Sự nóng lên toàn cầu và tia vũ trụ

Mặc dù sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu có tác động lớn và sâu sắc đến sự sống của muôn loài trên hành tinh, nhưng xét trong khoảng thời gian hàng thế kỷ thì hiện tượng đó không có gì đặc biệt: trong ba thiên niên kỷ vừa qua biến động nhiệt độ trung bình bề mặt trái đất đã nhiều lần đạt đến mức thăng giáng như vậy (0,74 ± 0,18°C).

Trong thế kỷ trước, Trái đất của chúng ta đã phải hứng chịu nhiều sự thay đổi bất thường về thời tiết do tình trạng nóng lên toàn cầu gây ra. Nhiệt độ trung bình bề mặt trái đất đã tăng 0,74 ± 0,18°C. Đó là thực tế không chối cãi được. Tất cả các phép đo sử dụng nhiều phương pháp và công cụ khác nhau đều khẳng định điều đó.

Trong thế kỷ hai mươi, sự nóng lên toàn cầu đã làm cho băng ở các địa cực cũng như trên các dòng sông tan chảy nhanh chóng dẫn đến mực nước biển tăng khoảng 17 cm. Biến đổi khí hậu chắc chắn sẽ kéo theo nhiều hậu quả về kinh tế cũng như xã hội. Người dân ở những nơi bị ảnh hưởng nặng nề nhất đang thực sự lo lắng cho tương lai và vận mệnh của mình. Điều đáng tiếc là cho đến nay chúng ta vẫn chưa hiểu rõ cơ chế chi phối sự biến đổi khí hậu, do đó công việc dự báo trong lĩnh vực này thường xuyên mắc phải sai số lớn.

Hình 1. Nhiệt độ trái đất (hình trên bên trái), mực nước biển (hình trên bên phải) và hàm lượng các khí gây hiệu ứng nhà kính (hình giữa bên trái) tăng theo thời gian trong thế kỷ 20. Sự gia tăng nhiệt độ trái đất tương quan với biến đổi chu kỳ mặt trời rõ ràng hơn so với sự gia tăng nồng độ CO2 trong không khí (hình giữa bên phải). Các giai đoạn nhiệt độ trái đất tăng trong ba nghìn năm gần đây cũng tương đương như sự gia tăng nhiệt độ trong thế kỷ 20 (hình dưới).

Đâu là nguyên nhân chính?

Trong nhiều thập niên qua, người ta cho rằng sự gia tăng hàm lượng các khí gây hiệu ứng nhà kính từ thời đại công nghiệp cho đến nay là nguyên nhân chính làm cho Trái đất nóng lên. Mặc dù khí cacbonic chỉ đóng góp khoảng 20% vào hiệu ứng nhà kính (hơi nước đóng góp hơn 50%) nhưng nó là yếu tố gây nên hiện tượng tăng nhiệt độ toàn cầu: lượng CO₂ thải vào không khí tăng thêm một phần ba trong nửa sau thế kỷ XX. Như vậy, cũng như sự gia tăng nhiệt độ trái đất, sự gia tăng lượng khí cacbonic trong khí quyển là điều không thể phủ nhận.

Một vấn đề quan trọng cần phải chú ý là ta chưa thể xác định được chính xác mức độ liên hệ giữa sự gia tăng nồng độ khí cacbonic trong khí quyển và sự gia tăng nhiệt độ của Trái đất. Mức độ gia tăng nhiệt độ toàn cầu trong thế kỷ qua vẫn nằm trong khoảng thăng giáng nhiệt độ quan sát được trong các thời kỳ trước thời đại công nghiệp. Đánh giá ảnh hưởng của lượng CO2 phát thải vào bầu khí quyển lên khí hậu trái đất rất khó. Những hiệu ứng sơ cấp (độ truyền qua của khí quyển) càng dễ dàng đánh giá bao nhiêu thì những hiệu ứng thứ cấp (hiệu ứng phản hồi) lại phức tạp, khó hiểu và khó nhận biết bấy nhiêu. Một ví dụ về hiệu ứng phản hồi: khi nhiệt độ bề mặt trái đất tăng lên 1^oC thì lượng nước bốc hơi từ các đại dương sẽ nhiều hơn, sẽ có nhiều mây hơn và nhiệt độ sẽ giảm.

