Bụi trong không khí: Mối nguy hiểm đối với sức khỏe con người, môi trường và xã hội

Trong thập kỷ qua, giới khoa học đã nhận ra những tác động quan trọng của bụi trong không khí đối với khí hậu, sức khỏe con người, môi trường và các lĩnh vực kinh tế – xã hội khác nhau. WMO và các Thành viên đã bắt đầu triển khai các hệ thống giám sát, dự báo và cảnh báo sớm đối với bụi trong không khí vào năm 2004, là đơn vị tiên phong trong việc đánh giá các tác động này và phát triển các sản phẩm để hướng dẫn các chính sách chuẩn bị, thích ứng và giảm thiểu.

Bài viết này trước tiên sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về chu trình bụi và thảo luận về sự tương tác của nó với thời tiết, hệ thống khí hậu, các hệ sinh thái trên cạn và biển, trước khi xem xét các tác động của nó đối với sức khỏe và các lĩnh vực kinh tế đa dạng. Sau đó, nó sẽ làm nổi bật mạng lưới quốc tế do WMO điều phối và kế hoạch đầy tham vọng của nó trong việc cung cấp các sản phẩm theo định hướng chính sách. Mục đích là nâng cao nhận thức của các Dịch vụ Khí tượng Thủy văn Quốc gia (NMHSs) về mức độ tác động xấu của bụi trong không khí và thông báo cho độc giả về những nỗ lực của WMO để hiểu rõ hơn về những tác động này. Bài báo nêu bật sáng kiến ​​của WMO nhằm cung cấp các dịch vụ vận hành có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc dự báo bụi và cảnh báo sớm nhằm mời gọi các tổ chức quan tâm khác tham gia tích cực vào công việc quan trọng này.

Chu trình bụi

Đám bụi bốc ra ngoài Bán đảo Ả Rập vào ngày 8 tháng 3 năm 2015 lúc 08:45 UTC được máy quang phổ MODIS trên vệ tinh Aqua của NASA chụp lại 

Bão bụi là nguy cơ khí tượng phổ biến ở các vùng khô hạn và bán khô hạn. Chúng thường được gây ra bởi giông bão, hoặc áp suất mạnh kết hợp với lốc xoáy, làm tăng tốc độ gió trên diện rộng.

Những cơn gió mạnh này cuốn một lượng lớn cát và bụi từ đất trống, khô vào bầu khí quyển, vận chuyển chúng đi xa hàng trăm đến hàng nghìn km.

Lực hấp dẫn giữ bụi bám xuống bề mặt Trái đất. Hạt bụi càng nặng – do kích thước, mật độ hoặc sự hiện diện của nước trong đất – thì lực hấp dẫn giữ nó càng mạnh. Bão bụi chỉ có thể xảy ra khi lực gió vượt quá giá trị ngưỡng cho phép các hạt rời được nâng lên khỏi mặt đất. Thảm thực vật đóng vai trò là lớp phủ, bảo vệ bề mặt Trái đất khỏi sự xói mòn của gió (Aeolian) này. Do đó, hạn hán góp phần vào sự xuất hiện của các cơn bão bụi, cũng như các hoạt động canh tác và chăn thả kém hoặc quản lý nước không đầy đủ, bằng cách để bụi và cát tiếp xúc với gió.

Khoảng 40% sol khí trong tầng đối lưu (tầng thấp nhất của khí quyển Trái đất) là các hạt bụi do gió bào mòn. Nguồn chính của những bụi khoáng này là các vùng khô hạn ở Bắc Phi, bán đảo Ả Rập, Trung Á và Trung Quốc. So sánh, Úc, Mỹ và Nam Phi có những đóng góp nhỏ, nhưng vẫn quan trọng. Các ước tính toàn cầu về lượng phát thải bụi, chủ yếu thu được từ các mô hình mô phỏng, thay đổi từ một đến ba Gigaton mỗi năm.

