Đô thị hóa và ô nhiễm không khí: Quá khứ và hiện tại

Ô nhiễm không khí thường gây ra cho các thành phố công nghiệp, đặc biệt là trong thời kỳ đầu phát triển của chúng. Các đợt khói lưu huỳnh ở mức độ cao đã giết chết hoặc bị bệnh hàng ngàn người ở Donora, Penn., Vào năm 1948 , cũng như ở London vào năm 1952. Các thành phố khác – chủ yếu ở các khu vực công nghiệp hóa của Hoa Kỳ và Châu Âu – cũng phải chịu đựng chất lượng không khí tồi tệ. Những sự kiện này là kết quả của việc phát thải rất cao lưu huỳnh điôxít, khói và các hạt khác trong điều kiện thời tiết sương mù, tù đọng.

Hình 1. Chất lượng không khí xuống cấp ở hai siêu đô thị: (a) Los Angeles năm 1948 (từ Cơ quan lưu trữ ảnh thời báo Los Angeles , UCLA; và (b) Bắc Kinh 65 năm sau (© JasonLee / Reuters / Corbis).

Khi các chính phủ kiểm soát nhiều nguồn ô nhiễm truyền thống hơn và đội xe đô thị tăng lên, một loại ô nhiễm không khí khác cũng phát sinh. Ô nhiễm không khí quang hóa – một hiện tượng mới, khác với sương khói lưu huỳnh – làm mờ bầu trời Los Angeles, lần đầu tiên được ghi nhận vào những năm 1950. Loại ô nhiễm không khí này là kết quả của các phản ứng quang hóa liên quan đến các oxit nitơ (NO_x) và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi ( VOC; ví dụ, ethylene và benzen) tạo ra ozon (O₃) và các chất dạng hạt. Cả hai đều gây ra các vấn đề về phổi, trong số các tác động có hại khác, và các chất dạng hạt làm giảm khả năng hiển thị.

Ở Bắc Mỹ và Châu Âu, sự kết hợp của công nghiệp hóa và ô nhiễm không khí đòi hỏi phải tạo ra các tiêu chuẩn và quy định về chất lượng không khí đối với các nguồn phát thải như xe cộ , sản xuất điện và các cơ sở công nghiệp . Thành công của những nỗ lực này đã khiến những đợt ô nhiễm không khí nghiêm trọng nhất chỉ còn là ký ức xa vời ở những vùng đó. Tuy nhiên, khi quá trình công nghiệp hóa lan rộng, những lo ngại về chất lượng không khí cũng lan sang các khu vực khác trên toàn cầu.

Làm sạch không khí trên thế giới là một nhiệm vụ khó khăn. Tuy nhiên, một đánh giá tổng quát về những nỗ lực trong khoảng 6 thập kỷ ở Los Angeles, bao gồm cả cách các nhà khoa học vượt qua những thách thức về xã hội và kỹ thuật, cho thấy chất lượng không khí ở các siêu đô thị trên thực tế có thể được cải thiện rất nhiều. Một số câu hỏi vẫn còn đó: Trong tương lai, các siêu đô thị đang phát triển trên khắp thế giới sẽ phải đối mặt với những thách thức mới nào? Có giới hạn nào để cải thiện hơn nữa chất lượng không khí ở các nước phát triển hơn không? Nhìn lại, chất lượng không khí được cải thiện ở các thành phố của chúng ta có xứng đáng với khoản chi phí lớn cần thiết không?

Các bước cần thực hiện để phục hồi chất lượng không khí ở Los Angeles

Vào thời kỳ đỉnh điểm vào những năm 1950 và 1960, ô nhiễm không khí trở nên tồi tệ ở Los Angeles đến nỗi “các bậc cha mẹ không cho con cái họ đến trường; vận động viên được huấn luyện trong nhà; Những người trồng cây có múi và những người sản xuất củ cải đường thất kinh nhìn cây trồng của họ khô héo; người già và trẻ nhỏ chen chúc trong phòng khám bác sĩ và khoa cấp cứu của bệnh viện với đầu đau nhói và khó thở. ” Những người giao thông vận tải bằng xe máy thậm chí còn đeo mặt nạ phòng độc trong những đợt đặc biệt nghiêm trọng . Trong những trường hợp hiếm hoi, nồng độ ôzôn vượt quá 600 phần tỷ theo thể tích (ppbv, đại diện cho nanomoles trên mỗi mol không khí xung quanh), và mức trung bình trong 8 giờ đôi khi vượt quá 300 ppbv (Hình 2a).

