Sống ở Canada, sự thấm thía với cái lạnh buốt băng giá của mùa đông. Phải chờ mùa xuân đến để khí hậu mát mẻ mang lại màu xanh cho cỏ cây và hoa lá rực rở. Rồi mùa hè oi ả với cái nóng đến, đón những cơn mưa bất chợt đổ xuống. Cái nóng bức mùa hè cũng dịu dần để đón gió thu sang…Trong khi ấy mùa đông bên Anh và Pháp đở lạnh hơn nhiều và mùa hè cũng đến sớm hơn nơi đây một tháng…
Thắc mắc tại sao Anh và Pháp cũng nằm trên bắc cực như bắc Mỹ, nhưng nơi đây mùa đông lại ấm hơn những 15 đến 20 độ C. Từ đó, tìm tòi tài liệu về khí tượng và Hải Dương Học để hiểu rõ phần nào hiện tượng khoa học khó giải thích này…
Nếu bạn ở bên Anh quốc, bạn sẽ tự chấp nhận hiện tượng khoa học ấy như một lẽ tự nhiên của trời đất từ nhiều thế kỷ trước. Cũng như sự chấp nhận lịch sử huy hoàng của Hoàng Gia Anh quốc, việc uống trà pha với sữa và nghĩ rằng Anh quốc may mắn được trời ban cái khí hậu ấm áp ấy nhờ lượng khí ấm chuyển về từ Vịnh Mexico (Gulf Stream), Nam Mỹ. Và bạn sẽ hân hạnh chấp nhận như một huyền thoại khoa học sẵn có…Các bạn đừng lầm tưởng là không có sự huyền bí khí hậu nào mà không có sự giải thích cặn kẽ của nó …
Để mở đầu chúng ta nên ôn lại chu kỳ lưu thông của nước (watercycle) để có một khái niêm về sự lưu thông của nước và các dòng hải lưu.
Chu kỳ lưu thông nước là sự tồn tại và vận động của nước trên mặt đất, trong lòng đất và trong bầu khí quyển của Trái Đất. Nước, trái đất luôn vận động và chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, từ thể lỏng sang thể hơi rồi thể rắn và ngược lại. Chu kỳ lưu thông nước đã và đang diễn ra từ hàng tỉ năm và tất cả cuộc sống trên Trái Đất đều phụ thuộc vào nó. Trái Đất chắc hẳn sẽ là một nơi không thể sống được nếu không có nước.
Chu kỳ lưu thông nước không có điểm bắt đầu nhưng chúng ta có thể bắt đầu từ các đại dương. Mặt Trời điều khiển vòng tuần hoàn nước bằng việc làm nóng nước trên những đại dương, làm bốc hơi nước vào trong không khí. Những dòng khí bốc lên đem theo hơi nước vào trong khí quyển, gặp nơi có nhiệt độ thấp hơn hơi nước bị ngưng tụ thành những đám mây. Những dòng không khí di chuyển những đám mây khắp toàn cầu, những phân tử mây va chạm vào nhau, kết hợp với nhau, gia tăng kích cỡ và rơi xuống thành mưa. Mưa dưới dạng tuyết được tích lại thành những núi tuyết và băng hà có thể giữ nước đóng băng hàng nghìn năm. Trong những vùng khí hậu ấm áp hơn, khi mùa xuân đến, tuyết tan và chảy thành dòng trên mặt đất, đôi khi tạo thành lũ. Phần lớn lượng giáng thuỷ (hiện tượng nước thoát ra khỏi những đám mây dưới các dạng lỏng (mưa) và dạng rắn (mưa tuyết, mưa đá, tuyết)) rơi trên các đại dương, hoặc rơi trên mặt đất và nhờ trọng lực trở thành dòng chảy mặt (chảy tràn trên mặt đất). Một phần dòng chảy mặt chảy vào sông theo những thung lũng sông trong khu vực, với dòng chảy chính trong sông chảy ra đại dương. Dòng chảy mặt, và nước thấm được tích luỹ và được trữ trong những hồ nước ngọt. Mặc dù vậy, không phải tất cả dòng chảy mặt đều chảy vào các sông. Một lượng lớn nước thấm xuống dưới đất. Một lượng nhỏ nước được giữ lại ở lớp đất sát mặt và được thấm ngược trở lại vào nước mặt và đại dương dưới dạng dòng chảy ngầm. Một phần nước ngầm chảy ra thành các dòng suối nước ngọt. Nước ngầm tầng nông (sâu trong lòng đất) được rễ cây hấp thụ rồi thoát hơi qua lá cây.
