Biến đổi khí hậu đang âm thầm gây họa bên dưới các đô thị

Đường phố, vỉa hè và mái nhà ở các thành phố đều hấp thụ nhiệt vào ban ngày, khiến một số khu vực đô thị nóng hơn vùng nông thôn tới 3 độ C vào ban ngày và nóng hơn 13 độ C vào ban đêm. Những mô hình “đảo nhiệt đô thị” này cũng có thể phát triển dưới bề mặt khi nhiệt thành phố khuếch tán vào lòng đất. Và các tầng hầm, đường xe điện ngầm và các cơ sở hạ tầng ngầm khác cũng liên tục truyền nhiệt vào đất xung quanh, tạo ra các điểm nóng. Hiện sức nóng dưới lòng đất đang tăng lên theo sức nóng của hành tinh.

Theo một nghiên cứu mới về trung tâm thành phố Chicago, các điểm nóng dưới lòng đất có thể đe dọa chính cấu trúc phát ra nhiệt. Những thay đổi nhiệt độ như vậy làm cho mặt đất xung quanh chúng co giãn đủ để gây ra thiệt hại tiềm ẩn. Tác giả của nghiên cứu này là Alessandro F. Rotta Loria, vốn là kỹ sư môi trường và dân dụng tại Đại học Northwestern, cho biết: “Không ai nhận ra điều đó, trung tâm thành phố Chicago đang biến dạng".

Các phát hiện được Rotta Loria công bố vào hôm 11.7 trên tạp chí Communications Engineering, phơi bày một “mối nguy hiểm thầm lặng” đối với cơ sở hạ tầng dân sinh ở các thành phố có nền đất yếu, đặc biệt là những nơi gần nguồn nước. Rotta Loria nói thêm: “Có thể đã có những vấn đề về cấu trúc do sự biến đổi khí hậu ngầm này gây ra mà chúng ta thậm chí không hay biết. Mặc dù không phải là mối nguy hiểm tức thời hoặc trực tiếp đối với cuộc sống thường nhật của con người, nhưng tác động chưa từng được biết đến này làm nổi bật tác động của một thành phần ít được biết đến từ biến đổi khí hậu".

Grant Ferguson, một nhà kỹ thuật địa chất tại Đại học Saskatchewan, người không tham gia vào nghiên cứu nói trên, cho biết: “Đối với nhiều thứ ở dưới bề mặt đất, nó giống như khuất tầm mắt. Tuy nhiên, thế giới ngầm tràn ngập sự sống. Đây là môi trường sống của các loài động vật đã thích nghi với cuộc sống dưới lòng đất như giun, ốc sên, côn trùng, giáp xác và bò sát”.

Peter Bayer, nhà địa chất học tại Đại học Martin Luther Halle-Wittenberg ở Đức, người cũng không tham gia vào nghiên cứu, cho biết thêm những sinh vật này đã quen với “điều kiện cực tĩnh”. Bayer giải thích nhiệt độ trên mặt đất thường dao động mạnh trong các thời điểm của năm, nhưng nhiệt độ bên dưới bề mặt (lớp sát mặt đất - PV) vẫn luôn ở mức nhiệt độ trung bình suốt năm. Chẳng hạn ở Chicago, luôn là khoảng 11 độ C.

Ferguson nói: “Lớp dưới bề mặt có “bộ nhớ” lưu giữ nhiệt độ mà ngoài không khí không có”. Khi nhiệt độ dưới bề mặt vốn ổn định này tăng lên do biến đổi khí hậu và phát triển đô thị ngầm, các nhà khoa học như Ferguson và Bayer theo dõi sát những tác động tiềm ẩn đối với các hệ sinh thái dưới lòng đất. Ví dụ, nếu nước ngầm trở nên quá ấm, nó có thể gây hại với động vật ở “môi trường cực tĩnh” khiến chúng phải chui ra, đồng thời gây nên những thay đổi hóa học trong nước và trở thành nơi vi khuẩn phát triển.

Nhưng câu hỏi làm thế nào các điểm nóng dưới lòng đất có thể ảnh hưởng đến cơ sở hạ tầng đô thị thì phần lớn chưa được nghiên cứu. Do vật liệu co giãn khi nhiệt độ thay đổi, Rotta Loria nghi ngờ rằng nhiệt thoát ra từ các tầng hầm và đường hầm có thể góp phần làm hao mòn các cấu trúc khác nhau.

Rotta Loria đã thu thập dữ liệu nhiệt độ trong 3 năm từ hơn 150 cảm biến được lắp đặt trong tầng hầm, đường tàu điện ngầm và hầm để xe bên dưới quận Loop ở trung tâm thành phố Chicago. Để so sánh, các cảm biến cũng được lắp đặt trong lòng đất dọc theo bờ hồ Michigan trong công viên Grant, cũng ở quận Loop.

