Dựa trên bài viết được đăng tải trên Eos do ông Andrei Lapenis, giáo sư đang công tác tại Đại học Albany, New York thực hiện.
Năm 2020 đánh dấu mốc 100 năm kỷ niệm ngày người thầy của tôi sinh ra, ấy là nhà khí hậu học Mikhail Budyko (1920-2001). Năm mươi năm trước, khi những dự đoán về biến đổi khí hậu vẫn còn trong thuở trứng nước, nhà khoa học gốc gác Liên bang Xô-viết đã đưa ra một loạt dự đoán mà theo năm tháng, người ta mới dần chứng minh được những lời “sấm truyền” của nhà khoa học đứng tuổi là sự thật.
Những dự đoán này không nổi danh như những cống hiến khác của Budyko, và ông đã nêu lý do trong một bài phỏng vấn được thực hiện năm 1990: đa số cộng sự của ông từ chối tin vào sự xuất hiện của một giai đoạn nóng lên toàn cầu dài kỳ và không thể tránh khỏi. Phải 20 năm sau, các ban ngành khoa học mới chấp nhận mô hình nghiên cứu của Mikhail Budyko.
Trong bài viết này, tôi tổng hợp những phương pháp hậu thuẫn dự đoán của Budyko và chứng minh tại sao những nhận định của ông là một bước tiến quan trọng của khoa học khí hậu, bên cạnh đó là lý do tại sao nó nên trở thành nền tảng gây dựng xã hội trong thời đại nóng lên toàn cầu, nêu bật những thay đổi sẽ xuất hiện trên Trái Đất nếu chúng ta không hành động để giảm tác động của biến đổi khí hậu.
Budyko nổi danh với nhiều những nghiên cứu trong các mảng khác. Năm 1969, ông dựng thành công mô hình cân bằng năng lượng toàn cầu mô tả một điều kiện khí hậu có tên “cầu tuyết Trái Đất - snowball Earth”, là khi gần như toàn bộ hành tinh đóng băng hết cả. Đây không phải hiện tượng giả tưởng, mà nó đã xảy ra trên Trái Đất vào khoảng 635 triệu năm trước, khi sự sống phức tạp mới bắt đầu nhen nhóm.
Ông còn là tác giả của “đường cong Budyko”, dựng nên mô hình cơ chế thoát hơi nước của thực vật khác biệt ra sao trong hai môi trường ẩm ướt và khô nóng. Bên cạnh đó, ý tưởng về “tấm chăn Budyko” - một nghiên cứu được xuất bản năm 1974 - chỉ ra cách thức điều tiết bức xạ Mặt Trời thông qua việc phun các hạt sương sulfate vào tầng bình lưu để kiểm soát hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Năm 1972, trước khi nhiệt độ toàn cầu bắt đầu tăng đều đặn mỗi năm suốt nửa thế kỷ qua, Budyko xuất bản một báo cáo dự báo khí hậu ít người biết, nói về những sự kiện thời tiết sẽ diễn ra trong 100 năm tới. Ông dự đoán rằng nhiệt độ toàn cầu sẽ tăng khoảng 2,25 độ vào năm 2070 và rằng, Bắc Cực sẽ không còn lớp băng bao phủ quanh năm vào thời điểm 2050. Dù tự tin vào những nhận định của mình, Budyko vẫn tỏ ra thận trọng: những ước tính của ông đều dựa trên những giả định về một hệ thống khí hậu được đã giản lược hóa nhiều mặt, người đọc nên tự mình nhận định đúng sai.
Chắc chắn Mikhail Budyko đã ngạc nhiên lắm khi biết dự đoán của ông gần với những sự kiện thực tế tới mức nào.
So sánh hai năm 2019 và 1970, Budyko dự đoán nhiệt độ trung bình toàn cầu sẽ tăng 1 độ C và 50% băng Bắc Cực tích tụ trong nhiều năm trời sẽ biến mất. Quan sát thực tế đã chứng minh lời của Budyko, ta thấy nhiệt độ trung bình toàn cầu đã tăng 0,98 độ C trong thời gian qua và lượng băng Bắc Cực đo được vào tháng Chín năm 2019 đã ít hơn khoảng 46% so với số đo được năm 1970.
