© hiepkhachquay Sự biến đổi khí hậu | Trang 1/10 MÔ PHỎNG SỰ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Trái Đất đang ấm dần lên, với những hệ quả tai họa tiềm tàng. Các mô hình khí hậu máy tính dựa trên nền vật lí là hi vọng tốt nhất của chúng ta về việc dự đoán và điều khiển sự biến đổi khí hậu, như Adam Scaife, Chiris Folland, và John Mitchell giải thích. Tin chính thức: Trái Đất đang nóng dần lên, và đó là điều hiểm họa cho chúng ta. Tháng này, các nhà khoa học từ hơn 60 quốc gia thuộc Ban hội thẩm liên chính phủ về sự biến đổi khí hậu (IPCC) đã công bố phần đầu của bản báo cáo mới nhất của họ về sự ấm lên toàn cầu. Trong bản báo cáo, ban hội thẩm kết luận rằng rất có khả năng là đa phần sự tăng thêm 0,5 o C của nhiệt độ toàn cầu trong 50 năm vừa qua là do sự phát thải khí nhà kính bởi con người gây ra. Và khoa học cho biết sự biến đổi lớn hơn nhiều hiện đang tích trữ: vào năm 2100, sự ấm lên toàn cầu do con người gây ra có thể sánh được với sự ấm lên khoảng 6 o C kể từ kỉ nguyên băng hà gần đây nhất. Hậu quả của sự ấm lên toàn cầu có thể thật thảm khốc. Khi Trái Đất tiếp tục nóng lên, thì tần suất lũ lụt và hạn hán có khả năng tăng lên, nguồn cung cấp nước và các hệ sinh thái sẽ bị đe dọa, các thói quen nông nghiệp sẽ phải thay đổi và hàng triệu người phải di cư vì mực nước biển dâng lên. Nền kinh tế thế giới cũng sẽ bị ảnh hưởng gay gắt. Mới đây, tổ chức Stern Review, do chính phủ Anh ủy thác ước định tác động kinh tế của sự biến đổi khí hậu, cảnh báo rằng 5-20% tổng sản phẩm quốc nội của thế giới có thể bị thiệt hại trừ khi sự cắt giảm phát thải khí nhà kính được sớm thực hiện. Nhưng làm thế nào chúng ta dự đoán được sự biến đổi khí hậu, và tại sao chúng ta lại phải tin tưởng vào chúng ? Các mô hình khí hậu phải xét đến nhiệt đến từ Mặt Trời, tác động của các đám mây, động học của đại dương và ảnh hưởng tới thực vật. Khí hậu là một hệ hết sức phức tạp, được cung cấp bởi năng lượng Mặt Trời, và bao hàm các tương tác giữa bầu khí quyển, mặt đất và đại dương. Hi vọng hiểu biết tốt nhất của chúng ta về cách mà khí hậu biến đổi theo thời gian và cách mà chúng ta có thể tác động đến nó nằm trong các mô hình khí hậu máy tính được phát triển trong vòng 50 năm qua. Các mô hình khí hậu có khả năng là phức tạp nhất trong số mọi khoa học và đã chứng tỏ giá trị của chúng với sự thành công đáng ngạc nhiên trong việc mô phỏng khí hậu quá khứ của Trái Đất. Mặc dù là một lĩnh vực đa kỉ luật, nhưng việc lập mô hình khí hậu bén rễ trong nền vật lí cơ học chất lưu và nhiệt động lực học, và các nhà vật lí trên thế giới đang hợp tác để cải tiến những mô hình này bằng những quá trình vật lí mô tả tốt hơn trong hệ khí hậu. Không phải là một ý tưởng mới Đã từ lâu trước khi nỗi lo sợ về sự biến đổi khí hậu phát sinh, các nhà khoa © hiepkhachquay Sự biến đổi khí hậu | Trang 2/10 học đã nhận thức được rằng các chất khí xuất hiện tự nhiên trong bầu khí quyển sưởi ấm Trái Đất bằng cách bẫy các bức xạ hồng ngoại mà Trái Đất phát ra. Thật vậy, nếu không có “hiệu ứng nhà kính” tự nhiên này – giữ cho Trái Đất ấm hơn khoảng 30 o C nếu như không có nó – thì sự sống có lẽ chẳng bao giờ tiến hóa được. Nhà toán học và vật lí học Joseph Fourier là người đầu tiên mô tả hiệu ứng nhà kính vào đầu thế kỉ 19, và một vài thập kỉ sau đó John Tyndall nhận ra rằng các chất khí như carbon dioxide và hơi nước là nguyên nhân chủ yếu, chứ không phải các thành phần khí quyển dồi dào hơn như nitrogen và oxygen. Hình 1. Hệ khí hậu của Trái Đất bao gồm khí quyển, đại dương, sinh quyển, hàn quyển và địa quyển. Tương tác giữa các thành phần này dẫn tới những sự biến đổi tự nhiên lớn trong khí hậu, còn ảnh hưởng của con người như việc đốt các nhiên liệu hóa thạch làm tăng thêm tính phức tạp. Một số trong các quá trình này, chẳng hạn như vòng tuần hoàn của đại dương, có thể được giải quyết rõ ràng trong các mô hình khí hậu, còn một số khác, ví dụ như ảnh hưởng của các đám mây, phải được “tham số hóa”. Khí carbon dioxide (CO 2 ) được giải phóng khi chúng