Mỗi kho lưu trữ khí hậu có ba thông số riêng: đi xa được bao lâu, mỗi điểm dữ liệu gói bao nhiêu năm, và tuổi sai bao nhiêu. Câu hỏi về từng năm cần vòng cây hay san hô; câu hỏi về trăm nghìn năm cần lõi băng hay bùn đáy biển.
Khi một bản tin nói nhiệt độ thời điểm này ấm hơn thời điểm kia, hay một đợt hạn kéo dài bao nhiêu năm, con số ấy luôn đến từ một kho lưu trữ cụ thể với giới hạn cụ thể. Các nhà khoa học gọi những dấu vết gián tiếp này là dữ liệu đại diện (proxy): không phải nhiệt kế, mà là thứ thay đổi theo nhiệt độ hoặc lượng mưa. Đọc đúng chúng đòi hỏi trả lời ba câu hỏi trên trước, rồi mới bàn đến nội dung. Bài này đặt các kho lưu trữ cạnh nhau và gợi ý cách dùng chúng trong lớp học.
Ba thông số cần hỏi với mọi kho lưu trữ khí hậu
Ba thông số này độc lập với nhau. Một bản ghi có thể rất dài nhưng thô, hoặc rất nét nhưng ngắn. Nhầm giữa chúng là nguồn gốc của phần lớn hiểu lầm.
Độ dài bản ghi. Kho lưu trữ đi lùi được bao xa trước khi đứt hoặc không còn tin được. Chuỗi vòng cây liên tục dài nhất khoảng hơn mười nghìn năm; lõi băng Nam Cực khoảng 800.000 năm; bùn đáy biển hàng triệu năm.
Độ phân giải. Mỗi điểm dữ liệu đại diện cho bao nhiêu thời gian. Một vòng cây là một năm; một lát bùn đáy biển dày một centimét có thể gói cả nghìn năm. Độ phân giải thô không phải lỗi, nó chỉ quyết định loại câu hỏi trả lời được.
Sai số tuổi. Con số tuổi gán cho mỗi điểm có thể lệch bao nhiêu. Có kho chính xác tuyệt đối tới năm, có kho sai cỡ vài phần trăm, có kho sai tới hàng nghìn năm ở đoạn xa.
Đặt các kho lưu trữ cạnh nhau
Bảng dưới tổng hợp ở mức phổ biến trong tài liệu khoa học; từng địa điểm cụ thể có thể khác đáng kể.
| Kho lưu trữ | Độ dài thường gặp | Độ phân giải | Cách định tuổi | Ghi lại tốt nhất |
|---|---|---|---|---|
| Vòng cây | Vài trăm đến hơn mười nghìn năm | Từng năm, đôi khi từng mùa | Đối chiếu chéo | Mưa, nhiệt độ mùa sinh trưởng |
| San hô khối | Vài trăm năm, xa hơn với hoá thạch | Từng tháng đến từng năm | Đếm dải, urani – thori | Nhiệt độ, độ mặn nước biển |
| Varve hồ | Vài nghìn đến vài chục nghìn năm | Từng năm | Đếm lớp, mốc tro | Mùa băng tan, thực vật quanh hồ |
| Măng đá | Vài nghìn đến vài trăm nghìn năm | Vài năm đến vài chục năm | Urani – thori | Lượng mưa, gió mùa |
| Lõi băng Greenland | Hơn 100.000 năm | Từng năm ở đoạn nông | Đếm lớp, mốc núi lửa | Nhiệt độ, bụi, axit núi lửa |
| Lõi băng Nam Cực | Khoảng 800.000 năm | Từ vài chục năm tới nghìn năm theo độ sâu | Mô hình dòng chảy, mốc | Nhiệt độ, khí quyển cổ |
| Trầm tích đáy biển | Hàng triệu năm | Từ trăm năm tới nghìn năm | Đồng vị, đảo cực từ, ghép với chu kỳ quỹ đạo | Thể tích băng toàn cầu, nhiệt độ đại dương |
Nhìn bảng thấy ngay một quy luật: càng đi xa, độ phân giải càng thô và sai số càng lớn. Không có kho lưu trữ nào vừa dài vừa nét vừa chính xác.
Bùn đáy biển: kho lưu trữ dài nhất hoạt động thế nào?
Vỏ sinh vật nhỏ xíu
Dưới đáy đại dương, bùn tích tụ rất chậm, có nơi chỉ vài centimét mỗi nghìn năm. Trong bùn có vô số vỏ đá vôi của trùng lỗ (foraminifera), những sinh vật đơn bào nhỏ cỡ hạt cát. Tỷ lệ đồng vị oxy trong vỏ của chúng phản ánh nhiệt độ nước và, quan trọng hơn, lượng nước bị khoá trong các chỏm băng trên lục địa.
Thang tuổi được dựng ra sao
Đoạn gần đây được định tuổi bằng carbon-14 trên vỏ trùng lỗ. Xa hơn, người ta dùng các lần đảo cực từ trường Trái Đất ghi trong bùn, vốn có tuổi được biết từ đá núi lửa, cùng với nhịp điệu đều đặn của các chu kỳ quỹ đạo Trái Đất kéo dài hàng chục nghìn năm. Từ đó ra bản ghi các chu kỳ băng hà kéo dài hàng triệu năm, dù mỗi điểm gói hàng trăm đến hàng nghìn năm.
