những điều kiện trên Trái đất thay đổi

Những điều kiện trên Trái đất có thể làm phản xạ hoặc giữ lại năng lượng Mặt trời, làm Trái đất ấm hoặc lạnh

MỞ ĐẦU

Năng lượng Mặt trời đốt nóng không đều bề mặt Trái đất Khu vực xích đạo nhậnđược nhiều nhiệt hơn cả Mỗi năm, khu vực này nhận được lượng nhiệt gấp 2.4 lần so vớivùng cực Sự tự quay của Trái đất làm phân bố nhiệt vào Đại dương và Khí quyển Sau đó,trọng lực sẽ làm san bằng sự phân bố không đều của nhiệt lượng Tất cả những hiện tượngtrên được coi như thuộc phạm vi của khí hậu và thời tiết Giờ qua giờ, ngày qua ngày vàmùa qua mùa, chúng ta phải trải qua những thay đổi trong khí quyển Khi thời tiết được xéttrong một khoảng thời gian dài như vài thập kỷ, vài thế kỷ hay hàng triệu năm, ta gọi đó làkhí hậu Cũng giống như thời tiết, khí hậu được đặt trưng bởi những thay đổi và sự đadạng của nó

Khi những điều kiện trên Trái đất thay đổi, mọi sự sống phải tự thích hợp với nhữngđiều kiện mới đó Mọi loài phát triển và sau đó thay đổi, chúng được thay thế bởi nhữngloài khác có khả năng thích ứng hơn với thời tiết Trong khi đó có những loài không thểtồn tại được và chúng đã bị tuyệt chủng

Có hai nhân tố quyết định đến thời tiết Đó là:

- Lượng bức xạ Mặt trời mà Trái đất nhận được,

- Lượng bức xạ Mặt trời được Trái đất giữ lại

Mặc dù năng lượng Mặt trời nhận được tại mỗi thời điểm thì khác nhau nhưng nóthường được xem như một hằng số Những điều kiện trên Trái đất có thể làm phản xạ hoặcgiữ lại năng lượng Mặt trời, làm Trái đất ấm hoặc lạnh Ví dụ: nếu có quá nhiều mây, tuyếthoặc băng phủ thì sẽ khiến cho các tia bức xạ Mặt trời bị phản xạ trở lại không gian, các tianày được gọi là Albedo và kết quả là làm cho không khí lạnh hơn

Hoặc, nếu khí quyển chứa nhiều loại khí cho phép các tia có bước sóng ngắn từ Mặttrời xuyên qua nhưng lại ngăn chặn và giữ lại các tia có bước sóng dài quay trở lại Vớimột lượng lớn các loại khí như vậy (CO2) sẽ có khả năng giữ nhiệt rất cao và làm cho Tráiđất nóng lên Hiện tượng này được gọi là Hiệu ứng nhà kính.

Hình 2 : Hiệu ứng nhà kínhHình : Tia Albedo

Khí hậu phụ thuộc vào những khuynh hướng nóng và lạnh trên bề mặt Trái đất; nóchịu ảnh hưởng lớn bởi vòng tuần hoàn khí quyển và đại dương Khí quyển Trái đất là một

hệ thống lớn rất phức tạp, chịu sự tác động qua lại của Mặt trời, Đại dương, Lục địa và sựsống để phân bố lại năng lượng nhiệt Vòng tuần hoàn gió, mây và hơi nước đóng vai trò tolớn trong việc phân phối nhiệt và độ ẩm khắp Trái đất

Đại dương giữ lượng nhiệt lớn hơn nhờ khối lượng lớn hơn và khả năng giữ nhiệttrên một đơn vị thể tích cao hơn Tuy nhiên, sự di chuyển của Đại dương lại chậm hơn Sựtuần hoàn bề mặt của Đại dương chịu ảnh hưởng lớn của gió thổi trên bề mặt nước Dòngchảy ở phía sâu trong Đại dương được xem là quan trọng nhất trong sự trao đổi của nhiệt

