Hiệu ứng nhà kính – Biến đổi khí hậu – Năng lượng tái tạo

Theo dõi KTMT trên

Lời nói đầu:Môi trường Trái Đất là nơi là duy nhất tồn tại của Loài người trong dải Ngân hà cho đến ngày nay như chúng ta biết. Tuy nhiên, môi trường thiên nhiên Trái Đất hiện tại đang bị suy thoái trầm trọng do việc khai thác và sử dụng tài nguyên của con người. Một trong những vấn đề nguy cấp nhất đối với sự tồn tại và phát triển Loài người là biến đổi khí hậu (BĐKH). Hơn 20 năm trước – năm 1992, tại Hội nghị Thượng đỉnh Trái Đất họp ở Rio de Janero, Brazil; 172/178 quốc gia trên Thế giới đã thống nhất ký kết Công ước khung về BĐKH. Tiếp theo đó, Hội nghị các bên liên quan đến Công ước (COP) tổ chức họp để bàn về cách thức thực hiện Công ước đó. COP 3 tổ chức tại Kyoto, Nhật Bản năm 1997 đã thông qua Nghị định thư Kyoto về cắt giảm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính – nguyên nhân chính gây BĐKH. 

COP21 tổ chức tại Paris, Pháp năm 2015 đã thống nhất giảm mức phát thải khí nhà kính để nhiệt độ toàn cầu đến năm 2100 không tăng quá 2 độC và nỗ lực giới hạn mức tăng ở mức 1,5 độ C. Tuy nhiên, cam kết tự nguyện quốc gia do các nước đưa ra theo Thỏa thuận Paris chưa đủ để giảm nhiệt độ ở mức 1,5 độC và các quốc gia chưa có đủ kinh phí 100 tỉ USD để thực hiện các giải pháp giảm phát thải. COP26 họp tại Glasgow, Vương quốc Anh từ 31/10 đến 13/11/2021 là một bước tiến quan trọng trong việc thực hiện Thỏa thuận Paris về cắt giảm lượng khí thải của các quốc gia trên Thế giới. Bài viết nhằm đưa ra lời giải thích đơn giản nhưng cặn kẽ cho những người không có chuyên sâu môi trường và BĐKH về nguyên nhân gây ra BĐKH và giải pháp chính để giải quyết vấn đề đó của Loài người, mà Công ước khung BĐKH và các COP đã và đang hướng tới!

Hiệu ứng nhà kính: Nhiệt độ bề mặt Trái Đất được tạo nên nhờ sự cân bằng giữa năng lượng Mặt trời đến bề mặt và năng lượng bức xạ của Trái Đất vào khoảng không gian giữa các hành tinh. Theo định luật bức xạ của vật đen, quan hệ giữa sóng bức xạ và nhiệt độ vật bức xạ có dạng:   

Bề mặt Mặt trời có nhiệt độ khoảng 6.000 °K, vì vậy năng lượng bức xạ từ Mặt trời chủ yếu là các tia sóng ngắn khoảng 0,5μm, dễ dàng xuyên qua cửa sổ khí quyển. Trong khi đó, với nhiệt độ bề mặt 288°K, bức xạ của Trái Đất có bước sóng cực đại 10,1μm là sóng dài, dễ bị khi quyển giữ lại. Các tác nhân gia tăng sự hấp thụ bức xạ sóng dài trong Khí quyển Trái Đất là các khí nhà kính (CO2, CFC, CH4, O3, NO2...) và hơi nước. Tác nhân chính gia tăng sự hấp thụ bức xạ sóng dài trong Khí quyển là khí CO2 (hấp thụ mạnh các tia có bước sóng 13-18 μm và 2,7 – 4,3 μm), hơi nước (hấp thụ mạnh các tia có bước sóng khoảng 9,5 và 3,8 μm). Kết quả của sự trao đổi không cân bằng về năng lượng giữa Trái Đất với không gian xung quanh dẫn tới sự gia tăng nhiệt độ Khí quyển Trái Đất. Hiện tượng này diễn ra theo cơ chế tương tự như nhà kính trồng cây và được gọi là hiệu ứng nhà kính (Greenhouse Effect). Vai trò gây nên hiệu ứng nhà kính của các chất khí được xếp theo thứ tự sau: CO2 -> CFC -> CH4 -> O3 -> NO2 (Hình 1).

