Những mối liên hệ rất mỏng manh giữa chu kỳ Mặt Trời 11 năm, tầng bình lưu và Thái Bình Dương nhiệt đới hoạt động một cách đồng bộ để tạo ra chu kỳ thời tiết có ảnh hưởng lớn đến toàn cầu, theo nghiên cứu trên tạp chí Science tuần này. Nghiên cứu này có thể giúp các nhà khoa học dự đoán độ mạnh yếu của một số hiện tượng khí hậu, ví dụ như gió màu Ấn Độ và lượng mưa vùng nhiệt đới Thái Bình Dương, trước nhiều năm.
Một nhóm các nhà khoa học quốc tế do Trung tâm nghiên cứu khí quyển quốc gia (NCAR) chỉ đạo, đã sử dụng những quan sát thời tiết trong hơn 1 thế kỷ và 3 mô hình máy tính rât mạnh để tìm hiểu một trong những câu hỏi khó nhất của khí tượng học: nếu tổng năng lượng từ Mặt Trời đến Trái Đất thay đổi khoảng 0,1% trong chu kỳ Mặt Trời 11 năm, làm thế nào sự thay đổi nhỏ như vậy có thể tạo ra những thay đổi lớn trong chu trình thời tiết trên Trái Đất?
Câu trả lời, theo nghiên cứu mới, liên quan đến tác động của Mặt Trời đối với hai khu vực có vẻ như không hề liên quan. Trong giai đoạn năng lượng Mặt trời đến Trái Đất là tối đa, hóa chất trong tầng bình lưu và nhiệt độ bề mặt biển tại Thái Bình Dương phản ứng theo một cách làm khuếch đại ảnh hưởng của Mặt Trời đối với một số khía cạnh của dịch chuyển không khí. Điều này sẽ làm tăng cường độ gió và lượng mưa, thay đổi nhiệt độ bề mặt biển và độ che phủ của mây trên những khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới, và cuối cùng là ảnh hưởng đến thời tiết toàn cầu.
Nhà khoa học của NCAR, Gerald Meehl, tác giả chỉnh của nghiên cứu cho biết: “Mặt Trời, tầng bình lưu và đại dương liên kết với nhau theo những cách có thể ảnh hưởng đến những yếu tố như lượng mưa mùa đông tại Bắc Mỹ. Hiểu rõ vai trò của chu kỳ Mặt Trời có thể cung cấp những kiến thức quý báu nhằm dự đoán chu trình thời tiết khu vực trong vài thập kỷ tới”.
Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia, NCAR và Bộ năng lượng. Nó xây dựng dựa trên một số bài báo gầ đây của Meehl và các đồng nghiệp tìm hiểu mối liên hệ giữa đỉnh điểm của chu kỳ Mặt Trời và các sự kiện trên Trái Đất biểu hiện một số đặt điểm của La Nina. Biên độ của La Nina và El Nino lớn hơn luôn đi kèm với những thay đổi áp suất bề mặt, được biết đến với tên gọi sự dao động phương Nam. Mối liên hệ giữa năng lượng Mặt Trời cực đại và nước biển lạnh hơn tại khu vực Thái Bình Dương gần xích đọa được phát hiện lần đầu tiên bởi Harry Van Loon thuộc NCAR và Hiệp hội nghiên cứu Colorado.
Trên xuống và dưới lên
Đóng góp mới của Meehl và các đồng nghiệp cho thấy sự hoạt động chung của hai cơ chế liên kết những thay đổi trong năng lượng Mặt Trời và những dao động trong khí hậu của Trái Đất để khuếch đại phản ứng trong khu vực nhiệt đới Thái Bình Dương.
Nhóm nghiên cứu lần đầu tiên khẳng định lý thuyết rằng phần tăng lên của năng lượng Mặt Trời trong giai đoạn đỉnh điểm tạo ra vệt đen Mặt Trời được hấp thụ bởi ozon tầng bình lưu. Năng lượng này làm ấm không khí trong tầng bình lưu ở những khu vực nhiệt đới, nơi ánh sáng Mặt Trời là mạnh nhất, cùng lúc kích thích sự hình thành thêm ozon. Vì tầng bình lưu ấm lên không đều, với sự ấm lên rõ rệt nhất ở vĩ độ thấp hơn, gió bình lưu bị thayd dổi, và qua một chuỗi các qua trình liên kết với nhau, làm tăng lượng mưa nhiệt đới.
Cùng lúc, ánh nắng Mặt Trời tăng lên khiến bề mặt biển ấm lên một chút dọc theo khu vực cận nhiệt đới Thái Bình Dương, nơi những đám mây chắn Mặt Trời thường hiếm. Lượng nhiệt nhỏ này làm tăng quá trình bốc hơi và tạo ra nhiều hơi nước. Hơi nước bị gió mậu dịch thổi đén những khu vực nhiều mưa phía Tây vùng nhiệt đới Thái Bình Dương, khiến mưa nặng hạt hơn và tăng tác động của cơ chế tầng bình lưu.