Nhờ những tiến bộ khoa học, chúng ta có được mô hình khí hậu Trái Đất ngày một chính xác và phức tạp hơn. Lật lại báo cáo cũ mà thấy được độ chính xác trong lời dự đoán của Budyko, ta thấy sức mạnh của một bộ óc đi trước thời đại. Dù các mô hình ngày nay tiên tiến hơn thật, nhưng trước thời điểm 2009, mọi mô hình biển băng Bắc Cực đều đánh giá thấp tỷ lệ băng tan trong tương lai.
Dự báo nhiệt độ của Budyko dựa trên một loạt các nghiên cứu, trong đó có mô hình cân bằng năng lượng toàn cầu do chính ông đề xuất năm 1969. Trong bản dự báo thời tiết này này, ông trích dẫn mô hình tuần hoàn carbon toàn cầu (do nhà nghiên cứu Lester Machta đề xuất năm 1972) mô tả sự tồn tại của hai lớp khí quyển và hai lớp đại dương, bên cạnh đó là những phiên bản nhanh và chậm của những bể tuần hoàn carbon trên mặt đất và các bể carbon sinh ra từ đại dương.
Thông số đáng chú ý nhất của mô hình này là tỷ lệ trao đổi carbon giữa đại dương và khí quyển. Lester Machta đưa được ra khẳng định nhờ những quan sát được thực hiện trong khoảng thời gian 1955-1969; ông Machta nghiên cứu số phận của những “quả bom” radiocarbon - những đồng vị có liên quan tới các bài thử vũ khí hạt nhân. Lester Machta nêu dự đoán: vào năm 2000, mật độ CO2 trong khí quyển sẽ chạm mốc 375 ± 10 ppm. Năm 2000 tới, người ta tiến hành đo đạc không khí tại đảo Mauna Loa ở Hawaii thì thấy chỉ số CO2 đạt ngưỡng 369 ppm.
Budyko cũng trích dẫn mô hình tuần hoàn toàn cầu do Syukuro Manabe đề xuất, sử dụng một bản vẽ địa hình đã được giản lược mô tả một vùng biển “lầy lội” không hề truyền nhiệt theo chiều ngang hay chiều dọc và cũng không phản ánh được mối quan hệ giữa biển và băng. Tuy nhiên, mô hình này tính tới một loạt những phản ứng của khí quyển ảnh hưởng tới bức xạ cưỡng ép*.
*Radiative forcing, tạm dịch là “bức xạ cưỡng ép”, là khác biệt giữa năng lượng Trái Đất hấp thụ từ ánh nắng Mặt Trời và lượng năng lượng tỏa lại ra không gian. Đây là cơ sở khoa học chính của hiệu ứng nhà kính và đóng vai trò quan trọng trong công tác dựng mô hình cân bằng năng lượng cũng như mô hình khí hậu Trái Đất.
Tại một mức độ ẩm nhất định, mô hình dự đoán nhiệt độ sẽ dao động trong khoảng 2 độ C khi lượng carbon dioxide trong khí quyển tăng lên gấp đôi và khi nhiệt độ tại các vùng vĩ độ cao tăng lên 2 lần.
Những nghiên cứu mới được thực hiện cho thấy mức độ nhạy cảm nhất thời thực tế của khí hậu do tác động của bức xạ cưỡng ép là 1,8 độ C, xuất hiện mỗi khi lượng carbon dioxide cao gấp đôi, bên cạnh đó nhiệt độ Bắc Cực đã tăng nhanh hơn gấp đôi tốc độ tăng trung bình toàn cầu.
Độ nhạy của khí hậu và những dự đoán về mật độ CO2 trong tương lai đã khiến các tác giả nghiên cứu xưa kết luận: Trái Đất sẽ nóng lên khoảng 0,5 độ vào năm 2000. Dự đoán này chỉ dựa trên ảnh hưởng của bức xạ cưỡng ép gây ra bởi mật độ CO2 tăng, nó không bao gồm những sức ép từ methane (CH4), nitro oxide (N2O), ozone (O3) mà vẫn đúng. Có một lời giải thích hợp lý như sau: dự đoán đã không tính tới ảnh hưởng của hiện tượng nguội đi toàn cầu (bức xạ cưỡng ép ở mức âm) sinh ra bởi các hạt nước tồn tại trong khí quyển, đã giảm thiểu được hiệu ứng nóng lên sinh ra bởi những thứ khí khác.
