Không khí trong bọt băng trẻ hơn lớp băng bao quanh vì khí chỉ bị nhốt kín khi lớp tuyết nén xốp phía trên đã dày vài chục tới hơn trăm mét, tức là nhiều năm sau khi tuyết rơi. Chênh lệch này gọi là chênh tuổi khí – băng.
Trong mọi kho lưu trữ khí hậu, lõi băng có một thứ độc nhất: những bọt khí nhỏ li ti chứa chính không khí của quá khứ, không phải dấu vết gián tiếp. Đo thành phần khí trong bọt, người ta biết khí quyển thời băng hà chứa bao nhiêu carbon dioxide, bao nhiêu methane. Nhưng muốn đặt những con số đó lên trục thời gian, phải giải được một nghịch lý nhỏ: trong cùng một mẩu băng, khí và băng có tuổi khác nhau.
Bọt khí trong băng hình thành thế nào?
Tuyết mới xốp, khí đi lại tự do
Tuyết mới rơi có tới hơn một nửa thể tích là không khí. Các lỗ xốp thông với nhau và thông với bầu khí quyển bên trên. Gió và sự khuếch tán liên tục trao đổi khí giữa tuyết và không khí.
Firn: lớp nén dần nhưng còn thông thoáng
Khi bị tuyết các năm sau đè lên, tuyết dần nén lại thành firn, hạt to và chặt hơn nhưng lỗ xốp vẫn thông nhau. Không khí trong firn vẫn lẫn được với khí quyển, chỉ chậm hơn. Lớp firn dày vài chục mét đến hơn một trăm mét tuỳ nơi.
Đóng kín: khí bị nhốt thành bọt
Tới đáy lớp firn, mật độ đủ cao để các lỗ xốp bị bịt kín thành từng bọt riêng biệt. Từ đó khí không còn trao đổi với bên ngoài. Thời điểm đóng kín này quyết định tuổi của khí trong bọt. Ở sâu hơn nữa, dưới áp suất lớn, bọt có thể biến thành tinh thể khí hydrat trong suốt, nhưng thành phần khí vẫn được giữ.
Chênh tuổi khí – băng lớn bao nhiêu?
Tuyết rơi năm nào thì băng mang tuổi năm đó. Còn khí trong cùng mẩu băng chỉ bị khoá lại khi lớp tuyết ấy chìm tới đáy firn, tức là sau hàng trăm hay hàng nghìn năm tuỳ tốc độ tuyết rơi. Trong suốt thời gian đó, khí trong lỗ xốp vẫn được thay bằng khí trẻ hơn từ bên trên. Kết quả là khí trẻ hơn băng bao quanh nó.
Ở Greenland, nơi tuyết rơi tương đối nhiều, chênh lệch thường cỡ vài trăm năm. Ở nội địa Nam Cực, nơi tuyết rơi rất ít, lớp firn chìm chậm, chênh lệch có thể lên tới vài nghìn năm, và lớn hơn nữa trong các thời kỳ băng hà lạnh, khô. Đây là những khoảng phổ biến trong tài liệu; mỗi lõi và mỗi đoạn có giá trị riêng, được tính bằng mô hình nén firn và kiểm bằng các dấu vết khác.
Băng và khí trong cùng một mẩu lõi khác nhau thế nào?
Khi đọc một biểu diễn khí cổ, hãy nhớ hai trục thời gian chạy song song nhưng lệch nhau.
| Đặc điểm | Băng | Khí trong bọt |
|---|---|---|
| Tuổi tính từ lúc | Tuyết rơi xuống mặt | Lỗ xốp đóng kín ở đáy firn |
| Ghi lại | Nhiệt độ qua đồng vị nước, bụi, tro, ion | Thành phần khí quyển: carbon dioxide, methane, nitơ oxit |
| Độ nét theo thời gian | Có thể tới từng năm ở đoạn nông | Bị trung bình hoá qua nhiều năm do khí lẫn trong firn |
| Thang tuổi | Đếm lớp, mô hình dòng chảy, mốc | Thang tuổi băng cộng thêm chênh tuổi khí – băng |
Dòng thứ ba hay bị bỏ qua: vì khí khuếch tán trong firn, mỗi bọt chứa hỗn hợp khí của một khoảng thời gian, không phải của đúng một năm. Lõi ở nơi tuyết rơi ít bị trung bình hoá mạnh hơn.
Người ta xác định chênh tuổi bằng cách nào?
Mô hình nén firn
Biết nhiệt độ và tốc độ tuyết rơi tại thời điểm đó, mô hình vật lý tính được firn dày bao nhiêu và tuyết mất bao lâu để chìm tới đáy. Nhưng nhiệt độ và tuyết rơi thời xưa lại phải ước từ chính lõi băng, nên mô hình có sai số riêng.
Đồng vị nitơ và argon
Trong cột khí đứng yên ở firn, phân tử nặng chìm xuống nhiều hơn chút ít dưới tác dụng trọng lực. Đo tỷ lệ đồng vị nitơ trong bọt cho biết cột firn dày bao nhiêu lúc khí bị nhốt. Khi nhiệt độ đổi đột ngột, chênh lệch nhiệt trong firn còn để lại dấu hiệu riêng, giúp đặt cùng một sự kiện khí hậu lên cả trục khí lẫn trục băng.