Sau khi thoát ra khỏi bề mặt, các hạt bụi được nâng lên các tầng cao hơn của tầng đối lưu bằng cách trộn hỗn loạn và các dòng đối lưu. Sau đó, chúng được vận chuyển bằng gió trong một khoảng thời gian dài, tùy thuộc vào kích thước và điều kiện khí tượng của chúng. Lực hấp dẫn vẫn là lực chính kéo các hạt bụi trở lại bề mặt. Cùng với sự thúc đẩy và khuếch tán hỗn loạn, nó góp phần tạo ra cái được gọi là lắng đọng khô. Khi các hạt lớn lắng xuống nhanh hơn các hạt nhỏ hơn, có sự chuyển dịch về phía kích thước hạt nhỏ hơn trong quá trình vận chuyển. Bụi cũng được rửa sạch khỏi khí quyển bằng cách kết tủa – lắng đọng ướt. Thời gian tồn tại trung bình của các hạt bụi trong khí quyển từ vài giờ đối với các hạt có đường kính lớn hơn 10 μm, đến hơn 10 ngày đối với các hạt có đường kính dưới micromet.

Ảnh hưởng với thời tiết và khí hậu

Sol khí, đặc biệt là bụi khoáng, tác động của thời tiết cũng như khí hậu toàn cầu và khu vực. Các hạt bụi, đặc biệt nếu được bao phủ bởi ô nhiễm, hoạt động như hạt nhân ngưng tụ để hình thành đám mây ấm và như tác nhân hạt nhân băng hiệu quả để tạo ra đám mây lạnh. Khả năng phục vụ của các hạt bụi phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và thành phần của chúng, lần lượt phụ thuộc vào bản chất của đất mẹ, quá trình phát thải và vận chuyển. Sự thay đổi thành phần vi vật lý của các đám mây làm thay đổi khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời của chúng, ảnh hưởng gián tiếp đến năng lượng truyền tới bề mặt Trái đất. ^{5 Các}  hạt bụi cũng ảnh hưởng đến sự phát triển của các giọt mây và tinh thể băng, do đó ảnh hưởng đến lượng và vị trí của lượng mưa.

Bụi trong không khí hoạt động theo cách tương tự như hiệu ứng nhà kính: nó hấp thụ và phân tán bức xạ mặt trời đi vào bầu khí quyển của Trái đất, làm giảm lượng đến bề mặt và hấp thụ bức xạ sóng dài dội ngược lên bề mặt, phát lại theo mọi hướng. Một lần nữa, khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời của các hạt bụi phụ thuộc vào kích thước, hình dạng cũng như thành phần khoáng vật và hóa học của chúng. Sự phân bố theo chiều dọc của bụi trong không khí (hình dạng thẳng đứng) và các đặc tính của bề mặt bên dưới cũng được yêu cầu để định lượng tác động này.

Ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Bụi trong không khí tiềm ẩn những nguy cơ nghiêm trọng đối với sức khỏe con người. Kích thước hạt bụi là yếu tố quyết định chính về nguy cơ tiềm ẩn đối với sức khỏe con người. Các hạt lớn hơn 10 μm không thoáng khí, do đó chỉ có thể làm hỏng các cơ quan bên ngoài – chủ yếu gây kích ứng da và mắt, viêm kết mạc và tăng cường độ nhạy cảm với nhiễm trùng mắt. Các hạt có thể hít phải, nhỏ hơn 10 μm, thường bị mắc kẹt trong mũi, miệng và đường hô hấp trên, do đó có thể liên quan đến các rối loạn hô hấp như hen suyễn, viêm khí quản, viêm phổi, viêm mũi dị ứng và bệnh bụi phổi silic. Tuy nhiên, các hạt mịn hơn có thể xâm nhập vào đường hô hấp dưới và đi vào máu, nơi chúng có thể ảnh hưởng đến tất cả các cơ quan nội tạng và là nguyên nhân gây ra các rối loạn tim mạch.⁶

