Sóng nhiệt là gì? Các nghiên cứu khoa học về Sóng nhiệt

Định nghĩa sóng nhiệt

Sóng nhiệt là hiện tượng thời tiết cực đoan, xảy ra khi nhiệt độ không khí tăng cao hơn mức trung bình nhiều năm tại một khu vực và duy trì trong nhiều ngày. Mức nhiệt độ này không chỉ vượt qua ngưỡng chịu đựng thông thường của sinh vật và con người mà còn gây áp lực lớn đến hệ sinh thái, kinh tế và sức khỏe cộng đồng.

Không có một định nghĩa duy nhất cho sóng nhiệt vì điều kiện khí hậu từng vùng khác nhau. Tuy nhiên, theo NOAA, sóng nhiệt ở Hoa Kỳ được xác định là chuỗi các ngày có nhiệt độ tối thiểu từ 90°F (32.2°C) trở lên, kéo dài ít nhất từ hai đến ba ngày liên tục. Ở châu Âu, tiêu chuẩn thường là khi nhiệt độ vượt quá 95% phân vị của dữ liệu lịch sử trong một khoảng thời gian nhất định.

Sóng nhiệt không chỉ là một đợt nắng nóng đơn thuần mà còn mang tính bất thường, thường xảy ra sớm hoặc muộn trong năm, làm đảo lộn các chu kỳ thời tiết tự nhiên. Khả năng thích ứng với sóng nhiệt thấp hơn nhiều so với nắng nóng mùa hè thông thường.

Nguyên nhân hình thành sóng nhiệt

Nguyên nhân trực tiếp phổ biến nhất của sóng nhiệt là do hệ thống áp cao tĩnh tại, hay còn gọi là "mái vòm nhiệt" (heat dome). Đây là hiện tượng khí áp cao bao phủ một vùng rộng lớn, khiến không khí bị ép xuống, nén lại và nóng lên theo nguyên lý khí động học. Khi không khí nóng bị giữ lại gần mặt đất, nhiệt độ tăng cao và không có cơ hội phát tán ra ngoài khí quyển.

Các yếu tố đóng góp khác bao gồm:

• Sự kết hợp giữa bề mặt đất khô hạn và không khí ít độ ẩm
• Ảnh hưởng từ hiện tượng El Niño và La Niña
• Đô thị hóa làm tăng hiệu ứng đảo nhiệt đô thị

Một số khu vực địa lý có xu hướng chịu sóng nhiệt thường xuyên hơn do địa hình, vĩ độ và mô hình luồng khí quyển. Ví dụ, vùng trung tâm châu Á, miền Tây Hoa Kỳ, và khu vực Trung Đông thường xuyên ghi nhận sóng nhiệt khốc liệt.

Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến sóng nhiệt

Biến đổi khí hậu toàn cầu đang là yếu tố then chốt khiến sóng nhiệt trở nên thường xuyên, kéo dài và cực đoan hơn. Sự gia tăng nồng độ khí nhà kính như CO₂, CH₄ đã dẫn đến sự giữ nhiệt mạnh hơn trong khí quyển, làm tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu. Điều này khiến những ngưỡng nhiệt từng được coi là bất thường nay trở nên phổ biến.

Thống kê từ NASA cho thấy trong vòng 100 năm qua, nhiệt độ trung bình toàn cầu đã tăng khoảng 1.1°C, và phần lớn là do hoạt động của con người. Mỗi mức tăng 1°C có thể dẫn đến gia tăng đáng kể về số ngày sóng nhiệt/năm.

Bảng dưới đây minh họa mối quan hệ giữa mức tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu và tần suất sóng nhiệt tại các khu vực:

Sóng nhiệt cũng đến sớm hơn trong năm và kéo dài lâu hơn. Thay vì xuất hiện chủ yếu vào tháng 7–8, hiện nay nhiều đợt bắt đầu từ tháng 5 hoặc kéo dài đến tháng 9, gây khó khăn cho hệ thống y tế và nông nghiệp trong việc thích nghi.

Phân biệt sóng nhiệt và nắng nóng thông thường

Dù cả hai đều liên quan đến nhiệt độ cao, nhưng sóng nhiệt và nắng nóng thông thường khác biệt về tính chất và mức độ ảnh hưởng. Nắng nóng có thể chỉ là một hoặc hai ngày nhiệt độ tăng cao trong mùa hè, còn sóng nhiệt là hiện tượng thời tiết cực đoan với mức độ nghiêm trọng hơn nhiều.

Điểm khác biệt chính bao gồm:

• Thời gian: Sóng nhiệt kéo dài từ vài ngày đến vài tuần; nắng nóng thông thường chỉ kéo dài ngắn hạn.
• Mức độ nhiệt: Nhiệt độ trong sóng nhiệt thường vượt xa trung bình nhiều năm của khu vực.
• Tác động: Sóng nhiệt gây ra tổn thất y tế, năng suất lao động và môi trường lớn hơn.

Ngoài ra, sóng nhiệt còn thường xảy ra kèm theo các điều kiện thời tiết bất lợi như độ ẩm cao, không gió, chất lượng không khí kém, làm tăng nguy cơ các bệnh hô hấp và tim mạch. Một số mô hình khí hậu còn chỉ ra rằng khi độ ẩm tăng cao, nhiệt độ cơ thể con người không thể điều chỉnh qua mồ hôi, dẫn đến hiện tượng “nhiệt độ ướt” (wet-bulb temperature) nguy hiểm, được biểu thị như sau:

$T_{wb} = \arctan(0.151977 \sqrt{RH + 8.313659}) + \arctan(T + RH) - \arctan(RH - 1.676331) + 0.00391838 \cdot RH^{3/2} \cdot \arctan(0.023101 \cdot RH) - 4.686035$

Trong đó, $T$ là nhiệt độ không khí (°C) và $RH$ là độ ẩm tương đối (%). Khi $T_{wb}$ vượt 35°C, cơ thể con người không còn khả năng tự làm mát, có thể dẫn đến tử vong nếu tiếp xúc kéo dài.

Tiêu chí định lượng sóng nhiệt

Việc định lượng sóng nhiệt không đơn thuần dựa vào mức nhiệt độ tuyệt đối, mà còn tính đến yếu tố địa phương và điều kiện khí hậu lịch sử. Nhiều tổ chức khí tượng quốc gia và quốc tế sử dụng các tiêu chí khác nhau để xác định khi nào một đợt nóng được phân loại là sóng nhiệt.

Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng chỉ số thống kê, như phân vị thứ 90 hoặc 95 của dữ liệu nhiệt độ lịch sử. Nếu nhiệt độ tối đa hoặc tối thiểu vượt ngưỡng này trong ít nhất ba ngày liên tiếp, hiện tượng đó có thể được xác định là sóng nhiệt.

Một công cụ đánh giá định lượng đáng chú ý là chỉ số Excess Heat Factor (EHF), được phát triển bởi Cơ quan Khí tượng Úc. EHF kết hợp giữa nhiệt độ hiện tại và mức độ thích nghi của cộng đồng dựa trên khí hậu quá khứ:

• EHI_sig: Mức độ nghiêm trọng so với khí hậu dài hạn
• EHI_acc: Mức độ tích lũy nhiệt trong 3 ngày gần nhất

Chỉ số EHF được tính như sau:

$EHF = EHI_{sig} \times \max(1, EHI_{acc})$

Bảng minh họa dưới đây phân loại sóng nhiệt theo giá trị EHF:

Tác động đến sức khỏe con người

Sóng nhiệt là mối đe dọa lớn đối với sức khỏe cộng đồng, đặc biệt trong bối cảnh đô thị hóa và biến đổi khí hậu. Cơ thể người có cơ chế làm mát tự nhiên thông qua đổ mồ hôi và giãn mạch máu. Tuy nhiên, khi nhiệt độ môi trường tăng quá cao hoặc độ ẩm quá lớn, cơ chế này trở nên kém hiệu quả, dẫn đến các tình trạng nguy hiểm như:

• Sốc nhiệt (heat stroke): Nhiệt độ cơ thể vượt 40°C, có thể gây tử vong nếu không cấp cứu kịp thời
• Mất nước, rối loạn điện giải: Gây đau đầu, chuột rút, mệt mỏi
• Biến chứng tim mạch: Tăng nguy cơ nhồi máu cơ tim, đột quỵ

Theo WHO, đợt sóng nhiệt ở châu Âu năm 2003 đã khiến hơn 70.000 người thiệt mạng. Những đối tượng dễ bị tổn thương bao gồm:

• Người cao tuổi và trẻ sơ sinh
• Người mắc bệnh mãn tính (tim mạch, hô hấp)
• Người lao động ngoài trời, không có điều kiện làm mát

Ngoài ra, sóng nhiệt cũng ảnh hưởng tới sức khỏe tâm thần, gây mất ngủ, lo âu và tăng tỷ lệ tự tử. Các thành phố lớn với hiệu ứng đảo nhiệt đô thị có nguy cơ cao hơn vùng nông thôn.

