Nguyễn Đức Hiệp
Con người không
thể hiểu được khí hậu trên thế giới sẽ thay đổi ra sao trong tương lai, nếu
không biết được khí hậu của trái đất đã biến đổi ra sao và nguyên nhân và hệ quả
của các biến động khí hậu trong quá trình lịch sử trái đất. Tất cả mọi hệ thống
đều thay đổi hay chuyển động theo những qui luật vật lý và hệ thống vật lý địa
cầu cũng thế.
Biết được sự biến
đổi nhiệt độ trong quá khứ trên thế giới là then chốt để hiểu được sự thay đổi
khí hậu. Nhưng làm sao có thể biết được nhiệt độ trong quá khứ cách đây hàng
ngàn cho đến hàng triệu năm? Trong quá khứ sự thay đổi khí hậu từ từ hay biến động
đột ngột?. Những nguyên nhân hay cơ chế nào gây ra sự thay đổi khí hậu? Con người
có thể tiên đoán khí hậu sẽ thay đổi ra sao không ?. Đó là một vài câu hỏi then
chốt để tìm hiểu sự vận hành của khí hậu trong hệ thống vật lý địa cầu.
Khoa khí hậu học
cổ đại được phát triển qua nhiều giai đoạn. Lịch sử khoa học cũng là lịch sử của
các cá nhân then chốt theo đuổi tri thức với sự đam mê sôi nổi trong tinh thần
khoa học vì mục đích khám phá để hiểu các hiện tượng thiên nhiên. Những khám
phá trong các nghiên cứu của họ có khi được vạch sẵn, nhưng cũng có khi tình cờ,
và cho thấy tiến trình tìm hiểu kiến thức là một tiến trình đầy gian lao và bất
ngờ.
Con người luôn muốn
biết những biến chuyển cách đây hàng ngàn năm và những gì đã xảy ra. Trong
thiên nhiên đã để lại nhiều dấu vết của các sự kiện trọng đại thay đổi quả đất
trước khi loài người xuất hiện. Những dấu vết này nếu ta không biết hay để ý đến
và tìm hiểu thì chúng chỉ là vật vô tri vô dụng, nhưng lại là một kho tàng nằm ẩn,
chỉ tiết lộ cho người biết dùng chúng những bí mật của quá khứ.
1. Tổng quan
Trước đây từ đầu
cho đến giữa thế kỷ 20, đa số các nhà khí tượng học cho là khí hậu không thay đổi
và ta có thể tiên đoán được qua những dữ kiện đo được từ các năm trước. Hoặc nếu
có thay đổi thì thay đổi ít và từ từ trong một thời gian dài qua nhiều thế kỷ,
vì họ cho rằng quá trình và cơ chế vận hành của khí hậu địa cầu là tự điều chỉnh
và ở trạng thái bền vững chứ không bao giờ đột ngột biến động hỗn loạn khi tiến
đến một trạng thái khác.
Sự thay đổi khí hậu
có ảnh hưởng rất lớn vào sự tiến hóa và phát triển văn minh con người. Tôi
trích một đoạn trong (6) về các biến
động khí hậu trong thời kỳ hiện đại (Holocene) và trước đó (Pleistocene).
“.. Tiến bộ then
chốt nhất về khoa học trái đất là sự khám phá trong thập niên 1990 khí hậu địa
cầu trong quá khứ 100000 năm đã qua: từ thời băng hà cuối của kỷ nguyên
Pleistocene đến thời Holocene ngày nay. Dữ kiện khoa học về thời tiết và nhiệt
độ nước biển đã được biết qua các nghiên cứu các lớp san hô, những mẫu phù sa,
các tầng nước đá ở Bắc cực trước đây trong nhiều ngành khoa học khác nhau.
Nhưng chỉ hơn 15 năm gần đây, qua sự tổng hợp và các hợp tác nghiên cứu liên
ngành để giải thích các sự kiện lịch sử con người trong quá khứ cũng như tiên
đoán khí hậu môi trường sống trên trái dất trong tương lai, các nhà khoa học đã
cấu tạo lại các dữ kiện khí hậu xưa kia trên trái đất rất chi tiết cho đến các
đây hơn 100,000 năm để làm nền tảng cho các nghiên cứu sau này.
Quan trọng nhất
là qua các lớp nước đá lấy ở đảo Greenland gần bắc cực từ trên mặt băng xuống
sâu đến tận đất, các nhà khoa học dùng tỉ lệ đồng vị oxygen 18 và oxygen 16 để
kiến tạo lại nhiệt độ trong khoảng 120000 năm cách đây, cho thấy thời kỳ
Holocene, khi thời kỳ băng hà cách đây 12000 năm chấm dứt, là thời kỳ mà sự
thay đổi khí hậu nhiệt độ ít biến động và thay đổi với mực độ không to lớn so với
thời băng hà ở kỷ nguyên Pleistocene. Thời kỳ băng hà này có nhiều sự thay đổi
lớn lao đột ngột qua giai đoạn ấm rồi trở lại lạnh (xem Hình 1c, trích dẫn từ (1)). Những biến
động từ lạnh đến ấm trong thời băng hà được gọi là biến động
Dansgaard-Oeschger, và ngược lại từ ấm đến lạnh là biến động Heinrich.