Năm 1972, giáo sư Budyko đẩy xa nghiên cứu của những người tiền nhiệm và xuất bản dự báo thời tiết của năm 2070. Cũng có thể coi đây là “phiên bản mở rộng” của những dự báo chính xác đã nêu ở phần trên, nhưng đáng chú ý hơn, Budyko đưa ra một tốc độ nóng lên toàn cầu khác biệt.
Ông ước tính tốc độ mới với những phép tính không quá phức tạp, đơn giản hóa mối quan hệ giữa việc tăng tốc độ tiêu thụ năng lượng toàn cầu với nhiệt độ bề mặt Trái Đất. Budyko nhận định nếu tốc độ tiêu thụ năng lượng tăng 1,5 lần, từ mức 4% của thập niên 70 lên mức 6% của thời điểm sau năm 2000, ta sẽ có tốc độ nóng lên toàn cầu đạt ngưỡng 0,25 độ C với mỗi thập kỷ sau mốc 2000 (tức là khoảng 0,17%/thập kỷ). Kết luận này của Budyko khác với mức tăng 0,5 độ C sau 30 năm mà các nhà khoa học tiền bối đã nêu lên.
Theo nghiên cứu xuất bản năm 2020, ta khẳng định được việc từ năm 1970 tới năm 1999, nhiệt độ trung bình toàn cầu đã tăng 0,17 độ C sau mỗi thập kỷ, và mức tăng này đạt ngưỡng 0,25 độ C/thập kỷ sau thời điểm năm 2000. Tuy nhiên, những thập kỷ qua chứng kiến mức tiêu thụ năng lượng chỉ tăng 2,9% mỗi năm. Có vẻ Budyko đã đánh giá cao tốc độ tiêu thụ này, nhưng ông đã dự đoán chính xác việc mức tiêu thụ năng lượng tăng như một lẽ tự nhiên, và con số này tỷ lệ thuận với nhiệt độ trung bình toàn cầu.
Có thể giải thích việc nhiệt độ trung bình toàn cầu phản hồi một cách tuyến tính với mức độ tiêu thụ năng lượng bằng một loạt các mối quan hệ tuyến tính khác trong hệ thống năng lượng - khí thải - khí hậu.
Đầu tiên, bởi 87% nhu cầu năng lượng toàn cầu vẫn đang được thỏa mãn bởi nhiên liệu hóa thạch, liên kết tuyến tính giữa mức tiêu thụ năng lượng và khí nhà kính thải ra môi trường vẫn sẽ tồn tại, cho dù chúng ta đã dần chuyển sang sử dụng năng lượng tái tạo trong suốt nửa thế kỷ qua.
Thứ hai, mức độ khí thải carbon có trong bầu khí quyển vẫn vững chãi ở mức 45% suốt thế kỷ 20.
Thứ ba, có thể tính xấp xỉ mối quan hệ logarit giữa bức xạ cưỡng ép và mật độ carbon dioxide trong bầu khí quyển bằng một hàm tuyến tính với mức carbon dioxide nằm ở ngưỡng 320-580 ppm; cách biệt tối đa giữa các ước tính tuyến tính và ước tính logarit của bức xạ cưỡng ép là 10%.
Thứ tư, một thời gian dài trước thời điểm này, yếu tố chính khiến bức xạ cưỡng ép tăng là lượng carbon dioxide trong bầu khí quyển và những phản ứng của bầu khí quyển trước những tác động nhân tạo.
Thứ năm, theo báo cáo được Budyko xuất bản năm 1969, mô hình cân bằng năng lượng của ông cho thấy phản hồi tuyến tính nhỏ của nhiệt độ trung bình toàn cầu trước việc bức xạ cưỡng ép thay đổi. Ông cho rằng mối quan hệ tuyến tính giữa việc tiêu thụ năng lượng và việc nóng lên toàn cầu khá chính xác.
