Trong hàng trăm nghìn năm qua, Trái Đất đã nhiều lần luân phiên giữa những thời kỳ băng hà vô cùng lạnh giá và những thời kỳ gian băng tương đối ấm áp. Khoảng 2 vạn năm trước, khi thời kỳ băng hà gần nhất đạt đỉnh, những vùng đất rộng lớn ở Bắc Mỹ và Bắc Âu bị bao phủ bởi lớp băng dày; do nước biển bị giữ lại dưới dạng băng, mực nước biển cũng thấp hơn hiện nay trên 100 m.
Vì sao những biến đổi khí hậu lớn như vậy cứ lặp lại từng là một bí ẩn chưa có lời giải trong suốt thời gian dài. Cách giải thích được chấp nhận rộng rãi nhất hiện nay là quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời và trục tự quay của nó thay đổi rất chậm nhưng có quy luật. Những biến đổi có quy luật này được gọi là “chu kỳ Milankovitch (Milankovitch Cycles)”, theo tên nhà khoa học đã hệ thống hóa chúng.
Tài liệu này lần lượt trình bày bối cảnh ra đời của lý thuyết chu kỳ Milankovitch, ba dạng biến đổi tạo nên các chu kỳ này, bằng chứng dưới đáy biển củng cố lý thuyết, cũng như những hạn chế của lý thuyết và ý nghĩa của nó khi nhìn nhận khí hậu ngày nay.
Nguyên lý và ý nghĩa của chu kỳ Milankovitch
Sự ra đời của lý thuyết và chìa khóa từ ánh nắng mùa hè
Milutin Milanković là nhà toán học kiêm nhà địa vật lý người Serbia. Vào đầu thế kỷ 20, ông đã dành hàng chục năm tính toán bằng tay, không có máy tính, để xác định lượng ánh nắng mà mỗi vĩ độ nhận được thay đổi ra sao khi quỹ đạo và trục tự quay của Trái Đất thay đổi.
Ý tưởng cho rằng biến đổi quỹ đạo gây ra các kỷ băng hà đã xuất hiện trước ông. Vào thế kỷ 19, Joseph Adhémar người Pháp và James Croll người Scotland đã đưa ra những nhận định tương tự. Milankovitch hoàn thiện ý tưởng này bằng các phép tính chính xác và tổng hợp kết quả trong cuốn sách “Quy luật bức xạ Mặt Trời và vấn đề kỷ băng hà” xuất bản năm 1941.
Chìa khóa ông tìm ra là ánh nắng mùa hè ở các vùng vĩ độ cao của Bắc bán cầu chứ không phải cái lạnh mùa đông. Ở những khu vực có diện tích đất liền rộng lớn, như vùng gần vĩ tuyến 65 độ Bắc, khi ánh nắng mùa hè suy yếu, tuyết tích tụ vào mùa đông không tan hết mà còn sót lại. Nếu những năm như vậy tiếp diễn, tuyết tích tụ qua từng năm và phát triển thành những tảng băng lục địa khổng lồ; ngược lại, khi ánh nắng mùa hè mạnh lên, các tảng băng tan và thu hẹp.
Ba dạng biến đổi do quỹ đạo và trục tự quay tạo ra
Chu kỳ Milankovitch hình thành do sự chồng lấp của ba dạng biến đổi diễn ra theo những nhịp điệu khác nhau.
(1) Độ lệch tâm (Eccentricity)
Quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời không phải là một đường tròn hoàn hảo mà là một hình elip hơi dẹt; mức độ dẹt đó thay đổi theo các chu kỳ khoảng 10 vạn năm và khoảng 40 vạn năm. Quỹ đạo càng thuôn dài thì chênh lệch lượng ánh nắng nhận được giữa lúc gần Mặt Trời nhất và lúc xa Mặt Trời nhất càng lớn.
(2) Độ nghiêng trục tự quay (Obliquity)
Trục tự quay của Trái Đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo, và góc nghiêng đó dao động từ 22.1 đến 24.5 độ theo chu kỳ khoảng 4 vạn 1 nghìn năm. Hiện nay, góc nghiêng vào khoảng 23.4 độ và đang giảm dần. Độ nghiêng càng lớn thì mùa hè càng nóng và mùa đông càng lạnh.
(3) Chuyển động tuế sai (Precession)
Trục tự quay từ từ đổi hướng theo một vòng tròn giống như con quay. Vì vậy, mùa trùng với thời điểm Trái Đất đến gần Mặt Trời nhất thay đổi theo chu kỳ khoảng 2 vạn 3 nghìn năm. Hiện nay, Trái Đất đến gần Mặt Trời nhất vào đầu tháng 1, khi Bắc bán cầu đang là mùa đông.