Dòng hải lưu (water current) là chuyển động trực tiếp, liên tục và tương đối ổn định của nước biển và lưu thông ở một trong các đại dương của Trái Đất. Các dòng hải lưu có thể lưu thông trên một quãng đường dài hàng ngàn kilômét. Chúng rất quan trọng trong việc xác định khí hậu của các lục địa, đặc biệt ở những khu vực gần biển. Ví dụ nổi bật nhất là dòng Vịnh (còn gọi là hải lưu Gulf Stream từ tiếng Anh Gulf Stream), dòng hải lưu này làm cho phần tây bắc châu Âu có nhiệt độ cao hơn bất kỳ khu vực nào có cùng vĩ độ. Một ví dụ khác là quần đảo Hawaii, ở đó khí hậu có tính cận nhiệt đới và mát hơn đáng kể so với các khu vực có cùng vĩ độ nhiệt đới với nó do dòng hải lưu California gây ra. Tuy nhiên, tầm quan trọng của các dòng hải lưu cũng được làm sáng tỏ thêm bởi hiện tượng El Niño, trong đó sự đảo ngược tạm thời của dòng hải lưu sinh ra những sự thay đổi khí hậu có tính khắc nghiệt hơn dọc theo bờ biển phía tây Nam Mỹ. Các hiệu ứng của El Niño trải rộng đến tận nước Úc.
Các dòng hải lưu bề mặt nói chung được lưu thông bởi gió và có xu hướng chảy theo các xoắn ốc cùng chiều kim đồng hồ ở bắc bán cầu và ngược chiều kim đồng hồ ở nam bán cầu do hiệu ứng Coriolis. Trong các dòng hải lưu chuyển động bởi gió thì hiệu ứng xoắn ốc Ekman làm cho dòng chảy tạo ra một góc nào đó so với hướng gió.
Các dòng hải lưu sâu được lưu thông do các độ chênh lệch (gradient) của mật độ và nhiệt độ. Luân chuyển nhiệt muối, còn được gọi là "băng tải đại dương", được dùng để chỉ các dòng hải lưu sâu chảy trong lưu vực dưới đáy các đại dương. Các dòng lưu chuyển này chảy sâu dưới đáy biển và do đó khó phát hiện và đôi khi còn được gọi là các con sông ngầm dưới đáy biển.
Các dòng hải lưu đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình di cư và phân tán của các sinh vật.
Giả thuyết Matthew Fontaine Maury từ 1855…
Sau khi có một khái niệm về chu kỳ lưu thông và các dòng hải lưu, chúng ta sẽ tìm hiểu yếu tố chính nào ảnh hưởng đến khí hậu ấm miền đông Tây Âu. Từ hơn một thế kỷ qua một sĩ quan hàng hải nổi tiếng, ông Matthew Fontaine Maury giải thích hiện tượng khí hậu làm ấm Tây Âu trong cuốn sách của ông với nhan đề: The Physical Geography of the Sea xuất bản năm 1855 đã trở nên một huyền thọai không thể lai dịch. Ông cho biết rằng nếu không có dòng hải lưu Gulf stream mang khí ấm này thì Tây Âu sẽ chịu cái lạnh khắc nghiệt như Canada. Chúng ta thử xem xét lại vài giả thuyết của vị mạo hiểm nổi tiếng này cùng với những khám phá hiện đại của những khoa học gia khác…
Ông Maury nghĩ rằng Đấn Tạo hoá đã an bài như thế để cho Âu Châu được hưởng khí hậu ấm áp. Ông cho rằng dòng hải lưu Gulf stream giống như tế bào Hadley làm cho gió nóng thổi lên về phiá đông bắc trong khi làng gió lạnh thổi xuống miền Nam gần đến quỉ đạo để giử sự tăng tốc (momentum). Vì thế, dòng nước mặt biển được di chuyển về phía bắc theo chiều gió lốc (prevailing wind). Ông Maury quên rằng chính gió là đẩy dòng nước chứ không phải ngược lại… Phải trải qua một thế kỷ con người mới tìm ra được giả thuyết về sự vận chuyển của Gulf Stream như sau: theo sự quan sát của đại dương học những vòng xoắn nhiệt đới xoay chuyển về hướng tây và càng bành trướng lớn ra gây nên bởi gió lốc (trade winds) thổi từ tây sang đông và vĩ tuyến trung di chuyển trong chiều ngược lại..