Thực ra trong lịch sử Trái Đất với nồng độ các khí nhà kính tương đối ổn định trong hàng triệu năm (Bảng 1), hiệu ứng nhà kính của Trái Đất đạt 33OC. Theo tính toán, nếu không có hiệu ứng nhà kính thì nhiệt độ trung bình của Trái Đất là – 18OC và dao động nhiệt độ Khí quyển hàng ngày lên tới hàng trăm độ C. Vì vậy ở trạng thái bình thường (trước khi con người khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch), BĐKH là tác nhân quan trọng duy trì và phát triển Loài người, cũng như tất cả các loài sinh vật trên Trái Đất trong hàng trăm triệu năm qua.

Bảng 1. Thành phần trung bình của Khí quyển

Sự gia tăng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch của Loài người đang làm cho nồng độ khí CO2 của Khí quyển tăng lên. Sự gia tăng khí CO2 và các khí nhà kính khác trong Khí quyển Trái Đất dẫn tới việc gia tăng nhiệt độ Trái Đất. Vậy, sự gia tăng nhiệt độ Trái Đất do gia tăng hiệu ứng nhà kính ở trạng thái bình thường mới gây ra tác động có hại cho môi trường sống của con người và các loài sinh vật Trái Đất. Theo tính toán của các nhà khoa học, khi nồng độ CO2 trong Khí quyển tăng lên 0,006%, thì nhiệt độ bề mặt Trái Đất tăng lên khoảng 3℃. Các số liệu quan trắc cho thấy, nhiệt độ Trái Đất đã tăng 0,5OC trong khoảng thời gian từ 1885 đến 1940 do thay đổi nồng độ CO2 trong khí quyển từ 0,027% đến 0,035%. Dự báo, nếu không có biện pháp khắc phục hiệu ứng hiệu ứng nhà kính, nhiệt độ Trái Đất sẽ tăng lên 1,5 – 4,5℃ vào năm 2050. Sự ra đời của Công ước BĐKH và kết quả của các Hội nghị các bên liên quan (COP) sau đó có mục tiêu quan trọng.

Biến đổi khí hậu: Một câu hỏi khác cũng lý thú là: nhiệt độ trung bình hàng năm của Trái Đất dù liên tục tăng mỗi năm khoảng 0,02OC, nhưng cũng rất nhỏ so với sự thay đổi nhiệt độ hàng ngày nơi ta sống (thông thường từ 5-10OC) sao lại gây ra tác động biến động khí hậu khủng khiếp như vậy? Trả lời cho câu hỏi này ta cần phải hiểu khí hậu hoạt động theo cơ chế hệ thống, mà Khí quyển chỉ là một thành phần dù quan trọng nhất trong hệ thống đó (Hình 2).

Năm thành phần chính có tác động liên tục qua lại với nhau là Khí quyển, Thủy quyển, Sinh quyển, Thạch quyển và Băng quyển. Do vậy, một sự thay đổi rất nhỏ trong một quyển như thay đổi nhiệt độ Khí quyển sẽ tạo ra hệ quả thay đổi mang tính cộng hưởng lớn trong hệ thống khí hậu theo hướng tác động tiêu cực tới môi trường của con người và tài nguyên thiên nhiên của Trái Đất. 

Theo IPCC (2007), BĐKH là sự biến đổi trạng thái của hệ thống khí hậu, có thể được nhận biết qua sự biến đổi về trung bình và sự biến động của các thuộc tính của nó, được duy trì trong một thời gian đủ dài, điển hình là hàng thập kỷ hoặc dài hơn. Nói cách khác, nếu coi trạng thái cân bằng của hệ thống khí hậu là điều kiện thời tiết trung bình và những biến động của nó trong khoảng vài thập kỷ hoặc dài hơn, thì BĐKH là sự biến đổi từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác của hệ thống khí hậu. BĐKH hiện đại được nhận biết thông qua sự gia tăng của nhiệt độ trung bình bề mặt Trái Đất, dẫn đến hiện tượng nóng lên toàn cầu. Biểu hiện của BĐKH còn được thể hiện qua sự dâng mực nước biển, hệ quả của sự tăng nhiệt độ toàn cầu.