Nghiên cứu mới được công bố gần đây cho thấy tác động của những tương tác giữa Mặt Trời và Trái Đất đối với khí hậu của chúng ta. (Ảnh: UCAR)
Tác động từ trên xuống của tầng bình lưu và từ dưới lên của biển cùng với nhau tăng cường vòng tuần hoàn này và làm gió mậu dịch mạnh hơn. Vì nhiều ánh nắng đến với những khu vực khô hơn, những thay đổi này hỗ trợ lẫn nhau, dẫn đến khu vực cận nhiệt đới ít mây hơn, cho phép thêm ánh sáng Mặt Trời đến được bề mặt.
Những phản ứng của tầng bình lưu và biển trong giai đoạn đỉnh điểm của Mặt trời giữ cho vùng xích đọa phía Đông Thái Bình Dương mát hơn và khô hơn bình thường, tạo ra điều kiện tương tự như La Nina.
Tuy nhiên, nhiệt độ giảm từ 1-2 độ F tập trung xa hơn về phía Đông so với một La Nina thực sự, và chỉ mạnh bằng một nửa đồng thời liên kết với những chu trình khác nhau trong tầng bình lưu.
Phản ứng của Trái Đất đối với chu kỳ Mặt Trời tiếp tục trong một hoặc hai năm. Chu trình giống như La Nina được kích thích bởi năng lượng tối đa của Mặt Trời có xu hướng phát triển thành một chu trình tương tự như El Nino khi những dòng hải lưu chậm thay thế nước mát vùng nhiệt đới phía Đông Thái Bình Dương bằng nước ấm hơn. Phản ứng của biển chỉ mạnh bằng một nửa so với El Nino và khối nước ấm đến chậm không nhất quán như chu trình xuất hiện trong thời kỳ cực đại của chu kỳ Mặt Trời.
Hỗ trợ quá trình làm “nguội” biển
Năng lượng Mặt Trời cực đại có thể hỗ trợ một sự kiện La Nina thực hoặc làm giảm một sự kiện El Nino thật. La Nina năm 1988-89 xuất hiện gần thời điểm cực đại của năng lượng Mặt Trời. La Nina năm đó trở nên đặc biệt mạnh và đi kèm với những thay đổi rõ rệt trong chu trình thời tiết, ví dụ như mùa đông khô tại Tây Nam Hoa Kỳ.
Gió mùa Ấn Độ, nhiệt độ bề mặt biển và lượng mưa, và các chu trình thời tiết khu vực khác bị chi phi chủ yếu do không khí nâng lên và hạ xuống trong khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới của Trái Đất. Do đó nghiên cứu này giúp các nhà khoa học sử dụng các dự đoán về chu kỳ Mặt Trời để xác định sự biến đổi của chu trình này trong 1 hoặc 2 thập kỷ tới.
3 góc nhìn, 1 câu trả lời
Để tìm hiểu những cơ chế rất khó nắm bắt liên kết Mặt Trời và Trái Đất, nhóm nghiên cứu đã cần đến 3 mô hình máy tinh cung cấp những góc nhìn chồng lên nhau về hệ thống khí hậu
Một mô hình, phân tích tương tác giữa nhiệt độ bề mặt biển và khí quyển thấp hơn, tạo ra quá trình nguội đi của khu vực xích đạo Thái Bình Dương trong những năm năng lượng Mặt Trời cực đại. Mô hình thứ hai, mô phỏng cơ chế phản ứng của ozon bình lưu, tạo ra một số gia tăng trong lượng mưa nhiệt đới nhưng với quy mô nhỏ hơn những chu trình được quan sát thấy. Mô hình thứ ba chứa những tương tác biển – khí quyển cũng như ozon. Nó cho thấy biển và khí quyển kết hợp để tạo ra một phản ứng trong khu vực nhiệt đới Thái Bình Dương trong những năm năng lượng Mặt Trời cực đại.
Meehl cho biết: “Với sự trợ giúp của sức mạnh máy tính, cũng nhu các phát hiện quan sát, chúng tôi đang từng bước tìm hiểu về làm thế nào những cơ chế này kết hợp để kết nối những biến đổi Mặt Trời với khí hậu và thời tiết của chúng ta”.
Đại học nghiên cứu khí quyển quản lý Trung tâm nghiên cứu khí quyển quốc gia dưới sự tài trợ của Quỹ khoa học quốc gia.
Tham khảo:
1. Gerald Meehl, Julie Arblaster, Katja Matthes, Fabrizio Sassi, and Harry van Loon. Amplifying the Pacific Climate System Response to a Small 11-Year Solar Cycle Forcing. Science, 2009; 325 (5944): 1114 DOI: 10.1126/science.1172872