Hải lưu Gulf Stream (hay "dòng Vịnh") hoặc phiên âm hải lưu Gulf stream, là một hải lưu mạnh có nhiều năng lượng ấm và chảy nhanh ở Đại Tây Dương xuất phát từ vịnh Mexico, chảy qua eo biển Florida tới bờ biển phía đông nước Mỹ và Newfoundland. Hải lưu Gulf Stream có ảnh hưởng đặc biệt tới khí hậu của bờ biển phía đông Florida, đặc biệt cao là vùng đông nam Florida, nó giúp cho thời tiết ở đây ấm hơn trong mùa đông và ít nóng hơn so với những phần còn lại của miền đông nam nước Mỹ trong mùa hè. Nó trải dài tới tận châu Âu, và được gọi là dòng chảy bắc Đại Tây Dương, làm cho các quốc gia Tây Âu ấm hơn một cách đáng kể so với khi nếu nó chảy theo hướng khác.
Một con sông ngầm dưới đáy biển, gọi là hải lưu bắc xích đạo, chảy từ bờ biển phía tây bắc Châu Phi về hướng tây. Khi dòng chảy này gặp bờ biển đông bắc Nam Mỹ, dòng chảy tách ra thành hai nhánh. Một nhánh đi vào vịnh Caraibe, còn nhánh kia chảy về hướng bắc và hướng đông của Tây Ấn. Cả hai nhánh này liên kết lại để chảy qua eo biển Florida.
Do đó, kết quả là hải lưu Gulf Stream trở thành một trong những hải lưu mạnh nhất đã được biết, nó vận chuyển một nguồn năng lượng khổng lồ cỡ 1.4 petawattt (1.4 x 1015 W). Lưu lượng nước của nó đạt tới 30 triệu mét khối trên giây. Sau khi nó vượt qua mũi Hatteras, lưu lượng tăng lên tới 80 triệu mét khối trên giây. Lưu lượng nước vận chuyển của hải lưu Gulf Stream này vượt xa lưu lượng của tất cả các con sông đổ ra Đại Tây Dương cộng lại (tổng lưu lượng của chúng chỉ có tối đa 0.6 triệu mét khối trên giây).Khi nó chuyển động về phía bắc, một lượng nhất định nước ấm của hải lưu Gulf Stream bị bay hơi. Điều này làm tăng độ mặn của nước trong hải lưu này, và ở bắc Đại Tây Dương nước bị lạnh đi và nặng hơn cùng với độ mặn cao hơn sẽ chìm xuống. Sau đó, nó trở thành một phần của vùng nước sâu bắc Đại Tây Dương, là một dòng nước chảy về phía nam.
Hiệu ứng của hải lưu Gulf Stream là đủ mạnh để làm cho một số phần đất thuộc miền tây nước Anh và Ireland có nhiệt độ trung bình cao hơn vài độ so với phần lớn các vùng khác của các quốc gia này. Trên thực tế, tại Cornwall, và chủ yếu là quần đảo Scilly, hiệu ứng của nó lớn đến mức những loài thực vật chủ yếu sinh trưởng ở những vùng khí hậu ấm áp như dừa cũng có thể sống được trong điều kiện khắc nghiệt của mùa đông ở các vĩ độ cao. Vườn bách thảo Logan ở Scotland cũng hưởng lợi từ hải lưu Gulf Stream, các cây đại hoàng Nam Mỹ (Gunnera manicata) ở đây cao tới trên 3 mét.
