Các cuộc thám hiểm khoa học gần đây đã lấy được các mẫu hình trụ từ chỏm băng Nam Cực chứa băng hình thành khoảng 3 triệu năm trước. Những vật liệu này chứa các khoang khí nhỏ bên trong. Không khí bị mắc kẹt trong các bong bóng này đóng vai trò như một bản ghi trực tiếp về thành phần khí quyển của Trái đất trong các thời đại địa chất xa xôi. Mục tiêu của các nhà nghiên cứu là so sánh các đặc điểm của khí hậu cổ xưa này với các điều kiện khí tượng và khí quyển mà hành tinh hiện đang phải đối mặt.
Các nhóm chuyên về băng hà học và cổ khí hậu học tập trung phân tích nồng độ carbon dioxide (CO₂) và metan (CH₄) được bảo quản trong vật liệu. Những khí nhà kính này hoạt động như những chỉ số chính xác về cách hành tinh này phản ứng với những biến động tự nhiên về năng lượng mặt trời trong quá khứ. Các kết quả thu được từ băng được so sánh với các mô hình máy tính hiện đại dự báo hiện tượng nóng lên toàn cầu. Cơ sở dữ liệu cung cấp tài liệu tham khảo lịch sử cần thiết để hiệu chỉnh các dự báo khí hậu trong những thập kỷ tới.
Quá trình khoan và xác định niên đại của mẫu đông lạnh
Để có được lõi băng đòi hỏi phải thực hiện các hoạt động khoan sâu ở các lớp rộng lớn ở Nam Cực. Tuyết rơi hàng năm tích tụ trên bề mặt và trải qua quá trình nén liên tục. Quá trình này hình thành các tầng chồng chéo hoạt động như một kho lưu trữ khí hậu có độ phân giải cao. Việc trích xuất một hình trụ liên tục cho phép các nhà khoa học truy cập vào dòng thời gian vật lý. Trình tự này kéo dài từ bề mặt gần đây đến độ sâu đại diện cho hàng triệu năm lịch sử địa chất.
Những phần băng gần mốc 3 triệu năm có biểu hiện biến dạng cấu trúc do áp lực to lớn phải chịu đựng trong nhiều thiên niên kỷ. Vượt qua trở ngại phân tích này xảy ra thông qua các kỹ thuật hẹn hò tiên tiến. Các phòng thí nghiệm sử dụng số lượng đồng vị phóng xạ và thông tin tham khảo chéo với hồ sơ trầm tích biển để xác định tuổi chính xác của mỗi lớp. Độ chính xác của các phương pháp này đảm bảo độ tin cậy của các ước tính tạm thời áp dụng cho nghiên cứu khí hậu.
Khoảng thời gian được khảo sát tương ứng với thế Pliocen. Kỷ nguyên địa chất này ghi nhận nhiệt độ trung bình toàn cầu cao hơn nhiệt độ được ghi nhận trong suốt thế kỷ 20. Các đại dương cách bờ biển hiện tại vài mét. Sự khác biệt trong thời kỳ này nằm ở chỗ không có sự can thiệp của con người. Hành tinh này hoạt động ở trạng thái ấm hơn mà không cần đốt nhiên liệu hóa thạch. Kịch bản này cung cấp cho khoa học một cơ sở so sánh rõ ràng để đánh giá mức độ nóng lên do các hoạt động công nghiệp gây ra kể từ Cách mạng Công nghiệp.
Phân tích trong phòng thí nghiệm về bọt khí bị mắc kẹt
Cơ chế hình thành bọt khí xảy ra trong quá trình chuyển từ tuyết sang băng dày đặc. Quá trình nén dần dần loại bỏ các khoảng trống giữa các tinh thể đông lạnh. Các lỗ chân lông đóng kín qua nhiều thế kỷ. Không khí từ môi trường xung quanh của thời đại cụ thể đó bị mắc kẹt bên trong cấu trúc. Hỗn hợp khí tạo nên bầu không khí của thời kỳ đó vẫn được bảo quản gần như không thay đổi bên trong mỗi viên nang siêu nhỏ.
Xử lý vật liệu đòi hỏi môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ. Các chuyên gia cắt các mảnh milimet từ lõi chính và đưa chúng vào các buồng chiết chuyên dụng. Băng bị nứt trong điều kiện chân không tuyệt đối. Quy trình này giải phóng không khí tổ tiên vào hệ thống phân tích mà không có nguy cơ bị ô nhiễm bởi không khí hiện đại. Thiết bị quang phổ có độ nhạy cao đo tỷ lệ chính xác của CO₂, CH₄ và các loại khí vi lượng khác có trong mẫu.
Việc tái tạo bầu khí quyển cổ xưa phụ thuộc vào sự tích hợp của nhiều biến số được trích xuất từ cùng một mảnh. Bản thân cấu trúc của nước đóng băng mang dữ liệu cơ bản cho nghiên cứu. Tỷ lệ đồng vị oxy và hydro cho thấy sự dao động nhiệt độ cục bộ tại thời điểm tuyết rơi. Nhóm khoa học tổng hợp các phép đo khí, phân tích đồng vị và đếm vi hạt bụi. Việc kết hợp thông tin này cho phép tạo ra một cái nhìn tổng quan chi tiết về động lực khí hậu hàng triệu năm trước.