Trong giai đoạn
chuyển tiếp từ thời băng hà đến Holocene lúc nhiệt độ tăng và ấm trong một thời
gian thì thình lình cách đây 12000 năm, nhiệt độ giảm mạnh thay đổi khí hậu trở
lại lạnh như trong thời băng hà. Thời kỳ này các nhà khoa học khí hậu gọi là
Dryas trẻ (Young Dryas). Đây cũng là lúc con người phải sống dựa vào thực vật,
bước ra khỏi thời đá cũ và kỹ thuật canh nông trồng trọt ra đời. Thời Dryas trẻ
rất ngắn, sau đó khí hậu trở lại ấm và đi vào kỷ nguyên Holocene ngày nay. Vào
thời Holocene, cách đây khoảng 8200 năm (6200BC), hơn 3000 năm sau Young Dryas,
nhiệt độ bổng nhiên tụt xuống lạnh trong vòng 60 năm, làm vùng Mesopotamia (gần
Iraq ngày nay) bị hạn hán, tàn phá canh nông. Thời kỳ lạnh này gọi là biến cố
8.2ka (8.2 kilo năm). Và sau cùng cách đây 4200 năm (2200BC), sự thay đổi khí hậu
đột ngột đã làm vùng Sahara xanh tươi, ẩm và ấm trở thành sa mạc và nền văn
minh Harappa, ở lưu vực sông Ấn Hà (Indus), cũng như nhiều đế quốc và triều đại
ở Cận đông và Ai Cập biến mất.”
Chúng ta hãy đi
vào chi tiết về mỗi thời kỳ thay đổi khí hậu đột biến nói trên trước khi bàn đến
lịch sử khám phá khí hậu quá khứ trên trái đất. Nguồn gốc và cơ nguyên của sự
thay đổi đột ngột cho thấy sự phức tạp của hệ thống khí hậu khi có tác động bên
ngoài cộng với sự tương tác với nhau giữa các thành phần của hệ thống, tạo ra
những diễn biến động lực không xác định hay tiên đoán được rõ ràng.
 | ||
| Hình 1a - Độ dâng nước biển cuối thời Pleistocene đến ngày nay |
 |
| Hình 1b - Độ dâng nước biển thời Holocene đến ngày nay |
 | |||||||||||||
|
Hình 1c - Nhiệt độ
ở giữa đảo Greenland trong 100000 năm vừa qua, tái tạo từ sự đo nồng độ oxygen
và đồng vị oxygen 18 trên tầng nước đá lấy được trong chương trình nghiên cứu
GISP2 giữa thập niên 1990
(1). Để ý là
trong thời kỳ băng hà cuối Pleistocene, có nhiều biến động thay đổi khí hậu đột
ngột lên xuống bất thường, biến động ấm Dansgaard-Oeschger, và ngược lại từ ấm
đến lạnh (biến động Heinrich). Giai đoạn cuối trước khi vào thời Holocene cách
đây khoảng hơn 12000 năm, từ ấm thình lình chuyển đến thời kỳ lạnh gọi là Young
Dryas (YD), là lúc con người bắt đầu thuần hóa thực vật, bước vào thời kỳ canh
nông.
1.1. Thời kỳ Dryas cổ đại (oldest Dryas), Dryas cổ
(older Dryas) và Dryas trẻ (Young Dryas, YD)
Vào giữa thập
niên 1950, dữ kiện từ các bãi lầy chứa than bùn mà trước kia là địa điểm của
khu rừng hay đáy hồ xưa ở Bắc Âu đã được các nhà khoa học Thụy Điển nghiên cứu.
Trong tầng than bùn có các lớp than bùn khác nhau. Mỗi lớp thể hiện mỗi năm qua
chu kỳ thay đổi của khí hậu. Họ đếm các lớp và nghiên cứu trong mỗi lớp các loại
bông phấn xưa của các loài thực vật mà một số đã không còn hiện diện ở quanh
vùng.
Sự thay đổi,
trong các lớp, thành phần của các loại hạt phấn khác nhau của các loài thực vật
thường sống ở vùng ấm hay cực lạnh cho thấy là từ cuối thời kỳ băng hà vừa qua
cho đến nay, nhiệt độ không phải ấm đều dần mà có rất nhiều dao động lên xuống
về nhiệt độ, nhất là cách đây khoảng 12000 năm khi nhiệt độ thình lình đổi xuống
thật lạnh rất nhanh trong vòng 1000 năm. Thời kỳ này nay được gọi là Dryas trẻ
(Young Dryas), đặt theo tên của một loài hoa Dryas octopetala, sống ở môi trường
rất lạnh trong rừng lãnh nguyên (tundra) vùng Arctic gần bắc cực, nơi các hạt
phấn của loài này xuất hiện trong các lớp than bùn tương ứng với thời điểm này,
trong khi các lớp ở các thời điểm khác hoàn toàn không có phấn hoa Dryas.
Hoa Dryas
Thời kỳ Dryas trẻ
khi nhiệt độ thình lình chuyển sang lạnh cuối thời kỳ băng hà cuối cùng của kỷ
Pleistocene trước khi bước vào kỷ Holocene cũng được khám phá qua các mẫu băng
đá lấy từ độ sâu dưới Greenland phù hợp với dữ kiện từ các lớp than bùn.