Hình 2. (a) Lịch sử 50 năm của việc giảm nồng độ ôzôn trong môi trường xung quanh (tính bằng phần tỷ thể tích (ppbv)) ở Los Angeles và (b) biểu đồ logarit của nồng độ môi trường xung quanh của một số chất ô nhiễm không khí, được chuẩn hóa thành 100 in 1960.

Tại Los Angeles, tiến bộ khoa học và kỹ thuật com ^– bined với cam kết chính trị và xã hội bền vững qua nhiều thập kỷ dẫn đến cải thiện chất lượng không khí đáng kể . Thành phố đã thực hiện một cách tiếp cận toàn diện nhằm giải quyết tất cả các nguồn phát thải. Các quan chức cấm đốt lò và thông qua luật hạn chế ô nhiễm công nghiệp. Họ quy định lượng khí thải từ sản xuất điện; thực vật phát thải vượt quá ngưỡng nhất định sẽ đóng cửa. Các công ty đã xây dựng các nhà máy điện mới ở những nơi khác và truyền tải điện vào thành phố.

Tuy nhiên, những nỗ lực quan trọng và hiệu quả nhất đã giải quyết vấn đề phát thải xe cơ giới. Những nỗ lực ban đầu đã kiểm soát lượng khí thải VOC và đặc biệt là bao gồm các bộ chuyển đổi xúc tác , thiết kế lại động cơ và định dạng lại nhiên liệu để giảm thiểu sự bay hơi và tối ưu hóa hiệu suất của việc kiểm soát khí thải.

Khôi phục tài liệu

Tại Los Angeles, nồng độ VOCs trong môi trường xung quanh đã giảm 50 lần từ năm 1960 đến năm 2010 (vạch màu tím đặc trong Hình 2b), mặc dù lượng nhiên liệu sử dụng đã tăng gấp ba lần. So với các đối tác của họ vào năm 1960, ô tô hiện đại thải ra ít hơn 1% VOCs trên mỗi quãng đường di chuyển. Lượng NO_x phát thải từ các phương tiện cơ giới giảm chậm hơn: Nồng độ NO_x trong môi trường xung quanh đã giảm theo hệ số 4 từ năm 1960 đến năm 2010 (đường màu cam đặc trong Hình 2b).

Mô hình quang hóa về những thay đổi trong lịch sử nồng độ chất ô nhiễm ở Los Angeles đã không được thực hiện một cách chi tiết, chủ yếu là do những khó khăn trong việc xây dựng lại kiểm kê lượng khí thải. Mô hình hóa các vật chất dạng hạt, đặc biệt là sol khí hữu cơ thứ cấp, đặc biệt khó khăn. Các phép đo và mô hình hóa cho thấy quang hóa của VOC và NO_x là phi tuyến và nồng độ môi trường xung quanh của ozone, peroxyacetyl nitrat (PAN) và vật chất dạng hạt đã phản ứng một cách phức tạp với những thay đổi phát xạ.

Ozone đã giảm ở cùng tốc độ với NO_x (Hình 2b), nhưng mô hình hóa học chi tiết cho thấy đây không phải là một mối quan hệ nhân quả đơn giản. Tỷ lệ VOC xung quanh so với NO_x, kiểm soát nhiều khía cạnh của quang hóa, đã giảm khoảng 12 trong giai đoạn từ 1960 đến 2010 do tỷ lệ giảm VOC và NO_x phát thải khác nhau. Điều thú vị là PAN (nguyên nhân gây kích ứng mắt nghiêm trọng ở Los Angeles vài thập kỷ trước) đã giảm khoảng 130, mức giảm nhiều hơn cả VOC hoặc NO_x.