Có nhiều yếu tố phản hồi phải tính đến như các loại mây khác nhau có tác động khác nhau, sự tồn tại của hệ thực vật, v.v... Khi tính đến tất cả các hiệu ứng đó thì việc đánh giá trở nên rất phức tạp chứ không đơn giản là tăng lượng CO₂ thì nhiệt độ sẽ tăng. Vấn đề ở chỗ mức độ ảnh hưởng của các hiệu ứng thứ cấp này có thể tương đương với hiệu ứng sơ cấp. Cho đến nay vẫn chưa có bằng chứng trực tiếp nào chứng minh lượng khí cacbonic thải vào khí quyển từ thời đại công nghiệp là nguyên nhân chính gây ra sự nóng lên toàn cầu trong thế kỷ XX, nhưng cũng không tồn tại bằng chứng nào phủ nhận điều đó.

Qua các nghiên cứu về khí hậu trong các thế kỷ trước thế kỷ XX, người ta tìm ra mối tương quan lớn giữa hoạt động của Mặt trời và nhiệt độ của Trái đất. Rõ ràng, biến đổi về độ sáng của Mặt trời không thể tạo nên mối tương quan này vì sự biến đổi đó rất nhỏ. Trên thực tế, để đánh giá mức độ hoạt động của Mặt trời người ta sử dụng một thông số hết sức quan trọng là số lượng vết đen mặt trời – các khu vực tối trên bề mặt mặt trời do nhiệt độ ở đó thấp hơn so với các vùng xung quanh do sự biến đổi từ trường mạnh trên Mặt trời gây ra. Số lượng các vết đen dao động theo chu kỳ 11 năm (chu kỳ mặt trời).

Tuy nhiên, dường như tia vũ trụ lại có thể đưa ra lời giải thích phù hợp cho mối liên hệ này. Sự phát xạ từ Mặt trời (gió mặt trời và các tai lửa) biến đổi rất mạnh trong suốt chu kỳ mặt trời nhưng năng lượng của chúng không đủ để vượt qua lá chắn do từ trường trái đất tạo nên, và do đó không thể đóng vai trò trực tiếp chi phối khí hậu trái đất. Mặc dù vậy, chúng lại mang theo từ trường mạnh hơn nhiều so với từ trường của lưỡng cực từ mặt trời, làm ảnh hưởng đến từ trường trong Thái dương hệ và do đó ảnh hưởng đến quỹ đạo của các tia vũ trụ tới Trái đất. Tia vũ trụ, thành phần chủ yếu là proton, có phân bố năng lượng tuân theo quy luật hàm mũ ~ E2,7 và phổ năng lượng của chúng bị cắt tại các vùng năng lượng thấp bởi hiệu ứng chắn do từ trường trái đất gây ra.

Do đó, chỉ những tia vũ trụ có năng lượng đủ lớn mới có khả năng đi sâu vào bên trong bầu khí quyển. Ngưỡng cắt này thay đổi theo vĩ độ, đạt giá trị cực đại 17 GeV tại Việt Nam và khoảng 4 GeV ở châu Âu và Bắc Mỹ. Hoạt động của Mặt trời thay đổi sẽ trực tiếp dẫn đến sự thăng giáng ngưỡng cắt năng lượng tia vũ trụ, kết quả là luôn tồn tại một mối tương quan giữa tỷ lệ các tia vũ trụ đo được trên mặt đất và mức độ hoạt động của Mặt trời. Vậy các tia vũ trụ ảnh hưởng đến khí hậu trái đất như thế nào?

Vai trò của tia vũ trụ?

Hình 2. Mức độ hoạt động của Mặt trời trong bốn thế kỷ gần đây. Chu kỳ hoạt động của Mặt trời trung bình là 11 năm nhưng có hai thời kỳ (Cực tiểu Maunder và Cực tiểu Dalton) hoạt động biến đổi khá chậm chưa rõ nguyên nhân (hình trên). Mối tương quan giữa thông lượng tia vũ trụ với thăng giáng nhiệt độ (hình dưới bên phải) và với lớp mây tầng thấp (hình dưới bên trái).

