Lõi băng là những trụ băng dài được khoan từ lớp băng Nam Cực, Greenland hoặc sông băng núi cao, giống như rút một chiếc ống hút xuyên qua nhiều tầng bánh. Mỗi tầng băng là tuyết của một thời kỳ, mang theo bọt không khí của thời ấy, bụi, muối biển, tro núi lửa. Càng khoan sâu, băng càng già. Lõi băng dài nhất về thời gian, khoan ở cao nguyên Đông Nam Cực, trải qua khoảng tám trăm nghìn năm.
Từ lõi băng, các nhà khoa học đọc được nhiệt độ gần đúng của quá khứ, nồng độ khí CO₂ và methane trong không khí xưa, những lần núi lửa phun lớn, những thời kỳ khí hậu khô và nhiều gió. Đây là một trong những bằng chứng trực tiếp nhất cho thấy khí hậu Trái Đất đã thay đổi ra sao qua nhiều chu kỳ băng hà, và mức khí nhà kính ngày nay khác thường thế nào so với quá khứ.
Bài này giải thích từng bước: khoan lõi băng như thế nào, xác định tuổi băng ra sao, mỗi loại «dấu vết» trong băng cho biết điều gì, những kết quả lớn nhất, và những giới hạn mà người đọc nên biết.
Khoan và giữ một lõi băng: từ cao nguyên băng tới kho lạnh
Một dự án khoan lõi băng sâu thường kéo dài nhiều mùa hè liên tiếp, với đội ngũ nhiều nước. Các bước chính:
- Chọn vị trí. Muốn băng già và nguyên vẹn, người ta tìm nơi băng dày, gần đỉnh vòm băng để băng ít bị chảy xô lệch, tuyết rơi ít để một mét băng chứa nhiều năm. Muốn chi tiết từng năm thì chọn nơi tuyết rơi nhiều hơn. Radar xuyên băng được dùng để khảo sát lớp băng trước.
- Khoan. Mũi khoan rỗng hình ống, thả xuống bằng cáp, cắt quanh một trụ băng đường kính khoảng mười cm rồi kéo lên từng đoạn vài mét. Hố khoan được giữ đầy chất lỏng đặc biệt để áp suất không làm lỗ khoan bị băng ép khép lại.
- Ghi chép tại chỗ. Mỗi đoạn lõi được đánh số theo độ sâu, đo sơ bộ, xem các lớp trực tiếp dưới đèn, cắt mẫu trong những căn hầm đào dưới tuyết luôn giữ dưới âm hai mươi độ.
- Vận chuyển lạnh. Lõi được đóng thùng cách nhiệt, chở bằng máy bay và tàu trong chuỗi lạnh liên tục về các kho băng ở châu Âu, Mỹ, châu Á. Chỉ một lần tan là mất vĩnh viễn thông tin.
- Phân tích. Mỗi đoạn được chia cho nhiều phòng thí nghiệm: phần đo khí, phần đo đồng vị nước, phần đo bụi và hoá chất. Một phần được giữ lại làm lưu trữ cho các thế hệ sau với kỹ thuật tốt hơn.
Ở một đoạn độ sâu trung gian, nơi các bọt khí đang dần bị áp suất nén hoà vào cấu trúc tinh thể băng, băng rất giòn; khi đưa lên, nó có thể nứt vỡ nếu không được để «nghỉ» một thời gian cho ổn định. Đây là một trong nhiều chi tiết kỹ thuật khiến việc khoan lõi băng đòi hỏi kinh nghiệm tích luỹ qua nhiều thập kỷ.
Định tuổi băng: đếm lớp năm, mốc núi lửa và mô hình dòng chảy
Ở những nơi tuyết rơi nhiều như phần lớn Greenland, mỗi năm để lại một lớp có thể phân biệt, vì tuyết mùa hè và mùa đông khác nhau về kích thước hạt, hoá chất và đồng vị. Các nhà khoa học đếm lớp như đếm vòng gỗ trên thân cây, dùng thiết bị đo liên tục dọc lõi băng để thấy những dao động theo mùa. Cách này cho niên đại khá chính xác trong hàng chục nghìn năm gần đây, với sai số tăng dần theo độ sâu.