độ toàn cầu; Cuối cùng chúng bổ sung cho gió khí quyển và sự phân bố độ ẩm

II KHÍ HẬU TRÁI ĐẤT THỜI SƠ KHAI - KHÍ NHÀ KÍNH MẤT DẦN:

Khí hậu xuất hiện từ rất sớm trên Trái Đất - hành tinh thứ 3 trong Hệ Mặt trời Hiệuứng nhà kính vẫn còn tác động lên Trái Đất ngày nay Trái Đất luôn luôn bị ảnh hưởng bởihiệu ứng nhà kính và cuộc sống của con người luôn chịu tác động bởi điều đó Tuy nhiênngày nay, con người đang thay đổi nồng độ của CO2 trong khí quyển qua việc tác độngđến thực vật sống (cây gỗ, cây bụi) và thực vật hóa thạch (than đá, dầu, khí thiên nhiên)

Hình 3 : Dòng chảy Đại dương

Thông qua việc đốt cháy cacbon trong thực vật đã thải ra lượng lớn CO2 trong bầu khíquyển Khoảng 6 tỷ tấn khí này được thải ra trên bầu khí quyển mỗi năm thông qua việcđốt cháy nguyên liệu hóa thạch; trong số khoảng 5000 tỷ tấn CO2 được luân chuyển trong

tự nhiên Sự tác động của con người là rất nhỏ so với sự thay đổi liên tục của khí CO2 giữakhí quyển với đại dương và giữa khí quyển với các lục địa Dự báo vào khoảng năm 2100với lượng khí nhà kính do con người tạo ra, do một nền kinh tế chậm phát triển thì nhiệt độtrung bình hằng năm sẽ tăng 2 - 3 oC, còn nếu với nền kinh tế phát triển nhanh thì nhiệt độtrung bình hằng năm có thể sẽ tăng 5 - 10 oC

Một so sánh: cách đây 11000 năm có 1 thời kỳ ấm lên toàn cầu khoảng 5oC đánhdấu sự kết thúc kỉ băng hà cuối cùng bằng việc băng tan đã gây nên sự dâng lên của mựcnước biển thế giới Ví dụ: Mực nước ở Đại Tây Dương và vùng biển Gulf (Mexico) đã tiếnvào đất liền khoảng 100 dặm và đã làm thay đổi các khu rừng trên pham vi toàn cầu

Nếu như con người vẫn thải CO2 vào bầu khí quyển thì nhiệt độ toàn cầu sẽ tăng vài

độ Qua những hóa thạch và sự tính toán của máy tính dự báo sẽ có những vấn đề nghiêmtrọng sẽ xảy ra trong tương lai

Sao Kim là hành tinh thứ hai trong hệ Mặt Trời, do đó nhận được bức xạ mặt trờicường độ cao Năng lượng mặt trời bị giữ lại do khí quyển dày đặc carbon dioxide của nó,tạo nên nhiệt độ bề mặt là 477oC Sự sống trên sao Kim là rất khó để tưởng tượng khi nhiệt

Tại sao khí quyển của Trái Đất luôn thay đổi? Các thay đổi một phần lớn là do cácquá trình sống Cây hấp thu CO2 từ khí quyển thông qua quang hợp và thải O2 như mộtbằng sản phẩm của quá trình hô hấp, tạo nên bầu khí quyển Tuy nhiên, lượng CO2 được

giữ trong trong thực vật là rất nhỏ so với lượng ban đầu trong không khí Ngoài ra, trênTrái Đất thời sơ khai thực vật có khả năng quang hợp không thể tồn tại ở nồng độ CO2 vànhiệt độ cao ở thời kì đó.