Thuyết chính hiện
nay về nguyên nhân của thời kỳ lạnh Dryas trẻ là do nước ở hồ Agassiz chứa băng
nước giữa Bắc Mỹ tháo ra Đại Tây Dương ngăn cản luồng chảy của nguồn nước nóng
Gulf stream lên Bắc Âu gây ra biến cố lạnh Dryas trẻ ở Bắc bán cầu. Qua các lớp
mỏng phủ trên các di chỉ thời kỳ Clovis, ở Bắc Mỹ gần biển hồ, chứa các hạt từ
trường có iridium, than cháy, chất carbon như thủy tinh chứa siêu kim cương phù
hợp với sự va chạm của vẫn thạch và cháy rừng sau đó, cho thấy rất có thể
nguyên nhân thời kỳ Dryas trẻ là do vẫn thạch gây ra sự tháo vỡ băng nước vào Đại
Tây Dương (3).
Thực sự có ba thời
kỳ Dryas: Dryas cổ đại (oldest Dryas), Dryas cổ (older Dryas) và Dryas trẻ
(Young Dryas). Thời kỳ Dryas cổ đại cách đây khoảng 18000 năm và chấm dứt vào
khoảng 14600 năm cách đây. Lúc này con người vẫn còn ở vào thời đại đồ đá cổ. Ở
Đông Nam Á thềm Sunda nối liền với các đảo tạo thành Sundaland trên mặt nước biển
và người Hoà Bình có mặt và toả ra ở nhiều nơi. Thời Dryas cổ, giữa hai thời kỳ
ấm Bölling và Allerød, cách đây khoảng 14,100 năm kéo dài khoảng 150 năm, lúc
này băng hà xuống tận Bắc Âu và lục địa Âu-Á và con người đã từ Đông Á qua Bắc
Mỹ sau khi đi từ Đông Nam Á đi lên trước đó vào thời kỳ Pleistocene.
1.2. Biến cố trở lại lạnh Nam cực (Antarctic Cold
Reversal, ACR)
Các mẫu băng đá lấy
từ cột đá tròn thẳng đứng (ice cores) ở lục địa nam cực (Antarctic) cho thấy
trước biến cố Dryas trẻ, ở cuối thời kỳ băng hà sau cùng của Pleistocene, cách
đây 18000 năm khi nhiệt độ ấm dần cho đến 14700 năm cách đây thì băng ở Nam cực
phát thải ra một lượng nước cực lớn gọi là mạch phát nước 1A (meltwater pulse
1A) (xem hình 1a) làm mực nước biển tăng 20 m trong hai thế kỷ gây ra biến động
ấm Dansgaard-Oeschger ở Bắc bán cầu. Tuy nhiên sau đó bắt đầu biến cố trở lại lạnh
ACR kéo dài khoảng 2 ngàn năm làm nhiệt độ xuống thấp lại 3o C. Thời kỳ Dryas
trẻ ở Bắc bán cầu bắt đầu khi giai đoạn trở lại lạnh ARC sắp hết và ARC chấm dứt
ở giữa giai đoạn Dryas trẻ.
Mẫu hình
(pattern) thay đổi khí hậu giữa Bắc và Nam bán cầu, theo mô hình “Nam dẫn trước
và Bắc theo sau” như trên, tiếp tục ở nhiều biến cố khí hậu sau này. Nguyên
nhân của biến cố ARC và cơ chế cho quá trình thay đổi khí hậu theo mẫu hình này
ở Bắc và Nam bán cầu hiện chưa được biết rõ.
1.3. Biến cố 8.2 ngàn năm (8.2 ka event)
Một trường hợp
khác do ấm gây trở lại lạnh là biến cố 8.2 ngàn năm. Cách đây 8200 năm trong thời
kỳ Holocene giai đoạn ấm sau Dryas trẻ, bỗng nhiệt độ trên toàn cầu tuột xuống
thình lình (5o đến 6o C vùng ôn đới và 3o C vùng nhiệt đới) và nước biển dâng bất
ngờ khoảng 1.2m. Nguyên nhân là hồ chứa nước băng khổng lồ Ojibway ở Bắc Mỹ vỡ.
Nước tràn ra vịnh Hudson vào Bắc Đại Tây Dương, ảnh hưởng và làm rối loạn dòng
chảy đại dương Gulf stream vốn mang nước nóng lên Bắc Âu. Một đại họa về thay đổi
khí hậu. Khí hậu toàn cầu trở nên lạnh trong vài thế kỷ. Khí hậu lạnh làm băng
hà tăng sau đó và sau 2 thế kỷ mực nước biển thấp xuống khoảng 14m (2). Sự thay đổi
khí hậu này không lớn và lạnh như Dryas trẻ nhưng có ảnh hưởng lớn vào quá
trình lịch sử con người bước qua thời đá mới: thời đại canh nông qua điền thủy.