Kết quả cho thấy nhiệt độ tổng thể trên mặt đất của Chicago đang tăng 0,14 độ C mỗi năm, nhưng chỉ số đo ở các vị trí dưới lòng đất nóng hơn tới 15 độ C so với phía dưới mặt đất chưa bị con người xáo trộn. Nhiệt độ lòng đất bên dưới các tòa nhà ở quận Loop thường nóng hơn 5,5 độ C so với nhiệt độ lòng đất bên dưới công viên Grant. Để hiểu sự khác biệt lớn này đã ảnh hưởng như thế nào đến các tính chất vật lý của mặt đất, Rotta Loria đã sử dụng một chương trình máy tính để mô phỏng môi trường dưới lòng đất từ những năm 1950 đến nay và sau đó dự đoán các điều kiện sẽ thay đổi như thế nào từ nay đến năm 2050.

Rotta Loria nhận thấy rằng vào giữa thế kỷ tới, một số khu vực bên dưới Loop có thể nhô lên cao tới 12mm hoặc lún xuống tới 8mm tùy thuộc vào cấu tạo đất của khu vực liên quan. Mặc dù những con số này nghe có vẻ giống như những dịch chuyển nhỏ, nhưng Rotta Loria cho biết chúng có thể gây ra các vết nứt trên sàn và tường của một số tòa nhà. Trong những thập niên gần đây, yếu tố tiềm ẩn này có thể đã góp phần gây ra một số phiền toái và tốn kém để bảo dưỡng các công trình.

Kathrin Menberg, một nhà nữ địa chất học tại Viện Công nghệ Karlsruhe ở Đức, người không tham gia vào nghiên cứu của Rotta Loria, cho biết những dự đoán về sự dịch chuyển này còn cao hơn những gì cô dự đoán và có thể được liên quan tới cấu trúc đất sét nặng, mềm của Chicago. Menberg nói: “Chất liệu đất sét đặc biệt nhạy cảm”. Ferguson bổ sung: “Đó sẽ là một vấn đề lớn ở tất cả các thành phố trên toàn thế giới được xây dựng trên nền địa chất như vậy. Trong đó gồm nhiều thành phố gần biển và sông như London chẳng hạn, được xây dựng trên nền một lớp đất sét. Ngược lại, các thành phố được xây dựng chủ yếu trên đá cứng hơn (chẳng hạn thành phố New York), sẽ không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng này”.

Tương tự như biến đổi khí hậu trên bề mặt, những thay đổi ngầm này diễn ra trong thời gian dài. Ferguson nói: “Những tác động này phải mất nhiều thập niên hay cả một thế kỷ mới phát huy”, đồng thời ông cho biết thêm rằng nhiệt độ dưới lòng đất tăng cao cũng sẽ mất nhiều thời gian để tự tiêu tan. Do vậy, về lý thuyết, chúng ta có thể ngắt mọi thứ (nguồn cấp nhiệt xuống lòng đất) nhưng địa nhiệt vẫn sẽ tồn tại ở đó trong một thời gian khá dài.

Nhưng Ferguson và các nhà nghiên cứu khác đều cho rằng nguồn năng lượng cứng đầu này cũng có thể được tái sử dụng, mang đến cơ hội vừa làm mát lớp dưới bề mặt vừa tiết kiệm chi phí năng lượng. Các đường hầm và tầng hầm của tàu điện ngầm có thể được trang bị thêm công nghệ địa nhiệt để thu lại nhiệt. Ví dụ, các đường ống nước có thể được lắp đặt để chạy qua các điểm nóng dưới lòng đất và thu một phần nhiệt. Mặc dù năng lượng đó không đủ nóng để biến nước lỏng thành hơi nước và tạo ra điện, nhưng nó vẫn có thể được sử dụng để sưởi ấm các tòa nhà và công trình dân sinh khác. Cách tiếp cận này có thể đáng hoặc không đáng để nỗ lực vì nó sẽ đòi hỏi chi phí ban đầu rất cao nhưng sản lượng lại khiêm tốn. Trong trường hợp của quận Loop, nó có thể chỉ đóng góp dưới 1% nhu cầu năng lượng của địa phương.

Tuy nhiên, tính toán này có thể bị thay đổi một khi biến đổi khí hậu trên mặt đất tiếp tục khuếch đại sự nóng lên của lòng đất. Trong một thế giới nóng lên, các tòa nhà sẽ cần nhiều điện chạy máy lạnh hơn và xả ra nhiều nhiệt hơn. Rồi từ từ, sức nóng này sẽ tích tụ vào đất. Rotta Loria nói: “Giống như biến đổi khí hậu, có thể không phải lúc nào ta cũng thấy điều đó, nhưng nó đang diễn ra”.