết kế các tòa nhà hiện đại trước khi biến đổi khí hậu ngầm xuất hiện, do đó hầu hết các cấu trúc hiện khó có thể chịu được sự thay đổi nhiệt độ mà chúng ta trải qua ngày nay. Tuy nhiên, các tòa nhà hiện đại được tin sẽ có khả năng chịu nhiệt tốt hơn so với các cấu trúc từ thời kỳ trước đó, chẳng hạn như thời Trung cổ.
“Ở Mỹ, tất cả các tòa nhà đều tương đối mới. Các TP châu Âu với những tòa nhà rất cổ kính sẽ dễ bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu ngầm hơn” - Rotta Loria giải thích - “Các tòa nhà làm bằng đá và gạch sử dụng các phương pháp thiết kế và xây dựng trong quá khứ thường ở trạng thái cân bằng mong manh, bên cạnh những xáo trộn liên quan đến hoạt động hiện tại của các TP. Các nhiễu loạn nhiệt liên quan đến các đảo nhiệt đô thị dưới bề mặt có thể gây ra tác động bất lợi cho các công trình như vậy”.
Trong tương lai, Rotta Loria cho rằng các kế hoạch xây dựng nên tích hợp các công nghệ địa nhiệt để thu nhiệt thải và đưa nó đến các tòa nhà để sưởi ấm không gian. Các nhà quy hoạch cũng có thể lắp đặt vật liệu cách nhiệt trên các tòa nhà mới và hiện có, để giảm thiểu lượng nhiệt đi vào lòng đất.
“Cách tiếp cận hợp lý và hiệu quả nhất là cô lập các cấu trúc ngầm theo cách sao cho lượng nhiệt lãng phí là tối thiểu. Các công nghệ địa nhiệt sẽ giúp hấp thụ và tái sử dụng nhiệt hiệu quả trong các tòa nhà” - Rotta Loria nói, lưu ý rằng cần tránh sử dụng các công nghệ để làm mát chủ động trong các cấu trúc dưới lòng đất, vì điều đó tiêu tốn nhiều năng lượng.
