Chu kỳ Milankovitch là ba nhịp thay đổi chậm của quỹ đạo và trục quay Trái Đất – độ lệch tâm (~100.000 và ~405.000 năm), độ nghiêng trục (~41.000 năm) và tuế sai (~19.000–23.000 năm) – làm thay đổi cách ánh nắng phân bố theo mùa và vĩ độ. Chúng là "nhịp tim" của các kỷ băng hà trong khoảng 2,6 triệu năm qua, còn bầu khí quyển – qua CO₂ và mê-tan – đóng vai bộ khuếch đại biến những thay đổi nhỏ ấy thành chênh lệch nhiệt độ lớn.
Chúng ta đang sống trong một kỷ băng hà
Nghe lạ nhưng đúng theo định nghĩa địa chất: chừng nào hai cực còn có băng phủ lâu dài, Trái Đất đang ở trong một kỷ băng hà. Kỷ băng hà hiện tại – thời Đệ Tứ – bắt đầu khoảng 2,58 triệu năm trước. Bên trong nó xen kẽ các thời băng hà (glacial) lạnh, băng lan rộng, và các thời gian băng (interglacial) ấm. Ta đang ở thời gian băng Holocen, bắt đầu khoảng 11.700 năm trước.
Đỉnh băng hà cuối cùng (Last Glacial Maximum) vào khoảng 26.000–19.000 năm trước. Khi đó, băng phủ dày hàng km lên Bắc Mỹ và Bắc Âu; mực nước biển thấp hơn hiện nay khoảng 120 mét. Ở Đông Nam Á, thềm lục địa lộ ra thành vùng đất rộng mà các nhà địa chất gọi là Sundaland; phần lớn vịnh Bắc Bộ và thềm phía nam Biển Đông khi ấy là đất liền.
Ba nhịp quỹ đạo
| Chu kỳ | Thay đổi gì | Biên độ | Chu kỳ gần đúng |
|---|---|---|---|
| Độ lệch tâm (eccentricity) | Quỹ đạo tròn hơn hay dẹt hơn | Từ gần tròn (~0,005) đến hơi dẹt (~0,06); hiện ~0,017 | ~100.000 năm và ~405.000 năm |
| Độ nghiêng trục (obliquity) | Góc nghiêng trục quay so với mặt phẳng quỹ đạo | Khoảng 22,1° – 24,5°; hiện ~23,44° và đang giảm | ~41.000 năm |
| Tuế sai (precession) | Mùa nào trùng với lúc Trái Đất gần Mặt Trời nhất | Đổi vị trí điểm cận nhật qua các mùa | ~19.000–23.000 năm (tuế sai khí hậu) |
Độ nghiêng: mùa hè vùng cực có đủ nóng không
Trục nghiêng nhiều thì mùa hè gay gắt hơn, mùa đông lạnh hơn, nhất là ở vĩ độ cao. Trục nghiêng ít thì mùa hè vùng cực dịu hơn – tuyết mùa đông không tan hết, tích dần qua năm này sang năm khác thành băng.
Tuế sai: hè gần hay hè xa Mặt Trời
Hiện nay Trái Đất gần Mặt Trời nhất vào đầu tháng Một – giữa mùa đông của bắc bán cầu. Khoảng 11.000 năm nữa, tình thế đảo ngược: điểm gần nhất rơi vào mùa hè bắc bán cầu. Tác động của tuế sai mạnh hay yếu phụ thuộc vào độ lệch tâm: quỹ đạo càng tròn, tuế sai càng ít ý nghĩa.
Độ lệch tâm: nhịp chậm nhất
Độ lệch tâm do lực hút của sao Mộc, sao Thổ và các hành tinh khác chi phối. Riêng nó thay đổi tổng năng lượng Mặt Trời nhận cả năm rất ít – chỉ cỡ dưới 0,5%. Đây chính là chỗ gây đau đầu, sẽ nói ở dưới.