Một số bệnh truyền nhiễm có thể lây truyền qua đường bụi. Viêm màng não mô cầu, một bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn ở lớp mô mỏng bao quanh não và tủy sống, có thể dẫn đến tổn thương não và nếu không được điều trị có thể tử vong trong 50% trường hợp. ⁷  Các đợt bùng phát xảy ra trên toàn thế giới, nhưng tỷ lệ mắc bệnh cao nhất được tìm thấy ở “vành đai viêm màng não”, một phần của châu Phi cận Sahara với dân số ước tính khoảng 300 triệu người. Những đợt bùng phát này có tính chất theo mùa mạnh mẽ – nhiều nghiên cứu đã liên kết các điều kiện môi trường, chẳng hạn như độ ẩm thấp và điều kiện bụi bẩn, với thời gian và địa điểm lây nhiễm.  Các nhà nghiên cứu cho rằng việc hít phải các hạt bụi trong thời tiết khô nóng có thể làm tổn thương niêm mạc mũi họng tạo điều kiện thuận lợi cho sự lây nhiễm vi khuẩn. Hơn nữa, các oxit sắt được nhúng trong các hạt bụi có thể làm tăng nguy cơ nhiễm trùng.

Bụi cũng đóng một vai trò trong việc truyền bệnh sốt thung lũng – một căn bệnh có khả năng gây chết người – ở Tây Nam Hoa Kỳ và miền Bắc Mexico bằng cách hoạt động như một vật vận chuyển bào tử nấm Coccidioides.

Bản đồ vành đai viêm màng não (màu đỏ) và các vùng có nguy cơ dịch cao (màu nâu), tất cả các vùng khác có thể có tỷ lệ bùng phát thấp hơn và các ca bệnh lẻ tẻ (nguồn:  Tổ chức Y tế Thế giới )

Tác động đến môi trường và xã hội

Trầm tích bụi bề mặt là nguồn cung cấp vi chất dinh dưỡng cho cả hệ sinh thái lục địa và biển. Bụi ở Sahara được cho là có tác dụng bón phân cho rừng nhiệt đới Amazon, và bụi vận chuyển sắt và phốt pho được biết là có lợi cho sản xuất sinh khối biển ở những vùng đại dương bị thiếu hụt các nguyên tố như vậy. Nhưng bụi cũng có nhiều tác động tiêu cực đến nông nghiệp, bao gồm làm giảm năng suất cây trồng do vùi lấp cây con, làm mất mô thực vật, giảm hoạt động quang hợp và tăng xói mòn đất.

Các tác động gián tiếp lắng đọng bụi bao gồm lấp kênh tưới tiêu, che lấp các tuyến đường giao thông và ảnh hưởng đến chất lượng nước sông suối. Giảm khả năng hiển thị do bụi trong không khí cũng có tác động đến giao thông đường bộ và đường hàng không. Điều kiện tầm nhìn kém là một mối nguy hiểm trong quá trình máy bay hạ cánh và cất cánh – việc hạ cánh có thể bị chuyển hướng và khởi hành bị trì hoãn. Bụi cũng có thể quét bề mặt máy bay và làm hỏng động cơ.

Bụi có thể ảnh hưởng đến sản lượng của các nhà máy điện mặt trời, đặc biệt là những nhà máy phụ thuộc vào bức xạ mặt trời trực tiếp. Bụi bám trên các tấm pin mặt trời là mối quan tâm chính của các nhà vận hành nhà máy. Giữ cho các tấm thu năng lượng mặt trời không có bụi để ngăn chặn các hạt chặn bức xạ tới đòi hỏi thời gian và công sức.

