CHƯƠNG 2. BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TOÀN CẦU
2.1 Biến đổi khí hậu trong các thời kỳ địa chất
Những bằng chứng thu được qua các thời đại địa chất khác nhau cho thấy sự biến đổi của khí hậu Trái đất trong quá khứ là rất sâu sắc.
2.1.1 Khí hậu trước Kỷ Đệ tứ
Khí hậu trước Kỷ Đệ tứ (trước đây 2,6 triệu năm) nóng hơn hiện nay với nồng độ CO2 cao hơn trong khí quyển. Thời kỳ trước Kỷ Đệ tứ này quá xa để có thể có những mẫu lõi băng, tuy nhiên sử dụng một số phương pháp đại diện như đồng vị cacbon, đồng vị Bo, quan hệ thực nghiệm giữa lỗ khí và nồng độ CO2 trong khí quyển, người ta có thể đánh giá được nồng độ CO2 trước Kỷ Đệ tứ. Kết quả cho thấy nồng độ CO2 trong giai đoạn này nhìn chung cao hơn so với các thời kỳ gian băng, tiền công nghiệp.
Sự biến đổi của CO2 trong giai đoạn này được giả thiết là do các biến đổi của các quá trình kiến tạo trên Trái đất.
Giai đoạn giữa của Thế Pliocene (hay còn gọi là Thế Thượng Tân), khoảng từ 3,3 đến 3 triệu năm trước là giai đoạn gần đây nhất và có nhiệt độ trung bình toàn cầu được duy trì ấm hơn so với hiện tại. Theo các tính toán từ nhiều mô hình thì nhiệt độ cho giai đoạn này lớn hơn so với thời kỳ tiền công nghiệp khoảng 2ºC đến 3ºC, đưa ra một bức tranh rất giống với khí hậu của Trái đất cuối thế kỷ 21 được dự tính bởi các mô hình toàn cầu. Thế Pliocene cũng đủ gần để hình dạng của các lục địa và đại dương đạt đến mức tương tự như ngày nay. Nồng độ khí CO2 trong giai đoạn này vào khoảng 360 đến 400 ppm. Các bằng chứng địa chất và số liệu đồng vị cho thấy rằng mực nước biển giai đoạn này cao hơn ít nhất là 15 đến 25 m so với mực nước biển ngày nay, đồng nghĩa với việc giảm băng và lục địa ít khô cằn hơn.
Hình 2. 1. Niên đại địa chất Đại Tân Sinh
Vào khoảng 55 triệu năm trước, giai đoạn giữa của Thế Palaeocene (Thế Cổ Tân) và Thế Eocene (Thế Thủy Tân), một đợt nóng đột ngột kéo dài với mức tăng vài °C đã được ghi nhận bởi những biến đổi của đồng vị 18O và tỷ lệ Mg/Ca. Đợt nóng lên toàn cầu cùng với những tác động đến môi trường đi kèm được ghi nhận ở tất cả các vĩ độ, trên cả bề mặt lẫn ở sâu dưới đại
dương. Đợt nóng này kéo dài gần 100 nghìn năm và thường được gọi là Cực đại nhiệt Cổ-Thủy Tân (PETM: Palaeocene-Eocene Thermal Maximum). Các bằng chứng về sự thay đổi đối với mưa trên toàn cầu được ghi nhận ở trong nhiều hóa thạch, bao gồm cả hóa thạch thực vật. Các nghiên cứu đồng vị 13C trên biển và lục địa cho thấy một khối lượng lớn cacbon với tỷ lệ 13C thấp đã được giải phóng vào khí quyển và đại dương. Nguồn gốc của việc giải phóng cacbon này có khả năng là từ khí mêtan CH4, CO2
từ các hoạt động núi lửa, hoặc sự ôxy hóa trầm tích hữu cơ. Cực đại nhiệt Cổ-Thủy Tân làm thay đổi hệ sinh thái toàn cầu, đã và đang được nghiên cứu rất nhiều và có những đặc điểm khá giống với ngày nay trong vấn đề lượng cacbon phát thải vào khí quyển đang ngày một tăng cao. Trong giai đoạn PETM, các tính toán cho thấy lượng cacbon giải phóng vào khí quyển nằm trong khoảng từ 1 đến 2 ×1018 g cacbon, tương đương với lượng KNK phát thải dự tính trong thế kỷ 21.