ta đốt các nhiên liệu hóa thạch, và người đầu tiên định lượng được ảnh hưởng mà CO 2 có thể có trong việc làm tăng hiệu ứng nhà kính là nhà hóa học thế kỉ 19 người Thụy Điển Svante Arrhenius. Ông tính tay được rằng một lượng gấp đôi CO 2 trong bầu khí quyển cuối cùng dẫn tới sự tăng 5-6 o C nhiệt độ toàn cầu – một con số gần một cách xuất sắc với những dự đoán hiện nay. Những tính toán chi tiết hơn hồi cuối thập niên 1930 do kĩ sư người Anh Guy Callendar thực hiện cho thấy một sự ấm lên kém kịch tính hơn, khoảng 2 o C, với ảnh hưởng lớn hơn ở các vùng cực. Trong khi đó, vào đầu thế kỉ 20, nhà khí tượng học người Na Uy Vilhelm Bjerknes đã tìm ra khoa học dự báo thời tiết. Ông lưu ý rằng với những điều kiện ban đầu chi tiết đã biết và những quy luật vật lí có liên quan, người ta có thể dự © hiepkhachquay Sự biến đổi khí hậu | Trang 3/10 đoán được các điều kiện thời tiết tương lai bằng toán học. Lewis Fry Richardson tiếp tục thử thách này vào thập niên 1920 bằng việc sử dụng kĩ thuật số học giải các phương trình vi phân cho dòng chất lưu. Dự báo của Richardson sai lệch nhiều, nhưng phương pháp luận của ông đã đặt nền tảng cho những mô hình khí quyển bằng máy tính đầu tiên phát triển trong những năm 1950. Vào thập niên 1970, những mô hình này chính xác hơn những người dự báo thời tiết chỉ dựa trên các biểu đồ thời tiết, và liên tục cải tiến từ đó cho tới hiện nay, việc dự báo trước 3 ngày chính xác như dự báo trước 1 ngày cách đây 20 năm. Hình 2. Phương trình Navier-Stokes cho dòng chất lưu là tâm điểm của các mô hình khí hậu. Ba phương trình đầu biểu diễn định luật 2 Newton và cho gia tốc của gió theo hướng đông-tây(u), bắc-nam (v), và hướng thẳng đứng (w). Phương trình khối-liên tục đảm bảo rằng cho dù mật độ, tốc độ và hướng của không khí thay đổi khi nó chảy xung quanh Trái Đất, nhưng khối lượng của nó được bảo toàn, còn phương trình nhiệt động lực học cho phép các quá trình truyền nhiệt như sự hâm nóng bởi Mặt Trời được tính đến dạng một kí hiệu nguồn tham số hóa. Chúng ta sử dụng cũng các phương trình trên để mô tả động lực học của đại dương, và thường thực hiện các phép đơn giản hóa gần đúng. Trong các phương trình trên, r là khoảng cách tính từ tâm Trái Đất, Ω là vận tốc góc của chuyển động quay của Trái Đất, ϕ là độ cao, λ là kinh độ và t là thời gian. c p là nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí, θ là nhiệt độ, Π là “hàm Exner” của áp suất và ρ là mật độ không khí. Chỉ số d chỉ không khí khô. Nhưng biết rằng dự báo thời tiết là không đáng tin cậy trong khoảng thời gian hơn vài ngày sắp tới, vậy làm sao chúng ta có thể hi vọng dự báo khí hậu, nói ví dụ, hàng chục hoặc hàng trăm năm trong tương lai ? Một phần của câu trả lời nằm ở chỗ khí hậu là trung bình của các điều kiện thời tiết theo thời gian. Chúng ta không cần dự đoán chính xác chuỗi thời tiết để dự báo khí hậu tương lai, giống như © hiepkhachquay Sự biến đổi khí hậu | Trang 4/10 trong nhiệt động lực học chúng ta không cần dự đoán quỹ đạo của mỗi phân tử để định lượng các tính chất trung bình của chất khí. Trong thập niên 1960, các nhà nghiên cứu làm việc tại Phòng thí nghiệm động học chất lưu địa cầu, ở Princeton, Mĩ, đã xây dựng trên mô hình dự báo thời tiết mô phỏng ảnh hưởng của sự phát thải CO 2 nhân tạo lên khí hậu của Trái Đất. Các phép đo do Charles Keeling thực hiện tại Mauna Loa, Hawaii, bắt đầu vào năm 1957, cho thấy bằng chứng rõ ràng rằng sự tích tụ CO 2 trong khí quyển đang gia tăng. Mô hình Princeton dự đoán sự gấp đôi lượng CO 2 trong khí quyển có thể làm ấm tầng đối lưu – tầng thấp nhất của khí quyển – nhưng cũng làm lạnh tầng bình lưu cao hơn nhiều phía trên, đồng thời tạo ra sự ấm lên lớn nhất về phía các cực, phù hợp với những tính toán ban đầu của Callendar. Đai ốc và bulông của mô hình khí hậu Hệ khí hậu gồm có năm thành phần: khí quyển; đại dương; sinh quyển; hàn quyển (băng và tuyết) và địa quyển (đá và đất). Những thành phần này tương tác ở nhiều quy mô khác nhau cả trong không gian và thời gian, làm