2. Khám phá sự thật: thay đổi đột ngột của hệ thống
khí hậu toàn cầu
Độc lập với các
nghiên cứu của các nhà khoa học Thụy Điển về các lớp than bùn chứa phấn hoa
Dryas là nghiên cứu của H. Urey và C. Emiliani trong các năm từ 1947 đến đầu thập
niên 1950, đo tỷ lệ đồng vị phóng xạ O18 và O16 trong vỏ hóa thạch của các sinh
vật 1 tế bào (plankton) trong biển, gọi là foraminifera (hay forams) đã chết và
kết tụ nằm trong các lớp sâu dưới đáy biển cách đây cả hàng chục và trăm triệu
năm cho đến tận thời kỳ thuộc kỷ phấn trắng (Cretaceous Era). Dùng các sinh vật
lấy từ lớp đất dưới đáy biển này, nhà hóa học Urey, người đã đoạt giải Nobel
năm 1934 do khám phá hydrogen nặng (deutorium), tìm ra được phương pháp đo nhiệt
độ nước biển dựa vào tỉ lệ O16 và O18: tuỳ theo nhiệt độ nước biển, các sinh vật
forams hấp thụ tỉ lệ O18 và O16 khác nhau. Sau nhiều năm gian khổ làm việc, học
trò của Urey là Emiliani dùng nhiều mẫu bùn dưới đáy biển để tái tạo lại sự
thay đổi nhiệt độ cho đến cách đây 300000 năm, và cho thấy là trong quá khứ có
rất nhiều thời băng hà chứ không phải chỉ có một và nhiệt độ thay đổi đột ngột
trong những thời kỳ thay đổi từ ấm qua băng hà. Sự thay đổi đột ngột lớn nhất
có chu kỳ ước lượng khoảng 100000 năm. Chúng ta cũng phải để ý là sự chuyển tiếp
khí hậu trong vài thế kỷ hay một hai ngàn năm được coi là nhanh chóng đột ngột
so với thời gian địa chất quan sát được.
Kết quả của
Emiliani cho thấy rằng khí hậu trái đất không như các nhà khoa học trước đây
nghĩ. Họ cho là khí hậu trái đất chủ yếu bền vững, nóng ấm, không thay đổi nhiều
từ thời Triassic, Jurrasic khi khủng long còn ngự trị cho đến trước thời kỳ
băng hà duy nhất gần đây trong cuối thời kỳ Plesitocene. Và nếu có thay đổi như
khi bước vào thời kỳ băng hà, thì khí hậu thay đổi từ từ, chứ không đột ngột.
Vì thế trong một thời gian dài, ý tưởng của Emiliani về sự thay đổi khí hậu một
cách đột ngột qua nhiều giai đoạn ấm, lạnh đã không được chấp nhận và bị nhiều
nhà khoa học trái đất chỉ trích về phương pháp và các kết quả của ông.
Năm 1956, H.
Suess dùng phương pháp định tuổi bằng Carbon-14 để nghiên cứu vỏ hóa thạch của
các sinh vật trôi 1 tế bào (foraminifera), và khám phá sự thay đổi nhanh hơn về
nhiệt độ và cho rằng thời băng hà cuối cùng đã chấm dứt với nhiệt độ tăng rất
nhanh, khoảng 1oC mỗi ngàn năm (2). W. Broecker dùng dữ kiện số lượng các sinh
vật foraminifera (forams) ở các lớp từ đáy biển của Đài quan sát địa chất
Lamont ở Đại học Columbia, ông đưa ra giả thuyết là thực sự có hai trạng thái bền
của hệ thống khí hậu, băng hà và giữa băng hà (interglacial), và hệ thống khí hậu
thay đổi đột ngột từ trạng thái này qua trạng thái kia.
Lần lần có nhiều
dữ kiện được nghiên cứu từ các nguồn khác nhau cho thấy là ý tưởng của Emiliani
là có cơ sở. Sự thay đổi đột ngột ở các dữ kiện cách đây khoảng 12000 năm tương
ứng với thời Dryas trẻ. Khó có thể cho rằng các sự thay đổi nhanh chóng ở các dữ
kiện trong cùng thời điểm là do phương pháp đo không đúng hay sai lầm lúc thực
hiện ở nhiều các dữ kiện khác nhau. Càng đi sâu vào thời tiết quá khứ ở cuối thời
Plesitocene từ hơn 20000 năm cách đây đến hơn 100000 hay hơn nữa của thời
Pleistocene, chúng ta càng cần có thêm các dữ kiện lấy từ mẫu bùn phù sa ở đáy
biển, hồ xưa... ở mực độ rất sâu hơn nữa. Để có được kết quả chính xác nhất và
độ phân biệt thời gian cao nhất (cho hàng năm thay vì hàng trăm hay ngàn năm)
thì đá băng nằm sâu ở Greenland và Nam cực là nguồn dữ kiện mang đến cho các
nhà khoa học nhiều triển vọng nhất.
