Các nhà nghiên cứu đã trích xuất các mẫu băng sâu từ Nam Cực để bảo tồn thành phần khí quyển của ba triệu năm trước. Tài liệu được thu thập cung cấp cái nhìn chi tiết về mối quan hệ lịch sử giữa nồng độ khí nhà kính và sự thay đổi nhiệt độ trên hành tinh. Phân tích trong phòng thí nghiệm cho phép các chuyên gia tái tạo lại khí hậu trong quá khứ với độ chính xác cao. Dữ liệu phục vụ như một kho lưu trữ vật lý không thể thay đổi về các điều kiện môi trường nguyên sơ.
Nghiên cứu đặc biệt tập trung vào mức độ carbon dioxide và metan bị mắc kẹt trong các bong bóng khí cực nhỏ bên trong các tảng băng. Hiểu được kịch bản cổ xưa này sẽ cung cấp cơ sở so sánh cơ bản để đánh giá tốc độ biến đổi khí hậu hiện nay. Dữ liệu chỉ ra rằng phản ứng của hệ thống Trái đất đối với sự tích tụ khí xảy ra dần dần và kéo dài. Quán tính nhiệt của hành tinh đóng vai trò trung tâm trong quá trình nóng lên này.
Khoan cực độ và niên đại của khí hậu Trái đất
Để có được những mẫu này đòi hỏi phải sử dụng thiết bị khoan hạng nặng trong điều kiện cực lạnh trên lục địa Nam Cực. Mỗi năm, tuyết rơi trong khu vực sẽ tích tụ và nén các lớp bên dưới, biến thành băng rắn qua hàng thiên niên kỷ. Quá trình cơ học tự nhiên này tạo ra một kho lưu trữ địa tầng liên tục. Độ sâu của mẫu tương ứng trực tiếp với tuổi theo thời gian của nó. Những khối băng dài hàng km được loại bỏ hết sức cẩn thận.
Các nhà khoa học sử dụng các kỹ thuật xác định niên đại tiên tiến để thiết lập dòng thời gian chính xác của từng mảnh được lấy ra từ độ sâu. Tính toàn vẹn vật lý của bình đựng đá được duy trì trong buồng làm lạnh được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình vận chuyển đến phòng thí nghiệm. Bảo quản đúng cách sẽ ngăn ngừa ô nhiễm hoặc mất mát khí ban đầu chứa trong các khoang vi mô. Bất kỳ sự thay đổi nào về nhiệt độ trong suốt hành trình đều có thể ảnh hưởng đến giá trị của nghiên cứu.
Khoảng thời gian ba triệu năm trước đại diện cho một kỷ nguyên địa chất được cộng đồng khoa học quốc tế rất quan tâm. Trong giai đoạn này, hành tinh này có các đặc điểm địa lý và sinh học khác với ngày nay, nhưng hoạt động theo cùng các định luật vật lý khí quyển. Việc tái thiết kịch bản này đòi hỏi phải vượt qua thông tin về băng với các ghi chép về trầm tích đại dương và hóa thạch biển. Việc kết hợp các nguồn này xác nhận những khám phá về khí hậu tổ tiên.
Phân tích đồng vị và đo nhiệt độ cổ xưa
Phương pháp trung tâm để xác định nhiệt độ trong quá khứ liên quan đến việc phân tích các đồng vị oxy và hydro có trong các phân tử nước đóng băng. Tỷ lệ giữa các loại đồng vị khác nhau thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ toàn cầu tại thời điểm xảy ra lượng mưa ban đầu. Thiết bị quang phổ khối đọc các dấu hiệu hóa học này với sai số tối thiểu. Độ chính xác của công nghệ hiện tại giúp có thể lập bản đồ các biến thể của phân số của một độ.
Các bong bóng khí bị mắc kẹt trong băng đóng vai trò như những viên nang thời gian bất khả xâm phạm của bầu khí quyển sơ khai của Trái đất. Việc khai thác các loại khí này diễn ra trong buồng chân không, nơi băng bị nghiền nát hoặc tan chảy trong những điều kiện nghiêm ngặt để giải phóng các chất khí. Các nhà nghiên cứu đo nồng độ chính xác của carbon dioxide theo phần triệu. Thủ tục thiết lập mật độ nhà kính của thời đại cụ thể đó.
Kết quả trong phòng thí nghiệm cho thấy, ba triệu năm trước, nồng độ carbon dioxide trong khí quyển là khoảng 400 phần triệu. Sự tập trung này rất giống với tốc độ được ghi nhận vào đầu thế kỷ hiện tại, trước đợt tăng tốc công nghiệp gần đây nhất. Tuy nhiên, nhiệt độ trung bình toàn cầu vào thời điểm đó cao hơn đáng kể so với nhiệt độ quan sát được trong kỷ nguyên hiện đại. Sự tương phản giữa các thời kỳ đặt ra những câu hỏi quan trọng về động lực khí hậu.