cho khí hậu có sự biến thiên tự nhiên lớn, và ảnh hưởng của con người như làm phát thải khí nhà kính làm tăng thêm tính phức tạp (hình 1). Việc dự báo khí hậu tại một thời điểm nhất định trong tương lai do đó phụ thuộc vào khả năng của chúng ta tính đến các quá trình chủ chốt càng nhiều càng tốt trong mô hình khí hậu của mình. Tâm điểm của các mô hình khí hậu và dự báo thời tiết nằm ở hệ phương trình Navier-Stockes, một bộ phương trình vi phân cho phép chúng ta lập mô hình động lực học của khí quyển dưới dạng một chất lưu liên tục, có thể nén được. Bằng cách biến đổi hệ phương trình sang hệ quy chiếu quay trong tọa độ cầu (Trái Đất), chúng ta sẽ có được các phương trình chuyển động cơ bản cho một “gói” không khí theo mỗi hướng đông-tây, bắc-nam và hướng thẳng đứng. Các phương trình phụ mô tả những tính chất nhiệt động lực học của khí quyển (xem hình 2). Thật không may, không có lời giải giải tích nào cho hệ phương trình Navier- Stockes; thật vậy, việc tìm kiếm một lời giải trên là một trong những thách thức lớn nhất trong toán học. Để thay thế, hệ phương trình được giải bằng số trên một mạng lưới điểm ba chiều bao quanh địa cầu. Khoảng cách giữa những điểm này quy định độ phân giải của mô hình, hiện nay độ phân giải này bị hạn chế bởi công suất máy tính đang dùng đến khoảng 200 km theo chiều ngang và 1 km theo chiều thẳng đứng, với độ phân giải thẳng đứng tốt hơn ở gần bề mặt Trái Đất. Độ phân giải thẳng đứng lớn hơn nhiều so với độ phân giải ngang là cần thiết vì đa phần cấu trúc khí quyển và đại dương là nông cạn so với chiều rộng của chúng. Hệ phương trình Navier-Stockes cho phép những người lập mô hình khí hậu tính được các thông số vật lí – nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, và vân vân – tại mỗi điểm lưới ở mỗi thời điểm dựa trên giá trị của chúng một thời gian trước đó. Khoảng thời gian, hay “bước thời gian”, sử dụng phải đủ ngắn để cho lời giải chính xác và ổn định và mặt số học; nhưng bước thời gian càng ngắn thì thời gian cần thiết cho máy tính chạy mô hình càng nhiều. Các mô hình khí hậu hiện nay sử dụng bước thời gian khoảng 30 phút, trong khi cũng những mô hình cơ bản đó với bước thời gian ngắn hơn và độ phân giải không gian cao hơn được dùng cho dự báo thời tiết. Tuy nhiên, một số quá trình ảnh hưởng tới khí hậu của chúng ta xảy ra trên quy mô không gian nhỏ hơn và thời gian ngắn hơn so với độ phân giải của những © hiepkhachquay Sự biến đổi khí hậu | Trang 5/10 mô hình này. Ví dụ, các đám mây có thể làm nóng bầu khí quyển bằng cách giải phóng nhiệt âm ỉ, và chúng cũng tương tác mạnh với bức xạ hồng ngoại và khả kiến. Nhưng đa số các đám mây nhỏ hơn hàng trăm lần so với độ phân giải mô hình máy tính điển hình. Nếu các đám mây được lập mô hình không chính xác thì mô phỏng khí hậu sẽ bị sai lầm nghiêm trọng. Hình 3. Mô hình khí hậu (màu vàng) chỉ có thể tái tạo sự biến đổi quan sát được ở nhiệt độ toàn cầu trong thế kỉ qua (màu xanh) bằng cách tính cả các ảnh hưởng tự nhiên và do con người (phía dưới). Chiều dày của dải biểu diễn độ bất định (hai độ lệch chuẩn) do sự biến thiên khí hậu. Những người lập mô hình khí hậu giải quyết những quá trình dưới độ phân giải như thế bằng một kĩ thuật gọi là biểu hiện bằng tham số, nhờ đó những quá trình quy mô nhỏ được biểu diễn bằng giá trị trung bình trên một hộp điểm được thực hiện bằng những quan trắc, lí thuyết và nghiên cứu ngữ cảnh từ những mô hình độ phân giải cao. Ví dụ về sự tham số hóa mây gồm các kế hoạch “đối lưu” mô tả cơn mưa nhiệt đới nặng hạt làm khô đi bầu khí quyển qua sự ngưng tụ và làm ấm nó qua việc giải phóng nhiệt tiềm tàng; và kế hoạch “tạo mây’ sử dụng gió, nhiệt độ, và độ ẩm tính được bằng mô hình để mô phỏng sự hình thành và phân hủy của các đám mây và ảnh hưởng của chúng lên bức xạ. © hiepkhachquay Sự biến đổi khí hậu | Trang 6/10 Việc tham số hóa các tương tác trong hệ khí hậu là công việc chính của nghiên cứu lập mô hình khí hậu. Chẳng hạn, nguồn cung cấp bên ngoài chủ yếu vào khí hậu của Trái Đất là bức xạ điện từ đến từ Mặt Trời, nên cách bức xạ tương tác với bầu khí quyển, đại dương, và mặt đất phải được mô tả chính xác. Vì bức xạ này bị hấp thụ, phát ra, và tán xạ bởi sự phân bố không đồng đều của các chất khí trong khí quyển như hơi nước, carbon dioxide và ozone, nên chúng ta cần phải tính đến sự tập trung trung bình của các chất khí khác nhau trong một hộp lưới và kết hợp số liệu này với dữ liệu quang phổ kế đối với từng chất khí. Tốc độ nóng lên toàn phần tính được đưa thêm “số hạng nguồn” vào phương trình nhiệt động lực học (xem hình 2). Hình 4. Các mô hình khí hậu dự đoán một hình ảnh địa lí chắc chắn trong sự ấm lên của bề mặt Trái Đất, biểu diễn ở đây là sự biến đổi từ thời kì tiền công nghiệp đến thập niên 2080. Cụ thể, các đại dương được mong đợi là sẽ ấm lên chậm hơn mặt đất, còn những nơi có vĩ độ cao sẽ ấm lên nhanh hơn vùng nhiệt đới, do sự hồi tiếp dương khi tuyết và băng tan. Địa hình bề mặt Trái Đất, tính ma sát của nó và hệ số phản xạ của nó cũng biến thiên ở quy mô nhỏ hơn độ phân giải của mô hình. Những yếu tố này thật quan trọng vì chúng điều khiển sự trao đổi xung lượng, nhiệt và hơi ẩm giữa bầu khí quyển và bề mặt Trái Đất. Để tính toán những sự trao đổi này và thêm chúng vào hệ phương trình xung lượng và nhiệt động lực học, những người lập mô hình khí hậu phải tham số hóa sự nhiễu loạn khí quyển. Hàng loạt kế hoạch tham số hóa khác bây giờ kể đến và cải tiến trong các mô hình trạng-thái-nghệ-thuật, gồm băng biển, các đặc trưng đất, aerosol khí quyển và hóa học khí quyển. Ngoài việc cải thiện sự tham số hóa, có lẽ tiến bộ lớn nhất trong việc lập mô hình khí hậu trong vòng 15 năm qua là đã ghép đôi được mô hình khí quyển với mô hình động học của đại dương. Đại dương thật quan trọng đối với khí hậu vì nó điều hòa dòng hơi nước và nhiệt tiềm tàng đi vào bầu khí quyển, đồng thời cũng trữ một lượng lớn nhiệt và CO 2 . Trong mô hình ghép đôi, đại dương được mô phỏng trọn vẹn bằng cùng hệ phương trình đã mô tả chuyển động của khí quyển. Điều này trái với “mô hình mảng” trước đây biểu diễn đại dương đơn giản là một khối nước tĩnh © hiepkhachquay Sự biến đổi khí hậu | Trang 7/10 tại có thể trao đổi nhiệt với bầu khí quyển. Những mô hình này có xu hướng đánh giá quá cao mức độ nhanh mà các đại dương ấm lên khi nhiệt độ toàn cầu tăng. Tác dụng và phản hồi Vấn đề khẩn cấp nhất mà những người lập mô hình khí hậu đối mặt hiện nay là ảnh hưởng của con người lên hệ khí hậu. Việc tham số hóa các tương tác giữa các thành phần của hệ khí hậu cho phép các mô hình mô phỏng sự biến thiên tự nhiên lớn của khí hậu. Nhưng những yếu tố bên ngoài hoặc những “tác dụng bức xạ” – cũng bao gồm cả các yếu tố tự nhiên như sự phun trào núi lửa hoặc các dao động của hoạt động Mặt Trời – có thể có ảnh hưởng kịch tính lên sự cân bằng bức xạ của hệ khí hậu. Tác dụng nhân tạo chủ yếu là sự phát thải CO 2 . Độ tập trung CO 2 trong khí quyển đã tăng từ 280 phần triệu lên 380 phần triệu, kể từ cuộc cách mạng công nghiệp, và vì nó tồn tại quá lâu trong khí quyển (khoảng một thế kỉ) nên CO 2 có tác động lâu dài lên khí hậu của chúng ta. Trong khi những mô hình trước đây cho chúng ta biết sự ấm lên “cân bằng” sau rốt là do, nói ví dụ, một sự gấp đôi mức độ tập trung CO 2 , chúng không thể dự đoán chính xác nhiệt độ sẽ thay đổi như thế nào như một hàm của thời gian. Tuy nhiên, vì mô hình ghép đôi khí quyển-đại dương có thể mô phỏng sự ấm lên chậm chạp của các đại dương, nên chúng cho phép chúng ta dự đoán “phản ứng khí hậu nhất thời” này. Điều quan trọng là những mô hình trạng thái nghệ thuật này cũng cho phép chúng ta đưa vào sự thay đổi phát thải theo thời gian để dự báo khí hậu sẽ biến đổi như thế nào khi tác động nhân tạo tăng lên. Carbon dioxide không phải là tác động nhân tạo duy nhất. Ví dụ, năm 1988, Jim Hansen, tại Viện Nghiên cứu Không gian Goddard, Mĩ, và các đồng nghiệp đã sử dụng một mô hình khí hậu chứng minh tầm quan trọng của các chất khí nhà kính khác như methane, nitrous oxide và chlorofluorocarbon (CFC), chúng