Chọn kho lưu trữ theo câu hỏi: ba ví dụ
Câu hỏi: đợt hạn thế kỷ 15 kéo dài mấy năm?
Cần độ phân giải từng năm và sai số gần bằng không ⇒ vòng cây trong vùng, nếu có, hoặc varve hồ. Lõi băng Nam Cực hay bùn đáy biển hoàn toàn không trả lời được câu này.
Câu hỏi: gió mùa châu Á mạnh yếu ra sao qua nhiều chu kỳ băng hà?
Cần bản ghi dài hàng trăm nghìn năm, ngay trong vùng gió mùa ⇒ măng đá trong hang, nối nhiều mẫu. Độ phân giải vài chục năm là đủ.
Câu hỏi: khí quyển thời băng hà chứa bao nhiêu carbon dioxide?
Chỉ có lõi băng giữ được không khí thật ⇒ lõi băng Nam Cực, chấp nhận mỗi điểm là trung bình nhiều thế kỷ và tuổi khí lệch tuổi băng.
Vì sao các nhà khoa học luôn ghép nhiều kho lưu trữ?
Vì mỗi kho bù cho điểm yếu của kho khác. Vòng cây neo chính xác đoạn gần, lõi băng và măng đá kéo dài về xa, các mốc chung như tro núi lửa hay đỉnh carbon-14 năm 775 buộc các thang tuổi khớp vào nhau. Khi hai kho độc lập, định tuổi bằng hai phương pháp khác hẳn nhau, cùng cho thấy một biến đổi ở cùng thời điểm, độ tin cậy của kết luận tăng lên rất nhiều so với từng kho riêng lẻ.
Ngược lại, khi hai kho cho kết quả lệch nhau, đó thường là lúc phát hiện điều mới: hoặc một thang tuổi cần chỉnh, hoặc khí hậu vùng này thật sự khác vùng kia. Thói quen đặt câu hỏi kho nào, nét tới đâu, sai bao nhiêu chính là cách người trong nghề đọc mọi bản ghi.
Lỗi hay gặp khi đọc dữ liệu cổ khí hậu
Đặt hai bản ghi có độ phân giải khác nhau lên cùng một trục rồi so dao động. Bản ghi thô tự nhiên làm phẳng các dao động nhanh; nó trông ổn định hơn không phải vì quá khứ ổn định hơn.
Nối dữ liệu đo trực tiếp vào đuôi bản ghi gián tiếp mà không nói rõ. Hai loại dữ liệu có độ nét khác nhau; khi so sánh phải đưa về cùng độ phân giải.
Đọc thiếu thanh sai số. Một đỉnh có tuổi cộng trừ hai nghìn năm không thể gắn chắc với một sự kiện có tuổi chính xác từ nơi khác.
Coi một điểm lấy mẫu là cả thế giới. Măng đá ở một hang cho khí hậu vùng đó; muốn nói về toàn cầu phải ghép nhiều nơi.
Gợi ý một tiết học so sánh kho lưu trữ
Giáo viên Địa lí hoặc Khoa học tự nhiên có thể tổ chức hoạt động khoảng một tiết, không cần thiết bị đặc biệt.
- Chia lớp thành năm nhóm, mỗi nhóm nhận một kho lưu trữ: vòng cây, lõi băng, varve, măng đá, bùn đáy biển.
- Mỗi nhóm tìm ba thông số độ dài, độ phân giải, sai số từ sách giáo khoa và tài liệu phổ thông, ghi vào một tấm bìa.
- Cả lớp xếp các tấm bìa thành một dải theo độ dài bản ghi, rồi xếp lại theo độ phân giải, để thấy thứ tự đảo ngược.
- Giáo viên đưa ra ba câu hỏi như ví dụ ở trên, các nhóm tranh luận kho nào trả lời được, kho nào không.
- Kết thúc bằng việc mỗi học sinh viết một câu giải thích vì sao không kho lưu trữ nào thay được tất cả kho khác.
Mục tiêu không phải nhớ con số, mà là thói quen hỏi ba câu trước mỗi kết luận về khí hậu quá khứ.
Câu hỏi thường gặp
Dữ liệu đại diện khí hậu là gì?
Là dấu vết tự nhiên thay đổi theo khí hậu, như bề rộng vòng cây, đồng vị oxy trong băng hay măng đá, dùng để suy ra nhiệt độ, lượng mưa khi chưa có thiết bị đo.
Kho lưu trữ khí hậu nào đi xa nhất về quá khứ?
Trầm tích đáy biển ghi được hàng triệu năm. Trong các kho có không khí cổ, lõi băng Nam Cực dài nhất với khoảng 800.000 năm.
Kho lưu trữ nào chính xác nhất về năm?
Vòng cây khi đối chiếu chéo tốt có thể chính xác tuyệt đối tới năm. Varve và dải năm san hô cũng theo năm nhưng có sai số đếm nhỏ.
Vì sao bản ghi cổ trông ổn định hơn ngày nay?
Một phần vì độ phân giải thô làm phẳng dao động ngắn. So sánh công bằng phải đưa dữ liệu về cùng độ phân giải trước.
Trùng lỗ có liên quan gì tới niên đại khí hậu?
Vỏ đá vôi của trùng lỗ trong bùn đáy biển chứa đồng vị oxy phản ánh lượng băng toàn cầu và nhiệt độ nước, được định tuổi để dựng các chu kỳ băng hà.