Ở cao nguyên Nam Cực, tuyết rơi quá ít nên các lớp năm mỏng tới mức không đếm được. Lúc này người ta dùng mô hình về lượng tuyết rơi và cách băng chảy, mỏng dần theo độ sâu, kết hợp với các mốc đã biết. Mốc quan trọng là những lần núi lửa phun lớn: axit sulfuric từ khí núi lửa rơi xuống thành một lớp có độ dẫn điện cao, xuất hiện ở cả Greenland lẫn Nam Cực, giúp so khớp các lõi với nhau.
Có một điều tinh tế: bọt khí trẻ hơn lớp băng chứa nó. Lý do là tuyết chỉ bị nén thành băng kín ở độ sâu vài chục tới hơn một trăm mét; trước đó không khí vẫn lưu thông với khí quyển. Ở nơi tuyết rơi ít, chênh lệch giữa tuổi băng và tuổi khí có thể lên tới vài nghìn năm, và các nhà khoa học phải tính chính xác chênh lệch này khi so sánh nhiệt độ với nồng độ khí.
Mỗi loại dấu vết trong băng cho biết điều gì
Băng không chỉ là nước đóng băng mà là một kho lưu trữ nhiều tầng thông tin. Bảng dưới gom các loại phép đo chính.
| Thứ đo trong băng | Cho biết điều gì | Ghi chú |
|---|---|---|
| Đồng vị nặng của oxy và hydro trong nước | Nhiệt độ gần đúng khi tuyết rơi | Tuyết rơi lúc lạnh chứa ít đồng vị nặng hơn; là phép đo gián tiếp, cần hiệu chỉnh |
| Bọt khí | CO₂, methane, nitơ oxit trong không khí xưa | Mẫu không khí trực tiếp duy nhất của quá khứ xa |
| Bụi khoáng | Khí hậu khô hay ẩm, gió mạnh hay yếu | Thời kỳ băng hà có nhiều bụi hơn hẳn |
| Muối biển | Mức băng biển và gió trên đại dương xung quanh | Diễn giải còn phức tạp, đang được nghiên cứu |
| Axit sulfuric, tro | Những lần núi lửa phun lớn | Dùng làm mốc thời gian và để hiểu tác động núi lửa lên khí hậu |
| Chì, chất phóng xạ nhân tạo | Dấu vết hoạt động con người | Chì từ luyện kim thời cổ đại thấy trong băng Greenland; bụi phóng xạ từ các vụ thử hạt nhân giữa thế kỷ 20 |
| Một số đồng vị sinh ra do tia vũ trụ | Hoạt động của Mặt Trời trong quá khứ | Dùng kết hợp với vòng cây |
Nhờ nhiều loại dấu vết cùng nằm trong một trụ băng, các nhà khoa học có thể đặt nhiệt độ, khí nhà kính, bụi và núi lửa lên cùng một trục thời gian, điều mà ít nguồn tư liệu tự nhiên nào làm được.
Tám trăm nghìn năm khí hậu: những gì lõi băng Nam Cực kể lại
Lõi băng ở trạm Vostok, khoan trong thập niên 1990, lần đầu cho thấy một chuỗi khí hậu khoảng bốn trăm nghìn năm với bốn chu kỳ băng hà. Sau đó, dự án EPICA của châu Âu khoan ở vòm Dome C trên cao nguyên Đông Nam Cực, kéo chuỗi này dài ra khoảng tám trăm nghìn năm, với tám chu kỳ băng hà và gian băng nối tiếp nhau.
Hình ảnh nổi bật nhất là sự song hành giữa nhiệt độ và khí nhà kính. Trong các thời kỳ băng hà, nồng độ CO₂ quanh khoảng 180 phần triệu; trong các thời kỳ ấm giữa băng hà, khoảng 280 phần triệu, hiếm khi vượt 300. Methane cũng lên xuống cùng nhịp. Ngày nay nồng độ CO₂ đã vượt 420 phần triệu và methane cao gấp hơn hai lần mức cao nhất trong lõi băng, cao hơn bất kỳ lúc nào trong toàn bộ chuỗi tám trăm nghìn năm.