Phản hồi của WMO 

Dự án Bão cát và Bão WMO được thực hiện vào năm 2004 và Hệ thống Tư vấn và Đánh giá Cảnh báo Bão Cát và Bão (SDS-WAS) vào năm 2007. SDS-WAS nâng cao khả năng của các quốc gia trong việc cung cấp các dự báo bão cát và bụi kịp thời, chất lượng, quan sát, thông tin và kiến ​​thức cho người dùng thông qua quan hệ đối tác quốc tế của các cộng đồng nghiên cứu và hoạt động. Nó hoạt động thông qua hai Nút Khu vực SDS-WAS:

• Bắc Phi, Trung Đông và Châu Âu, được điều phối bởi Trung tâm Khu vực ở Barcelona, ​​Tây Ban Nha, do  Cơ quan Khí tượng Nhà nước(AEMET) và  Trung tâm Siêu máy tính Barcelona  (BSC) chủ trì; và
• Châu Á, được điều phối bởi Trung tâm Khu vực ở Bắc Kinh, Trung Quốc, do  Cục Khí tượng Trung Quốc(CMA) chủ trì.

Nút Khu vực thứ ba cho Liên Châu Mỹ, được thành lập gần đây ở Hoa Kỳ, với một trung tâm khu vực có thể được tổ chức bởi  Viện Khí tượng và Thủy văn  Caribe (CIMH) ở Barbados, sẽ tập trung vào các tác động sức khỏe của bụi trong không khí. Và một tổ chức khác có thể sớm được thành lập cho Tây Á với sự hợp tác của  Chương trình Môi trường Liên hợp quốc  (UNEP).

Trung tâm khu vực cho Bắc Phi, Trung Đông và Châu Âu

Mục tiêu chính của Trung tâm Khu vực (RC) cho Bắc Phi, Trung Đông và Châu Âu là tạo điều kiện cho người dùng tiếp cận, đặc biệt là đối với NMHS, đến các sản phẩm quan sát và dự báo cũng như các nguồn thông tin cơ bản khác liên quan đến bụi trong không khí. Cổng thông tin điện tử ¹³ của nó  cung cấp cho các NMHS thông tin cần thiết để đưa ra các dự đoán vận hành và tư vấn cảnh báo liên quan đến hàm lượng bụi trong khí quyển.

RC cho Bắc Phi, Trung Đông và Châu Âu gần đây đã thiết lập một cuộc trao đổi về các sản phẩm mô hình dự báo thử nghiệm giữa các đối tác để có sáng kiến ​​đánh giá và hình ảnh chung. Khu vực tham chiếu cho sáng kiến ​​bao gồm các nguồn bụi chính ở Bắc Phi và Trung Đông cũng như các tuyến đường vận chuyển chính và các khu vực bồi tụ từ xích đạo đến Bán đảo Scandinavi. Sáng kiến ​​xem xét các dự báo lên đến 72 giờ với tần suất 3 giờ. Chín mô hình được liệt kê trong bảng (bên dưới) cung cấp đầu ra số cho sáng kiến ​​hàng ngày. Mức nồng độ bụi bề mặt dự đoán và giá trị độ sâu quang học của bụi ở 550 nm (DOD550), cho mỗi kiểu máy, được vẽ song song hàng ngày bằng cách sử dụng bảng màu chung. Sản phẩm là một công cụ mạnh mẽ để đưa ra các dự đoán ngắn hạn và thông báo cảnh báo sớm.

Hàng ngày, RC cho Bắc Phi, Trung Đông và Châu Âu tạo ra các sản phẩm dự đoán đa mô hình tổng hợp: trung bình và phương tiện nhằm mục đích cải thiện kỹ năng dự báo của phương pháp tiếp cận dựa trên mô hình duy nhất và đồ thị chênh lệch giữa các đầu ra mô hình tại các thời điểm cụ thể trong tương lai (độ lệch chuẩn và phạm vi biến thiên). Khi mức chênh lệch tổng thể nhỏ và kết quả dự báo nhất quán trong nhiều mô hình, thì dự báo càng có độ tin cậy cao.