Ghép với lõi khác
Methane trong khí quyển hoà trộn khắp toàn cầu chỉ trong khoảng một, hai năm. Một bước nhảy methane ở lõi Greenland và lõi Nam Cực phải xảy ra cùng lúc, nên người ta dùng nó để đồng bộ thang tuổi khí giữa hai bán cầu.
Khí cổ đã cho biết điều gì về quá khứ?
Lõi băng Nam Cực cho thấy trong khoảng 800.000 năm, carbon dioxide khí quyển dao động nhịp nhàng theo các chu kỳ băng hà và gian băng: khoảng 180 đến 190 phần triệu trong các thời kỳ băng hà lạnh nhất, khoảng 280 đến 300 phần triệu trong các thời kỳ gian băng ấm. Methane dao động cùng nhịp. Nhiệt độ suy từ đồng vị nước trong băng biến đổi song hành với hai khí này.
Các phép đo trực tiếp ngoài trời từ giữa thế kỷ 20 tới nay cho thấy carbon dioxide hiện vượt khoảng 420 phần triệu, nằm ngoài dải dao động của toàn bộ bản ghi lõi băng. Đây là kết quả đo đạc; việc bàn chính sách nằm ngoài phạm vi bài này. Với người học niên đại, điều đáng chú ý là chỉ có chênh tuổi khí – băng được tính đúng thì mới nói được khí và nhiệt độ thay đổi trước sau ra sao, chậm hay nhanh bao nhiêu thế kỷ.
Mô phỏng chênh tuổi khí – băng trong một tiết học thế nào?
Giáo viên Địa lí hay Khoa học tự nhiên có thể cho học sinh tự thấy vì sao khí trẻ hơn băng chỉ với giấy, bút và một cái cốc trong suốt.
- Mỗi nhóm nhận một cốc nhựa trong và các tấm bìa mỏng cắt tròn vừa lòng cốc; mỗi tấm bìa là tuyết của một năm, ghi số năm bằng bút ở mặt dưới.
- Thả lần lượt từng tấm vào cốc, năm 1 ở đáy. Quy ước: ba tấm trên cùng là lớp firn, khí trong đó còn thông với bên ngoài.
- Mỗi lần thả thêm một tấm, tấm thứ tư tính từ trên xuống được coi là vừa đóng kín, và học sinh ghi lại: tấm này mang năm bao nhiêu, còn khí bị nhốt trong nó là khí của năm hiện tại.
- Lập bảng hai cột: tuổi băng và tuổi khí của từng tấm, rồi tính hiệu số. Học sinh thấy chênh lệch luôn bằng số năm nằm trong lớp firn.
- Lặp lại với lớp firn dày sáu tấm để mô phỏng nơi tuyết rơi ít, và so sánh chênh lệch hai trường hợp.
Mô hình đơn giản bỏ qua khuếch tán và nén dần, nhưng đủ để học sinh hiểu ý chính: chênh tuổi do độ dày lớp firn quyết định, và nơi tuyết rơi ít thì chênh lớn hơn.
Lỗi hay gặp khi đọc số liệu khí cổ
Đọc tuổi băng cho số liệu khí. Hai trục lệch nhau; nhiều tranh luận về khí đi trước hay nhiệt độ đi trước bắt nguồn từ chỗ này.
Coi mỗi điểm dữ liệu là một năm. Mỗi phép đo khí cổ đại diện cho trung bình nhiều năm, có khi vài thế kỷ ở lõi Nam Cực.
Nghĩ bọt khí có thể bị nhiễm dễ dàng. Băng được giữ lạnh liên tục và khí được tách trong chân không; các phòng thí nghiệm khác nhau đo lại cùng đoạn băng và cho kết quả khớp nhau.
Quên giới hạn độ sâu. Ở đoạn rất sâu gần nền đá, băng có thể bị xáo trộn; số liệu khí ở đó được dùng thận trọng.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao không khí trong lõi băng trẻ hơn băng?
Vì khí còn trao đổi với khí quyển qua lớp tuyết nén xốp cho tới khi lỗ xốp đóng kín ở đáy lớp này, nhiều năm sau khi tuyết rơi.
Chênh tuổi khí và băng thường là bao nhiêu?
Ở Greenland cỡ vài trăm năm, ở nội địa Nam Cực có thể vài nghìn năm, lớn hơn trong thời kỳ băng hà. Mỗi lõi có giá trị riêng được tính bằng mô hình.
Bọt khí trong băng giữ được bao lâu?
Bản ghi khí liên tục dài nhất hiện nay từ lõi băng Nam Cực bao trùm khoảng 800.000 năm. Ở đoạn sâu, bọt chuyển thành tinh thể hydrat nhưng vẫn giữ thành phần khí.
Đo khí trong bọt băng bằng cách nào?
Mẫu băng được nghiền hoặc làm tan trong chân không để giải phóng khí, sau đó đo nồng độ bằng máy phân tích khí và khối phổ.
Vì sao methane dùng để đồng bộ lõi băng hai bán cầu?
Methane hoà trộn khắp khí quyển trong khoảng một, hai năm, nên một bước thay đổi methane xảy ra gần như cùng lúc ở cả Greenland và Nam Cực.