Sự tăng lên của nhiệt độ trung bình toàn cầu đã tác động tiêu cực và ngày càng nghiêm trọng đến môi trường tự nhiên, kinh tế - xã hội. Nhiệt độ toàn cầu gia tăng cùng với sự thay đổi trong phân bố năng lượng trên bề mặt Trái Đất và bầu khí quyển đã dẫn đến sự biến đổi của các hệ thống hoàn lưu khí quyển và đại dương mà hậu quả của nó là sự biến đổi của các cực trị thời tiết và khí hậu. Nhiều bằng chứng đã chứng tỏ rằng, thiên tai và các hiện tượng cực đoan có nguồn gốc khí tượng ngày càng gia tăng ở nhiều vùng trên Trái Đất mà nguyên nhân của nó là do sự biến đổi bất thường của các hiện tượng thời tiết, khí hậu. Sự nóng lên toàn cầu cũng là nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự dâng mực nước biển do băng tan và dãn nở vì nhiệt của nước biển, làm cho nhiều vùng đất thấp bị ngập chìm vĩnh viễn, hiện tượng xâm nhập mặn gia tăng, v.v. 

Những tiến bộ đạt được về quan trắc cũng như các mô hình gần đây càng cung cấp thêm những hiểu biết vững chắc, cho phép kết luận rằng BĐKH có nguồn gốc từ hai nguyên nhân: nguyên nhân tự nhiên và nguyên nhân con người. 

Các nguyên nhân tự nhiên được cho là những nguyên nhân nằm ngoài hệ thống khí hậu Trái Đất cũng như do sự thay đổi bên trong và tương tác giữa các thành phần của nó, bao gồm:

1) Sự biến đổi của các tham số quỹ đạo Trái Đất. Trái Đất chuyển động xung quanh Mặt trời theo quỹ đạo ellip phụ thuộc vào ba tham số chính là độ lệch tâm, độ nghiêng của trục quay của Trái Đất và tiến động. Những biến đổi của các tham số này sẽ làm biến đổi lượng bức xạ mặt trời cung cấp cho hệ thống khí hậu và hậu quả là làm khí hậu Trái Đất biến đổi: 

(a) Độ lệch tâm là tham số phản ánh “độ méo” của quỹ đạo so với đường tròn. Sự biến đổi của tham số này chi phối biên độ biến trình năm của lượng bức xạ Mặt trời đến cũng như sự khác biệt của lượng bức xạ Mặt trời đến ở hai Bán cầu do khoảng cách giữa Mặt trời và Trái Đất biến thiên trong năm. Giá trị của độ lệch tâm biến thiên trong khoảng từ 0 (không méo, tức đường tròn) đến 0,07 (méo 7% so với đường tròn), và giá trị hiện nay là 0,0174, tương ứng với Nam Bán cầu nhận được nhiều bức xạ mặt trời hơn Bắc Bán cầu khoảng 6,7%. Tham số này có chu kỳ dao động khoảng 96.000 năm;

(b) Độ nghiêng của trục quay của Trái Đất. Trái Đất quay quanh trục của nó một vòng trong một ngày. Độ nghiêng của Trục Trái Đất so với pháp tuyến của mặt phẳng quỹ đạo biến thiên trong khoảng từ 21,5 độ đến 24,5 độ và có chu kỳ dao động khoảng 41.000 năm. Khi độ nghiêng này lớn sẽ làm tăng sự tương phản giữa các mùa, làm biến đổi độ dài các mùa trong năm do các cực hướng về phía mặt trời hoặc phía đối diện dài hơn.