Vậy lượng CO2 trong khí quyển của Trái Đất đã đi đâu? Nó được lưu trữ vật lý theonhiều cách nhưng hơn 99% khí CO2 liên kết hóa học gắn trong đá vôi Phần lớn đá vôiđược tạo thành từ những phần cứng của các sinh vật sống ở đại dương như vỏ ốc, rạn san

hô và mô khoáng của các loài động vật không xương sống và các loại tảo CO2 trong khíquyển dễ dàng hòa tan trong nước Trong thực tế, tồn tại một trạng thái cân bằng giữalượng khí CO2 trong nước đại dương và khí quyển Do đó, khí CO2 có trong khí quyển lại

có trong bề mặt lớp nước của các đại dương, đây không phải là do ngẫu nhiên

Ví dụ: Một là, nó sẽ xảy ra những trận khô hạn nghiêm trong vào mùa hè ở nhữngvùng trồng ngũ cốc ở miền Trung nước Mỹ Hai là, một vài vùng trên Trái Đất sẽ ẩm vàlạnh hơn, một số nơi khác lại nóng hơn Ba là, rừng và đất nông nghiệp sẽ phải thay đổi và

di chuyển sang những vùng địa lý khác Bốn là, mực nước biển sẽ dâng lên 1m trong 100năm tới, làm ảnh hưởng tới các thành phố và hải cảng thấp Năm là, việc chìm xuống củanước mặn tại Bắc Đại Tây Dương tạo nên hệ thống hải lưu hiện nay ở đại đương, hệ thốngnày sẽ bị thay đổi do sự hòa nhập của nước ngọt tan ra từ băng Sự thay đổi này sẽ có tácđộng lên khí hậu toàn cầu

Dự báo những hậu quả thảm khốc do con người gây ra qua việc nóng lên của hiệuứng nhà kính thì không được chấp nhận Do việc thải CO2 của con người là quá nhỏ so với

tự nhiên Kết quả từ các hoạt động của con người thì không đủ điều kiện để tiên đoán hệthống khí hậu của Trái Đất vốn đã rất phức tạp

Nguyên nhân thứ 2 là do bức xạ của Mặt Trời, giữa 1978 - 1997 bức xạ thay đổi0.14% và có thể thay đổi lớn hơn trong thời gian dài Nguyên nhân thứ 3 là do núi lửaphun trào, nó có tác động trực tiếp lên sự biến đổi khí hậu toàn cầu

Chúng ta sẽ xem xét tác động đến khí hậu do phun trào gần đây của Tampora, ElChichon, Pinatubo ("hiệu ứng khí hậu do núi lửa") Thứ tư, thay đổi khí hậu là thay đổi về

quỹ đạo và độ nghiêng của Trái Đất Độ nghiêng của trục Trái Đất sẽ thẳng lên có nghĩa làtrên 8000 - 1000 năm tới, bức xạ được nhận sẽ ít hơn.

Trái Đất lúc nguyên sơ nhất, khi chưa có tại của sự sống, một lượng nhỏ đá vôiđược hình thành và bầu khí quyển đầy khí CO2, thì nhiệt độ bề mặt của Trái Đất có thể là

290oC Tại sao Trái Đất lại quá nóng như vậy? Điều này là do sự nóng lên toàn cầu là mộtphần của hiệu ứng nhà kính Bức xạ mặt trời bước sóng ngắn (khoảng 0.05 micromet) làm

ấm đối tượng bên trong nhà kính Nhiệt tích tụ bên trong nhà kính và phát ra bức xạ hồngngoại với bước sóng dài hơn (khoảng 10 micromet) Tuy nhiên, kính thì chắn các bức xạsóng dài, và như vậy năng lượng bức xạ bị giữ lại, tạo ra một môi trường ấm bên trong nhàkính

Hiệu ứng nhà kính còn được tạo ra bởi các khí khác trong khí quyển như: CO2, hơinước, mêtan và CFC Do sự biến động liên tục, CO2 là khí nhà kính quan trọng nhất Quathời gian biến đổi địa chất, như CO2 hòa tan trong nước và trầm tích CaCO3 được hìnhthành, nồng độ CO2 trong khí quyển thấp dần Thực vật quang hợp cổ sống trên Trái Đấthấp thụ CO2 trong khí quyển làm giảm nồng độ Qua các loài động vật có thành phầnxương là CaCO3, thì quá trình giảm nồng độ CO2 lại giảm mạnh Sinh vật sử dụng khí CO2