2.1.2 Các thời kỳ băng hà –gian băng
Các bản ghi cổ khí hậu cho thấy một chuỗi các thời kỳ băng hà- gian băng xen kẽ kể từ 740.000 năm trước đây trong số liệu lõi băng, và kể từ vài triệu năm trước đây trong số liệu trầm tích đại dương dưới sâu. Thời kỳ băng hà là một giai đoạn giảm nhiệt độ lâu dài của khí hậu Trái đất, dẫn tới sự mở rộng của các sông băng, các dải băng trên lục địa và trên vùng cực. Thời kỳ gian băng thì ngược lại, khí hậu Trái đất trở nên ấm hơn, làm băng tan chảy. Thời kỳ băng hà cuối cùng kết thúc cách đây khoảng 18.000 năm. Thế Holocen (Toàn Tân) mà chúng ta đang sống thuộc về một giai đoạn gian băng.
Hình 2. 2. Thay đổi nhiệt độ bề mặt Trái đất có tương quan chặt chẽ với sự thay đổi của nồng độ khí CO2 trong 400.000 năm qua. Số liệu tái tạo từ dữ liệu lõi băng ở Vostock (ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/icecore/antarctica/vostok/)
Trong 430.000 năm trở lại đây, khi mà các số liệu cùng các hiểu biết có được đầy đủ hơn, những chu trình băng hà- gian băng có chu kỳ 100.000 năm với biên độ rất lớn xuất hiện rõ nét. Hình 2.2 đã sử dụng số liệu tái tạo từ dữ liệu lõi băng ở Vostock, Nam Cực (vĩ độ: 78°27'51"S, kinh độ: 106°51'57"E). Ngoài chu kỳ 100.000 năm, các biến đổi lớn của khí hậu với chu kỳ nhỏ hơn cũng được xác định.
Về phương pháp phân tích quá khứ sử dụng lõi băng: Ưu điểm nổi trội của các mẫu băng đá đó là các mẫu này rất bền, không bị lẫn thông tin như các mẫu trầm tích đáy biển (thường hay bị nhiễm các vi sinh vật). Trong một mẫu băng đá dày đến mấy nghìn mét, mỗi lớp tuyết mỏng là lượng tuyết tích tụ hàng năm, chứa các thông tin về khí quyển của Trái đất vào thời điểm đó. Do vậy, thông tin của mẫu lõi băng tại mỗi độ sâu cho biết thành phần khí quyển và nhiệt độ tại từng thời kỳ tương ứng. Phân tích bề dày lớp băng, biến động của hàm lượng 18O sẽ cho các thông tin về giáng thủy và nhiệt độ trong quá khứ. Phấn hoa quan
ppmv ˚C
Thay đổi nhiệt độ
Nồng độ CO2
×1000 năm trước
Thời gian
băng, và có thể được dùng để xác định thời gian hình thành lớp trầm tích đó. Lượng muối biển trong các lõi băng sâu ở Nam Cực cho biết sông băng ở đây đã tiến đến vĩ độ nào về phía xích đạo, từ đó có thể xác định được các thời kỳ băng hà và thời kỳ gian băng.
Việc lấy mẫu từ các phiến băng của Greenland và Nam Cực đã được tiến hành từ cuối những năm 1960. Đầu những năm 1990, các nhà nghiên cứu đã lấy được những mẫu băng sâu tới 3053,44 m từ phiến băng của Greenland và biết được khí hậu trong quá khứ ít nhất là trước đây 110.000 năm. Trong khi đó, những dữ liệu từ băng ở Nam Cực có thể cho biết khí hậu cách nay 750.000 năm. Bên cạnh Nam Cực và Greenland, người ta còn có thể lấy mẫu băng tại những sông băng sâu ở dãy Andes của Peru và Bolivia, núi Kilimanjaro của Tanzania, và dãy Himalayas của Châu Á.