Chu kỳ băng hà trong khoảng thời gian này dài khoảng một trăm nghìn năm, với thời kỳ lạnh kéo dài và thời kỳ ấm ngắn. Các nhà khoa học giải thích rằng thay đổi nhỏ trong quỹ đạo và độ nghiêng trục Trái Đất là «cú hích» ban đầu, rồi CO₂ và các phản hồi khác như băng phản xạ nắng khuếch đại thay đổi đó. Từng có tranh luận về việc CO₂ đi sau nhiệt độ vài trăm năm trong các đợt ấm lên; các phân tích chính xác hơn về sau cho thấy hai đường gần như đi cùng nhau, và dù đi trước hay sau, CO₂ vẫn đóng vai một bộ khuếch đại, không mâu thuẫn với hiểu biết rằng CO₂ làm Trái Đất ấm lên.
Các dự án mới đang tìm băng già hơn một triệu năm để hiểu vì sao khoảng một triệu năm trước, nhịp băng hà chuyển từ chu kỳ khoảng bốn mươi nghìn năm sang khoảng một trăm nghìn năm, điều mà trầm tích đáy biển đã gợi ý.
Lõi băng Greenland: những bước nhảy khí hậu đột ngột
Lõi băng Greenland không dài bằng lõi Nam Cực về thời gian, phần lớn chỉ phủ khoảng hơn một trăm nghìn năm, nhưng chi tiết hơn nhiều nhờ tuyết rơi dày. Từ đầu thập niên 1990, các lõi khoan ở đỉnh vòm băng Greenland đã cho thấy một điều bất ngờ: trong thời kỳ băng hà cuối, khí hậu vùng Bắc Đại Tây Dương nhiều lần ấm lên đột ngột, có khi nhiều độ chỉ trong vài thập kỷ, rồi lạnh dần trở lại qua hàng trăm đến hàng nghìn năm.
Những bước nhảy này cho thấy hệ thống khí hậu có thể thay đổi nhanh khi vượt qua một ngưỡng nào đó, có lẽ liên quan tới thay đổi của hoàn lưu đại dương Đại Tây Dương và băng biển. Đây là lý do các nhà khoa học đặc biệt quan tâm tới khả năng có những điểm tới hạn trong khí hậu hiện tại.
Lõi băng Greenland còn có một vai trò ít người biết: ranh giới chính thức đánh dấu sự bắt đầu của thế Holocene, khoảng mười một nghìn bảy trăm năm trước, được xác định tại một độ sâu cụ thể trong một lõi băng Greenland. Đó là lúc thời kỳ băng hà cuối khép lại và khí hậu ấm, ổn định hơn mở ra, khoảng thời gian chứng kiến sự ra đời của nông nghiệp và các nền văn minh.
Ở lớp băng gần bề mặt hơn, lõi Greenland còn ghi lại chì từ luyện kim thời La Mã, tăng giảm theo những giai đoạn thịnh suy của các mỏ thời cổ đại, và các lớp sulfat của những vụ phun trào núi lửa lớn đã được sử sách ghi nhận.
Giới hạn và những cách hiểu sai thường gặp
Lõi băng không cho nhiệt độ toàn cầu trực tiếp. Đồng vị trong băng phản ánh nhiệt độ ở nơi tuyết hình thành và rơi xuống, chủ yếu vùng cực. Muốn suy ra bức tranh toàn cầu, phải kết hợp với trầm tích đáy biển, phấn hoa, san hô và các nguồn khác.
Không phải nơi nào cũng có băng già. Băng ở đáy có thể bị tan, xáo trộn hoặc chảy xô lệch, làm thứ tự lớp bị đảo. Việc chọn vị trí và kiểm tra tính liên tục của lớp băng là bước quan trọng, không phải khoan đâu cũng ra chuỗi tin cậy.