cũng có thể độc lập nhau gây phá hủy tầng ozone. Hơn nữa, trong thập niên 1980, các hạt sulphate aerosol trong tầng đối lưu được tạo ra bởi sulphur trong sự phát thải nhiên liệu hóa thạch được tìm thấy đã làm tán xạ ánh sáng khả kiến trở lại không gian và do đó làm lạnh đáng kể khí hậu. Hiệu ứng quan trọng này được bao hàm lần đầu tiên trong một mô hình khí hậu vào năm 1995 bởi một trong số các tác giả bài viết này (JM) và các đồng sự tại Trung tâm Hadley. Aerosol cũng có ảnh hưởng gián tiếp lên khí hậu bằng cách làm cho các giọt mây trở nên nhỏ hơn và do đó làm tăng hệ số phản xạ và kéo dài thời gian sống của các đám mây. Những mô hình mới nhất bao gồm những hiệu ứng gián tiếp này, cũng như ảnh hưởng của aerosol núi lửa tự nhiên, các hạt bụi khoáng vật, và các aerosol phi sulphate sinh ra bởi sự đốt cháy nhiên liệu hóa thạch và sinh khối. Để làm cho vấn đề thêm phức tạp, ảnh hưởng của các tác động khí hậu có thể được khuếch đại hoặc giảm đi bằng nhiều cơ chế phản hồi đa dạng. Chẳng hạn, khi các tảng băng tan chảy, thì hiệu ứng làm lạnh mà chúng tạo ra bằng cách phản xạ bức xạ khỏi bề mặt Trái Đất giảm đi – quá trình hồi tiếp dương này được gọi là hiệu ứng băng-albedo. Một quá trình phản hồi quan trọng khác được bao hàm trong các mô hình khí hậu trong vài năm qua có liên quan tới sự hấp thụ và phát xạ các chất khí nhà kính bởi sinh quyển. Vào năm 2000, Peter Cox, khi đó làm việc tại Trung tâm Hadley, chỉ ra rằng sự ấm lên toàn cầu có thể dẫn đến cái chết của giới thực vật © hiepkhachquay Sự biến đổi khí hậu | Trang 8/10 trong những vùng như rừng rậm Amazon, do nó làm giảm lượng mưa; đồng thời làm tăng sự hô hấp từ vi khuẩn trong đất. Cả hai sẽ giải phóng thêm CO 2 vào khí quyển, dẫn tới làm ấm nó thêm nữa. Những cải tiến công suất máy tính kể từ thập niên 1970 có tính quyết định trong việc cho phép những quá trình khác nữa được tính đến. Mặc dù các mô hình hiện nay thường chứa một triệu vạch mã, nhưng chúng ta vẫn có thể mô phỏng các năm của thời gian mô hình/ngày, cho phép chúng ta chạy các mô phỏng nhiều lần với những giá trị hơi khác biệt của các thông số vật lí (xem ví dụ tại http://www.climateprediction.net/). Trang này cho phép chúng ta truy cập mức độ nhạy của những dự đoán của mô hình khí hậu, cho tới những sai số trong những giá trị này. Khi công suất máy tính và độ phân giải mô hình tiếp tục tăng thêm nữa, thì chúng ta sẽ có thể giải được nhiều quá trình rõ ràng hơn, giảm bớt yêu cầu tham số hóa. Độ chính xác của các mô hình khí hậu có thể ước định theo một số cách. Một phép thử quan trọng của một mô hình khí hậu là mô phỏng một “khí hậu hiện tại” bền vững trong hàng nghìn năm, trong sự vắng mặt của các tác nhân cưỡng thúc. Thật vậy, bây giờ các mô hình có thể tạo ra khí hậu có sự biến đổi rất nhỏ ở nhiệt độ bề mặt/thế kỉ, nhưng với những biến đổi năm/năm, biến đổi theo mùa và theo vùng nhại lại những biến đổi quan sát được. Trong số này có gió xoáy, gió mậu dịch, áp thấp và vùng xoáy nghịch, chúng gây khó cho cả những người dự báo từng trải nhất phân biệt với thời tiết thật, và cả những dao động năm/năm chính giống như dao động El Nino ở phương nam. Một phép thử quan trọng khác cho các mô hình khí hậu là chúng có thể tái tạo lại sự biến đổi khí hậu quan sát được trong quá khứ. Vào giữa thập niên 1990, Ben Santer tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở Mĩ, và các đồng sự đã củng cố luận cứ cho rằng loài người đang làm ảnh hưởng tới khí hậu bằng cách chỉ ra rằng các mô hình khí hậu mô phỏng thành công hình ảnh không gian của sự biến đổi khí hậu thế kỉ 20 chỉ khi nào chúng tính đến các tác động nhân tạo. Gần đây hơn, Peter Stott và các cộng sự tại Trung tâm Hadley đã chỉ ra rằng điều này cũng đúng đối với sự tiến triển theo thời gian của nhiệt độ toàn cầu (xem hình 3). Những kết quả như thế chứng tỏ sức mạnh của các mô hình khí hậu trong việc cho phép chúng ta thêm vào hoặc loại bớt từng tác động một để phân biệt những ảnh hưởng mà con người gây nên lên khí hậu. Các mô hình khí hậu cũng