Nghiên cứu quá trình hình thành mây trong khí quyển giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan về vai trò của tia vũ trụ đối với khí hậu trái đất. Khi tia vũ trụ đi vào bầu khí quyển chúng tương tác với các nguyên tử, phân tử và tạo ra vô số các hạt tích điện thứ cấp – hiện tượng này được gọi là mưa rào khí quyển. Các hạt này tác động đến gần như toàn bộ quá trình ion hóa trong khí quyển. Sự hình thành mây chính là sự ngưng tụ một phần hơi nước có trong khí quyển ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp. Quá trình ngưng tụ muốn xảy ra nhanh chóng và thuận lợi thì trong không khí cần phải có các hạt nhân ngưng tụ để các phân tử nước bám vào.

Trong thực tế, các phân tử hoạt động và các gốc tự do (kích thước cỡ 10−9m - nanomet) nhóm lại với nhau tạo thành các hạt nhân ngưng tụ. Ở giai đoạn đầu chúng lớn dần lên (đường kính cỡ hàng chục nanomet) chủ yếu do sự bồi đắp từ các phân tử khác và quá trình phát triển sau đó lại nhờ sự kết tụ để tạo thành các hạt có kích thước lớn hơn (đường kính cỡ hàng trăm nanomet đến micromet - 10−6m). Khi chúng đạt đến kích thước này, các phân tử nước tiếp tục bám vào và giọt nước được hình thành, quá trình này cứ tiếp diễn cho đến khi các giọt nước đạt đến đường kính từ 10 đến 100 micromet: chúng tạo thành những đám mây.

Nếu tiếp tục phát triển để đạt tới đường kính khoảng 1-2 mm, chúng sẽ rơi xuống mặt đất và tạo thành mưa. Như vậy, tất cả các giai đoạn của quá trình hình thành mây đều được đặc trưng bởi hiện tượng bồi đắp. Quá trình ion hóa do tia vũ trụ gây ra trong không khí bổ sung lực hút tĩnh điện có cường độ lớn hơn nhiều so với lực tương tác giữa các phân tử (lực Van Der Waals) giúp cho quá trình bồi đắp diễn ra thuận lợi hơn. Thật đáng tiếc kiến thức về các hiện tượng nêu trên còn hạn chế không cho phép chúng ta đánh giá chính xác vai trò của tia vũ trụ trong quá trình hình thành mây. Hiện nay, trên thế giới nhiều thí nghiệm đang được tiến hành nhằm tìm hiểu cơ chế chi phối khí hậu trái đất. Nếu xác định được rằng,

sự gia tăng hoạt động của Mặt trời làm cho thông lượng tia vũ trụ có nguồn gốc Thiên hà đến Trái đất giảm, dẫn đến lớp mây tầng thấp giảm thì mối tương quan của nó với sự gia tăng nhiệt độ trái đất sẽ được chứng minh. Nhưng với những kiến thức hiện nay, không có cơ sở nào cho phép khẳng định điều đó.

Cần thêm nhiều thời gian

Gần đây, sự nóng lên toàn cầu đã trở thành một vấn đề chính trị mang tính thời sự hàng đầu. Song các cuộc tranh luận bắt nguồn từ chủ đề nóng bỏng này thường diễn ra trong không khí tranh cãi căng thẳng không có lợi cho thảo luận khoa học, chúng thường xuyên bị ảnh hưởng bởi mâu thuẫn về lợi ích tài chính, kinh tế - xã hội của các quốc gia. Tuy vậy, hơn bốn mươi năm sau những lời cảnh báo đầu tiên của Câu lạc bộ Rome một kết quả đáng khích lệ đã đạt được là người dân trên hành tinh đang dần nhận thức được sự bất ổn trong việc cân bằng các điều kiện cho phép loài người tồn tại. Rõ ràng, cần phải mất thêm nhiều thời gian nữa con người mới có thể nhận thức được tường tận toàn bộ hệ thống khí hậu trên Trái đất.