Có thể nói dữ kiện
quý giá nhất là từ Greenland trải qua rất nhiều năm với bao công trình nghiên cứu
của các nhà khoa học Bắc Mỹ và Bắc Âu. Đầu thế kỷ 20, nhà khí tượng học Lohar
Wigener là người đầu tiên đến Greenland nghiên cứu về chuyển động không khí
vùng bắc cực, ông cũng là người khám phá ra sự tách rời của các lục địa từ lục
địa duy nhất gọi là Pangaea hàng trăm triệu năm trước đây. Trong thời kỳ chiến
tranh lạnh (Cold War) giữa Hoa Kỳ và Liên Xô, bắt đầu từ thập niên 1950,
Greenland đã trở thành địa điểm mà Hoa Kỳ đặt nhiều trạm quan sát khí tượng, ra
đa, căn cứ không quân và các trại ngầm dưới băng để nghiên cứu và tiên đoán thời
tiết. Trong các công trình nghiên cứu có một công trình đào xuống sâu lòng băng
cho đến khi đụng lòng đất để lấy các mẫu băng tuyết từ cả hàng ngàn, hàng trăm
ngàn năm về trước đã rơi phủ tích tụ từ lâu đời hằng năm cho đến ngày nay. Mỗi
năm là một lớp tuyết chứa các khí trong khí quyển của trái đất vào thời điểm đó.
Phân tích các khí này ở các lớp khác nhau có thể cho ta biết về khí hậu và tình
trạng trái đất qua nhiều năm trong quá khứ. Chương trình đào lấy mẫu lớp băng ở
trạm nghiên cứu Camp Century do hai nhà địa chất, Henri Bader và Chester
Langway thực hiện bắt đầu từ năm 1960 với sự hợp tác và tham dự tại Camp
Century của các nhà khoa học từ Đan Mach và Thụy Sĩ. Trước đó trong năm Quốc tế
vật lý địa cầu 1957-1958 (International Geophysical Year, IGY), ông Bader đã
thiết lập các chương trình đào vào băng đá xuống các độ sâu để lấy mẫu băng.
Nhà khoa học Đan
Mạch Willi Dansgaard là người đầu tiên khám phá tình cờ vào năm 1952 là dùng
thành phần chất đồng vị phóng xạ O18 trong băng đá ta có thể định được nhiệt độ
từ khí quyển mà băng tuyết từ đó kết tụ thành băng. Năm 1954, ông công bố kết
quả và cho là nếu chúng ta đo tỉ lệ O18 với O16 ở các mẫu nước băng xưa, ta có
thể biết về nhiệt độ khí quyển trong quá khứ. Và ông chỉ ra rằng chính các mẫu
nước cổ xưa ấy vẫn còn tồn tại và hiện nay nằm ngay ở Greenland và các băng đá
khác gần Bắc cực. Khám phá của Dansgaard là một khám phá quan trọng gây ngạc
nhiên và phấn khởi cho các nhà khoa học mọi ngành vì thực sự con người đã có
phương tiện trong tay để đo được nhiệt độ khí quyển trái đất trong quá khứ. Và
dĩ nhiên khi chương trình ở Camp Century do người Mỹ thực hiện thì W. Dansgaard
là nhà khoa học chủ chốt lãnh đạo chương trình nghiên cứu quốc tế Greenland Ice
Sheet Program (GISP) sau này (từ năm 1971-1981), cùng với nhà nhà vật lý khí tượng
Thụy Sĩ Hans Oeschger và Chester Langway.
Giải quyết vấn đề
kỹ thuật sáng chế ra các mũi khoan để mang lên các lớp băng qua ống tròn mà
không bị bể hay xáo trộn khi càng xuống độ sâu là những thử thách không dễ
dàng. Thử thách họ đã vượt qua trong môi trường cực lạnh với thời tiết khắt
khe, sau hơn 5 năm cực nhọc giải quyết kỹ thuật khoan đào xuống băng đá, nhóm
thuộc phòng Thí nghiệm Nghiên cứu Kỹ thuật vùng lạnh của Đoàn Kỹ sư Quân đội Mỹ
(US Army Corp Corps of Engineers’ Cold Regions Research and Engineering
Laboratory) do B. Hansen lãnh đạo đã khoan thành công và lấy được mẫu băng đến
tận cùng của lớp băng đá và đụng vào lòng đất ở độ sâu 1387m (4). Gần hai
năm sau nhóm B. Hansen, tháng 1.1968, lấy thêm được cột đá tròn thẳng đứng (ice
core) từ mặt băng đến độ sâu 2164m do khoan được đến tận đáy băng trước khi đụng
lòng đất ở trạm nghiên cứu Byrd, gần Nam Cực (Antarctica).
Giá trị của các dữ
kiện từ các lớp băng đá là chúng chính xác và có độ đáng tin cậy cao hơn nhiều
so với các mẫu dưới đáy biển vì mẫu băng có thể phân biệt được thời điểm qua
hàng năm ngắn hơn so với mẫu đất phải mất cả trăm năm để tích tụ thành một lớp.
Thêm nữa là mẫu băng đá rất bền không bị khuấy động như các mẫu ở đáy biển, thường
hay bị sinh vật như các loài trùng bọ đôi khi xen vào khuấy rối làm mẫu không
còn chính xác.
Từ các lớp
băng đá đào được của B. Hansen, trong phòng thí nghiệm ở Đan Mạch, W. Dansgaard
và các nhà khoa học đã liên tục làm việc để giải mã nhiệt độ quá khứ, với độ
phân giải (resolution) khoảng vài năm, cho đến tận 100000 năm cách đây. Khi bài
của ông và Langway cùng các cộng sự khác đăng trên tạp chí Science năm 1969 với
tựa đề “Một ngàn thế kỷ về dữ kiện khí hậu từ Camp Century ở băng tuyết đá đảo
Greenland” (One thousand of centuries of Climate record from Cam Century in
Greenland Ice Sheet), các nhà khoa học khác sửng sốt chú ý vì họ không thể ngờ
là sự chính xác ở vào khoảng cách hàng năm chứ không phải hàng trăm hay ngàn
năm của các dữ kiện khác mà họ thường biết (1) (5). Một trang
sử mới về tìm hiểu khí hậu quá khứ đã được lật qua với sự khám phá tài tình và
kỳ diệu của Dansgaard.