có thể kiểm tra đối với những điều kiện khí hậu rất khác xa xôi hơn trong quá khứ, ví dụ như kỉ nguyên băng hà gần đây nhất khoảng 9000 năm về trước và thời kì ấm áp Holocen theo sau đó. Vì không có dữ liệu đo đạc nào có thể dùng được từ thời gian này, nên các mô hình khí hậu được kiểm tra với những vật chỉ thị “ủy nhiệm” của sự biến đổi nhiệt độ, ví dụ như các thớ cây hoặc lõi băng. Những dữ liệu này không xác thực như các số đo thời hiện đại, nhưng các mô hình khí hậu đã tái tạo thành công những hiện tượng suy ra từ dữ liệu, ví dụ như sự tấn công về phía nam của sa mạc Sahara trong 9000 năm qua. Dự báo tương lai Việc lập các mô hình của chúng ta và kiểm tra chúng đối với dữ liệu khí hậu hiện nay và trong quá khứ, cái mà chúng cho chúng ta biết về khí hậu có thể biến đổi như thế nào theo năm tháng có nguồn gốc từ đâu ? Trước tiên, chúng ta phải © hiepkhachquay Sự biến đổi khí hậu | Trang 9/10 đưa vào một kịch bản phát thải khí nhà kính trong tương lai. Nhiều kịch bản khác nhau đã được sử dụng, dựa trên sự ước tính các nhân tố kinh tế và xã hội, và đây là một trong những nguồn bất định chủ yếu của việc dự báo khí hậu. Nhưng cho dù là sự phát thải khí nhà kính có giảm xuống về căn bản, thì thời gian tồn tại lâu dài trong khí quyển của CO 2 có nghĩa là chúng ta không thể ngăn chặn sự biến đổi khí hậu thêm nữa do CO 2 đã có mặt trong khí quyển rồi. Những dự đoán khác nhau giữa những mô hình khí hậu khác nhau phát triển trên khắp thế giới, và do những chi tiết chính xác của sự tham số hóa bên trong những mô hình đó. Sự tham số hóa mây góp phần đặc biệt vào độ bất định vì các đám mây vừa làm lạnh khí quyển qua sự phản xạ, vừa làm ấm nó bởi làm giảm sự phát bức xạ. Những sự bất định như thế dẫn đến ước tính tốt nhất cho trong bản báo cáo IPCC thứ ba hồi năm 2001 về sự ấm lên toàn cầu là khoảng 1,4 – 5,8 o C vào năm 2100 so với năm 1990. Tuy nhiên, không kể đến những bất định này, thì tất cả các mô hình đều cho thấy Trái Đất sẽ ấm lên trong thế kỉ tới, với một diện mạo địa lí phù hợp (hình 4). Ví dụ, sự phản hồi dương từ hiệu ứng băng-albedo gây ra sự ấm lên nhiều hơn ở gần các cực, nhất là ở Nam Cực. Mặt khác, các đại dương sẽ ấm lên chậm hơn so với đất liền do quán tính nhiệt lớn của chúng. Lượng mưa trung bình được mong đợi là tăng vì không khí ấm hơn có thể giữ được nhiều hơi nước hơn trước khi chúng bão hòa. Tuy nhiên, dung lượng tăng thêm này cho hơi ẩm khí quyển cũng sẽ cho phép sự bay hơi mạnh hơn, làm khô mặt đất và làm tăng vụt nhiệt độ ở những khu vực lục địa vào mùa hè. Mực nước biển được dự đoán là tăng lên thêm 40 cm (với sai số có thể chấp nhận được) vào năm 2100, chủ yếu do sự giãn nở nhiệt của đại dương và sự tan chảy băng trên đất liền. Con số trông có vẻ chỉ là một sự tăng nhỏ thôi, nhưng phần nhiều dân cư sống ở các vùng duyên hải rất nguy hiểm do bão lũ tăng thêm - ở Bangladesh chẳng hạn, nhiều triệu dân cư có thể phải đổi chỗ ở. Ở thời hạn lâu hơn, có sự lo lắng thật sự về sự tan chảy của các tảng băng ở Greenland và phía Tây Nam Cực, có thể mang tới sự gia tăng mực nước biển lớn hơn nhiều. Chúng ta vẫn phải gấp rút cải thiện việc lập mô hình và quan sát nhiều quá trình để hoàn thiện các dự báo khí hậu, nhất là ở quy mô mùa và quy mô vùng. Ví dụ, những cơn bão và bão nhiệt đới vẫn không được biểu diễn trong nhiều mô hình và những hiện tượng khác như dòng hải lưu vịnh Mexico vẫn được hiểu một cách nghèo nàn do thiếu quan trắc. Do đó, chúng ta không chắc chắn là các cơn bão và những cơn dông tố khác có thể biến đổi như thế nào do sự ấm lên toàn cầu, hoặc chúng ta có thể tiến gần tới bao nhiêu sự chậm lại của dòng hải lưu vịnh Mexico. Mặc dù chúng sẽ được hoàn thiện hơn, nhưng có nhiều lí do để tin tưởng dự đoán của các mô hình khí hậu hiện nay. Trên hết thảy, chúng dựa trên các định luật đã được thiết lập của vật lí và thể hiện hiểu biết tốt nhất của chúng ta về các tương tác và cơ chế phản hồi trong hệ khí hậu. Trên thời gian vài ngày, các mô hình có thể dự báo thời tiết một cách tài tình; chúng