Những thách thức để kiềm chế ô nhiễm không khí

Tại sao những cải tiến trong Hình 2 lại mất nhiều thời gian để hoàn thành? Không chỉ thách thức sự phát triển của hiểu biết khoa học và tiến bộ kỹ thuật, mà các quy trình pháp lý, xã hội và chính trị kéo dài cũng làm chậm việc thực hiện các biện pháp kiểm soát phát thải cần thiết.

Các nỗ lực kiểm soát ô nhiễm không khí hiệu quả đòi hỏi phải có hành động phối hợp trên toàn bộ không khí . Điều này tỏ ra khó khăn – vùng Los Angeles có 3 quận và hơn 50 thành phố riêng biệt. Quá trình tiến hành chậm chạp cho đến khi các quan chức thành lập Khu Quản lý Chất lượng Không khí Bờ biển Nam vào năm 1976, sau đó điều chỉnh tất cả các nguồn phát thải tĩnh trong khu vực một cách nhất quán và toàn diện.

Các quan chức chính phủ, các nhà quản lý ngành và công chúng đã duy trì những nỗ lực phối hợp kiểm soát ô nhiễm này trong hơn 50 năm ở Los Angeles. Tiến bộ ở đó và trên toàn nước Mỹ đã diễn ra trong một thời gian dài đến nỗi nhiều người đã quên mất ô nhiễm không khí tồi tệ như thế nào và không nhận thấy những kết quả đạt được. Trên thực tế, hầu hết những người còn sống ở Hoa Kỳ ngày nay chưa bao giờ trải qua chất lượng không khí rất tồi tệ của Los Angeles đã xảy ra trong nhiều thập kỷ qua. Ký ức xã hội đang phai nhạt này đặt ra một thách thức khác: làm thế nào để đảm bảo chất lượng không khí được cải thiện không bị tổn hại khi các cộng đồng tập trung vào nỗ lực thúc đẩy nền kinh tế suy thoái và giải quyết các vấn đề xã hội cấp bách khác.

Los Angeles: Tương tự ô nhiễm đối với Trung Quốc?

Người dân Bắc Kinh hiện phải đối mặt với các vấn đề từ chất lượng không khí xuống cấp tương tự như những người dân Los Angeles từng phải đối mặt. Như tờ Guardian đưa tin , “Các nhà khoa học Trung Quốc đã cảnh báo rằng tình trạng ô nhiễm không khí độc hại của đất nước hiện nay tồi tệ đến mức giống như mùa đông hạt nhân, làm chậm quá trình quang hợp của thực vật — và có khả năng tàn phá nguồn cung cấp lương thực của đất nước”.

So sánh giữa các thành phố cho thấy sự suy thoái tầm nhìn đô thị hiện nay ở Bắc Kinh tương tự như ở Los Angeles 65 năm trước. Mặc dù các phương pháp đo lường và quy trình báo cáo dữ liệu đã thay đổi, nhưng các phép đo tại chỗ trong khí quyển cho thấy rằng nồng độ tối đa ở Bắc Kinh hiện nay có thể cao hơn so với những gì đã từng trải qua ở Los Angeles, nhưng trên cơ sở trung bình hàng năm, Los Angeles có thể có lượng hạt kém hơn chất lượng không khí vật chất.

Ngược lại, nồng độ O₃ được báo cáo ở Bắc Kinh hiếm khi vượt quá 200 ppbv, vì vậy nồng độ O₃ ở Los Angeles kém hơn những gì Bắc Kinh đã trải qua cho đến nay. Ô nhiễm không khí ở các thành phố như Bắc Kinh đang chuyển từ sương mù lưu huỳnh sang ô nhiễm không khí quang hóa. Sự gia tăng nhanh chóng các phương tiện cơ giới ở Bắc Kinh và các thành phố đang phát triển khác có thể dẫn đến sản xuất O₃ quang hóa nhiều hơn và nồng độ O₃ cao hơn trong tương lai.