(c) Tiến động. Ellip quỹ đạo Trái Đất, ngoài sự biến đổi của độ lệch tâm, hướng của trục dài (hay bán trục lớn) của nó cũng quay một cách chậm chạp. Hiện tượng đó được gọi là tiến động. Tiến động có thể làm cho các mùa trở nên cực đoan hơn. Chu kỳ tiến động nằm trong khoảng từ 19.000 năm đến 21.000 năm.

2) Sự biến đổi trong phân bố lục địa – biển của bề mặt Trái Đất. Bề mặt Trái Đất bao gồm các lục địa và các đại dương. Bề mặt Trái Đất có thể bị biến dạng qua các thời kỳ địa chất do sự trôi dạt lục địa, các quá trình vận động tạo sơn, sự phun trào núi lửa, v.v. Sự biến dạng này sẽ làm thay đổi phân bố lục địa – biển, hình thái bề mặt Trái Đất, dẫn đến sự biến đổi trong phân bố bức xạ mặt trời nhận được, trong cân bằng bức xạ và cân bằng nhiệt của mặt đất và trong hoàn lưu chung khí quyển, đại dương.

3) Sự biến đổi trong tính chất phát xạ của Mặt trời và hấp thụ bức xạ của Trái Đất. Mặt trời là nguồn cung cấp năng lượng duy nhất cho Trái Đất. Nguồn năng lượng này cũng biến thiên theo thời gian. Từ khi Trái Đất hình thành cho đến nay (khoảng 5 tỉ năm) độ chói của Mặt trời tăng khoảng 30%. Bức xạ Mặt trời thay đổi có thể quan sát ở các đài thiên văn bằng sự thay đổi số lượng vết đen trên Mặt trời theo chu kỳ 11 năm và 100 năm.

Biến đổi tự nhiên của khí hậu có thể được nhận thấy qua các thời kỳ băng hà, gian băng tương ứng với những thời kỳ khí hậu lạnh giá và khí hậu ấm áp của Trái Đất. Qui mô thời gian của những biến đổi này cỡ hàng trăm nghìn năm (trung bình giữa hai lần băng hà vào khoảng hai trăm nghìn năm). 

BĐKH cũng có thể có nguyên nhân từ hoạt động của con người. Loài người mới xuất hiện cách đây khoảng gần chục nghìn năm, quá ngắn so với các chu kỳ băng hà đề cập trên đây. Nhưng hoạt động của con người đã tác động đáng kể đến hệ thống khí hậu mà có lẽ kể từ thời kỳ tiền công nghiệp (khoảng từ năm 1750). Vì nhu cầu mưu sinh, con người đã “can thiệp” vào các thành phần của hệ thống khí hậu, làm thay đổi thuộc tính tự nhiên của nó. Từ chỗ đốt rừng làm nương rẫy, chặt cây lấy củi, khai thác tài nguyên, xây dựng các nhà máy, xí nghiệp, con người ngày càng sử dụng nhiều năng lượng hóa thạch (than, dầu, khí đốt), qua đó đã thải vào Khí quyển càng nhiều các chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Nền công nghiệp càng phát triển, lượng chất phát thải đó ngày càng tăng, làm gia tăng hiệu ứng nhà kính của khí quyển, dẫn đến tăng nhiệt độ của Trái Đất.

CO2: Số liệu phân tích lõi băng khoan được ở Greenland và Nam Cực cho thấy: khoảng 18.000 năm trước, hàm lượng khí CO2 trong Khí quyển chỉ vào khoảng 180 đến 200 ppm, bằng khoảng 70% so với thời kỳ tiền công nghiệp (280 ppm). Từ khoảng năm 1800, hàm lượng khí CO2 trong Khí quyển bắt đầu tăng lên và đạt 379 ppm vào năm 2005 và 400 ppm vào năm 2014, nghĩa là tăng khoảng 31% so với thời kỳ tiền công nghiệp, vượt xa hàm lượng CO2 tự nhiên. Tốc độ tăng của CO2 giai đoạn 1960-2005 vào khoảng 1,4 ppm/năm. Trong giai đoạn 1995-2005, tốc độ tăng của CO2 nhanh hơn, lên tới 1,9 ppm/năm. Nguyên nhân chính làm tăng hàm lượng CO2 trong khí quyển được cho là do sử dụng nhiên liệu hóa thạch và biến đổi sử dụng đất làm gia tăng lượng phát thải CO2. 