Vào năm 1981 ở
giai đoạn cuối chương trình GISP, W. Dansgaard và các cộng sự viên Đan Mạch đã
đào sâu nhất đến 2037m ở trạm radar DYE-3, cho thêm dữ kiện quá khứ xa hơn về
khí hậu và cho thấy bằng chứng rõ ràng nhất về sự biến động đột ngột của khí hậu
trong quá khứ. Sự thay đổi khí hậu đột ngột của 100000 năm cách đây trong quá
khứ là rõ trên giản đồ nhiệt độ khí hậu của Dansgaard và cho thấy có nhiều thời
băng hà và các giai đoạn ấm giữa các thời băng hà. Giai đoạn khí hậu chuyển đột
ngột từ lạnh sang ấm ngày nay được gọi là biến động Dansgaard-Oeschger.
Không những thế
các biến cố Young Dryas, Oldest Dryas ... mà dữ kiện từ lớp than bùn cho thấy
trước kia đều hiện rõ và vì thế xác minh là những biến cố này thực sự đã xảy
ra. Dữ kiện từ đáy hồ ở Bern, Thụy Sĩ do H. Oeschger nghiên cứu cũng cho thấy sự
thay đổi nhiệt độ đột ngột rất sát và hầu như tương đương với dữ kiện từ GISP ở
Greenland.
Sự đồng hợp kỳ diệu,
và không còn nghi ngờ gì nữa về sự biến đổi khí hậu đột ngột trên trái đất.
Hình 3
- Willi Dansgaard
Từ các dữ kiện ở
Greenland từ thập niên 1960 cho đến năm 1992 và ở các lớp bùn đáy biển, cho thấy
một khi bước qua một ngưỡng cửa khí hậu sẽ chuyển đột ngột từ lạnh sang ấm hay
ngược lại.
Đầu thập niên
1960, nhà khoa học W. Broecker cho thấy sự liên hệ giữa sự biến chuyển đột ngột
khí hậu là do sự thay đổi của dòng chảy nước nóng ở đại dương. Mặc dù để tan hết
băng ở Bắc cực hay Nam cực phải cần thời gian rất lâu cả vài ngàn năm nhưng quá
trình sự tan băng hay đóng băng thêm ở Bắc cực và Nam cực, nơi chứa nhiều nguồn
nước, có ảnh hưởng trực tiếp đến những dòng chảy ở đại dương và từ đó gây ra sự
chuyển biến khí hậu. Sự thay đổi của dòng nước ấm hay lạnh ở Đại dương sẽ có ảnh
hưởng to lớn đến khí hậu thế giới (như dòng Gulf Stream hay dòng dọc Nam Mỹ ở
Thái Bình Dương liên hệ đến hiện tượng El-Nino).
Từ thời kỳ thay đổi
nhiệt độ thình lình của Dryas trẻ cách đây 12000 năm đến nay đã rất lâu. Phải
nói là giai đoạn ấm đã kéo dài trong 8000 năm nay (bằng cả lịch sử văn minh của
con người) là rất bền vững, không biến động một cách kỳ lạ. Tình trạng này chắc
chắn sẽ không còn kéo dài lâu nữa và nếu có một cái đẩy nhẹ nào đó, hệ thống
khí hậu toàn cầu sẽ đột ngột thay đổi trong tương lai không xa. Đây là điều mà
các nhà khoa học rất quan tâm vì có ảnh hưởng đến sự sống còn của văn minh nhân
loại. Cái đẩy nhẹ này cũng có thể là hiện tượng hâm nóng toàn cầu do con người
gây ra qua sự gia tăng khí thải nhà kính mà chúng ta đã thải ra trong khí quyển
trong vài thế kỷ qua. Và khi nút “contact” được bật và sự chuyển biến xảy ra đột
ngột như trong quá khứ đã cho ta thấy, con người sẽ đi vào một tương lai bất ngờ
không tiên đoán được về số phận.
Trong lúc các nước
thương lượng về các biện pháp giảm ảnh hưởng của con người qua khí thải nhà
kính ở Hội nghị về thay đổi khí hậu ở Bali (Indonesia) cuối năm 2007 làm nhiệt
độ thế giới tăng lên, thì các nhà khoa học đã có một hội nghị quan trọng hơn để
tìm hiểu và nhận dạng khi nào thì “nút bật”, chuyển từ trạng thái này sang
trang thái khác của hệ thống thời tiết, được “bật” lên khi một sức ép nhỏ ấn
lên trên nút. Đây mới là vấn đề sống còn của văn minh con người.