đã làm giảm đi hiệu ứng nhà kính, và tạo nhiệt độ giống với nhiệt độ hiện nay trên TráiĐất

Ngày nay, CO2 chỉ chiếm 0,033% khí quyển Trái Đất, nhưng nó tạo hiệu ứng nhàkính cường độ nhẹ và giữ nhiệt độ trung bình Trái Đất là 16oC, cao hơn nhiều lúc khôngtồn tại khí CO2 Nếu không có mặt CO2 trong khí quyển, nhiệt độ trung bình ở bề mặt TráiĐất là khoảng -18oC, và sẽ có nhiều dạng sống khác nhau mà chúng ta đã biết

III LỊCH SỬ KHÍ HẬU TRÁI ĐẤT:

Nhiều loại đá trầm tích có chứa các thông tin về khí hậu tại thời điểm nó được sinh

ra Khí hậu nóng được hiển thị qua: 1)Các rạn san hô và đá vôi (đá hóa thạch), 2)Các

quặng bauxit nhôm, loại quặng chỉ hình thành ở đất nhiệt đới, 3)Trầm tích của các khoángvật, thứ được kết tinh từ các vật thể mất nước (muối mỏ)

Khí hậu lạnh có thể được đánh dấu bởi sự xói mòn mạnh mẽ của các sông băng tạonên đường vân trong cảnh quang Nó bào mòn đường rãnh bên dưới bề mặt chúng Sựphân bố của sinh vật hóa thạch nói nhiều về khí hậu cổ đại Trước tiên, các paleomagnetictrong các loại đá có thể xác định được khu vực đá này hình thành Khi khu vực cổ xưađược biết, việc phân tích paleoclimatic có thể bắt đầu Ví dụ, khi vỏ hóa thạch của các sinhvật chỉ sống ở vùng biển cực được tìm thấy rất nhiều trong các loại đá hình thành trong vĩ

độ trung, thì khí hậu từ phải lạnh hơn tại thời điểm hiện tại

Tập hợp các điều kiện trên và những điều kiện khác nhau cho ta biết rõ hơn về lịch

sử biến đổi khí hậu của Trái Đất Các loại đá cho biết về những thay đổi về nhiệt độ thếgiới và lượng mưa trong suốt thời gian địa chất Đặc điểm của các thời kỳ:

- Kỷ băng hà Đại cổ sinh muộn thì lạnh và ẩm ướt

Bề mặt của Trái Đất được chia thành các vùng nhiệt độ lạnh và nóng được xác địnhbằng vĩ độ Khí hậu phân bố theo chu kì không đều lúc thì nhiệt độ lạnh thống trị Trái Đấtlúc khác thì khí hậu ấm áp bao trùm Trong suốt một thời gian lạnh lẽo - kỷ băng hà, cácvùng có khí hậu lạnh thuộc vĩ độ cao mở rộng trong khu vực, trong khi khu vực nóng ở vĩ

độ thấp thu nhỏ nhưng không biến mất Ngược lại, trong thời đại của sự ấm áp, kỷ torrid,toàn cầu được đánh dấu bằng việc mở rộng các khu vực khí hậu cận nhiệt đới, trong khicác vành đai khí hậu lạnh thu về phía cực Chúng ta hãy xem xét ví dụ của thời đại có khíhậu khắc nghiệt.