CH4: Khí CH4 là loại khí quan trọng thứ hai trong số các khí nhà kính do hoạt động của con người tạo ra. Nguồn khí CH4 được sản sinh chủ yếu từ sự phân giải hiếu khí của cây cỏ trong các đầm lầy, ruộng lúa, phân súc vật, các bãi rác thải, hoặc là thoát ra từ các mỏ than, các giếng khoan dầu hoặc do rò rỉ các ống dẫn khí. Hàm lượng khí nhà kính CH4 cũng tăng từ 715ppb (phần tỉ) trong thời kỳ tiền công nghiệp lên đến giá trị gấp đôi là 1.774 ppb vào năm 2005. Khí CH4 có tiềm năng gây ra hiệu ứng nhà kính gấp 21 lần so với cùng lượng khí CO2 tương đương. Nên sự gia tăng hàm lượng CH4 trong Khí quyển làm gia tăng cân bằng bức xạ toàn cầu khoảng +0,48±0,05W/m2, đứng thứ hai sau CO2.

N2O: Nguồn sinh khí N2O hiện nay chủ yếu do đốt các loại nhiên liệu, sử dụng phân hóa học, sản xuất các hóa chất, đốt sinh khối, phá rừng, v.v. Những hoạt động của con người đóng góp khoảng 40% lượng phát thải N2O vào trong Khí quyển. Năm 2005 hàm lượng N2O là 319 ppb, cao hơn thời kỳ tiền công nghiệp khoảng 18%. Sự gia tăng N2O đóng góp khoảng +0,16±0,02W/m2 vào sự gia tăng cân bằng bức xạ toàn cầu.

O3 tầng đối lưu: O3 trong tầng đối lưu là một loại khí nhà kính quan trọng đứng hàng thứ ba sau khí CO2 và CH4. Nguồn O3 nhân tạo chủ yếu từ động cơ ôtô, xe máy hoặc các nhà máy điện. Các quan trắc cho thấy xu thế của O3 tầng đối lưu trong vài thập kỷ qua có xu thế tăng tương đối rõ ở vùng vĩ độ thấp. O3 tầng đối lưu đóng góp khoảng +0,35 W/m2 (+0.25 đến +0.65) vào sự thay đổi cân bằng bức xạ toàn cầu. 

CFC và HCFC: các chất CFC và HCFC hoàn toàn là sản phẩm do con người tạo ra, bắt đầu xuất hiện từ những năm 1930 và là một loại hóa chất được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật làm lạnh như tủ lạnh, điều hòa nhiệt độ, các loại máy lạnh, các bình xịt mỹ phẩm, chất tẩy rửa linh kiện điện tử, v.v. Do những đặc tính kỹ thuật tốt, nên việc sử dụng các chất này đã tăng lên nhanh chóng kể từ khi được chế tạo lần đầu tiên cho tới những năm 1970, khi người ta phát hiện ra nó có khả năng phá hoại tầng ôzôn. 

Như vậy, vấn đề ổn định trạng thái của hệ thống khí hậu trong xu thế gia tăng nhiệt độ của Trái Đất do các nguyên nhân từ con người như đã nói trên: giảm sự phát thải khí nhà kính (quan trọng nhất là khí CO2) do sử dụng nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí đốt); cũng như tăng các bể chứa khí CO2 ở trên và trong lòng vỏ Trái Đất (rừng, các tầng đất đá xốp, v.v.). Tại COP 26, hai giải pháp quan trọng nhất được lựa chọn là dừng và giảm phát thải khí nhà kính do nhà máy nhiệt điện than và trồng rừng phủ xanh đất trống.