Tuy nhiên, giáo sư Budyko tin rằng những dự báo thời tiết ông nêu ra năm 1972 vẫn đánh giá thấp những ảnh hưởng của xu hướng nóng lên toàn cầu. Đọc một báo cáo khoa học khác của Syukuro Manabe về độ nhạy của khí hậu, với trọng tâm về nhiệt độ toàn cầu tăng và băng hai cực giảm, Budyko lo lắng khi không thấy hiện hữu những phản hồi tích cực. Bên cạnh đó, ông nhận định con người tương lai sẽ sớm thấy tác động lớn của nhiệt sinh ra trực tiếp từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch (khác với nhiệt sinh ra từ hiệu ứng nhà kính). Năm 1970, mức nhiệt sản sinh theo cách này vẫn khá thấp và đến ngày nay vẫn thấp khi so với nhiệt từ bức xạ cưỡng ép.
Khoảng 20 năm sau khi báo cáo năm 1972 của Budyko được xuất bản, người ta thấy có hai kịch bản tương tự, tạm gọi là A (mức xả khí thải cao) và B (mức xả khí thải trung bình), xuất hiện trong báo cáo đầu tiên của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC). Hai viễn cảnh này hiện vẫn tồn tại trong các báo cáo sau này của IPCC, đã được đổi tên thành RCP 8.5 và RCP 6.0, với RCP viết tắt cho đường dẫn tới nồng độ đại diện (Representative Concentration Pathway - RCP).
Còn được gọi là “mọi thứ diễn ra bình thường”, viễn cảnh A mô tả nguồn năng lượng tới từ than vẫn đang được trọng dụng, việc phá rừng tiếp tục diễn ra, ngành nông nghiệp liên tục thải ra ra methane và nitro oxide mà không được kiểm soát, các chính sách loại trừ chất hóa học ảnh hưởng tới tầng ozone không được áp dụng. Viễn cảnh A dự đoán nhiệt độ trung bình toàn cầu sẽ tăng khoảng từ 0,2 độ C tới 0,5 độ C mỗi thập kỷ (trung bình 0,3 độ C/thập kỷ).
Viễn cảnh B hướng tới sử dụng nhiều khí tự nhiên hơn, cố gắng đẩy hiệu năng sử dụng năng lượng, kiểm soát chặt chẽ khí nhà kính, đảo ngược xu hướng phá rừng lấy tài nguyên và áp dụng triệt để các chính sách hạn chế, loại bỏ chất hóa học ảnh hưởng tới tầng ozone. Viễn cảnh B dự đoán nhiệt độ trung bình toàn cầu sẽ chỉ tăng 0,2 độ C.
Trong báo cáo xuất bản năm 1966, ông Budyko dự báo trạng thái biển băng vĩnh cửu Bắc Cực (lớp băng không tan thường niên) dựa trên mô hình cân bằng năng lượng của vòng tuần hoàn đóng băng - tan chảy của băng. Ông giả định rằng lượng băng tích tụ trôi nổi từ Bắc Cực qua eo biển Fram và Bering, một trong những tham số quan trọng nhất để dựng mô hình, sẽ là hằng số xuyên suốt khoảng thời gian được dự đoán. Ông ước tính lượng băng trên tương đương với 2.000 kilomet khối nước chảy hàng năm.
Các mô hình chuyển động băng, các hình ảnh vệ tinh chụp được trong khoảng thời gian 2010-2016, báo cáo về lượng băng trôi qua eo biển Fram cho thấy khối nước đông đá chảy qua nơi đây nằm trong khoảng 1.970 tới 2.400 kilomet khối nước. Vậy là lượng băng ròng chảy từ Bắc Cực xuống rơi vào khoảng 2.200 kilomet khối nước, không khác mấy với dự đoán mà Budyko đưa ra từ năm 1966.
Giáo sư Budyko cũng nhận ra rằng nhiệt độ tại Bắc Cực tăng nhanh hơn các vùng thuộc vĩ độ thấp và rõ ràng, nó sẽ khiến tốc độ băng Bắc Cực tan nhanh hơn. Theo tính toán của ông, với thay đổi 4 độ C, lớp băng dày 4 mét tại khu vực trung tâm Bắc Cực sẽ biến mất trong 4 năm. Nếu tốc độ tăng nhiệt độ trung bình Bắc Cực mà gấp đôi so với tốc độ nhiệt độ trung bình toàn cầu, ta sẽ gặp con số 4 độ C kia vào khoảng thời gian 2050-2060, khi mà nhiệt độ trung bình toàn cầu cao hơn 2 độ C so với mức của năm 1970.