Mối quan hệ lịch sử giữa khí nhà kính và nhiệt độ
Việc mở rộng các kỷ lục băng hà lên mốc 3 triệu năm xác nhận các mô hình hành vi khí quyển được xác định trong các mẫu gần đây hơn. Sự gia tăng nồng độ CO₂ xảy ra trước sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu. Sự nóng lên của hành tinh xảy ra với độ trễ phản ứng vài trăm năm sau khi khí đạt đỉnh điểm. Khí mê-tan cho thấy động lực tương tự trong hồ sơ. CH₄ có khả năng giữ nhiệt lớn hơn, mặc dù nó lưu thông với thể tích nhỏ hơn trong bầu khí quyển Trái đất.
Ước tính cho các giai đoạn nóng nhất của Pliocene cho thấy nồng độ CO₂ gần 400 phần triệu. Nhiệt độ trung bình của hành tinh hoạt động cao hơn vài độ so với tốc độ hiện tại trong cấu hình khí quyển này. Nhiệt tăng thêm gây ra sự rút lui đáng kể của các khối băng lớn ở Greenland và Tây Nam Cực. Sự tan chảy quy mô lớn đã định hình lại địa lý vùng cực của kỷ nguyên địa chất đó.
Các nghiên cứu bổ sung được thực hiện ở các hệ tầng trầm tích ven biển cho thấy mực nước biển đạt mức cao hơn tiêu chuẩn hiện nay từ 10 đến 20 mét. Mối tương quan giữa sự hiện diện của các loại khí và sự biến đổi nhiệt xác định mức độ nhạy cảm với khí hậu của Trái đất. Chỉ báo này thiết lập mức độ nóng lên trung bình được tạo ra bởi một lượng CO₂ cụ thể. Lõi băng chứng minh rằng hệ thống khí hậu duy trì phản ứng nhất quán theo thời gian địa chất. Mối liên hệ giữa nồng độ khí và khả năng giữ nhiệt chiếm ưu thế so với những biến đổi tự nhiên của quỹ đạo và độ nghiêng của trục Trái đất.
Dự báo khí hậu dựa trên hồ sơ Pliocene
Các trạm quan trắc khí quyển hiện tại ghi nhận nồng độ CO₂ vượt quá 420 phần triệu. Chỉ số này vượt quá tất cả các giá trị tối đa được ghi nhận ở các lõi băng lâu đời nhất từng được phục hồi. Nhân loại đã nâng thành phần hóa học của khí quyển lên một mức độ chưa từng có trong quy mô địa chất có thể được xác minh trực tiếp bằng các mẫu lấy từ Nam Cực.
Các mô hình dự báo khí hậu kết hợp dữ liệu băng cổ để tính toán các kịch bản trong tương lai. Các mô phỏng cho thấy sự nóng lên nghiêm trọng hơn trong những thập kỷ tới. Hệ thống khí hậu phản ứng chậm với những thay đổi trong thành phần không khí. Việc giảm lượng khí thải ngay lập tức không ngăn cản việc tiếp tục một số quy trình đã bắt đầu. Các chỏm cực, dòng hải lưu và thảm thực vật phải mất hàng thế kỷ để thiết lập điểm cân bằng nhiệt mới. Cộng đồng khoa học tổ chức các khám phá về cấu trúc như sau:
- Động lực học khí: Sự gia tăng nồng độ CO₂ và CH₄ xảy ra trước và đi kèm với các giai đoạn nóng lên toàn cầu kéo dài.
- Sự giãn nở nhiệt: Sự nóng lên của nước biển tạo ra sự giãn nở thể tích và đẩy nhanh quá trình tan chảy của các thềm băng ven biển.
- Sự trỗi dậy của đại dương: Các kỷ nguyên địa chất có mức CO₂ tương đương với mức ngày nay đã ghi nhận đường bờ biển cao hơn đáng kể.
- Tốc độ thay đổi: Quá trình chuyển đổi khí hậu tự nhiên trong quá khứ cần đến hàng thiên niên kỷ, trong khi những thay đổi hiện đại chỉ diễn ra trong khoảng thời gian vài thập kỷ.
Các lõi băng 3 triệu năm tuổi hoạt động như một kho lưu trữ các khả năng và giới hạn vật lý của hành tinh. Việc vượt quá một lượng khí nhà kính nhất định sẽ gây ra các cơ chế phản ứng không thể tránh khỏi. Sự gia tăng nhiệt độ, sự tan chảy ở các cực và sự thay đổi chế độ mưa tuân theo các nguyên tắc đã được thiết lập của nhiệt động lực học khí quyển. Quan sát quá khứ củng cố sự hiểu biết về hoạt động cơ học của khí hậu Trái đất.
Việc tích hợp dữ liệu thu được từ băng với thông tin từ trầm tích biển và vòng sinh trưởng của cây tạo thành một cơ sở kiến thức vững chắc. Khí hậu hiện nay đang tiến tới trạng thái nhiệt giống như Pliocene. Sự khác biệt trung tâm nằm ở tốc độ chuyển đổi. Việc đốt nhiên liệu hóa thạch liên tục, mở rộng nông nghiệp và thay đổi cách sử dụng đất đã đẩy nhanh quá trình này với tốc độ chưa từng thấy. Các lớp đóng băng của Nam Cực cung cấp số liệu chính xác về hậu quả của việc tích tụ khí. Nghiên cứu về băng cổ chuyển đổi các ghi chép trong quá khứ thành các thông số cơ bản để hoạch định các chính sách giảm thiểu khí hậu trong hiện tại.
