Chất lượng không khí là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Khái niệm chất lượng không khí

Chất lượng không khí là chỉ số phản ánh mức độ trong lành hay ô nhiễm của không khí, được xác định thông qua nồng độ các chất ô nhiễm có hại cho sức khỏe con người và môi trường. Các thành phần chính được đánh giá bao gồm bụi mịn, khí độc, ozone tầng mặt đất và các hợp chất hữu cơ bay hơi.

Chỉ số chất lượng không khí không chỉ đo mức độ sạch của không khí mà còn cảnh báo nguy cơ sức khỏe cho cộng đồng. Các tổ chức như EPA Hoa Kỳ hay WHO đều sử dụng các tiêu chuẩn phân loại cụ thể nhằm đưa ra cảnh báo sớm và định hướng chính sách kiểm soát ô nhiễm.

Chất lượng không khí được coi là một chỉ báo môi trường thiết yếu trong các mục tiêu phát triển bền vững, đặc biệt là trong lĩnh vực y tế công cộng, quy hoạch đô thị và chống biến đổi khí hậu toàn cầu.

Các thông số chính trong đánh giá chất lượng không khí

Để đánh giá chất lượng không khí, người ta sử dụng một tập hợp các thông số đại diện cho các dạng ô nhiễm phổ biến nhất. Mỗi thông số có ngưỡng giới hạn được xác định bởi các tổ chức y tế hoặc môi trường quốc tế.

Danh sách các thông số chính thường bao gồm:

• PM2.5: Bụi mịn có đường kính ≤ 2.5 micromet, có khả năng xâm nhập sâu vào phổi và máu.
• PM10: Bụi có kích thước ≤ 10 micromet, gây kích ứng đường hô hấp.
• NO₂: Nitơ dioxit từ khí thải động cơ và công nghiệp, gây viêm phổi và giảm chức năng phổi.
• SO₂: Lưu huỳnh dioxit từ đốt nhiên liệu hóa thạch, gây mưa axit.
• CO: Carbon monoxide, khí không màu, gây ngạt nếu hít phải với nồng độ cao.
• O₃: Ozone tầng mặt đất, hình thành do phản ứng quang hóa, gây kích ứng mắt và phổi.
• VOC: Hợp chất hữu cơ bay hơi, nguồn gốc từ dung môi, sơn, xăng dầu, có thể gây ung thư.

Một số thông số còn có thể được đo trong các nghiên cứu nâng cao như benzen, amoniac (NH₃), chì (Pb), formaldehyde,... tùy vào mục tiêu quan trắc cụ thể.

Chỉ số chất lượng không khí (AQI)

AQI (Air Quality Index) là chỉ số tổng hợp giúp chuyển đổi nồng độ các chất ô nhiễm sang một thang điểm từ 0 đến 500 nhằm đơn giản hóa việc đánh giá và cảnh báo mức độ ô nhiễm.

Chỉ số AQI được tính toán riêng biệt cho từng chất ô nhiễm, sau đó lấy giá trị lớn nhất để làm đại diện cho chất lượng không khí tại một thời điểm:

$AQI = \frac{I_{hi} - I_{lo}}{C_{hi} - C_{lo}} \times (C - C_{lo}) + I_{lo}$

Trong đó:

• $C$: nồng độ thực đo của chất ô nhiễm
• $C_{lo}$, $C_{hi}$: giới hạn nồng độ cho khoảng AQI
• $I_{lo}$, $I_{hi}$: chỉ số AQI tương ứng

Bảng dưới đây minh họa các mức AQI theo tiêu chuẩn của EPA:

Chỉ số AQI	Mức độ	Màu cảnh báo	Ảnh hưởng sức khỏe
0–50	Tốt	Xanh lá	Không ảnh hưởng
51–100	Trung bình	Vàng	Ảnh hưởng nhẹ đến nhóm nhạy cảm
101–150	Kém	Cam	Nhóm nhạy cảm có thể bị ảnh hưởng
151–200	Xấu	Đỏ	Ảnh hưởng đến tất cả mọi người
201–300	Rất xấu	Tím	Ảnh hưởng nghiêm trọng
>300	Nguy hại	Nâu	Cảnh báo khẩn cấp

AQI giúp người dân và chính quyền dễ dàng theo dõi, đánh giá và phản ứng kịp thời trước những thay đổi tiêu cực trong môi trường không khí.

Nguyên nhân gây ô nhiễm không khí

Các nguồn gây ô nhiễm không khí được chia thành hai nhóm: nguồn điểm (point sources) như nhà máy, lò đốt và nguồn phân tán (non-point sources) như phương tiện giao thông hoặc bụi đường. Các nguyên nhân chính gồm:

• Khí thải từ xe máy, ô tô sử dụng xăng/diesel
• Hoạt động công nghiệp đốt nhiên liệu hóa thạch
• Cháy rừng tự nhiên hoặc do con người gây ra
• Rác thải sinh hoạt không được xử lý đúng cách
• Hoạt động xây dựng, khai thác khoáng sản

Đặc biệt tại các đô thị đang phát triển, lượng xe cơ giới lớn, mật độ dân cư cao, kết hợp với khí hậu khô hanh, ít gió khiến ô nhiễm không khí trở nên nghiêm trọng hơn. Ngoài ra, yếu tố thời tiết như nghịch nhiệt cũng làm tăng tích tụ chất ô nhiễm gần mặt đất.

Ảnh hưởng của không khí ô nhiễm đến sức khỏe

Ô nhiễm không khí là một trong những yếu tố rủi ro môi trường lớn nhất ảnh hưởng đến sức khỏe toàn cầu. Tiếp xúc kéo dài với không khí ô nhiễm gây ra hàng loạt vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt là ở trẻ em, người cao tuổi và người có bệnh nền.