3. Chu kỳ Milankovitch
Hình 4a – Chu kỳ
Milankovitch và chu kỳ băng hà
Các dữ kiện về
khí hậu trong quá khứ đã lần lượt được khám phá từ nhiều nguồn và có độ phân giải
thời gian khác nhau và càng xa vào quá khứ đến hàng triệu năm trong thời
Pleistocene. Các dữ kiện này cho thấy khí hậu thay đổi lên xuống từ băng hà
(glacial) đến giữa hai băng hà (interglacial) và trở lại băng hà với các chu kỳ
khác nhau trong mẫu hình (pattern) biến đổi khí hậu. Dữ kiện cho thấy trong các
chu kỳ trên thì chu kỳ khoảng 100000 năm là khá rõ. Nguyên nhân gì gây ra những
chu kỳ này?
Trong thế chiến
thứ nhất, một kỹ sư người Serbia tên là Milutin Milankovitch, bị chính phủ
Áo-Hung quản thúc ở Budapest. Tuy vậy ông được phép làm việc ở thư viện của Viện
Hàn lâm Hungary. Trong những năm này cho đến hết thế chiến, ông đã bỏ thì giờ
nghiên cứu về sự ảnh hưởng của quỹ đạo và vận hành của địa cầu quanh mặt trời đối
với khí hậu và nhiệt độ trên trái đất. Năm 1920, ông cho xuất bản sách về thuyết
của ông về vấn đề này ở Serbia và sau đó ông nổi tiếng từ khi sách được dịch ra
tiếng Pháp. Dùng cơ học vũ trụ để tính toán sự thay đổi có chu kỳ của quỹ đạo
và sự vận hành của trái đất như độ nghiêng gây ra điểm phân (equinox) và chuyển
động quay tuế sai (precession), ông tìm ra được sự thay đổi về cường độ ánh
sáng bức xạ của mặt trời đến mặt đất dựa theo chu kỳ xoay tuế sai của trục xoay
trái đất (23000 năm), chu kỳ thay đổi quỹ đạo ellipse của quả đất quanh mặt trời
(100000 năm) và chu kỳ thay đổi độ nghiêng của trục quay trái đất (41000 năm).
Sự thay đổi cường độ bức xạ ánh sáng mặt trời ở mặt đất vì thế cũng theo các
chu kỳ với chu kỳ 100000 năm là có thay đổi lớn nhất.
Hình 4b – Chu kỳ
chuyển động quay tuế sai của trục quay điểm phân trái đất
Theo như
Milankovitch thì thời điểm của thời kỳ băng hà có thể được giải thích theo thuyết
thiên văn này. Emilani, người dùng sinh vật foram trong các lớp dưới đáy biển
và kiến tạo nhiệt độ quá khứ đầu tiên, đã nhận xét về sự hiện diện chu kỳ nhiệt
độ thay đổi hơi đồng bộ với sự thay đổi mực bức xạ của Milankovtich. Kế đó Hans
Suess dùng Carbon-14 để định tuổi các lớp dưới đáy biển cũng nhận thấy thời
băng hà cuối chấm dứt cach đây 15000 năm và xa hơn nữa sự giao động nhiệt độ có
chu kỳ khoảng 40000 năm, gần với chu kỳ 41000 năm thay đổi độ nghiêng của trục
quay trái đất mà Milankovitch tính ra.
Tuy nhiên đa số
các nhà địa chất và khoa học bác bỏ thuyết Milankovitch và cho sự giải thích về
sự hiện hữu của chu kỳ ở các dữ kiện như từ các lớp than bùn ở dưới đáy hồ gắn
với chu kỳ Milankovitch là viển vông, một sự trùng hợp tình cờ, không có cơ sở.
Họ cũng cho rằng nếu quỹ đạo, sự quay tuế sai và độ nghiêng trục quay thay đổi
theo chu kỳ thì khi bắc bán cầu lạnh hơn thì nam bán cầu sẽ ấm hay ngược lại,
nhưng dữ kiện từ Greenland và Antartica không cho thấy điều này đã xảy ra.
Năm 1968, bằng chứng
đầy đủ và khá thuyết phục về thuyết Milankovitch là từ chuyến đi khảo sát của
Broecker và các đồng nghiệp đến đảo Barbados ở Đại Tây Dương. Tại đây ở độ cao
vài trăm mét trên mực nước biển, có những nền san hô cổ xưa. Tuổi của các bãi
san hô trên được xác định là cách đây 125000, 105000 và 82000 năm, phù hợp khít
khao với thời điểm chu kỳ Milankovitch khi mà các tảng băng ở Bắc cực tan và mực
nước biển ở độ cao nhất cách đây 127000, 106000 và 82000 năm, khi mà cường độ
ánh sáng mặt trời mạnh nhất ở Bắc bán cầu vào lúc mùa hè. Broecker cho rằng
thuyết Milankovitch mà nhiều người chối từ phải được coi như là thuyết giải
thích tốt nhất về những hiện tượng và dữ kiện có được (2).
Kết quả đầy đủ và
hoàn tất trả lời các câu hỏi và những gì còn hoài nghi về sự liên hệ của chu kỳ
Milankovitch và khí hậu là công trình nghiên cứu của Shackleton năm 1973 dùng mẫu
đất sâu đáy biển đầy đủ và tốt nhất cho toàn thời kỳ Pleistocene, gọi là lớp đất
Vera 28-238 (tên của tàu nghiên cứu đại dương thuộc đài quan sát Lamont). Mẫu
này đạt đến hơn 1 triệu năm và gồm luôn cả thời điểm mà từ trường trái đất thay
đổi cực – được biết là xảy ra cách đây 700000 năm (3). Với đầy đủ dữ kiện, qua
phương pháp phân tích tần số, cho thấy có các chu kỳ khoảng 20000, 40000 năm và
đặc biệt chu kỳ mạnh nhất khoảng 100000 năm. Tất cả phù hợp với chu kỳ
Milankovitch.