• Kỷ băng hà hậu đại cổ sinh:

Một trong những kỷ băng hà chính trong lịch sử Trái Đất bắt đầu từ kỷ tiền Carbon(360 triệu năm trước) và kéo dài hàng chục triệu năm cho đến kỷ Hậu Permi (260 triệunăm trước) là 1 khoảng thời băng hà kéo dài Một thời kỳ băng hà cần một khoảng khônggian rộng và thời gian lâu dài Đó là yếu tố chính để xuất hiện, thay đổi hình dạng, kích cỡ,định hướng của các châu lục và đại dương

1 Lúc đầu điều kiện tuyệt đối của một thời kì băng hà là có một hoặc nhiều đại lụcđịa gần cực Một đất rộng vùng cực là cần thiết để tích tụ lượng tuyết rơi, cho phép sự tích

tụ rộng lớn 3km lớp băng dày lục địa Sông băng Massive không thể được hình thành trênmặt nước biển Trong thời Hậu Đại Cổ sinh, phần lớn các lục địa đã được tập trung thànhmột vùng đất rộng duy nhất là Pangaea Phần phía Nam của siêu lục địa Pangaea được biếtđến như Gondwanaland, nó hình thành nên Nam Mỹ, Châu Phi, Nam Cực, Úc và Ấn Độngày nay Trong thời gian Hậu Giới cổ sinh, Gondwanaland di chuyển ngang qua vùng cựcNam, những lớp băng chính luôn luôn tồn tại gần cực nam Phía Nam Mỹ - Châu Phi có lẽtạo nên lớp băng vĩ đại đầu tiên Antarctica Và Cuối cùng Australia

2 Một mặt quan trọng khác là sự tuần hoàn nước đại dương Do bức xạ mặt trờithay đổi, những lớp nước ở xích đạo sẽ nhận được nhiều năng lượng mặt trời hơn lớp ởcực Nếu hiện tại không có lục địa để ngăn chặn dòng hải lưu, thì lớp nước ở xích đạo sẽ dichuyển theo vĩ độ (phương tây sang đông) vì sự quay tròn của Trái Đất

Dòng hải lưu ấm toàn cầu tại đường xích đạo sẽ tác động ra sao với các lớp bănglớn? Trong chu trình thủy văn, nước đầu tiên phải được bốc hơi từ đại dương để tạo thànhmây và di chuyển tới vùng lạnh hơn để tạo nên tuyết Nước lạnh rất khó khăn để bốc hơi,nước ấm bốc hơi dễ hơn Các hồ sơ địa chất cho thấy rằng ở kỉ băng hà, vòng tuần hoàn

đại dương theo hướng dọc (phía bắc và phía nam) chiếm ưu thế hơn theo hướng vĩ độ (phíađông và phía tây) vì châu lục này là một liên kết theo phía bắc - nam, nó ngăn cản việc dichuyển theo hướng vĩ độ của nước biển, do đó đẩy vùng biển ấm hơn ở xích đạo về phíacực, nơi việc bốc hơi hình thành những đám mây tạo nên tuyết rơi và cuối cùng tạo nên cáctảng băng Các lục địa đã có dạng bắc - nam trong thời Đại Cổ sinh, như trong suốt kỉ băng

hà này

Tại sao kỉ băng hà ở hậu Đại Cổ sinh lại kết thúc? Có lẽ vì Gondwanaland bắt đầutách ra Khi lục địa di chuyển, vòng tuần hòan đại dương trên toàn thế giới đã thay đổi.Vùng nước ấm vẫn ở gần xích đạo và vùng nước lạnh bao quanh vùng cực, làm giảm độ

ẩm cung cấp cho những vùng đất rộng lớn ở cực Ngoài ra, khi lục địa di chuyển ra khỏivùng cực, điều kiện cho sự tích lũy của tuyết và hình thành sông băng không còn tồn tại

• Kỷ hậu Paleocen Torrid.

Thế giới đã nóng lên trong thời gian Paleocen (65 - 55 triệu năm trước) Đại dương

và khí quyển trong kỷ Paleocen nóng nhất kể từ trước tới nay Khu vực xích đạo có khí hậunhiệt đới và lượng mưa cao, tương tự như những gì ta thấy ngày hôm nay Tuy nhiên, khuvực cận cực ấm hơn rõ rệt Nhiệt độ bề mặt nước ở đại dương phía Nam gần Nam Cực là