Các lõi băng chỉ ra rằng nồng độ KNK tương quan với nhiệt độ Nam Cực theo các chu kỳ băng hà – gian băng (Hình 2.2), đã gợi ra một mối liên kết chặt chẽ giữa KNK trong khí quyển và nhiệt độ. Các số liệu lõi băng phân giải cao trong thời kỳ gian băng cho thấy nhiệt độ Nam Cực bắt đầu tăng vài trăm năm rồi nồng độ CO2 mới tăng. Trong thời kỳ gian băng hiện tại (và có lẽ tương tự cho 3 thời kỳ gian băng trước đó), ấm lên ở cả hai bán cầu xảy ra sớm vài nghìn năm so với dấu hiệu tăng mực nước biển đầu tiên, kết quả của việc tan băng ở Bắc bán cầu do tốc độ nóng lên nhanh của các vĩ độ phía Bắc.
Các phân tích từ lõi băng chỉ ra rằng nồng độ CO2 khí quyển thay đổi trong khoảng từ 180 đến 300 ppm qua các thời kỳ băng hà – gian băng trong vòng 650.000 năm trở lại đây. Việc giải thích một cách định lượng cũng như cơ chế của sự thay đổi CO2 này vẫn là một trong những bài toán chưa được giải của lĩnh vực khí hậu. Các quá trình trong khí quyển, đại dương, trong trầm tích biển và trầm tích trên đất liền, cũng như động lực băng biển và các tảng băng cần được tính đến. Bởi vì BĐKH trong giai đoạn ban đầu và giai đoạn kết thúc của một thời kỳ băng hà diễn ra trong khoảng vài nghìn năm, hầu hết các biến đổi này bị tác động bởi một quá trình hồi tiếp dương của CO2: nghĩa là một sự lạnh đi nhỏ ban đầu (có thể xuất hiện do sự biến động của quỹ đạo Trái đất, sẽ được đề cập đến ở phần sau) sẽ được tăng cường do nồng độ CO2 trong khí quyển giảm đi.
Lý thuyết Milankovitch đưa ra giả thuyết rằng thời kỳ băng hà được bắt đầu khi chiếu sáng mùa hè đạt được giá trị thấp nhất gần vĩ độ 65°N, tạo điều kiện cho tuyết tồn tại quanh năm, do đó sẽ tích tụ dần để tạo nên các tảng băng ở Bắc bán cầu. Một ví dụ minh chứng là thời điểm bắt đầu thời kỳ băng hà cuối, cách đây khoảng 116.000 năm tương ứng với chiếu sáng tại vĩ độ 65°N vào giữa tháng 6 là vào khoảng 40 W/m2, thấp hơn so với giá trị ngày nay. Các tảng băng tăng và mực nước biển giảm đến cực đại trong Cực đại Băng hà Cuối cùng cách đây khoảng 21.000 năm. Nồng độ của các KNK trong khí quyển trong giai đoạn này thấp hơn khá nhiều so với giai đoạn tiền công nghiệp, làm giảm -2,8 W/m2 cân bằng bức xạ toàn cầu. Giá trị này xấp xỉ bằng, nhưng trái dấu, với giá trị làm thay đổi bức xạ toàn cầu của các KNK năm 2000. Băng bao phủ phần lớn khu vực Bắc Mỹ và châu Âu, làm hạ mực nước biển. Các thảm thực vật thay đổi, với các lãnh nguyên mở rộng ở Bắc bán cầu và các khu rừng nhiệt đới bị
thu hẹp. Các thay đổi bề mặt này làm thay đổi tỉ lệ ánh sáng mặt trời phản xạ từ bề mặt (hay còn gọi là albedo), tạo nên một quá trình hồi tiếp dương. Các xon khí, chủ yếu là bụi tăng lên, một phần là hệ quả của việc giảm độ phủ thực vật.
Đối với mực nước biển, các phân tích dựa trên các mô hình cho phép ước lượng sự thay đổi mực nước biển trung bình trong thời kỳ chuyển tiếp băng hà – gian băng cuối cùng, nghĩa là từ giai đoạn Cực đại Băng hà Cuối cùng sang thế Holocene (Toàn Tân). Kết quả cho thấy mực nước biển đã tăng lên khoảng 120 m so với 21.000 năm trước đây.
