S hình thành khí h u trên Trái t là m t quá trình ph c t p và thay i không ng$ng. S cân b@ng tAnh trong h th ng khí h u ch% d ng phi m &nh, t n t i trong th#i gian r t ng n và m t ph m vi không gian hCp. Quá trình này có th là do nguyên nhân bên ngoài c ng như nguyên nhân bên trong nhưng không h có s phân bi t tuy t i gi a quá trình bên trong hay bên ngoài. Quá trình bên ngoài và bên trong này tác ng và b sung l,n nhau theo th#i gian. Các quá trình bên ngoài có th k n như phát x liên t"c và u n n t$ m t tr#i hay phát x t ng t và r#i r c như ho t ng b t thư#ng c a núi l!a qua ho t ng phun trào nham th ch nóng b ng t$ bên trong lòng v trái t. Các quá trình phát x nhi t bên trong thì khá ph c t p và khó o c hơn như quá trình trao i n ng lư ng và chuy n hóa kh i lư ng c a các thành ph n c a h th ng khí h u qua l i khí quy n – th y quy n – &a quy n – sinh quy n (Hình 1.13).
S hình thành h th ng khí h u có th phân ra thành h th ng khí h u thay i nhanh và h th ng khí h u thay i ch m (Gordon, 1991). H th ng khí h u thay i nhanh ch y u t$ s tương tác gi a khí quy n và th y quy n, trong ó chuy n ng gió và dòng ch y m t thoáng i dương óng vai trò r t quan tr ng, ngoài ra còn ph i k thêm s thay i trên m t t. H th ng khí h u thay i ch m liên quan n s trao i nư c l p trên và l p dư i c a i dương c ng như các kh i b ng hà trên b m t.S bi n ng m c nư c bi n và trao i nhi t trong các i dương và bi n có th x y ra trong nh ng th#i o n ng n như thay i theo mùa (mùa hè – mùa ông ho c mùa mưa – mùa khô) như m t quá trình bên ngoài hình thành khí h u khu v c. Tuy nhiên, khi xét n m t giai o n th#i gian dài hơn như vài ch"c n m ho c vài th k thì như m t quá trình bên trong c a quá trình hình thành khí h u trái t (như chu k> hi n tư ng El Nino – La Nina ho c k b ng hà ho c th#i k> bi n ti n – bi n lùi,...).
Hình 1.13: Các thành ph n và tương tác trong h th ng khí h u toàn c u
(Ngu#n: IPCC, 2001) i dương và bi n có m t vai trò r t l n trong s hình thành khí h u, c bi t i dương ch a lư ng CO2 g p 50 l n so v i khí quy n nên có vai trò i u ch%nh n ng CO2 trong khí quy n. CO2 trong khí quy n có th nhanh chóng ư c i ư ng h p th" ho c phóng thích. . các nơi có vA cao c a nh ng vùng bi n ôn i ho c hàn i, chênh l ch nhi t trong kh i nư c i dương thư#ng r t l n, kh i nư c m t ti p xúc v i không khí l nh s' có kh i lư ng riêng l n, l n nh t nhi t 4°C. Kh i nư c l nh này s' chìm xu ng áy i dương và )y kh i nư c có nhi t cao hơn bên dư i lên trên cao t o nên s trao i nhi t trong lòng i dương và kh i không khí g n m t nư c. Chính s trao i và cân b+ng nhi t trong th y quy n làm ch m quá trình thay i khí h u trên quy mô toàn c u và ngư c l i hi n tư ng nóng lên toàn c u c ng nh hư ng tr l i cán cân nhi t trong th y quy n, ch y u x y ra trong i dương và bi n. Ngoài ra, các tương tác và thay i c a các thành ph n c a h sinh thái và c u trúc t á c ng như các ho t ng c a con ngư#i u góp ph n làm nh hư ng hình thành h th ng khí h u khu v c ho c toàn c u.