Theo các nghiên cứu ngày nay cũng như theo hai mô hình RCP 8.5 và RCP 6.0, Bắc Cực sẽ trải qua mùa hè đầu tiên không có băng vào khoảng thời gian 2042 - 2054.
Ngày nay, hoạt động xả thải của con người vẫn diễn ra mạnh. Để tránh mốc nóng lên 1,5 độ C vào năm 2060 (so với mức khí nhà kính của thời tiền cách mạng công nghiệp), ngay bây giờ mức xả thải toàn cầu phải giảm 7% mỗi năm. Theo báo cáo xuất bản năm ngoái, đại dịch Covid-19 và việc cách ly xã hội đã khiến mức xả thải carbon thường niên nhất thời giảm từ 4-7%.
Những khủng hoảng toàn cầu trước đây, đơn cử như khủng hoảng tài chính giai đoạn 2008-2009 hay khủng hoảng dầu mỏ của thập niên 70, đều sinh ra những quãng thời gian mà mức xả thải carbon tạm thời giảm. Tuy nhiên, mức xả thải sẽ bình thường trở lại trong những năm hậu khủng hoảng. Quãng thời gian hậu Covid-19 cũng sẽ không phải ngoại lệ, khi mà giá dầu giảm sâu mà nỗ lực phục hồi kinh tế sẽ đẩy mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu lên cao.
Dù mức xả thải có biến động ở trước và sau đại dịch, hay thậm chí nếu ta có dừng đốt nhiên liệu hóa thạch ngay tại thời điểm này, Trái Đất vẫn sẽ nóng lên thêm vài độ nữa trong thế kỷ tới, vừa vì lượng năng lượng chứa trong các đại dương lẫn hiệu ứng từ khí thải. Trên thực tế, mức nhiệt toàn cầu sẽ tăng cao hơn ta tưởng do các mô hình đã không tính tới nhiều yếu tố bất ngờ, đơn cử như những nguồn methane thoát ra từ lớp trầm tích dưới đáy Bắc Băng Dương và từ lớp băng vĩnh cửu đang tan chảy.
Trong viễn cảnh “mọi thứ diễn ra bình thường” đã nêu trên, các đạo luật kiểm soát khí thải đều không được áp dụng. Tuy nhiên, trong 30 năm qua, thế giới đã liên kết với nhau ở mức chặt chẽ chưa từng có và ta ngày một nhận ra rõ ràng hậu quả của nóng lên toàn cầu, đây sẽ là những tiền đề cho phép toàn cầu nhất quán hành động vì một lý do chung: sinh tồn. Vì lý do này, một báo cáo khoa học mới được xuất bản năm vừa rồi đã đề xuất coi viễn cảnh “mọi thứ diễn ra bình thường” kia là tình huống xấu nhất xảy đến với nhân loại. Nhưng có lẽ không nên coi đây là viễn cảnh “xấu nhất”, bởi lẽ xét tới lượng methane từ Bắc Cực thâm nhập vào bầu khí quyển và việc đốt nhiên liệu hóa thạch hậu Covid-19, ta sẽ đối diện với viễn cảnh còn u ám hơn.
Trong 20 năm qua, nhiệt độ trung bình toàn cầu tiếp tục tăng 0,25 độ mỗi thập kỷ, giống với những gì mô hình của Budyko đã dự đoán. Xu hướng tăng nhiệt độ này hoặc sẽ tệ hơn nếu ta để viễn cảnh xấu xảy ra, hoặc sẽ cải thiện nếu ta áp dụng những chính sách năng lượng sạch đang ngày một xuất hiện nhiều.
Còn trong tương lai gần, cứ hiểu một cách đơn giản như thế này : xu hướng nóng lên toàn cầu sẽ tiếp tục, như những gì giáo sư Budyko đã “tiên tri” từ hồi thập niên 70.