Năm 1985, ở trạm
Vostock, Antarctica Nam cực, các nhà khoa học Pháp và Liên Xô đã đào và lấy lên
mẫu băng đá cao 2000m chứa các dữ kiện khí hậu quá khứ đến 150,000 năm cách đây
gồm thời kỳ băng hà cuối Pleistocene và thời kỳ ấm trước đó. Và sau này đến cuối
thập niên 1990, họ đã lấy được băng đá cách đây 400000 năm qua 4 thời kỳ băng hà.
Phân tách lớp băng quá khứ cho thấy nhiệt độ phù hợp với dữ kiện từ Greenland
và dưới lòng biển và đặc biệt là nồng độ khí carbon dioxide (CO2) và methane
(CH4) trong các bọt không khí nằm trong lớp đá tỉ lệ thuận với nhiệt độ trong
suốt thời gian từ thời kỳ ấm trước băng hà cho đến gần đây. Như vậy là chính
các khí CO2 và methane nối hai bán cầu với nhau và sự thay đổi nồng độ thể hiện
sự ấm hay lạnh của cả khí hậu trái đất và vì thế chu kỳ Milankovitch một khi
thay đổi khí hậu qua cường độ bức xạ ở một bán cầu cũng sẽ thay đổi đồng bộ khí
hậu trên toàn trái đất (2).
Thuyết
Milankovitch hiện nay không còn là thuyết nữa mà là sự thât. Khám phá của
Milankovitch là một khám phá tuyệt vời trong khoa học vật lý vũ trụ và trái đất.
NASA, NOAA đã coi Milankovitch là một trong những nhà khoa học lớn của thế kỷ
sánh vai cùng von Braun, Benjamin Franklin, R. Goddard.
Lời kết
Đứng trên phương
diện mô hình hệ thống thì trái đất là một hệ thống phức tạp gồm nhiều thành phần
tương tác nhau (với đại dương và khí quyển là hai thành phần chủ yếu), nếu lượng
bức xạ từ mặt trời là đầu vào (input), hệ thống trái đất phản ứng (response) và
tạo ra đầu ra (output) là khí hậu trên thế giới. Hiện nay đã có nhiều dữ kiện về
nhiệt độ trong quá khứ, câu hỏi đặt ra là dựa vào những dữ kiện này chúng ta có
khả năng hiểu được hệ thống khí hậu trái đất qua các mô hình để tiên đoán được
tương lai hay không?. Đây chính là câu hỏi mà các nhà khoa học đang đặt ra và họ
đang cố gắng tìm phương pháp trả lời.
Họ đang đối diện
với sự khó khăn to lớn: thêm một yếu tố trong các thành phần của hệ thống khí hậu
trái đất, đó là con người. Sự khó khăn là vì qua các băng đá từ Vostock từ hơn
400000 năm cách đây cho tới đầu thế kỷ 20, nồng độ CO2 thay đổi từ 180ppm trong
thời kỳ băng hà đến 280ppm trong thời kỳ ấm và chưa bao giờ vượt mức cao này.
Nhưng hiện nay thì nồng độ CO2 đã vượt quá 380ppm do con người sử dụng và đốt
nhiên liệu carbon thải ra khí quyển. Chưa bao giờ trong lịch sử khí hậu trái đất
lại có trường hợp như hiện nay. Theo chu kỳ tự nhiên thì thời kỳ tới sẽ là thời
kỳ băng hà. Nhưng con người không những có thể xóa bỏ được thời kỳ băng hà tới
trong tương lai mà còn dẫn hệ thống khí hậu địa cầu đi vào một lãnh thổ vô định
mới, không tiên đoán được vì chưa có tiền lệ nào trong quá khứ.
Tham khảo
(1) John Cox,
Climate Crash, Joseph Henry Press, April, 2005
(2) S. Weart,
The discovery of Global Warming, http://www.aip.org/history/climate/
(3)
Firestone, R., West, A. et al, Evidence for an extraterrestrial impact 12,900
years ago that contributed to the megafaunal extinctions and the Younger Dryas
cooling. Proceedings of the National Academy of Science (PNAS), Oct. 9 2007,
Vol. 104, No. 41, pp. 16016-16022.
(4) Langway,
C., Wertman, J., A Brief History Lesson in Deep Ice Core Drilling, Physics
Today, Vol. 58, No. 2, Feb. 2005, pp. 12.
(5) W.
Dansgaard, S. J. Johnsen, J. Møller, and C. C. Langway Jr, One Thousand Centuries
of Climatic Record from Camp Century on the Greenland Ice Sheet, Science, Oct.
1969, Vol. 166. no. 3903, pp. 377 – 380.
(6) Nguyễn Đức
Hiệp, Người cổ Đông Nam Á, 3/9/2006, http://vietsciences.free.fr/
Nguồn:
|
No comments:
Post a Comment