2.1.3 Giai đoạn gian băng hiện tại
Khí hậu Trái đất đã nhiều lần thay đổi, với những thời kỳ băng hà lạnh xen kẽ với những thời kỳ gian băng ấm áp. Cách đây 20.000 năm cho đến khoảng 11.000 năm Trái đất vẫn lạnh hơn hiện nay khoảng 5ºC. Đó cũng là thời kỳ băng hà cuối cùng trong lịch sử Trái đất.
Từ cách đây 11.000 năm Trái đất ấm dần lên và đến khoảng 8.000 năm trước đây, nhiệt độ Trái đất đã ở mức gần tương đương với nhiệt độ ngày nay, với sự hơn kém về nhiệt độ là khoảng 1°C.
Thời kỳ gian băng hiện tại (thế Holocene) chứng kiến các thay đổi do tác nhân của con người lên môi trường từ quy mô địa phương (ví dụ thay đổi sử dụng đất) đến quy mô toàn cầu (ví dụ các thành phần khí quyển). Các dữ liệu ở thời kỳ hiện tại đầy đủ và tốt hơn rất nhiều so với các thời kỳ trước đó, cả về không gian lẫn thời gian.
Trong thời kỳ gian băng hiện tại, các thay đổi trong quỹ đạo Trái đất điều chỉnh khí hậu phân bố theo vĩ độ và theo mùa của bức xạ mặt trời.
Các phân tích lõi băng cho thấy nồng độ CO2 khí quyển giảm khoảng 7 ppm trong giai đoạn cách đây từ 11.000 đến 8.000 năm, tiếp đó tăng lên khoảng 20 ppm cho đến thời điểm bắt đầu thời kỳ công nghiệp (đạt giá trị 280 ppm) (Hình 1.8).
Nồng độ CH4 giảm từ giá trị 730 ppb xung quanh thời điểm 10.000 năm trước xuống giá trị 580 ppb cách đây khoảng 6.000 năm, sau đó tăng lại lên 730 ppb vào thời kỳ tiền công nghiệp. Trong khi đó, NO2 cho mức giảm khoảng 10 ppb trong thời kỳ đầu của thế Holocene và sau đó tăng lên cùng biên độ trong khoảng từ 8.000 đến 2.000 năm trước đây.
Sự thay đổi nhiệt độ trong thế Holocene đã được nghiên cứu cho rất nhiều khu vực khác nhau. Ở những khu vực vĩ độ cao của Bắc Đại Tây Dương và khu vực lân cận Bắc Cực, có vẻ như nhiệt độ mùa hè đạt cực đại vào giai đoạn sớm của thế Holocene (10.000 đến 8.000 năm trước). Các vĩ độ trung bình phía Bắc cho thấy một xu thế giảm của nhiệt độ bề mặt biển từ giai đoạn ấm thời kỳ đầu đầu và giữa của Holocene đến giai đoạn lạnh hơn thời kỳ tiền công nghiệp. Giai đoạn ấm nhất cho Bắc Âu và Tây Bắc của Bắc Mỹ diễn ra vào khoảng từ 7.000 đến 5.000 năm trước đây. Trong giai đoạn giữa của thế Holocene, phương pháp
nghiên cứu phấn hoa và hóa thạch cho thấy sự mở rộng lên phía Bắc của các khu rừng ôn đới cũng như sự rút lui của băng. Giai đoạn ấm sớm này cũng được xác định trong các khu vực như xích đạo Tây Thái Bình Dương, Trung Quốc, New Zealand, Nam Phi và Nam Cực.
- Từ khoảng năm 1010 cho đến năm 1360, Trái đất nóng hơn hiện nay;
- Từ khoảng năm 1360 đến năm 1750, Trái đất lạnh hơn hiện nay và lạnh nhất vào khoảng năm 1670, thấp hơn hiện nay khoảng 0,6 oC.
Thời kỳ băng hà nhỏ (Little Ice Age) gần đây nhất xảy ra vào khoảng giữa thế kỷ 16 và kết thúc vào khoảng giữa thế kỷ 19.
Nguyên nhân có vẻ như là do sự giảm hoạt động mặt trời. Một số bức tranh cũ đã mô tả lại cảnh hoạt động trong mùa đông châu Âu cho thấy sự lạnh giá của thời kỳ này (ví dụ Hình 2.3).
Hình 2. 3. Cảnh mùa đông và mọi người di chuyển bằng cách trượt băng (1608, Hendrick Avercamp)