Theo WHO (2023), khoảng 7 triệu ca tử vong sớm mỗi năm có liên quan đến phơi nhiễm bụi mịn PM2.5 và các khí độc như NO₂ hoặc O₃.

Các tác động sức khỏe phổ biến:

• Bệnh phổi mãn tính (hen suyễn, viêm phế quản mạn)
• Đột quỵ và các bệnh tim mạch
• Suy giảm chức năng miễn dịch và thần kinh
• Biến đổi phát triển não ở trẻ nhỏ
• Gia tăng nguy cơ ung thư phổi và ung thư máu

Các nghiên cứu cho thấy mối tương quan giữa AQI vượt ngưỡng và số ca nhập viện hô hấp tăng đột biến, đặc biệt trong mùa hanh khô và tại các đô thị lớn như New Delhi, Bắc Kinh hoặc TP. Hồ Chí Minh.

Ảnh hưởng đến hệ sinh thái và biến đổi khí hậu

Không khí ô nhiễm ảnh hưởng tiêu cực đến thực vật, động vật và cân bằng sinh học toàn cầu. Ozone tầng mặt đất ức chế quá trình quang hợp, làm giảm năng suất cây trồng và suy thoái rừng.

Lắng đọng axit từ SO₂ và NO_x làm axit hóa đất và nước, tiêu diệt sinh vật thủy sinh và giảm độ màu mỡ đất nông nghiệp. Khí CO₂, CH₄ và khí aerosol còn góp phần gây hiệu ứng nhà kính và tăng tốc độ nóng lên toàn cầu.

Theo Báo cáo IPCC (2022), kiểm soát ô nhiễm không khí là một trong các giải pháp đa lợi ích (co-benefit) vì vừa bảo vệ sức khỏe vừa giúp giảm phát thải khí nhà kính.

Các phương pháp đo và giám sát chất lượng không khí

Các cơ quan môi trường trên thế giới triển khai hệ thống quan trắc không khí theo thời gian thực để thu thập dữ liệu AQI. Các phương pháp đo phổ biến:

• Trạm quan trắc tự động cố định (cảm biến điện hóa, quang học, hoặc phân tích hấp thụ tia cực tím)
• Cảm biến không khí cá nhân/di động (IoT-based, giá thành rẻ, độ chính xác vừa phải)
• Hệ thống quan trắc vệ tinh (NASA MODIS, ESA Sentinel-5P)

Dữ liệu được tổng hợp trên các nền tảng như IQAir, AQICN, hoặc công khai qua các ứng dụng di động để hỗ trợ cộng đồng ra quyết định (ví dụ: hạn chế ra đường khi AQI xấu).

Một số thiết bị nổi bật:

Tên thiết bị	Công nghệ đo	Chỉ tiêu đo	Ứng dụng
AirVisual Pro	Cảm biến laser	PM2.5, CO2, nhiệt độ, độ ẩm	Nhà dân dụng
PurpleAir	Dual-laser particle counter	PM1.0, PM2.5, PM10	Giám sát cộng đồng
BAM-1020	Bức xạ beta	PM10, PM2.5	Trạm quốc gia

Biện pháp kiểm soát và cải thiện chất lượng không khí

Các giải pháp cải thiện chất lượng không khí cần sự phối hợp đa ngành, từ chính sách đến kỹ thuật và hành vi cộng đồng. Một số biện pháp phổ biến:

• Áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro VI, kiểm tra khí thải định kỳ
• Phát triển giao thông công cộng, khuyến khích phương tiện chạy điện
• Thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng năng lượng tái tạo
• Tăng diện tích cây xanh đô thị, tạo vành đai sinh thái
• Cấm đốt rác thải, kiểm soát công trình xây dựng

Chính phủ nhiều quốc gia đã ban hành luật không khí sạch (Clean Air Act) như Hoa Kỳ, Anh, Đức. Ở Việt Nam, Luật Bảo vệ môi trường (2020) cũng quy định rõ trách nhiệm kiểm soát khí thải và quyền tiếp cận dữ liệu môi trường của người dân.

Triển vọng nghiên cứu và công nghệ

Các công nghệ AI, mô hình dự báo và dữ liệu lớn đang được ứng dụng mạnh mẽ trong lĩnh vực môi trường. Các mô hình học sâu (deep learning) có khả năng:

• Dự báo AQI theo thời gian và không gian
• Mô phỏng phân tán chất ô nhiễm bằng GIS
• Phân tích nguyên nhân ô nhiễm dựa trên dữ liệu thời tiết, giao thông

Theo Nature (2022), mô hình kết hợp dữ liệu vệ tinh, cảm biến mặt đất và học máy đã tăng độ chính xác dự báo PM2.5 lên đến 90% tại các khu vực đô thị.

Các quốc gia đang hợp tác phát triển mạng lưới cảm biến cộng đồng, tích hợp nền tảng cảnh báo không khí trong quy hoạch đô thị thông minh và hệ thống y tế công cộng.

Tài liệu tham khảo

1. WHO. (2023). Ambient Air Quality and Health. WHO Website
2. EPA. (2023). Air Quality Index (AQI). EPA.gov
3. IPCC. (2022). Sixth Assessment Report. IPCC Report
4. IQAir. (2023). World Air Quality Report. IQAir
5. Nature. (2022). Machine Learning for Global Air Pollution Estimation. Nature Journal
6. AQICN. (2023). Real-time Air Quality Map. aqicn.org
7. Luật Bảo vệ môi trường Việt Nam (2020). Thư viện Pháp luật