Tác động đến hệ sinh thái và môi trường

Sóng nhiệt tác động nghiêm trọng đến hệ sinh thái tự nhiên và môi trường sống. Khi nhiệt độ tăng đột ngột và kéo dài, các loài sinh vật không kịp thích nghi dẫn đến thay đổi hành vi, dịch chuyển vùng sống hoặc tử vong hàng loạt.

Trong môi trường nông nghiệp, sóng nhiệt làm:

• Giảm năng suất cây trồng do thoát hơi nước nhanh và rối loạn quá trình quang hợp
• Gia tăng sâu bệnh và dịch hại do thay đổi vòng đời sinh học
• Ảnh hưởng đến vật nuôi: tăng tỷ lệ chết non, giảm khả năng sinh sản

Trong hệ sinh thái nước, nhiệt độ tăng cao làm giảm nồng độ oxy hòa tan, dẫn đến hiện tượng cá chết hàng loạt, tảo nở hoa, và mất cân bằng sinh học trong hồ, sông, đầm lầy.

Cháy rừng cũng là hệ quả trực tiếp của sóng nhiệt. Những đợt nắng nóng kéo dài làm khô vật liệu cháy, kết hợp với gió mạnh, khiến nguy cơ cháy lan diện rộng, gây mất mát đa dạng sinh học và tăng phát thải khí nhà kính.

Tác động kinh tế - xã hội

Sóng nhiệt gây thiệt hại kinh tế nghiêm trọng, trực tiếp và gián tiếp. Nhu cầu sử dụng điện để làm mát tăng đột biến khiến hệ thống điện quá tải, mất điện cục bộ, ảnh hưởng đến doanh nghiệp và sinh hoạt người dân.

Theo nghiên cứu của Quỹ Tiền tệ Quốc tế (IMF), sóng nhiệt có thể làm giảm năng suất lao động lên đến 10–15% trong các ngành nông nghiệp, xây dựng, và vận tải. Ngoài ra:

• Thiệt hại trong nông nghiệp do giảm sản lượng và chi phí bù đắp tăng cao
• Gián đoạn giao thông do mặt đường nóng chảy, máy bay không thể cất cánh
• Tăng chi phí y tế vì các bệnh liên quan đến nhiệt

Đối với các nhóm thu nhập thấp, chi phí để thích nghi với sóng nhiệt (mua máy lạnh, hóa đơn điện cao) là gánh nặng lớn, làm gia tăng bất bình đẳng xã hội. Tại các nước đang phát triển, thiệt hại kinh tế do sóng nhiệt chưa được tính toán đầy đủ và thường bị đánh giá thấp.

Dự báo và cảnh báo sóng nhiệt

Các hệ thống dự báo sóng nhiệt hiện nay sử dụng dữ liệu vệ tinh, mô hình số trị, và trí tuệ nhân tạo để dự báo chính xác các đợt nóng nguy hiểm. Trung tâm ECMWF và Copernicus cung cấp các bản đồ nhiệt độ dự báo toàn cầu với độ phân giải cao.

Các mức cảnh báo thường chia thành:

1. Mức 1: Cảnh báo nhẹ, nên đề phòng
2. Mức 2: Nguy cơ sức khỏe cho người dễ tổn thương
3. Mức 3: Nguy hiểm, cần có hành động cộng đồng

Dữ liệu thời gian thực từ cảm biến địa phương và vệ tinh giúp các cơ quan khí tượng cập nhật thông tin nhanh chóng, giảm độ trễ trong ứng phó. Tích hợp cảnh báo vào hệ thống y tế và ứng cứu khẩn cấp là bước tiến quan trọng để giảm thiểu tổn thất nhân mạng.

Giải pháp thích ứng và giảm thiểu rủi ro

Để đối phó với sóng nhiệt, cần có sự kết hợp giữa chiến lược thích ứng ngắn hạn và giải pháp dài hạn. Trong ngắn hạn, các thành phố có thể:

• Tạo các “trạm làm mát” công cộng với điều hòa và nước uống
• Triển khai hệ thống cảnh báo sớm đến điện thoại di động
• Hạn chế hoạt động ngoài trời trong giờ cao điểm nắng

Về dài hạn, cần xây dựng hạ tầng chống chịu nhiệt:

• Sử dụng vật liệu phản nhiệt cho mái nhà và mặt đường
• Tăng cường cây xanh, mặt nước để điều hòa khí hậu
• Thiết kế đô thị thông thoáng, ít giữ nhiệt

Về mặt chính sách, giảm phát thải khí nhà kính thông qua năng lượng tái tạo, giao thông xanh, và tiết kiệm năng lượng là biện pháp cốt lõi để giảm thiểu tần suất và cường độ sóng nhiệt trong tương lai.