10 - 15oC ấm hơn so với ngày nay

Nhiệt độ cổ đại được xác định từ tỉ lệ đồng vị ổn định của ôxy trong vỏ CaCO3 hóathạch của động vật đơn bào Một nguyên tử ôxy hoặc là có16, 17 hoặc 18 proton và nơtrontrong hạt nhân của nó Ôxy 16 (O16 ) thường là nhẹ hơn và do đó bốc hơi dễ dàng hơn, đểlại đằng sau tương đối nhiều đồng vị ôxy nặng (O18) Lớp vỏ tạo nên trong nước biển với tỉ

lệ O18/O16 nhất định của nước đại dương trong suốt vòng đời của nó tạo thành lớp vỏ chứaCaCO3 Vì vậy, đo tỷ lệ O18/O16 trong lớp vỏ để ước tính nhiệt độ của biển thời cổ đại

Thế giới thì ra sao trong thời hậu Paleocen Torrid? Có ít sự khác biệt về nhiệt độgiữa các vùng biển nhiệt đới và vùng cực; cái lạnh mất đi, nước chìm ở hai cực; có sựchênh lệch nhỏ về nhiệt độ giữa nước bề mặt và dưới biển sâu,nghĩa là lực hút của lực hấpdẫn sẽ ít hiệu quả và vòng tuần hoàn đại dương trở nên khó khăn

Chênh lệch nhiệt độ trong khí quyển cũng sẽ giảm đi, dẫn đến thời tiết trên toàn thếgiới ôn hòa Không có thời tiết khắc nhiệt, các mùa ít thay đổi, tần suất và lượng mưa phân

bố đều trong năm Hầu hết các nơi trên Trái Đất thì ẩm ướt và ấm hơn

Giáp ranh nước Mỹ được bao phủ bởi một trong hai vùng khí hậu nhiệt đới hoặccận nhiệt đới Dọc theo vùng ven biển, khí hậu cận nhiệt đới tồn tại ở vành đai Bắc cực bởiviệc tìm thấy hóa thạch cá sấu và cây cọ Lớp băng lục địa dường như không tồn tại bất cứnơi nào trên thế giới Rừng thường xanh và thực vật rụng lá bao phủ nhiều vùng đất Samạc nóng và lãnh nguyên bắc cực chiếm tỷ lệ nhỏ trên mặt đất Khí hậu thế giới thiếu đi sựkhắc nghiệt

Làm thế nào mà khí hậu Trái Đất trở nên ấm áp? Một số yếu tố kết hợp làm gia tăngnhiệt độ là:

- Khu vực xích đạo phần lớn được bao phủ bởi các đại dương, cho phép hấp thuthêm nhiệt mặt trời

- Đại dương nóng lên, các khu vực bao phủ bởi tuyết và băng giảm, do đó đất lộ

ra Tuyết và băng phản xạ ánh mặt trời, đất hấp thụ nhiệt

- Lượng lớn dung nham từ việc mở rộng Bắc Đại Tây Dương có thể thải ra mộtlượng lớn các loại khí vào bầu khí quyển, làm ấm lên toàn cầu thông qua tănghiệu ứng nhà kính

- Các đại dương thay đổi đặc điểm của nó về sự khác biệt mật độ Hiện nay, nướclạnh ở vùng biển Nam Cực và Bắc Cực là nặng nhất, nó chìm xuống và tạo dòngchảy bên dưới sâu đại dương

Trong Kỷ Eocen, nước ở vùng cực trở nên quá ấm Nước nặng nhất là nước biểnnhiệt đới do lượng muối cao thông qua việc bốc hơi Nước ấm, thiếu ôxy, mặn chìmxuống, chảy dưới biển và ấm lên do bề mặt đáy đại dương Khối lượng nước mặn dichuyển dọc theo đáy đại dương ảnh hưởng sự sống ở sâu trong đại dương Sinh vật sốngtrong nước lạnh với lượng ôxy cao ở dưới đáy sẽ bị sốc đột ngột do môi trường trở nên ấm

áp và nghèo ôxy 55.5 triệu năm trước, sự thay đổi lớn về nhiệt độ sâu nước biển đã đạt