Phương pháp tiếp cận theo khu vực, nếu không phải toàn cầu

Khi đô thị hóa, dân số toàn cầu và phát triển kinh tế gia tăng, ô nhiễm giao thông đường dài ngày càng trở thành một yếu tố quan trọng đối với các thành phố muốn cải thiện chất lượng không khí. Bất kể chúng ta sống ở đâu, luồng không khí mang ô nhiễm từ những người hàng xóm thuận gió sang cho chúng ta, cho dù những người hàng xóm đó là các khu đô thị lân cận, các bang hoặc quốc gia lân cận, hoặc các lục địa tương đối xa. Tương tự như vậy, việc vận chuyển ô nhiễm của chính chúng ta ảnh hưởng đến những người hàng xóm đang xuôi gió của chúng ta.

Tầm quan trọng của việc vận chuyển các chất ô nhiễm trong khu vực ban đầu xuất hiện ở Châu Âu (ví dụ như kết tủa axit và sau đó ở Bắc Mỹ (ví dụ, nghiên cứu của Nhóm Đánh giá Vận tải Ozone ở miền đông Hoa Kỳ. Ở Houston – một thành phố gần đây sánh ngang với Los Angeles về chất lượng không khí tồi tệ nhất của Hoa Kỳ phần lớn bởi vì nó là nơi có một phần lớn ngành công nghiệp hóa dầu của Hoa Kỳ – đóng góp của O₃ vận chuyển vào thành phố, trung bình, lớn hơn đóng góp sản xuất quang hóa địa phương, ngay cả vào những ngày mà O ₃ vượt quá Tiêu chuẩn chất lượng không khí xung quanh quốc gia (NAAQS).

Vận chuyển tầm xa của O₃ và vật chất dạng hạt là một vấn đề quan trọng cần xem xét ở tất cả các khu vực đô thị, không chỉ ở các nước phát triển hơn, nơi khí thải cục bộ đã được kiểm soát chặt chẽ mà còn ở các nước đang phát triển đông dân cư, nơi các thành phố lớn nằm gần nhau. Ở châu Á, mật độ dân số cao trong một khu vực rất rộng có nghĩa là việc vận chuyển ô nhiễm trong khu vực làm tăng nguy cơ từ chất lượng không khí kém ở châu Á theo những cách không có ở Hoa Kỳ. Ví dụ, hơn 800 triệu người sống ở miền đông Trung Quốc, bao gồm Bắc Kinh và 4 siêu đô thị khác. Không khí chảy vào mỗi thành phố này thường sẽ mang theo sự pha trộn tập trung của ô nhiễm lâu năm từ một thành phố gió ngược.

Cũng như việc thành lập Khu Quản lý Chất lượng Không khí Bờ biển phía Nam được yêu cầu để cải thiện hiệu quả chất lượng không khí ở Los Angeles, có khả năng toàn bộ khu vực phía Đông Trung Quốc, hoặc ít nhất là Đồng bằng Hoa Bắc, sẽ cần được coi là một lưu vực không khí trước khi cải thiện chất lượng không khí có thể được nhìn thấy ở Bắc Kinh, Thượng Hải và các khu vực lân cận.

Hình 3. Kết quả của một nghiên cứu mô hình về ôzôn trong một đợt ô nhiễm bao trùm gần như toàn bộ miền đông Trung Quốc. Được điều chỉnh với sự cho phép của Zhao và cộng sự, [2009]. © Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.

Kết quả mô hình thể hiện trong Hình 3 nhấn mạnh rằng, trên thực tế, toàn bộ khu vực phía đông Trung Quốc nên được coi là một siêu đô thị rất lớn. Các khu vực khác ở châu Á (ví dụ: Đồng bằng sông Ấn) có thể gặp phải những vấn đề tương tự và có thể cần những nỗ lực giảm thiểu có sự phối hợp tương tự.

Các giới hạn để cải thiện chất lượng không khí

Bất chấp những thành công được ghi nhận ở Hoa Kỳ sau khi thực hiện Đạo luật Không khí Sạch , khả năng cải thiện chất lượng không khí của Hoa Kỳ vẫn có giới hạn. Hình 2a cho thấy tỷ lệ trộn O₃ hiện đã giảm xuống thấp hơn nhiều so với quan sát trước năm 1970; tuy nhiên, sự sụt giảm này không thể tiếp tục vô thời hạn. Không khí chảy vào Hoa Kỳ có chứa nồng độ O ₃ ở mức nền, và các cân nhắc tương tự cũng tồn tại đối với vật chất dạng hạt.