Ba dạng biến đổi này chủ yếu làm thay đổi cách ánh nắng phân bố theo mùa và vĩ độ hơn là tổng lượng ánh nắng toàn bộ Trái Đất nhận được trong 1 năm. Chính sự thay đổi trong phân bố này quyết định xu hướng phát triển hay thu hẹp của các tảng băng lục địa.
Bằng chứng từ bùn dưới đáy biển
Những tính toán của Milankovitch trong một thời gian dài vẫn chỉ là giả thuyết khó chứng minh, bởi chưa có phương pháp đo đạc chính xác khí hậu hàng trăm nghìn năm trước. Điều làm thay đổi tình hình là lớp bùn tích tụ dưới đáy biển sâu.
Trong trầm tích đáy biển, vỏ của trùng lỗ, một loại sinh vật phù du nhỏ bé, tích tụ thành từng lớp. Tỷ lệ đồng vị oxy trong vỏ trở thành hồ sơ cho biết lượng băng trên đất liền vào thời kỳ đó. Năm 1976, James Hays, John Imbrie và Nicholas Shackleton đã phân tích hồ sơ này và công bố kết quả trên tạp chí Science.
- Chu kỳ khoảng 10 vạn năm (100,000 years): trùng khớp với nhịp biến đổi của độ lệch tâm.
- Chu kỳ khoảng 4 vạn 1 nghìn năm (41,000 years): trùng khớp với nhịp biến đổi của độ nghiêng trục tự quay.
- Các chu kỳ khoảng 2 vạn 3 nghìn năm và 1 vạn 9 nghìn năm (23,000·19,000 years): trùng khớp với nhịp của chuyển động tuế sai.
Bài báo này gọi những biến đổi quỹ đạo Trái Đất là “bộ điều nhịp của các kỷ băng hà (Pacemaker of the Ice Ages)”, và từ đó chu kỳ Milankovitch trở thành một lý thuyết cốt lõi trong việc giải thích biến đổi khí hậu. Hồ sơ từ các lõi băng lấy ra từ băng hà Nam Cực cũng cho thấy cùng nhịp điệu đó.
Hạn chế của lý thuyết và khí hậu ngày nay
Chu kỳ Milankovitch không thể giải thích mọi thứ. Một bí ẩn tiêu biểu là cái gọi là “bài toán 10 vạn năm”. Trong khoảng 80 vạn năm qua, các thời kỳ băng hà và gian băng chủ yếu luân phiên theo nhịp 10 vạn năm, nhưng lượng ánh nắng thay đổi do độ lệch tâm lại là nhỏ nhất trong ba dạng biến đổi. Ở giai đoạn trước đó, nhịp 4 vạn 1 nghìn năm thể hiện rõ hơn, và lý do nhịp điệu thay đổi vẫn còn đang được tranh luận.
Các nhà khoa học cho rằng biến đổi quỹ đạo đóng vai trò khởi phát, còn các cơ chế phản hồi trong hệ thống Trái Đất khuếch đại tác động đó.
- Băng và suất phản chiếu (Ice-Albedo Feedback): diện tích băng trắng càng mở rộng thì càng nhiều ánh nắng bị phản xạ, khiến Trái Đất lạnh thêm.
- Khí nhà kính (Greenhouse Gases): hồ sơ băng hà cho thấy khí quyển chứa ít carbon dioxide trong thời kỳ băng hà và nhiều hơn trong thời kỳ gian băng.
- Hoàn lưu đại dương (Ocean Circulation): khi dòng chảy của nước biển thay đổi, cách nhiệt được phân bố đến các nơi trên Trái Đất cũng thay đổi.
Chu kỳ Milankovitch tác động chậm rãi trong hàng nghìn đến hàng vạn năm. Vì vậy, sự gia tăng nhiệt độ nhanh chóng trong hơn 100 năm qua không thể được giải thích bằng các chu kỳ này, và khí nhà kính do con người thải ra được xem là nguyên nhân chính. Hiểu được nhịp biến đổi chậm chạp của quỹ đạo cũng giúp chúng ta thấy rõ hơn những thay đổi ngày nay diễn ra nhanh chóng và khác thường đến mức nào.
Sau cùng, chu kỳ Milankovitch nhắc chúng ta rằng khí hậu Trái Đất gắn bó sâu sắc với vị trí của hành tinh trong vũ trụ. Đọc hiểu đồng thời nhịp điệu chậm rãi của bầu trời và các cơ chế phản hồi trong hệ thống Trái Đất chính là bước đầu tiên để hiểu lịch sử lâu dài của khí hậu.
