Khảo sát thời tiết qua vòng gỗ và lõi băng

Nhiệt kế được phát minh từ thế kỷ thứ 17 nhưng đến giữa thế kỷ thứ 19 thì nhiệt độ mới được ghi lại trên giấy tờ. Trước đó thì hầu như không có dữ liệu cụ thể về nhiệt độ trên thế giới, muốn khảo cứu về nhiệt độ trong quá khứ các nhà khoa học phải dùng những phương tiện khác để suy ra thời tiết.

Có nhiều cách để biết thời tiết trong quá khứ, trong bài này tôi xin nói về hai phương pháp chính dùng vòng gỗ (tree ring) và lõi băng (ice core).

Khảo sát khí hậu qua vòng gỗ

Vòng gỗ là gì: Cây nói tới trong bài này là cây thân gỗ, có nghĩa là cây thuộc loại sống lâu năm. Mỗi năm đều tăng trưởng và trong thân cây là gỗ. Khi cưa ngang một thân cây thì thấy thân cây có nhiều vòng có màu đậm nhạt từ trong ra ngoài. Vì môi trường ảnh hưởng tới sự tăng trưởng của cây và cây sống lâu năm nên khảo cứu thân cây có thể cho ta biết về môi trường trong suốt thời gian cây sống, thí dụ năm nào khô hay năm nào mưa nhiều.

Khoa nghiên cứu vòng gỗ: Có một khoa chuyên nghiên cứu vòng gỗ theo thời gian, tiếng Anh gọi là dendrochronology rút ra từ những chữ Hy Lạp: dendron = cây, chrono = thời gian, logy = nghiên cứu về. Trước Công Nguyên nhà thực vật học người Hy Lạp Theophrastus đã nhận thấy thân cây có vòng. Vào thế kỷ thứ 15 chính ông Leonardo da Vinci, nhà thông thái nổi tiếng, là người đầu tiên nhận xét là vòng gỗ được hình thành từng năm một và độ dày tùy thuộc vào môi trường chung quanh vào thời điểm cây tăng trưởng.

Sau đó có rất nhiều nhà khoa học đã khảo sát vòng gỗ và từ đó suy ra những dữ kiện về thời tiết trong quá khứ. Vào năm 1937 ông Andrew E. Douglass, một nhà thiên văn học, đã thiết lập một phòng thí nghiệm đặc biệt chuyên khảo sát vòng gỗ để tìm hiểu về thời tiết và môi trường trong quá khứ. Phòng thí nghiệm đó là Laboratoy of Tree-Ring Research tại Đại Học Arizona ở Tucson. Bộ sưu tập các mẫu vòng gỗ tại trung tâm nghiên cứu này có thể nói là lớn nhất thế giới.

Vòng gỗ thường có ở những cây vùng ôn đới. Vùng nhiệt đới vì không có bốn mùa rõ rệt như vùng ôn đới mà chỉ có mùa mưa và mùa nắng nên đa số cây không có vòng gỗ. Cây vùng ôn đới thường thì có hai vòng một năm, một màu nhạt và một màu đậm. Cây tăng trưởng vào mùa Xuân, vòng lớn hơn và có màu nhạt. Vào mùa Thu cây tăng trưởng chậm, vòng đậm và nhỏ. Đến mùa Đông thì cây không tăng trưởng. Rồi đến mùa Xuân sang năm thì lại bắt đầu một chu kỳ mới, tức là làm ra một vòng mới.

Hình dạng của những vòng gỗ cho biết tình trạng khí hậu trong suốt quá trình tăng trưởng của cây. Năm nào mưa nhiều thì vòng lớn. Năm nào khô, ít mưa thì vòng nhỏ hơn. Những vết đen như than có thể là dấu hiệu bị cháy.

Không nhất thiết phải chặt cây xuống để nghiên cứu vòng gỗ, các nhà khoa học có một dụng cụ như một cái khoan, nhưng rỗng ruột. Khoan từ ngoài vỏ cây vào đến trung tâm của thân cây, phần rỗng của khoan cho ra một mẫu vòng gỗ, gọi là mẫu lõi khoan. Mẫu này dùng để nghiên cứu vòng gỗ của cây. Làm cách này thì cây vẫn sống không chết.