Mực nước đại dương và quán tính nhiệt của hành tinh
Sự chênh lệch giữa mức độ của các loại khí tương tự và nhiệt độ khác nhau cho thấy khái niệm quán tính nhiệt của hệ thống khí hậu. Trái đất có một khối lượng lớn các đại dương và các chỏm băng ở hai cực hấp thụ nhiệt cực kỳ chậm trong nhiều thế kỷ. Sự nóng lên được ghi nhận trong quá khứ địa chất xảy ra sau một thời gian dài tiếp xúc liên tục với nồng độ khí cao. Hành tinh này cần có thời gian để phản ánh toàn bộ tác động của bầu khí quyển.
Các ghi chép địa chất song song cho thấy mực nước biển trung bình ba triệu năm trước cao hơn ngày nay từ 10 đến 20 mét. Lượng nước lỏng bổ sung này là kết quả của sự tan chảy đáng kể của các tảng băng ở Greenland và chính Tây Nam Cực. Địa lý ven biển của hành tinh có những đường viền hoàn toàn khác nhau. Các khu vực lục địa rộng lớn mà ngày nay có các đô thị lớn đã bị nước biển nhấn chìm hoàn toàn.
Việc quan sát những sự kiện trong quá khứ này cho phép các nhà nghiên cứu dự đoán sự phát triển vật lý lâu dài của hệ thống Trái đất hiện tại và hiểu được cơ chế nóng lên:
- Sự tích tụ liên tục của carbon dioxide làm tăng khả năng lưu giữ bức xạ hồng ngoại trong khí quyển.
- Sự giãn nở nhiệt của nước biển trực tiếp góp phần làm mực nước biển dâng cao.
- Thềm băng tan chảy làm thay đổi độ mặn và dòng hải lưu toàn cầu
- Quán tính của hệ thống đảm bảo rằng sự nóng lên vẫn tiếp tục ngay cả sau khi lượng khí thải ổn định.
- Các khu vực ven biển phải đối mặt với những rủi ro về cấu trúc do mực nước dâng cao.
Động lực phản ứng chậm có nghĩa là toàn bộ hậu quả của thành phần khí quyển hiện tại vẫn chưa được hiện thực hóa đầy đủ. Các đại dương, rừng và đất tiếp tục hấp thụ một phần năng lượng nhiệt dư thừa. Chúng hoạt động như những vùng đệm tạm thời cho khí hậu toàn cầu. Khi khả năng hấp thụ của các bồn tự nhiên này đạt đến giới hạn thì nhiệt độ bề mặt sẽ tăng lên rõ rệt và nhanh hơn.
Tiêu chuẩn tự nhiên và sự can thiệp của công nghiệp hiện đại
Sự khác biệt chính giữa thời kỳ ba triệu năm trước và kịch bản hiện tại nằm ở tốc độ biến đổi khí quyển. Trong lịch sử địa chất, những thay đổi về nồng độ khí nhà kính đã xảy ra trong hàng chục nghìn năm. Quá trình này được thúc đẩy bởi các chu kỳ quỹ đạo và hoạt động của núi lửa. Thiên nhiên đã có đủ thời gian để toàn bộ hệ sinh thái thích ứng với những thay đổi dần dần về nhiệt độ và địa lý.
Việc bơm carbon dioxide vào khí quyển hiện nay diễn ra trong khoảng thời gian hơn một thế kỷ, kể từ khi bắt đầu Cách mạng Công nghiệp. Việc đốt nhiên liệu hóa thạch trên quy mô lớn đã đưa một lượng carbon vào không khí phá vỡ mọi mô hình tự nhiên được ghi nhận trong lõi băng. Tốc độ của quá trình này ngăn cản các cơ chế điều tiết của hành tinh hoạt động với hiệu quả như trước đây. Sự mất cân bằng xảy ra với tốc độ chưa từng có trong lịch sử khí hậu được ghi lại.
Việc nghiên cứu các mẫu ở Nam Cực củng cố sự hiểu biết rằng tính chất vật lý của khí hậu tuân theo các quy luật nghiêm ngặt và có thể định lượng được. Mối quan hệ trực tiếp giữa mật độ khí và nhiệt độ toàn cầu vẫn là một hằng số không thay đổi trong lịch sử Trái đất. Dữ liệu được trích xuất từ lớp băng sâu đóng vai trò cảnh báo dựa trên bằng chứng vật lý về quỹ đạo khí hậu trong những thập kỷ tới. Khoa học sử dụng quá khứ địa chất để giải mã các cơ chế hình thành nên môi trường Trái đất trong những thế kỷ tới.