Lịch sử khí hậu trái đất và khí hậu học

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.

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 3^o 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 (5^o đến 6^o C vùng ôn đới và 3^o 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 1^oC 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/ 

Nguyễn Đức Hiệp