Một kỹ thuật quan trọng trong khoa nghiên cứu vòng gỗ, đó là kỹ thuật định tuổi chồng chéo (cross dating). Kỹ thuật định tuổi chồng chéo là so khớp vòng gỗ của mẫu lõi của hai cây khác nhau. Một khi hai mẫu lõi đã có một phần ăn khớp, nếu biết niên đại của một cây thì có thể nới rộng ra cho niên đại của cây kia. Hiện nay kỹ thuật này không những được dùng để khảo sát thời tiết mà còn được dùng để định tuổi của các vật dụng hay các kiến trúc xưa bằng gỗ.

Khảo sát khí hậu qua lõi băng

Băng hà được thành hình từ sự chồng chất của tuyết năm này qua năm khác. Mỗi một lớp tuyết có một đặc tính về hóa chất và kết cấu khác nhau. Theo thời gian lớp tuyết trước bị đè nén bởi những lớp tuyết sau, dần dần trở thành băng đá. Những hạt bụi hay hóa chất tan vào tuyết cũng chìm trong băng đá. Một thành phần quan trọng của băng đá là các bong bóng không khí bị nhốt trong đó. Những bong bóng chứa không khí trong thời gian cả ngàn năm về trước.

Để có những tảng băng từ ngàn xưa các nhà khoa học dùng một cái khoan tròn và rỗng ở giữa để khoan vào tảng băng. Lõi băng là thỏi băng hình tròn rút ra từ lòng máy khoan, thường dài từ 1 mét tới 6 mét. Lõi băng lấy sâu nhất tới 3 cây số dưới băng đá. Phần lớn lõi băng được khoan ở Nam Cực và Greenland nhưng cũng có ở chỗ khác như Hy Mã Lạp Sơn. Được biết Greenland là một đảo lớn ở gần Bắc Cực và phần lớn đất đai được phủ một lớp đá băng dày. Những lõi băng ở Greenland xưa tới khoảng 123,000 năm về trước, còn ở Nam Cực lõi băng kéo dài tới 800,000 năm.

Lõi băng cho biết thông tin về thời tiết và những dữ kiện khác của không khí trong quá khứ. Cũng như vòng gỗ, lõi băng thay đổi theo mùa. Chỗ vòng trong sáng hơn tương ứng với mùa hè, lúc đó khí hậu ấm, có nhiều hơi nước nên nhiều tuyết và tương đối sạch. Vòng đen hơn tương ứng với mùa Đông khi có ít tuyết và tuyết có nhiều bụi lẫn trong đó. Những lớp này rất mỏng, có khi chỉ dày khoảng vài mili mét. Đếm những lớp như vật sẽ cho biết niên lịch của lõi băng.

Các nhà khoa học có thể đo trực tiếp các thành phần của không khí trong những năm của lõi băng bằng cách phân tích những bong bóng không khí còn tích tụ trong lõi băng. Thí dụ các nhà khoa học biết rõ thành phần của các khí nhà kính như cacbon đioxit (CO2) từ xưa tới nay nhờ vào lõi băng. Không có phương pháp nào để biết nhiệt độ qua lõi băng một cách trực tiếp được, nên các nhà khoa học phải dùng một phương pháp gián tiếp qua những đặc tính của nguyên tử oxy.

Hoa Kỳ có một cơ quan chuyên về tồn trữ và nghiên cứu các lõi băng, được gọi là NSF-ICF (National Science Foundation – Ice Core Facility). Cơ quan này có một buồng đông lạnh lớn tới 55,000 cubic feet (một tủ đông lạnh ở nhà chỉ khoảng cỡ 20 cubic feet) và được giữ ở nhiệt độ -36 độ C. Cơ quan này chứa 17,000 mét lõi băng thu thập từ nhiều nơi trên thế giới.

Kết luận

Dùng vòng gỗ và lõi băng các nhà khoa học đã biết được thời tiết từ mấy trăm ngàn năm về trước. Từ những thông tin đó họ tìm ra những nguyên nhân làm cho thời tiết thay đổi trong quá khứ. Điều này giúp cho sự tiên đoán thời tiết trong tương lai.

Các nhà khoa học cũng đã dùng những dữ kiện rút ra từ những lõi băng để chứng minh là mức cacbon đioxit trong không khí tăng vọt lên tới 40% kể từ khi có cách mạng kỹ nghệ. (Hà Dương Cự)

—–
Nguồn tài liệu: www.ltrr.arizona.edu, https://earthobservatory.nasa.gov