Milanković: tính tay bức xạ Mặt Trời suốt hai thập kỷ
Ý tưởng quỹ đạo gây băng hà đã có từ thế kỷ 19: nhà toán học Pháp Joseph Adhémar (1842) và nhà khoa học tự học người Scotland James Croll (thập niên 1860–1870). Nhưng phải tới kỹ sư – nhà toán học người Serbia Milutin Milanković mới có lời giải định lượng.
Từ khoảng năm 1912, Milanković tính lượng bức xạ Mặt Trời mùa hè ở các vĩ độ khác nhau qua hàng trăm nghìn năm – hoàn toàn bằng tay, không có máy tính. Ông cho rằng chìa khoá là mùa hè ở vĩ độ cao bắc bán cầu (thường lấy mốc 65° Bắc): nơi có nhiều lục địa, băng có thể tích tụ; nếu hè đủ mát, tuyết không tan và băng hà bắt đầu. Công trình tổng hợp của ông, thường gọi là Kanon der Erdbestrahlung (Quy luật bức xạ Trái Đất), xuất bản năm 1941.
Lúc sinh thời, lý thuyết của ông không được đông đảo chấp nhận vì thiếu dữ liệu đủ dài và đủ chính xác. Ông mất năm 1958.
Năm 1976: "Máy điều nhịp của các kỷ băng hà"
Bằng chứng quyết định đến từ đáy biển. Vỏ trùng lỗ (foraminifera) trong trầm tích đại dương ghi lại tỷ lệ đồng vị oxy, phản ánh thể tích băng trên lục địa và nhiệt độ nước. Năm 1976, James Hays, John Imbrie và Nicholas Shackleton công bố trên Science bài báo "Variations in the Earth's Orbit: Pacemaker of the Ice Ages". Phân tích phổ của lõi trầm tích cho thấy các chu kỳ đúng khoảng 100.000, 41.000, 23.000 và 19.000 năm. Lý thuyết Milanković được công nhận rộng rãi từ đó.
Bầu khí quyển: bộ khuếch đại
Thay đổi quỹ đạo chỉ làm dịch chuyển ánh nắng theo mùa và vĩ độ. Muốn biến điều đó thành chênh lệch nhiệt độ toàn cầu khoảng 4–7 °C giữa thời băng hà và gian băng (theo nhiều ước tính), cần các vòng khuếch đại:
- Băng – suất phản chiếu: băng lan rộng phản xạ nhiều nắng, làm lạnh thêm.
- CO₂: lõi băng cho thấy CO₂ giảm xuống khoảng 180–190 ppm thời băng hà và lên khoảng 280–300 ppm thời gian băng. Đại dương lạnh hoà tan nhiều CO₂ hơn, hoàn lưu đáy biển và sinh vật phù du cũng thay đổi.
- Mê-tan: đất ngập nước nhiệt đới thu hẹp khi khí hậu khô lạnh, mê-tan giảm.
- Bụi: thời băng hà gió mạnh, bụi nhiều, phản xạ nắng và có thể "bón" sắt cho sinh vật biển, tăng hấp thụ CO₂.
Không có khí quyển khuếch đại, các chu kỳ quỹ đạo nhiều khả năng chỉ tạo ra dao động khí hậu nhỏ hơn nhiều.
Những câu đố chưa giải
Bài toán 100.000 năm
Độ lệch tâm tác động trực tiếp yếu nhất, vậy mà chu kỳ băng hà 800.000 năm qua lại theo nhịp khoảng 100.000 năm. Nhiều giả thuyết đã được đưa ra – khối băng lớn tới ngưỡng thì sụp, CO₂ phản hồi chậm, băng "bỏ qua" vài nhịp tuế sai – nhưng chưa có lời giải duy nhất được chấp nhận.