1.3.1 L ch s thay i khí h u toàn c u
Nhi u b+ng ch ng khoa h c cho th y khí h u toàn c u ã có nh ng giai o n thay i m nh m' trong quá trình l&ch s! hình thành và phát tri n s s ng t$ th#i c i trên trái t n nay. M c d u các ghi chép và o c di n bi n v th#i ti t ch% m i có vào gi a th k th 19 n nay so v i chi u dài hàng nghìn n m l&ch s! c a con ngư#i nhưng ngành khoa h c c khí h u h c (Paleoclimatology) và c khí tư ng h c (Paleometeorology) ã có nh ng phát ki n m i giúp nhân lo i có cơ h i nhìn l i nh ng di n bi n c a khí h u trên trái t trong quá kh , k c t$ lúc l&ch s! loài ngư#i chưa xu t hi n. Hai tác ph)m c a nhóm Leinen and
Sarnthein (1989) và Flohn (1980) v lãnh v c này ư c xem là tài li u kinh i n v b c tranh mô t l&ch s! khí h u trái t.
Hai i tư ng kh o c u di n bi n c a khí h u trong quá kh c a ngành c khí h u h c là nghiên c u các thông tin c a i tư ng sinh v t và i tư ng không thu c sinh v t. Các thông tin này ư c các mô hình máy tính phân tích các quá trình cho m t chu(i k t qu khí h u trong quá kh . i tư ng sinh v t như là các vòng tròn vân cây qua m t c t ngang m t cây c th" b& chôn vùi trong l p bùn ho c ã hóa th ch, dùng kính hi n vi m s ph n hoa th c v t còn lưu l i trong các l p tr m tích, o vòng sinh trư ng c a các r ng san hô c , ho c các d u v t còn l i c a loài kh ng long ã tuy t ch ng, phân tích ng v& carbon các m,u v t sinh v t tr m tích dư i áy i dương,... suy di n s thay i khí h u.
i tư ng không thu c v sinh v t như d u v t tr m tích ho c b t khí c a các lõi b ng (ice cores) t n t i hàng tr m ngàn n m hai u c c.
N m 2004, các nhà khoa h c Châu Âu ã ti n hành D án khoan lõi b ng Antartuca, Nam c c (European Project for Ice Coring in Antarctica – EPICA) phân tích các lư ng mu i, b"i và m t s ch t b t khí ã hé l thông tin v l&ch s! khí h u c a Trái t trong su t 740.000 n m v trư c. K t qu cho bi t, Trái t ã tr i qua 8 chu k> thay i khí h u, m(i chu k> là m t t b ng hà và m t t trái t nóng lên. Trung tâm D li u Th gi i v C khí h u c a Cơ quan Qu n tr& Khí quy n và i dương (National Ocean and Atmosphere Administration – NOAA) c a M* c ng ã ti n hành khoan lõi b ng Vostok n m 2008. K t qu nghiên c u lõi b ng Antartuca c a EPICA và Vostok c a NOAA u cho th y s tương quan v d li u nhi t Trái t th#i c i như Hình 1.14.
Ngoài vi c kh o sát các lõi b ng, các nhà khoa h c còn ti p c n quá trình thay i nhi t trên trái t liên quan n các giai o n tan b ng b+ng cách khoan các gi i t sét (varved clay) phân tích quá trình s tích t" các d u v t các nguyên li u thô ho c nguyên t kim lo i n ng tr m tích. N u mùa ông trên trái t kéo dài, b ng tan ít hơn khi n dòng ch y nh làm các h t sét m&n l ng t" nhi u hơn. Ngư c l i, mùa hè nóng hơn s' làm b ng tan nhi u làm dòng ch y sông ngòi m nh m' hơn, quá trình xói mòn m nh khi n các h t thô hoà l,n trong dòng ch y t ng lên, k t qu là v t li u tr m tích s' tích c" các h t thô nhi u hơn. B+ng cách o chi u dày các l p v t li u thô – m&n xen k', các nhà khoa h c có th suy oán th#i gian tan b ng, m c tan b ng trong quá kh .
Vi c kh o c u thành ph n c a tuy t r i tích l2y trong quá kh các u c c và v*a b ng á ã cung c p m t c s cho vi c tái c u trúc khí h u th i c i. Tuy t r i th i c b nén ch-t c g i là tuy t h t (firn ho-c névé). Tuy t h t hình thành khi các tinh th tuy t b ép ch-t, bi n d ng và tái k t tinh d ng b nén ch-t h n (Rapp, 2008).
