Hiệu ứng nhà kính là hiện tượng một số khí trong khí quyển giữ lại một phần nhiệt mà mặt đất toả ra, khiến bề mặt Trái Đất ấm hơn so với khi không có những khí đó. Đây là hiện tượng tự nhiên và cần thiết: nếu không có nó, nhiệt độ trung bình bề mặt sẽ thấp hơn nhiều, dưới điểm đóng băng của nước.
Vấn đề mà các nhà khoa học khí hậu nói tới là hiệu ứng nhà kính tăng thêm. Từ khi con người đốt than, dầu, khí ở quy mô lớn, nồng độ CO2 trong khí quyển tăng từ khoảng 280 phần triệu thời tiền công nghiệp lên hơn 420 phần triệu trong những năm gần đây. Nhiệt bị giữ lại nhiều hơn, và Trái Đất ấm dần lên.
Bài này giải thích cơ chế vật lý theo cách dễ hình dung, các khí nhà kính chính, cách các nhà khoa học đo và biết CO2 tăng do con người, và một điều hay bị nhầm: khí hậu khác thời tiết. Phần dự báo thời tiết hằng ngày thuộc lĩnh vực khí tượng, trang AI Thời Tiết bàn kỹ hơn.
Ánh sáng vào, nhiệt ra: cơ chế bằng lời thường
Mặt Trời rất nóng nên phát ra phần lớn năng lượng ở dạng ánh sáng nhìn thấy và gần nhìn thấy. Phần lớn ánh sáng này đi xuyên qua khí quyển, chiếu xuống làm mặt đất, mặt biển nóng lên. Mặt đất ấm không phát sáng như Mặt Trời, mà toả nhiệt ra ở dạng bức xạ hồng ngoại, thứ ánh sáng mắt người không thấy nhưng da cảm nhận được khi đứng gần một bức tường bị nắng chiếu cả ngày.
Ni tơ và ô xi, hai khí chiếm gần hết khí quyển, gần như trong suốt với hồng ngoại. Nhưng một số khí có phân tử gồm ba nguyên tử trở lên, như hơi nước, CO2, mê tan, hấp thụ được hồng ngoại ở những bước sóng nhất định. Phân tử hấp thụ năng lượng, rung lên, rồi phát lại bức xạ theo mọi hướng, trong đó có hướng quay về mặt đất. Kết quả là nhiệt thoát ra vũ trụ chậm hơn, bề mặt phải ấm thêm để cân bằng lại lượng năng lượng nhận vào và toả ra.
Hình ảnh chiếc chăn hay được dùng: chăn không tự sinh nhiệt, nhưng giữ nhiệt cơ thể toả ra. Thêm khí nhà kính giống như đắp thêm một lớp chăn mỏng. Tên gọi "nhà kính" thực ra không hoàn toàn đúng cơ chế, vì nhà kính trồng rau ấm chủ yếu do chặn không khí nóng bay đi, nhưng tên gọi đã quen nên vẫn được dùng.
Các khí nhà kính chính
Mỗi khí có khả năng giữ nhiệt và thời gian tồn tại trong khí quyển khác nhau. Bảng dưới tóm tắt đặc điểm định tính; con số cụ thể nên tra từ báo cáo đánh giá khí hậu mới nhất.
| Khí | Nguồn chính do con người | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Hơi nước | Không trực tiếp; lượng hơi nước tăng theo nhiệt độ | Đóng góp lớn nhất vào hiệu ứng nhà kính tự nhiên, nhưng đóng vai trò khuếch đại: không khí ấm hơn giữ nhiều hơi nước hơn |
| CO2 | Đốt nhiên liệu hoá thạch, sản xuất xi măng, phá rừng | Tồn tại rất lâu; phần lớn lượng tăng thêm vẫn ở trong khí quyển hàng thế kỷ |
| Mê tan | Khai thác than, dầu khí, chăn nuôi gia súc nhai lại, ruộng lúa ngập nước, bãi rác | Giữ nhiệt mạnh hơn CO2 rất nhiều tính trên mỗi phân tử, nhưng tồn tại ngắn hơn, cỡ một thập kỷ |
| N2O | Phân bón ni tơ, một số quy trình công nghiệp | Tồn tại lâu, giữ nhiệt mạnh |
| Khí chứa flo | Môi chất lạnh, một số quy trình công nghiệp | Lượng nhỏ nhưng một số loại giữ nhiệt cực mạnh và tồn tại rất lâu |
Ruộng lúa ngập nước sinh mê tan vì vi sinh vật trong bùn thiếu ô xi phân huỷ chất hữu cơ. Với một nước trồng lúa như Việt Nam, đây là lý do các kỹ thuật như tưới ướt khô xen kẽ được nghiên cứu nhiều. Phần kỹ thuật canh tác thuộc lĩnh vực nông nghiệp, trang AI Nông Nghiệp bàn sâu hơn.