Hiện tượng Thermohaline theo Wallace S. Broecker (Columbia University)
Một giáo sư cũng là nhà khoa học về Hải Dương Học của Đại Học Columbia có cho ra kết luận về sự nghiên cứu của ông về hiện tượng di chuyển nhiệt năng (thermohaline circulation) của biển Đại Tây dương như sau: “một trong những yếu tố quan trọng hiện nay trên Đại Tây dương giống như cây cầu máy (conveyor) di chuyển một lưu lượng nhiệt vĩ đại miền nhiệt đới về phía bắc Đại Tây dương. Vào mùa đông số lượng nhiệt này được toả ra không khí và gió đông bắc đưa về Tây Âu vì thế Tây Âu ấm hơn đông bắc Canada và Mỹ…Như vậy sau một thế kỷ sự hiểu biết con người cũng còn giới hạn trong một khuôn khổ đã vạch sẵn từ hơn 100 năm trước. Vì thế gần đây một số khoa học gia hiện đại bắt đầu đặt lại câu hỏi về những giả thuyết bất lai dịch về hiện tượng khí hậu ấm mùa đông Tây Âu như Richard Seager và David S. Battisti…
Giả thuyết Richard Seager và David Battisti …
Khoa học gia Seager và David Battisti hợp tác với nhiều cộng sự viên khác như J. Yin, N. Gordon, A.C Clement và M.A Cane đã dày công nghiên cứu hiện tượng làm ấm Tây Âu năm 2001 và đã phổ biến công trình nghiên cứu của ông qua bài tường trình dài 2 600 trang.[3]
Chúng tôi chỉ tóm tắt những sự việc quan trọng để đóng góp thêm vào sự hiểu biết của nhân loại thế kỷ 21 này…
Theo Seager thì dòng hải lưu Gulf stream cũng không khác gì dòng nước Kuroshio chảy xuất xứ từ Á châu vào Thái Bình Dương, phía đông Nhật bản. Từ đó nó hướng về phía đông (không giống như Gulf stream là đông bắc) để đến Oregon và California. Nhưng ngược lại dòng hải lưu Kuroshio không mang nguồn nhiệt nào vào phía bắc Thái Bình Dương ở vỉ độ của tiểu bang Washington và British Columbia Canada. Vì thế nhiệt phát ra từ biển Thái Bình Dương không làm khác biệt khí hậu mùa đông ở vùng tây bắc Thái Bình Dương. Nhưng hiện tượng này lại không được đặt nhiều câu hỏi về giả thuyết của nó như Gulf stream.
Người ta tư hỏi tại sao vấn đề vận chuyển nhiệt lượng (oceanic heat transport) trong lòng biển không thể làm khác biệt khí hậu từng vùng như Bắc Đại Tây Dương và Bắc Thái Bình Dương? Từ đó ông Seager và Battisti mới bắt tay vào việc nghiên cứu khoa học để mong tìm ra câu trả lời thỏa đáng cho hiện tượng dị biệt khó hiểu này...
Câu trả lời tức khắc trong đầu ông là chỉ có sự khác biệt về khả năng dự trữ nhiệt trong nước và mặt đất và núi. Vì nước cần rất nhiều thời gian để trữ cũng như thải nhiệt ra so với mặt đất và núi. Tương tự như thế nước làm lạnh chậm hơn mùa đông. Vì thế chỉ vấn đề trữ nhiệt không đã ảnh hưởng phần nào đến nhiệt độ vùng của nước biển khác với mặt đất ở cùng một vĩ độ. Điều này tự chứng minh là những vùng đất gần ven biển, mát vào mùa hè và mùa đông cũng ấm hơn nội địa…
Hơn nữa, năng lượng mặt trời được trữ trong một khối nước vĩ đại trên mặt biển (sâu hơn 10 m) rất nhiều so với mặt đất và núi non, nhờ hiện tượng nhiệt quang mặt trời (sun’s ray). Như vậy theo 2 nhà khoa học này thì bất cứ vùng nào gần biển và được gió ấm thổi từ mặt biển vào thì sẽ có mùa đông ấm áp và mùa hè dễ chịu hơn vì nhiệt độ trong nước biển thay đổi chậm hơn đất đai và núi.