Hình 1.14: Di n bi n s thay i nhi t Trái t theo th#i gian trong quá kh
(Ngu#n: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ice_Age_Temperature.png)
1.3.2 Nguyên nhân gây bi n i khí h u
Xét v chu(i s li u và s ki n l&ch s! dài h n kho ng vài tri u n m cho n th#i h n ng n hơn kho ng vài ch"c n m g n ây, khí h u trái t ã có nh ng bi n i áng k , th hi n qua vi c xu t hi n nh ng thay i các tr& o th#i ti t b t thư#ng và có th trái v i các quy lu t di n bi n t$ hàng tr m n m trư c. Nguyên nhân c a các thay i này khá ph c t p do nhi u y u t c tác ng qua l i l,n nhau. Các nguyên nhân này có th là do:
(i). y u t bên ngoài v tr" tác ng lên trái t; (ii). y u t bên trong t$ ho t ng c a v trái t;
(iii). y u t thay i thành ph n khí quy n chung quanh trái t.
1.3.2.1 Y u t bên ngoài
Y u t bên ngoài trái t hay còn g i là y u t thiên v n, tác ng b i v& trí tương i c a m t tr#i và các hành tinh khác lên trái t. T$ th k th 18 và 19, h c thuy t v th#i k> b ng hà (Theory of Ace Age) ã xu t hi n và ư c nhi u khoa h c gia Châu Âu nghiên c u. L p lu n v y u t thiên v n nh hư ng n th#i k> l nh hơn và nóng hơn trên trái t ban u ư c nhà toán h c ngư#i Pháp là Joseph Alphonse Adhemar (1797 – 1862) phát hi n. Trong tác ph)m “Revolutions of the Sea” xu t b n 1842, Adhemar cho r+ng s thay i quA
o hình ellip c a trái t quanh m t tr#i có th là nguyên nhân làm thay i kh i lư ng b ng hà. Trong các th#i i m h chí và ông chí, xuân phân và thu phân, góc chi u c a các tia sáng t$ m t tr#i n trái t s' b& nh hư ng do s l ch tr"c trái t so v i m t ph@ng hình ellip c a qu* o trong nh ng th#i o n này. . B c bán c u, mùa xuân và mùa h s gi# trái t ư c m t tr#i chi u sáng trong ngày s' dài hơn mùa thu và mùa ông kho ng 168 gi# (7 ngày) nên th#i ti t m áp hơn. Ngư c l i, Nam bán c u s' l nh hơn do s gi# trong bóng t i nhi u hơn.
Theo Adhemar (1842), chu trình l p l i m t k> i m xuân phân – thu phân là kho ng 22.000 n m. Bán c u nào có k> mùa ông dài hơn s' là k> b ng hà. Như v y, m(i 11.000 n m th#i k> b ng hà s' có s thay i theo v& trí bán c u. Tuy nhiên, Alexander Von Humbolt (1852) không cho r+ng s gi# chi u sáng là y u t nh hư ng nhi t lên khí quy n mà chính là s n ng lư ng o b+ng calories t$ m t tr#i xu ng trái t m i chính là y u t quy t &nh. Lý thuy t c a Adhemar sau ó ư c James Croll (1968) và Mulutin Milankovitch (1920) ti p t"c b sung. Croll kh@ng &nh r+ng s suy gi m h p thu lư ng b c x m t tr#i trong mùa ông s' d,n n s l y tích b ng tuy t. Khi v& trí trái t g n m t tr#i, mùa ông s' m hơn và ngư c l i, khi v& trí trái t xa m t tr#i trên qu* o, nhi t không khí s' xu ng th p hơn bình thư#ng. Khi vùng c c c a m t bán c u tr nên l nh hơn, các lu ng gió m u d&ch (trade winds) c a bán c u ó s' tr nên m nh hơn, các dòng nư c m c a vùng xích o trong i dương c a bán c u này s' b& )y qua phía bán c u kia làm nhi t b& h th p hơn n a. Milankovitch ã tính s bi n ng c a ba y u t thiên v n là l ch tâm qu* o trái t (có chu k> là 92.000 n m), nghiên c a tr"c trái t so v i m t ph@ng qu*
o (có chu k> là g n 40.000 n m) và th#i k> v& trí trái t g n nh t ho c xa nh t m t tr#i (có chu k> là g n 21.000 n m). K t qu tính toán c a Milankovitch tương i phù h p v i các quá trình b ng hà k t (Quaternary).