Khoa học đã biết điều này từ bao giờ
Ý tưởng khí quyển giữ nhiệt cho Trái Đất đã được bàn từ đầu thế kỷ XIX. Năm 1859, nhà vật lý người Ireland John Tyndall đo được trong phòng thí nghiệm rằng hơi nước và CO2 hấp thụ bức xạ nhiệt trong khi ni tơ, ô xi thì gần như không. Năm 1896, nhà hoá học Thuỵ Điển Svante Arrhenius tính tay ước lượng đầu tiên về việc nhiệt độ Trái Đất thay đổi bao nhiêu nếu lượng CO2 tăng gấp đôi.
Từ năm 1958, nhà khoa học Charles David Keeling bắt đầu đo liên tục CO2 trong không khí ở đài quan sát Mauna Loa trên đảo Hawaii, xa nguồn ô nhiễm. Chuỗi số liệu ấy, gọi là đường cong Keeling, cho thấy hai điều: CO2 dao động lên xuống theo mùa do cây cối ở Bắc bán cầu hút và thải theo mùa, và nồng độ tăng đều đặn năm này qua năm khác.
Để biết CO2 trước khi có máy đo, các nhà khoa học khoan lấy lõi băng ở Nam Cực và Greenland. Băng tích luỹ hằng năm giữ lại những bọt khí nhỏ, giống như những chai mẫu không khí cổ. Phân tích các bọt khí này cho phép dựng lại nồng độ CO2 trong hàng trăm nghìn năm, và mức hiện nay cao hơn mọi thời điểm trong khoảng thời gian đó.
Làm sao biết CO2 tăng là do con người
Lượng phát thải khớp với lượng tăng. Từ số liệu khai thác và tiêu thụ than, dầu, khí, có thể tính lượng CO2 thải ra. Lượng tăng trong khí quyển chỉ khoảng một nửa lượng thải; phần còn lại được biển và thực vật hấp thụ.
Dấu vân tay đồng vị. Carbon trong nhiên liệu hoá thạch có tỉ lệ đồng vị khác carbon trong khí quyển hiện tại, vì nó đến từ thực vật cổ đã chôn hàng triệu năm. Khi đốt nhiên liệu này, tỉ lệ đồng vị trong khí quyển dịch chuyển đúng theo hướng dự đoán.
Ô xi giảm tương ứng. Đốt cháy tiêu thụ ô xi. Các phép đo chính xác cho thấy lượng ô xi trong khí quyển giảm rất nhẹ nhưng đều đặn, khớp với lượng nhiên liệu bị đốt.
Biển chua dần. Biển hấp thụ CO2 tạo thành axit cacbonic, làm độ pH nước biển giảm nhẹ. Đây là bằng chứng độc lập rằng CO2 đi vào hệ thống Trái Đất nhiều hơn.
Kiểu ấm lên khớp với khí nhà kính. Tầng khí quyển thấp ấm lên trong khi tầng bình lưu phía trên lạnh đi; đêm ấm nhanh hơn ngày. Nếu Mặt Trời mạnh lên thì cả hai tầng phải cùng ấm. Kiểu thay đổi quan sát được phù hợp với khí nhà kính hơn.
Khí hậu khác thời tiết: đừng nhầm hai thứ
Thời tiết là trạng thái khí quyển trong vài giờ, vài ngày ở một nơi: hôm nay nắng hay mưa, nóng hay lạnh. Khí hậu là trung bình và mức dao động của thời tiết qua nhiều năm, thường tính trên chu kỳ ba mươi năm. Một mùa đông rét đậm ở miền Bắc không phủ nhận việc khí hậu ấm lên, cũng như một ngày rất nóng không tự nó chứng minh điều ngược lại.
Khí hậu ấm lên làm thay đổi xác suất của các kiểu thời tiết: nắng nóng gay gắt dễ xảy ra hơn, không khí ấm giữ nhiều hơi nước hơn nên mưa cực đoan có thể lớn hơn. Ngành khoa học gọi là quy kết sự kiện cực đoan đang tìm cách ước lượng một đợt nắng nóng hay mưa lớn cụ thể trở nên dễ xảy ra hơn bao nhiêu do biến đổi khí hậu. Đây là lĩnh vực khó và kết quả luôn đi kèm khoảng không chắc chắn.
Khi đọc tin "đợt nắng nóng này do biến đổi khí hậu", cách hiểu đúng thường là biến đổi khí hậu làm đợt đó dễ xảy ra hơn hoặc gay gắt hơn, chứ không phải không có biến đổi khí hậu thì không bao giờ có nắng nóng.
Mô hình khí hậu và AI
Mô hình khí hậu là những chương trình máy tính chia khí quyển, đại dương, băng, đất thành hàng triệu ô và giải các phương trình vật lý về chuyển động, nhiệt, nước cho từng ô qua từng bước thời gian. Chúng chạy trên siêu máy tính, và được kiểm tra bằng cách cho chạy lại khí hậu quá khứ rồi so với quan sát.