Hai ông Seager và Battisti tự hỏi chúng ta có thể đủ viện cớ để kết luận sự khác biệt về khí hậu mùa đông giữa Tây Âu và đông bắc Mỹ và Canada, có nghĩa là chỉ là sự khác biệt giữa khí hậu miền vùng biển và miền lục địa chăng! Để tìm cho được câu trả lời thỏa đáng 2 ông dùng 2 mô hình (models) để thí nghiệm và giải thích như sau.
Model thứ nhất dựa trên sự thay đổi của khí hậu thiên nhiên để phán quyết sự thay đổi khí hậu và thứ hai để tiên đoán thời tiết trong tương lai. Với những models này quả địa cầu được thể hiện vào 3 chiều – kinh độ (longitude), vĩ độ (lattitude) và áp suất chiều cao. Tất cả dữ liệu đã được thu thập cho vào máy vi tính hiện đại để làm simulation.
Với model thứ nhất dùng vi tính để tính nhiệt độ một vùng sau khi tính lưu lượng nhiệt tỏa ra từ dòng nước biển, sự hấp thụ nhiệt năng mặt trời, và sự trao đổi nhiệt giữa biển và không khí. Model thứ hai tính sự hấp thụ nhiệt mặt trời và sự trao đổi nhiệt năng của mặt đất nhưng không cho sự vận chuyển nhiệt từ biển theo chiều ngang.
Kết quả cuộc thí nghiệm bằng vi tính cho thấy miền Nam của bắc NaUy thì nhiệt độ mùa đông không thay đổi gì mấy trải dài miền Đại tây Dương mặc dù chúng ta để hay không để khối lượng nhiệt từ biển tải vào. Kết quả này cho biết sự vận chuyển nhiệt từ biển đến Tây Âu không thể làm thay đổi nhiệt độ mùa đông giữa Tây Âu và đông bắc Canada và Mỹ. Như vậy phải có một yếu tố thứ ba gây nên sự khác biệt ấy. Có thể là sự hấp thụ và tỏa nhiệt từ đại dương làm dịu khí hậu những vùng cận biển sau ảnh hưởng bởi chiều gió lốc. Kết quả của sự tìm thấy mới này không loại bỏ giả thuyết về ảnh hưởng của sự vận chuyển nhiệt từ dòng hải lưu. Đại dương hấp thụ năng nhiệt mặt trời rất nhiều từ xích đạo (Equator). Dòng hải lưu vận chuyển nhiệt về phía bắc và thải dần về trung vĩ độ. Theo model cho thấy sự thải nhiệt nhiều ở xích đạo (Equator) và ít ở những nơi khác. Nhưng sự khác biệt về nhiệt giữa xích đạo (Equator) và trung vĩ độ (middle latitudes) rất nhỏ so với sự khác biệt từ 15 đến 20 độ C phía xuyên bắc Đại Tây Dương. Tại sao biển l ại ảnh hưởng nhiều khí hậu bắc Đại Tây dương? Theo nhiều nhà khoa học cận đại thì biển và khí quyển vận chuyển cùng lượng nhiệt miền nhiệt đới nhưng gấp nhiều lần ở miền trung vĩ độ (middle latitudes). Và như thế mùa đông biển tỏa ra nhiều nhiệt hấp thụ mùa hè hơn lượng nhiệt mà đại dương vận chuyển từ vĩ độ thấp đến trung vĩ độ trong một năm. Ghép lại hai hiện tượng này – sự thải nhiệt từ biển và sự vận chuyển nhiệt của biển làm mùa đông Tây Âu ấm hơn từ 10 đến 20 độ C. Mặc dù những sự kiện phát hiện từ giả thuyết nhưng nó vẫn chưa thuyết phục