Một thách thức đang nổi lên đối với các chính sách của Mỹ liên quan đến việc xác định chất lượng không khí đã được cải thiện ở mức độ tối ưu ở điểm nào. Ngay cả nồng độ O₃ nền và các hạt được vận chuyển vào trong nước cũng có thể gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe; tuy nhiên, các nồng độ này không thể giảm chỉ bằng các nỗ lực kiểm soát phát thải của địa phương và khu vực. Việc thiết lập NAAQS của Hoa Kỳ trong khi chỉ xem xét các tác động đến sức khỏe mà không quan tâm đến tính khả thi – như yêu cầu hiện tại của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) – sẽ có thể dẫn đến các tiêu chuẩn không thể đáp ứng được ở một số khu vực.

Các nỗ lực kiểm soát ô nhiễm có xứng đáng không?

Việc cải thiện chất lượng không khí ở các khu vực đô thị Hoa Kỳ có xứng đáng với cái giá phải trả không? EPA đã tiến hành một loạt các nghiên cứu để xác định cụ thể lợi ích tổng thể về sức khỏe, phúc lợi, sinh thái và kinh tế của các chương trình của Đạo luật Không khí Sạch (CAA) so với chi phí của các chương trình này.

Các báo cáo đầu tiên phát hành vào năm 1997 trình bày một phân tích hồi cứu chi phí và lợi ích cho giai đoạn kéo dài 1970-1990, và các báo cáo sau đó cung cấp một phân tích tiềm năng cho năm 1990 đến năm 2020. Các báo cáo này đã trải qua xem xét mở rộng bằng tấm của các chuyên gia bên ngoài và do Sở Lao động và Bộ Thương mại.

EPA nhận thấy rằng việc cải thiện chất lượng không khí rất tốn kém: Các nỗ lực kiểm soát từ năm 1970 đến 1990 ước tính tiêu tốn khoảng 0,52 nghìn tỷ đô la (lạm phát được điều chỉnh thành đô la 1990), trong khi ước tính trung tâm về tổng lợi ích kiếm tiền của CAA từ năm 1970 đến 1990 là 22 nghìn tỷ đô la. Do đó, việc cải thiện chất lượng không khí do CAA từ năm 1970 đến năm 1990 mang lại khá hiệu quả về mặt chi phí, với lợi ích vượt quá chi phí với tỷ lệ xấp xỉ 42: 1 (ước tính tốt nhất). Các báo cáo EPA tiếp theo cho thấy tỷ lệ lợi ích trên chi phí tiếp tục lớn.

Ngoài ra, như đã lưu ý trong báo cáo đầu tiên, “có những giá trị xã hội và cá nhân được tăng cường bởi Đạo luật Không khí Sạch, những giá trị này vẫn chưa được nắm bắt một cách hiệu quả bằng các biện pháp dựa trên đồng đô la” được sử dụng trong các nghiên cứu. Giảm các tác động xấu đến sức khỏe và môi trường giúp nâng cao chất lượng cuộc sống vượt xa các yếu tố có thể kiếm tiền. Làm thế nào để người ta có thể đánh giá đúng mức một buổi đi bộ buổi sáng vừa hít thở không khí trong lành vừa có thể ngắm cảnh xung quanh? Một hoạt động như vậy hiếm khi có sẵn cho người dân Los Angeles vào giữa thế kỷ 20.

Các báo cáo của EPA có thể đảm bảo với các siêu đô thị đang phát triển rằng các khoản đầu tư vào cải thiện chất lượng không khí sẽ được đền đáp bằng việc cải thiện sức khỏe và phúc lợi chung của người dân đô thị. Mặc dù kinh nghiệm ở Hoa Kỳ có thể không áp dụng trực tiếp cho các siêu đô thị khác, nhưng nó là hướng dẫn cho một số phương pháp tiếp cận khoa học, kỹ thuật và chính sách cần thiết ở những nơi khác.

Nguồn: https://eos.org/features/urbanization-air-pollution-now