cũng thực hiện xuất sắc công việc tái tạo khí hậu toàn cầu hiện nay cũng như nhiệt độ trung bình toàn cầu trong thế kỉ qua. Chúng cũng mô phỏng được các khí hậu khác nhau tận gốc rễ của kỉ nguyên băng hà vừa qua và thời kì ấm áp Holocene, chúng là kết quả của những tác động có thể sánh với quy mô của những tác động nhân tạo được mong đợi vào cuối thế kỉ 21. © hiepkhachquay Sự biến đổi khí hậu | Trang 10/10 Mặc dù có một vài mặt tích cực đối với sự ấm lên toàn cầu – chẳng hạn các vùng vĩ độ cao sẽ có các mùa mở rộng hơn và những hải trình mới có thể được mở trong Nam Băng Dương khi băng biển rút đi – nhưng phần lớn các tác động là tiêu cực. Điều kiện nóng hơn có khả năng làm căng thẳng nhiều cánh rừng nhiệt đới và mùa màng; còn ngoài vùng nhiệt đới, những sự kiện như đợt nóng năm 2003 dẫn tới cái chết của hàng chục ngàn người dân châu Âu có khả năng xảy ra vào năm 2050. Năm này cũng được dự đoán sẽ là năm nóng kỉ lục. Chúng ta đang ở tại một thời khắc quan trọng trong lịch sử, trong đó chúng ta không những chỉ có ảnh hưởng có thể nhận thức rõ lên khí hậu Trái Đất, mà chúng ta còn đang phát triển khả năng dự đoán hiệu ứng này. Dự đoán khí hậu là một trong những chương trình quốc tế nghiên cứu khoa học lớn nhất từng được thực hiện và nó đã đưa đến Nghị định thư Kyoto do Liên Hiệp Quốc thiết lập nhằm hạn chế sự phát thải khí nhà kính. Mặc dù trong chừng mực nào đó nghị định thư đã đưa tới một vài thay đổi mức tập trung khí nhà kính trong khí quyển, nhưng sự thỏa thuận bước ngoặt mới đặt nền tảng cho sự cắt giảm phát thải nhiều hơn. Việc lập mô hình tốt hơn nữa của các dao động khí hậu tự nhiên theo mùa và theo vùng vẫn cần thiết để cải thiện ước tính của chúng ta về tác động của sự biến đổi khí hậu do con người gây ra. Nhưng chúng ta đã phải đối mặt với một thách thức rõ ràng: đó là sử dụng những dự đoán khí hậu hiện có một cách khôn ngoan và phát triển các chính sách làm dịu và chỉnh sửa về mặt trách nhiệm để bảo vệ chính chúng ta và phần còn lại của sinh quyển. Lập mô hình khí hậu • Cộng đồng khoa học nhất trí rằng sự ấm lên quan sát thấy của Trái Đất trong nửa thế kỉ qua chủ yếu là do sự phát thải khí nhà kính của con người. • Việc dự đoán sự biến đổi khí hậu phụ thuộc các mô hình máy tính phức tạp được phát triển trong 50 năm qua. • Các mô hình khí hậu dựa trên hệ phương trình Navier-Stockes cho chất lưu, được giải bằng số trong một mạng lưới bao quanh địa cầu. • Những mô hình này rất thành công trong việc mô phỏng khí hậu trong quá khứ, mang lại sự tin cậy cho các nhà nghiên cứu trong dự đoán của họ. • Giá trị khả dĩ nhất cho sự tăng nhiệt độ toàn cầu vào năm 2100 là trong ngưỡng 1,4 – 5,8 o C, chúng có thể có những hệ quả thảm khốc. Tìm đọc thêm về việc lập mô hình khí hậu: www.metoffice.gov.uk/research/hadleycentre http://www.ipcc.ch/ http://www.climateprediction.net/ J T Houghton 2005 Climate Change: The Complete Briefing (Cambridge University Press) K McGuffie and A Henderson-Sellers 2004 A Climate Modelling Primer (Wiley, New York) Tác giả: Adam Scaife và Chris Folland tại Trung tâm Nghiên cứu và Dự đoán khí hậu Hadley, Met Office, Anh, và John Mitchell là nhà khoa học chính tại Met Office, Anh. (Physics World, tháng 2/2007) hiepkhachquay dịch (An Minh, ngày 17/7/2007, 8:25:25 PM) [...]... sai s chính trong mô hình khí h u Lindzen v n cho r ng các mô hình là sai l m vì chúng hoàn toàn th t b i trong vi c tái t o cơ ch “ph n h i” trong h khí h u M i ngư i u ng ý r ng, theo nh ng tính toán v t lí ơn gi n, n u như các ch t khí nhà kính ch tác ng c l p, thì s g p ôi c a chúng s ưa t i s tăng kho ng 1oC nhi t toàn c u © hiepkhachquay Báo ng v khí h u | Trang 4/5 Nhưng các mô hình mà IPCC s... chính xác ph thu c vào xu th tương lai c a s phát th i khí nhà kính, ng th i cũng ph thu c vào mô hình nh t nh ư c s d ng th c hi n d oán i v i Lindzen, nh ng con s này là không cơ s Lindzen kh ng nh © hiepkhachquay Báo ng v khí h u | Trang 2/5 r ng các mô hình khí h u mà IPCC s d ng là quá nh y v i nh ng thay i s