Lõi băng là những thỏi băng hình trụ khoan lên từ các khối băng ở Nam Cực và Greenland. Băng tích tụ từng lớp qua mỗi năm tuyết rơi và nhốt lại những bọt khí nhỏ – mẫu không khí thật của quá khứ. Lõi băng EPICA Dome C ở Nam Cực đã cho bản ghi khí quyển liên tục khoảng 800.000 năm, cho thấy suốt thời gian đó CO₂ dao động trong khoảng 180–300 ppm, trong khi hiện nay đã khoảng 420–425 ppm (tính tới 2024).
Băng nhớ không khí bằng cách nào
Ở những vùng tuyết không bao giờ tan hết, mỗi năm lại có một lớp tuyết mới đè lên lớp cũ. Tuyết bị nén dần thành firn – dạng trung gian, xốp, khí vẫn lưu thông được – rồi ở độ sâu khoảng 50–120 mét (tuỳ nơi), các lỗ xốp khép lại thành băng đặc. Không khí bị nhốt trong những bọt nhỏ, kích thước cỡ milimét hoặc nhỏ hơn.
Ở độ sâu lớn hơn, áp suất cao đến mức bọt khí "tan" vào cấu trúc tinh thể băng dưới dạng clathrate. Khi mang lên và giải phóng trong buồng chân không, các nhà khoa học đo được trực tiếp nồng độ CO₂, mê-tan, N₂O trong không khí cổ.
Một chi tiết hay bị bỏ qua: khí trẻ hơn băng
Vì khí chỉ bị nhốt khi firn khép lại ở độ sâu vài chục mét, không khí trong một lớp băng trẻ hơn chính lớp băng đó – ở vùng tuyết rơi ít như Dome C, chênh lệch có thể vài nghìn năm. Các nhà nghiên cứu phải tính chênh lệch này (gọi là Δage) khi so sánh CO₂ với nhiệt độ.
Đọc nhiệt độ từ nước đông
Nhiệt độ không đo từ bọt khí mà từ chính phân tử nước. Nước có các biến thể nặng hơn: chứa đơteri (hydro nặng) hoặc oxy-18. Khi khí hậu lạnh, hơi nước trên đường bay về cực mất bớt các phân tử nặng do ngưng tụ dọc đường, nên tuyết rơi ở cực "nhẹ" hơn. Đo tỷ lệ đồng vị trong từng lớp băng cho phép ước tính nhiệt độ thời đó.
Ngoài ra, lõi băng còn lưu: bụi (nhiều hơn hẳn vào thời băng hà do gió mạnh và đất khô), tro núi lửa và sunfat (đánh dấu các vụ phun trào lớn), muối biển, và các đồng vị phóng xạ như beryllium-10 phản ánh hoạt động Mặt Trời.
Các lõi băng làm nên lịch sử
| Lõi băng | Nơi khoan | Bản ghi | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Camp Century | Greenland | Khoan tới đáy năm 1966 | Một trong những lõi sâu đầu tiên |
| Vostok | Nam Cực (trạm của Liên Xô/Nga) | ~420.000 năm | Petit và cộng sự, Nature 1999: bốn chu kỳ băng hà |
| GRIP, GISP2, NGRIP | Đỉnh băng Greenland | ~100.000–123.000 năm | Phân giải cao, thấy rõ biến đổi khí hậu đột ngột |
| EPICA Dome C | Nam Cực (dự án châu Âu) | ~800.000 năm | Khoan xong 2004, sâu khoảng 3.270 m; bản ghi CO₂ công bố trên Nature 2008 |
| Beyond EPICA – Little Dome C | Nam Cực | Mục tiêu trên 1,2 triệu năm | Khoan tới đáy đầu năm 2025, sâu khoảng 2.800 m; đang phân tích |
Ngoài ra, ở vùng "băng xanh" Allan Hills (Nam Cực), băng cổ bị dòng chảy đẩy lên gần mặt đất. Các mẫu ở đây có tuổi tới khoảng 2 triệu năm hoặc hơn, nhưng chỉ là những "ảnh chụp" rời rạc, không phải bản ghi liên tục.
800.000 năm khí quyển nói gì
Nhịp băng hà – gian băng
Bản ghi Dome C cho thấy tám chu kỳ băng hà, mỗi chu kỳ khoảng 100.000 năm trong phần gần đây. Thời băng hà: lạnh, nhiều bụi, CO₂ khoảng 180–190 ppm, mê-tan khoảng 350–400 ppb. Thời gian băng: ấm, CO₂ khoảng 260–300 ppm, mê-tan khoảng 600–700 ppb, đôi khi cao hơn chút.
CO₂ và nhiệt độ đi cùng nhau
Đường CO₂ và đường nhiệt độ bám nhau rất sát. Khi soi kỹ, ở một số lần thoát băng hà, nhiệt độ Nam Cực bắt đầu tăng trước CO₂ vài trăm năm. Điều này không mâu thuẫn với vai trò khí nhà kính: chu kỳ quỹ đạo khởi động sự ấm lên, đại dương nóng dần giải phóng CO₂, rồi CO₂ khuếch đại ấm lên trên toàn cầu. Một nghiên cứu năm 2012 (Shakun và cộng sự, Nature) dựng nhiệt độ trung bình toàn cầu và thấy ở cấp toàn cầu, CO₂ nhìn chung đi trước hoặc cùng lúc với nhiệt độ trong lần thoát băng hà gần nhất.