1.3.2.2 Y u t bên trong
Y u t bên trong bao g m các ho t ng bên trong v Trái t t o nên s phun trào dung nham t$ các mi ng núi l!a. Khi núi l!a ho t ng s' có hàng tri u t n sulfur dioxide và tro b"i ư c tung lên b u khí quy n bao trùm m t không gian r ng l n. Khí sulfuric bi n i thành các h t lơ l!ng d ng sulfate, trong ó kho ng 75% là sulfuric acid. Các ph n t! li ti sulfate này có th t n t i t ng &a tAnh c a b u khí quy n kho ng vài ba n m. S phun trào tro núi l!a s' làm gi m lư ng b c x m t tr#i n b m t Trái t khi n nhi t t ng i lưu c a b u khí quy n b& gi m th p và làm thay i s luân chuy n không khí khu v c. i u này có th d,n n s tác ng ng n h n lên khí h u toàn c u, gây nh hư ng tiêu c c lên s s ng c a con ngư#i và các sinh v t khác. Ngày 16 tháng 6 n m 1991, núi l!a Pinabuto Philippines ã phun ra kho ng 20 tri u t n sulfur dioxide và tro b"i lên b u khí quy n t i cao 20 - 30 km (McCormick et al., 1995) . M t tháng sau ó, núi Hudson phía nam Chile c ng phun trào dung nham. Kh i khí b"i c a c hai ng n núi Pinabuto và núi Hudson ã khu ch tán kh p toàn c u và các quan tr c cho th y nhi t trung bình c a Trái t ã gi m trong kho ng 0,5 - 1 °C trong th#i gian 1-2 n m li n sau ó.
S di chuy n các dòng h i lưu qua các i dương trên trái t c ng có th gây nên s thay i khí h u c"c b các vA &a lý, làm cán cân phân ph i nhi t gi a t li n và vùng bi n trong khu v c thay i. Nghiên c u c a Rahmstorf(2006) cho bi t s luân chuy n nh ng dòng h i lưu trong các i dương ã mang nh ng kh i nư c có nhi t cao hơn khi n vùng bi n phía B c i Tây Dương m lên kho ng 5 °C so v i các vùng v&nh các i dương khác. S thay i kh i nhi t kh ng l do chuy n d&ch các dòng h i lưu lên phía b c trái t có th t o nên hi n tư ng b ng tan t ng t làm khí h u thay i và n ng m n trong nư c bi n c ng b& nh hư ng.
1.3.2.3 Y u t thành ph n khí quy n
Khí quy n ch a nhi u ch t khí khác nhau, hơi nư c và các h t r n lơ l!ng có th nh hư ng n cán cân n ng lư ng nhi t n và i t$ b c x m t tr#i n b m t Trái t. Thành ph n khí quy n là y u t ít thay i, nh t là trong th#i o n ng n. Tuy nhiên, s ho t ng c a con ngư#i ang t o ra nh ng gia t ng n ng áng k s hi n di n các thành ph n khí nhà kính như CO2, CH4, O3, CFCs,… Các nhà khoa h c ã ch ng minh r+ng s gia t ng thành ph n khí nhà kính ã làm nhi t không khí t ng i lưu t ng lên trong các th p k g n ây. Trong 150 n m qua, n ng khí CO2 trong b u khí quy n ã gia t ng kho ng 30%, t$ 280 ppm lên n 370 ppm. B ng 1.2 cho th ng kê 10 qu c gia trên th gi i m c th i CO2 cao nh t theo th ng kê n m 2007. ng u hi n nay là Trung Qu c và M*, chi m hơn 40% t ng lư ng th i CO2 trên toàn th gi i.
B ng 1.2: Th ng kê 10 qu c gia có m c th i CO2 cao nh t th gi i n m 2008 TT Qu c gia M c th i CO2 h(x 1000 t n) +ng n m Ph n tr m (%) trên th gi i