t p trung c a carbon dioxde trong khí quy n, và ư c tính r ng Trái t th c ra có l ch m... nh m t hơi nư c, ó là m t ch t khí nhà kính có tác ng m nh Nói cách khác, s bay hơi m nh hơn trong m t th gi i m hơn d n t i s t p trung l n hơn c a hơi nư c trong khí quy n, thành ra d n t i nhi t b m t cao hơn Nhưng Lindzen tin r ng khó khăn c a vi c l p mô hình t ng ám mây – m t trong nh ng v n gai góc nh t mà các nhà khoa h c khí h u i m t (xem bài Mô ph ng s bi n i khí h u, http://hiepkhachquay.3000mb.com/0707/mo_hinh_khi_hau.pdf)... chính ph v s bi n i khí h u (IPCC), t ch c thu hút s quan tâm c a hàng trăm nhà khoa h c khí h u, kĩ sư, nhà kinh t h c, nhà khoa h c xã h i và nhi u ngư i khác trên kh p th gi i, phát bi u vào năm 2001 r ng nhi t trung bình toàn c u o ã tăng lên kho ng 0,6 C trong th k 20, m t con s Lindzen nghĩ r ng có kh năng là chính xác Ông cũng ng ý r ng s t p trung các ch t khí nhà kính trong khí quy n ã tăng lên... King, ã mô t s bi n i khí h u là “v n kh c li t nh t mà chúng ta ang i m t ngày nay”, còn c u phó t ng t ng Mĩ, Al Gore, thì qu quy t r ng “hi m h a e d a ch ng l i gì tàn dư c a n n văn minh nhân lo i” Nhưng i v i Richard Lindzen, m t nhà v t lí khí h u t i Vi n Công ngh Massachusetts, s bùng n m i quan tâm này chung quy là do “nh ng k gây hoang mang không có cơ s ” Lindzen, ngư i ã nghiên c u khí tư... cũ, thì a s s m lên quan sát ư c trong 50 năm qua có kh năng là do s tăng m c t p trung ch t khí nhà kính”, m t k t lu n có kh năng ư c c ng c trong b n báo cáo m i nh t c a ban h i th m v khoa h c bi n i khí h u s ư c công b trong tháng này [2/2007] Tuy nhiên, i v i Lindzen, vi c so sánh gi a d li u nhi t mô hình và nhi t quan sát ư c v cơ b n là m t bài toán “làm cho kh p ư ng cong”, vì, theo ông... ràng b i s “nhi u” b t nh trong phép o nhi t và, quan tr ng hơn, trong dao ng n i t i c a khí h u V i dao ng n i t i, ông ơn gi n mu n nói t i ng l c h c n i t i c a khí quy n và i dương, ch không ph i các y u t t nhiên bên ngoài, ví d như s dao ng s c phát x c a M t Tr i, ho c nh ng thay i t ng t m c aerosol khí quy n do núi l a phun “Gi thuy t vô hi u áng tin c y nh t i v i s dao ng nhi t mà chúng... khí nhà kính khác s h u như không làm ư c gì tránh th m h a như th Lindzen, năm nay 66 tu i, là m t nhà nghiên c u khí h u chính th c hơi khác thư ng, ông là ngư i công khai tranh lu n ch ng l i trư ng h p bi n i khí h u do con ngư i gây ra B t kì cu c h p l n nào liên quan t i khoa h c môi trư ng u có th có m t vài phát bi u ho c áp phích nghi ng gi thuy t cơ b n s m lên toàn c u do con ngư i gây ra... 1972), Havard (1972 – 1983), MIT (1983 n nay) S thích: nhi p nh, radio nghi p dư, th m phương ông Gia ình: ã k t hôn, có hai con trai Khí h u nh y như th nào ? Con s chu n thư ng dùng minh h a nh y c a khí h u là nhi t bi n i gây ra b i m t s g p ôi lư ng CO2 trong khí quy n Năm 2001, ư c tính t t nh t c a IPCC cho giá tr này là 2,5oC Nhưng Lindzen tin r ng ây là m t s ánh giá quá cao Ông v n gi quan... ba k t cu c cách m ng công nghi p, nhưng m t s ba ph n tư c a s m lên i kèm v i m t s g p ôi t p trung ch t khí ó ã x y ra Ông nói i u này là do hi u ng nóng lên c a m i phân t carbon dioxide m i phát sinh gi m i khi ngày càng nhi u carbon ư c thêm vào b u khí quy n, và do t p trung c a các ch t khí nhà kính khác như methane và freon không có kh năng tăng áng k trong tương lai Ông tin r ng cho dù là . © hiepkhachquay Sự biến đổi khí hậu | Trang 1/10 MÔ PHỎNG SỰ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Trái Đất đang ấm dần lên, với những hệ quả tai họa tiềm tàng. Các mô hình khí hậu máy tính dựa trên nền. các đồng sự đã củng cố luận cứ cho rằng loài người đang làm ảnh hưởng tới khí hậu bằng cách chỉ ra rằng các mô hình khí hậu mô phỏng thành công hình ảnh không gian của sự biến đổi khí hậu thế. bây giờ các mô hình có thể tạo ra khí hậu có sự biến đổi rất nhỏ ở nhiệt độ bề mặt/thế kỉ, nhưng với những biến đổi năm/năm, biến đổi theo mùa và theo vùng nhại lại những biến đổi quan sát