Năng lượng tái tạo: Chúng ta đều biết: khai thác và sử dụng năng lượng là thước đo sự phát triển của con người, vì năng lượng (nhất là năng lượng điện) cho phép con người tăng năng suất lao động và sử dụng các trang thiết bị, máy móc hiện đại. Năng lượng của con người trên Trái Đất (quan trọng nhất là năng lượng điện) được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch (quan trọng nhất là than đá ~ 50%). Trong khi yêu cầu giảm phát thải khí nhà kính do đốt nhiên liệu hóa thạch trong các nhà máy nhiệt điện sẽ dẫn đến thiếu sản lượng điện. Giải pháp thay thế cho việc phát triển các nhà máy nhiệt điện đó là khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo. Thực may mắn cho Loài người, nguồn năng lượng tái tạo trên Trái Đất khá phong phú [4] gồm: năng lượng Mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy điện, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh khối chất thải, v.v. Ở giai đoạn trước đây, khi công nghệ chưa phát triển; giá thành khai thác và chuyển đổi các dạng năng lượng nêu trên thành điện hay loại tương tự như điện khá đắt đỏ. Hiện nay, nhờ công nghệ và thiết bị năng lượng tái tạo (các bảng pin mặt trời, các tuabin gió, tuabin nước, v.v.) phát triển làm giảm giá thành thiết bị và giá thành sản xuất điện thương mại. Trong nhiều trường hợp, nếu Nhà nước bỏ trợ cấp cho việc sản xuất điện từ nhiên liệu hóa thạch, thì giá tiền điện sản xuất điện từ nguồn năng lượng tái tạo có thể canh tranh; thậm chí thấp hơn điện sản xuất từ than. Sự bùng nổ việc đầu tư cho xây dựng các nhà máy và dự án điện Mặt trời và điện gió ở Việt Nam hiện nay đang minh chứng cho ưu thế của năng lượng tái tạo. 

Việt Nam là quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng tái tạo (năng lượng Mặt trời, năng lượng gió, sinh khối chất thải) trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch còn lại hạn chế hoặc khó khai thác. Theo tính toán của các tổ chức quốc tế, tiềm năng năng lượng gió Việt Nam rất lớn; ví dụ Ngân hàng Thế giới ước tính tiềm năng gió Việt Nam trên đất liền trên 500 GW, trên biển theo các ước tính tiềm năng năng lượng gió có thể đạt tới 6.000 GW; lớn hơn nhiều tiêu thụ điện quốc gia. Dựa theo ý kiến góp ý của các nhà tư vấn trong và ngoài nước, Bộ Công Thương dưới sự chỉ đạo của Chính phủ đang lắng nghe ý kiến của các tổ chức khoa học và các bộ ngành khác để điều chỉnh Phương án Quy hoạch Điện 8 theo hướng giảm điện than và tăng lượng điện từ nguồn năng lượng tái tạo. 

Dựa trên năng lực sẵn có và quyết tâm của quốc gia có trách nhiệm với cộng đồng Thế giới, Thủ tướng Việt Nam Phạm Minh Chính đã long trọng tuyên bố trước Hội nghị COP26: “Việt Nam sẽ xây dựng và triển khai các biện pháp giảm phát thải khí nhà kính mạnh mẽ bằng nguồn lực của mình, cùng với sự hợp tác và hỗ trợ của cộng đồng quốc tế, nhất là các nước phát triển, cả về tài chính và chuyển giao công nghệ, trong đó có thực hiện các cơ chế theo Thỏa thuận Paris, để đạt mức phát thải ròng bằng “0” vào năm 2050”.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. COP26: Quốc tế ấn tượng với cam kết đạt phát thải ròng bằng “0” của Việt Nam; Báo Nhân dân ngày 25/11/2021. https://nhandan.vn › thegioi › cop26-...

2. Lưu Đức Hải, Cơ sở Khoa học môi trường, NXB. ĐHQG, 2000.

3. Lưu Đức Hải, Biến đổi khí hậu Trái Đất và giải pháp phát triển bền vững Việt Nam; NXB. Lao động, 2009.

4. Nguyễn Xuân Cự, Lưu Đức Hải, Trần Thanh Lâm, Tiềm năng năng lượng tái tạo Việt Nam và định hướng sử dụng, 2009. 

PGS.TS Lưu Đức Hải