Chuyển tiếp giữa Pleistocen
Từ khoảng 2,6 đến 1,2 triệu năm trước, băng hà theo nhịp 41.000 năm của độ nghiêng. Trong khoảng 1,2–0,8 triệu năm trước, nhịp chuyển sang ~100.000 năm, với băng hà dài hơn và sâu hơn – trong khi quỹ đạo không thay đổi kiểu gì đặc biệt. Giải thích (lớp đất dưới băng bị bào mòn, CO₂ giảm dần, …) vẫn đang tranh luận; dự án Beyond EPICA được kỳ vọng góp dữ liệu cho câu hỏi này.
Băng hà tiếp theo khi nào
Hiện quỹ đạo Trái Đất gần tròn, và sẽ còn tròn trong hàng chục nghìn năm, nên biên độ ánh nắng mùa hè ở vĩ độ cao thay đổi ít. Năm 2002, André Berger và Marie-France Loutre công bố trên Science rằng thời gian băng hiện tại có thể kéo dài bất thường, khoảng 50.000 năm. Năm 2016, Ganopolski và cộng sự trên Nature tính rằng với lượng CO₂ con người đã thải ra, thời băng hà kế tiếp có thể bị lùi thêm nữa. Đây là kết quả mô hình, không phải dự báo chắc chắn.
Góc nhìn hôm nay
- Thềm lục địa Biển Đông lộ ra thời băng hà giải thích nhiều điều: vì sao động vật và người cổ di chuyển được giữa các đảo Đông Nam Á, vì sao có lòng sông cổ chìm dưới đáy biển.
- Muốn tự kiểm: các bảng tính bức xạ Mặt Trời theo quỹ đạo (Berger 1978, Laskar 2004) được công bố công khai, có công cụ trực tuyến vẽ lại đường bức xạ mùa hè 65° Bắc.
- Sách nên đọc: Ice Ages: Solving the Mystery (John Imbrie và Katherine Palmer Imbrie, 1979) kể lại cuộc săn lời giải.
Câu hỏi thường gặp
Chu kỳ Milankovitch là gì?
Đó là ba thay đổi chậm của quỹ đạo và trục quay Trái Đất: độ lệch tâm quỹ đạo (khoảng 100.000 và 405.000 năm), độ nghiêng trục (khoảng 41.000 năm) và tuế sai (khoảng 19.000–23.000 năm). Chúng thay đổi lượng ánh nắng theo mùa và vĩ độ, làm nhịp cho các thời kỳ băng hà.
Milutin Milanković là ai?
Ông là kỹ sư, nhà toán học người Serbia, đã tính toán chi tiết lượng bức xạ Mặt Trời Trái Đất nhận theo quỹ đạo qua hàng trăm nghìn năm. Công trình tổng hợp của ông xuất bản năm 1941. Lý thuyết của ông được xác nhận năm 1976 nhờ phân tích trầm tích đáy biển.
Hiện nay Trái Đất có đang trong kỷ băng hà không?
Theo định nghĩa địa chất thì có, vì hai cực vẫn còn băng phủ lâu dài. Ta đang ở thời gian băng Holocen, một giai đoạn ấm bắt đầu khoảng 11.700 năm trước, nằm trong kỷ băng hà Đệ Tứ bắt đầu khoảng 2,58 triệu năm trước.
Thời băng hà, nước biển thấp hơn bao nhiêu?
Ở đỉnh băng hà cuối, khoảng 26.000–19.000 năm trước, mực nước biển thấp hơn hiện nay khoảng 120 mét. Phần lớn thềm lục địa Biển Đông và vịnh Bắc Bộ khi đó là đất liền, thuộc vùng Sundaland.
Bao giờ có kỷ băng hà tiếp theo?
Theo các mô hình dựa trên quỹ đạo, thời gian băng hiện tại có thể kéo dài khoảng 50.000 năm, dài hơn bình thường vì quỹ đạo Trái Đất đang gần tròn. Lượng CO₂ con người thải ra có thể lùi thời điểm đó thêm nữa. Đây là kết quả mô hình, không phải dự báo chắc chắn.