«Khí hậu luôn thay đổi nên thay đổi hiện nay là tự nhiên.» Lõi băng đúng là cho thấy khí hậu tự nhiên thay đổi mạnh qua các chu kỳ, nhưng cũng cho thấy những thay đổi ấy diễn ra qua hàng nghìn năm và đi kèm mức CO₂ trong phạm vi khoảng 180 – 300 phần triệu. Mức hiện nay nằm ngoài phạm vi đó và tăng nhanh hơn nhiều.
Bọt khí không bị «nhiễm» không khí hiện đại. Các phòng thí nghiệm nghiền hoặc làm tan băng trong buồng chân không, so sánh kết quả giữa nhiều lõi và nhiều phòng thí nghiệm. Kết quả nhất quán giữa Nam Cực và Greenland, giữa các nhóm độc lập là lý do giới khoa học tin vào chúng.
Băng sông băng núi cao cũng là kho lưu trữ đang mất dần. Nhiều sông băng trên dãy Andes, Alps, Himalaya cũng có lõi băng ghi khí hậu khu vực. Khi chúng tan, thông tin mất theo; vì vậy có dự án quốc tế khoan và cất giữ lõi băng của các sông băng đang co lại trong một hang băng ở Nam Cực.
Câu hỏi thường gặp
Lõi băng dài nhất là bao nhiêu mét?
Các lõi băng sâu nhất ở Nam Cực và Greenland dài khoảng ba nghìn đến hơn ba nghìn rưỡi mét, gần chạm tới nền đá bên dưới. Ví dụ lõi ở trạm Vostok cuối thập niên 1990 được khoan sâu hơn ba nghìn sáu trăm mét, rồi dừng lại khi còn cách mặt hồ dưới băng hơn một trăm mét để tránh làm nhiễm bẩn hồ.
Làm sao biết băng 800 nghìn năm tuổi?
Tuổi được xác định bằng mô hình lượng tuyết rơi và dòng chảy băng, kết hợp với các mốc như lớp núi lửa, thay đổi từ trường để lại dấu trong một số đồng vị, và so khớp với trầm tích đáy biển có tuổi đã biết. Các phương pháp độc lập cho kết quả phù hợp với nhau trong phạm vi sai số.
Có nhìn thấy lớp năm trong lõi băng bằng mắt không?
Ở lõi băng Greenland, nhiều đoạn có thể thấy các dải sáng tối khi soi đèn, tương ứng với mùa hè và mùa đông. Tuy vậy việc đếm chính xác dựa vào thiết bị đo hoá học và vật lý liên tục, vì mắt thường dễ nhầm các lớp do bão tuyết hay gió tạo ra.
Vì sao lõi băng Nam Cực xa hơn về thời gian nhưng kém chi tiết hơn Greenland?
Cao nguyên Đông Nam Cực có tuyết rơi rất ít, nên mỗi mét băng chứa nhiều năm, chuỗi thời gian dài nhưng mỗi năm bị nén mỏng. Greenland tuyết rơi nhiều, mỗi năm dày hơn nên đọc được chi tiết, nhưng lớp băng không giữ được thời gian dài bằng.
Lõi băng có cho biết nhiệt độ ở Việt Nam ngày xưa không?
Không trực tiếp. Lõi băng phản ánh chủ yếu khí hậu vùng cực và thành phần khí quyển chung toàn cầu. Muốn biết khí hậu quá khứ ở Việt Nam, các nhà khoa học dùng trầm tích hồ, thạch nhũ trong hang động, phấn hoa và san hô, rồi đối chiếu với các chuỗi lõi băng.
Sau khi phân tích, lõi băng có bị bỏ đi không?
Không. Phần băng không dùng tới được giữ trong kho lạnh dưới âm hai mươi độ ở nhiều nước, làm lưu trữ cho các nghiên cứu sau này. Nhiều phát hiện mới đến từ việc phân tích lại lõi băng cũ bằng kỹ thuật chưa có vào lúc khoan.