Hôm nay nằm ngoài khung
Mức cao nhất trong 800.000 năm vào khoảng 300 ppm. Mauna Loa đo được khoảng 315 ppm năm 1958 và vượt 420 ppm từ năm 2023. Mê-tan hiện nay khoảng 1.900 ppb, cao gấp hơn hai lần đỉnh thời gian băng trong bản ghi. Đây là một trong những bằng chứng trực tiếp nhất cho thấy thay đổi khí quyển hiện nay nằm ngoài biên độ tự nhiên của gần một triệu năm qua.
Những gì lõi băng còn cho thấy
- Biến đổi đột ngột: lõi băng Greenland ghi lại các sự kiện Dansgaard–Oeschger – nhiệt độ Greenland tăng hơn 10 °C chỉ trong vài thập kỷ, lặp lại nhiều lần trong kỷ băng hà cuối.
- Núi lửa: đỉnh sunfat đánh dấu những vụ phun lớn, như Tambora 1815. Một số đỉnh sunfat lớn chưa rõ từ núi lửa nào.
- Ô nhiễm lịch sử: chì trong băng Greenland tăng thời La Mã do luyện bạc – chì, giảm khi đế chế suy, và tăng vọt thế kỷ 20 do xăng pha chì.
- Thử hạt nhân: các lớp băng thập niên 1950–1960 mang dấu phóng xạ, dùng làm mốc định tuổi.
Lõi băng được giữ thế nào
Lõi được cắt thành đoạn khoảng 1 mét, đóng gói, vận chuyển trong chuỗi lạnh liên tục, lưu ở nhiệt độ khoảng −30 °C hoặc thấp hơn tại các kho chuyên dụng ở Mỹ, Đan Mạch, Đức, Pháp, Ý, Nhật. Một phần được giữ nguyên làm "lưu trữ" cho thế hệ sau với kỹ thuật tốt hơn. Dự án Ice Memory còn đang thu lõi băng từ các sông băng núi cao đang tan, để cất giữ ở Nam Cực trước khi những bản ghi này biến mất.
Góc nhìn hôm nay
Lõi băng là cách duy nhất để cầm trên tay không khí của quá khứ. Mọi con số khác về khí quyển cổ hơn đều là ước tính gián tiếp từ đá, hoá thạch, mô hình. Vì vậy, khi bàn về khí quyển hàng triệu năm trước, các nhà khoa học luôn ghi biên sai số rộng; còn với 800.000 năm gần nhất, ta có số đo thật.
- Muốn xem dữ liệu: NOAA lưu trữ công khai số liệu lõi băng tại Trung tâm Dữ liệu Khí hậu Cổ (NCEI Paleoclimatology).
- Sách phổ thông: The Two-Mile Time Machine (Richard Alley, 2000) kể chuyện lõi băng Greenland.
- Liên hệ: bài về chu kỳ Milankovitch giải thích vì sao các chu kỳ trong lõi băng có nhịp khoảng 100.000 năm.
Câu hỏi thường gặp
Lõi băng là gì?
Lõi băng là thỏi băng hình trụ khoan từ các khối băng ở Nam Cực, Greenland hoặc sông băng núi cao. Mỗi lớp băng tương ứng với tuyết rơi trong quá khứ và chứa bọt khí, bụi, đồng vị giúp tái dựng khí quyển và khí hậu cổ. Lõi băng dài nhất cho bản ghi liên tục khoảng 800.000 năm.
Lõi băng cổ nhất bao nhiêu tuổi?
Bản ghi liên tục dài nhất đã công bố là EPICA Dome C, khoảng 800.000 năm. Dự án Beyond EPICA khoan tới đáy năm 2025 với mục tiêu trên 1,2 triệu năm và đang phân tích. Ở vùng băng xanh Allan Hills có các mẫu rời rạc khoảng 2 triệu năm tuổi trở lên.
Làm sao biết nhiệt độ thời xưa từ lõi băng?
Các nhà khoa học đo tỷ lệ đồng vị nặng của hydro và oxy trong nước đá. Khi khí hậu lạnh, tuyết ở cực chứa ít đồng vị nặng hơn. Tỷ lệ này được hiệu chỉnh để ước tính nhiệt độ từng thời kỳ.
CO₂ trong 800.000 năm qua cao nhất là bao nhiêu?
Theo bản ghi lõi băng, CO₂ dao động khoảng 180–300 ppm, cao nhất vào khoảng 300 ppm trong các thời kỳ gian băng. Hiện nay CO₂ khoảng 420–425 ppm (tính tới 2024), vượt xa biên độ đó.
Vì sao nhiệt độ đôi khi tăng trước CO₂ trong lõi băng?
Trong các lần thoát băng hà, thay đổi quỹ đạo Trái Đất khởi động sự ấm lên trước, rồi đại dương ấm giải phóng CO₂, và CO₂ khuếch đại sự ấm lên. Vì vậy nhiệt độ ở Nam Cực có thể đi trước CO₂ vài trăm năm, trong khi CO₂ vẫn là yếu tố khuếch đại quan trọng ở cấp toàn cầu.