Phần khó nhất là những quá trình nhỏ hơn kích thước một ô, như mây đối lưu. AI đang được thử ở nhiều khâu: học từ mô phỏng độ phân giải cao để thay các công thức gần đúng cho mây, chi tiết hoá kết quả mô hình toàn cầu xuống cấp tỉnh, và tăng tốc mô phỏng để chạy được nhiều kịch bản hơn. Các mô hình học máy dự báo thời tiết vài ngày cũng đã đạt độ chính xác cạnh tranh với mô hình truyền thống trong một số thử nghiệm.
Giới hạn quan trọng: AI học từ dữ liệu quá khứ, trong khi khí hậu tương lai có thể đi ra ngoài phạm vi đã từng xảy ra. Vì vậy các nhóm nghiên cứu thường kết hợp AI với vật lý chứ không thay thế hoàn toàn, và luôn kiểm xem mô hình có tuân thủ các định luật bảo toàn hay không.
Hỏi AI về biến đổi khí hậu mà không bị dắt mũi
Biến đổi khí hậu là chủ đề có nhiều tranh luận trên mạng, và chatbot có thể trả lời rất tự tin cả khi nhầm. Vài bước giúp bạn học hiệu quả:
- Hỏi cơ chế trước: "Giải thích cho học sinh lớp 10 vì sao CO2 giữ nhiệt mà ô xi thì không, dựa vào cấu trúc phân tử."
- Yêu cầu tách rõ: "Phần nào trong câu trả lời là kết luận có đồng thuận khoa học rộng, phần nào còn đang tranh luận về mức độ?"
- Kiểm mọi con số với báo cáo đánh giá khí hậu gần nhất của các tổ chức khoa học quốc tế hoặc cơ quan khí tượng trong nước.
- Khi gặp một lập luận phủ nhận trên mạng, nhờ AI tóm tắt lập luận đó và các bằng chứng liên quan, rồi tự đọc nguồn gốc.
- Với giáo viên, dùng AI soạn hoạt động thảo luận nhóm về thích ứng ở địa phương mình, như nắng nóng đô thị, triều cường, thay vì chỉ học khái niệm toàn cầu.
Nên nhớ chatbot không phải nguồn số liệu. Nó giỏi giải thích khái niệm, gợi ý câu hỏi, nhưng con số phải lấy từ nơi đo đạc.
Câu hỏi thường gặp
Nếu hơi nước là khí nhà kính mạnh nhất, sao không lo về hơi nước?
Lượng hơi nước trong khí quyển do nhiệt độ quyết định, thừa thì mưa xuống trong vài ngày. Nó không tự tăng nếu không có gì làm ấm lên trước. CO2 tồn tại lâu nên là "núm điều khiển", còn hơi nước khuếch đại tác động của nó.
Lỗ thủng tầng ô zôn có phải nguyên nhân Trái Đất nóng lên không?
Không. Đây là hai vấn đề khác nhau. Tầng ô zôn chặn tia cực tím, bị suy giảm do các khí CFC và đã được kiểm soát nhờ Nghị định thư Montreal. Một số khí CFC đồng thời là khí nhà kính, nên việc cắt giảm chúng có lợi cho cả hai.
Khí hậu Trái Đất từng thay đổi tự nhiên, sao lần này lại khác?
Khí hậu từng thay đổi do quỹ đạo Trái Đất, núi lửa, hoạt động Mặt Trời. Điều khác là tốc độ hiện nay rất nhanh, và các nguyên nhân tự nhiên đã được đo đạc không giải thích được mức ấm lên quan sát được, trong khi khí nhà kính do con người giải thích được.
Cây xanh có hút hết CO2 thải ra không?
Không hết. Thực vật và đại dương hấp thụ khoảng một nửa lượng CO2 con người thải ra, phần còn lại tích tụ trong khí quyển. Trồng rừng có ích nhưng không đủ bù lượng thải từ nhiên liệu hoá thạch.
Trái Đất đã ấm lên bao nhiêu độ?
Theo các báo cáo đánh giá khí hậu quốc tế, nhiệt độ bề mặt trung bình toàn cầu đã tăng khoảng hơn 1 độ C so với cuối thế kỷ XIX. Con số cập nhật theo từng năm nên bạn tra báo cáo mới nhất.
Học sinh có thể làm thí nghiệm hiệu ứng nhà kính không?
Có thể làm mô hình đơn giản: hai lọ thuỷ tinh có nhiệt kế, một lọ đậy kín, đặt dưới nắng hoặc đèn bàn, ghi nhiệt độ mỗi vài phút. Thí nghiệm này minh hoạ việc giữ nhiệt, chưa phải mô phỏng chính xác hấp thụ hồng ngoại của CO2. Không dùng lửa hay hoá chất.