RC dành cho Bắc Phi, Trung Đông và Châu Âu so sánh các phương tiện mô hình và đa mô hình với dữ liệu quan sát để đánh giá xem chúng có mô phỏng thành công các thông số liên quan đến bụi hay không. Với mục đích này, các quan sát trắc quang mặt trời từ 40 trạm dễ bị bụi của mạng AERONET được truy xuất và vẽ biểu đồ cùng với các dự đoán cho cùng thời gian và địa điểm trên biểu đồ. Ngoài các ô hàng tháng, hệ thống đánh giá còn tính điểm hàng tháng, theo mùa và hàng năm. Một sản phẩm đánh giá dựa trên truy xuất độ sâu quang học sol khí từ quang phổ kế MODIS di chuyển trên các vệ tinh Terra và Aqua không đồng bộ địa lý của NASA cũng đã được phát triển.

Dự báo bão cát và bụi cho ngày 28 tháng 2 năm 2013 lúc 03:00 UTC do WMO SDS-WAS Asian RC phát hành  

Trung tâm khu vực Châu Á và Trung Thái Bình Dương

Trung tâm Khu vực Châu Á và Trung Thái Bình Dương (Asian RC) hỗ trợ mạng lưới toàn cầu gồm các đối tác nghiên cứu và vận hành SDS-WAS, bao gồm NMHS của Nhật Bản, Kazakhstan, Mông Cổ, Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa và Hàn Quốc. Nó thường xuyên chạy một mô hình toàn cầu và hai mô hình khu vực để cung cấp dự báo bụi; hệ thống dự báo CUACE / Bụi đã hoạt động từ năm 2007. Kết quả của các hệ thống dự báo quốc gia khác nhau – hiện tại là Trung Quốc, Hàn Quốc và Nhật Bản – được chia sẻ trên một cổng thông tin điện tử ¹⁴ được duy trì bởi RC Châu Á. Một giao thức để trao đổi gần thời gian thực các dự báo số hàng ngày để cùng hình dung và đánh giá cũng đã được thiết lập gần đây tại Asian RC. Khu vực tham chiếu bao gồm các nguồn bụi chính ở Trung và Đông Á, các tuyến đường vận chuyển và các vùng lắng đọng lên đến Trung Thái Bình Dương. Tương tự như RC dành cho Bắc Phi, Trung Đông và Châu Âu, sáng kiến ​​này xem xét các dự báo về nồng độ bề mặt và độ sâu quang học bụi với tần suất 3 giờ cho đến thời gian thực hiện là 72 giờ.

RC Châu Á cũng đã phát triển một hệ thống tính điểm mối đe dọa chung để tạo điều kiện thúc đẩy sự tiến bộ của các kỹ thuật dự báo và nâng cao độ chính xác của dự báo.

Trung tâm Dự báo Bụi Barcelona

Để phát triển thành phần hoạt động của SDS-WAS và chuyển giao kinh nghiệm thu được trong giai đoạn nghiên cứu cho các dịch vụ vận hành, Trung tâm Dự báo Bụi Barcelona đã được khai trương vào tháng 2 năm 2014, theo quyết định của WMO rằng dự báo bụi đã đủ trưởng thành để triển khai hoạt động. dịch vụ. AEMET và BSC đăng cai tổ chức Trung tâm Dự báo Bụi và Cát Khí quyển Khu vực này (RSMC-ASDF) với sứ mệnh đưa ra và phổ biến các dự báo hoạt động cho Bắc Phi (bắc xích đạo), Trung Đông và Châu Âu.

Các trường dự báo được tạo bằng cách sử dụng mô hình NMMB / BSC- Bụi chạy ở độ phân giải ngang 0,1 độ và được phân phối qua cổng thông tin điện tử của Trung tâm, thông qua Hệ thống Viễn thông Toàn cầu WMO và thông qua EUMETCast, một hệ thống phổ biến do EUMETSAT quản lý dựa trên kỹ thuật số tiêu chuẩn công nghệ quảng bá video sử dụng vệ tinh địa tĩnh viễn thông thương mại thành các tệp đa tầng (dữ liệu và sản phẩm) cho một cộng đồng người dùng rộng rãi.

Nguồn: https://public.wmo.int/