được sự ấm áp mùa đông của Tây Âu theo Seager và Battisti. Chúng ta nên hiểu nhiều hơn địa lý học. Dòng hải lưu Gulf stream và những hải lưu khác ở Bắc Đại Tây Dương hấp thụ và tỏa nhiệt trong hai bộ phận: bộ phận thứ nhất thổi vào phía đông Hoa kỳ, trong khi dòng hải lưu ấm chảy về phía bắc sau khi rời Gulf of Mexico và vòng ngang Florida. Về mùa đông, gió bấc thổi mạnh khí khô và lạnh từ Lục Địa Bắc Mỹ và xuyên qua dòng hải lưu Gulf stream. Vì sự khác biệt lớn về ẩm ướt và nhiệt độ giữa gió và biển quá lớn cho nên nguồn nhiệt năng tỏa ra từ biển bằng sự bốc hơi (evaporation) và trao đổi nhiệt thật cao – hàng ngàn watts/m2. Nguồn nhiệt ấy được lấy đi bởi bảo táp trong khí quyển và được mang vào lục địa Đông Bắc Mỹ và Canada và gây nên khí hậu lạnh của lục địa. Như vậy dòng hải lưu Gulf stream thải nhiệt ở đâu nhỉ? Sau khi khởi hành từ bờ biển Florida dòng hải lưu Gulf stream di chuyển về phía Đông Bắc Đại Tây Dương xa hơn hạ lưu của hải lưu Nauy (Norvegian). Ở đấy, nhiệt được thải ra hướng đông bằng gió và làm ấm Tây Âu. Sự vận chuyển nhiệt ở miền trung Đại Tây dương tỏa ra 2 bên đại dương với cùng lưu lượng.
Angular momentum (động lực) của gió tạo ra bởi 2 thành phần: một từ việc xoay chuyển của quả cầu và hai là từ các dòng hải dương. Thành phần thứ nhất thì hướng gió vận chuyển ngược chiều kim đồng hồ và mạnh nhất ở 2 Cực và yếu dần ở Xích Đạo. Vì sự bảo tồn Angular Momentum cho nên các ngọn núi ở Bắc Mỹ như Rocky Mountains làm khác biệt nhiệt độ vùng Đại tây Dương. Như lớp khí quyển khi chạm những ngọn núi lớn như Rocky Mountains sẽ tăng áp suất và tỏa ra chiều ngang. Những vùng xa núi thì hiện tượng sẽ xảy ra ngược lại để bảo tồn Angular Momentum. Vì hiện tượng bảo tồn Angular Momentum cho nên những vùng phía Tây gần núi Rocky Mountains ấm hơn những vùng xa núi như đông bắc Canada và Mỹ. Trên phương diện Địa Lý Học làn sóng gió ảnh hưởng lớn sự khác biệt về thời tiết mùa đông vùng Đại tây Dương. Khi 2 nhà khoa học gia bỏ những ngọn núi lớn ra trong mô hình (model) thì sự khác biệt về nhiệt độ vùng Đại Tây Dương xuống còn phân nửa. Hai ông kết luận rằng sự khác biệt về nhiệt độ mùa đông giữa Đông Bắc Mỹ và Tây Âu chịu ảnh hưởng của 2 yếu tố - sự khác biệt về khí hậu lục địa và khí hậu duyên hải (ven biển) và ngọn gió thổi từ Rocky Mountains.
Với những khám phá mới của hai nhà khoa học ở thế kỷ 21 này – Richard Seager và David Battisti cho chúng ta hiểu thêm phần nào về hiện tượng làm ấm Tây Âu và sự lạnh buốt của miền Đông Bắc Mỹ và Canada.
Với hiện tượng gần đây của việc trái đất nóng dần (global warming), một số nhà khoa học đã bày tỏ sự lo ngại về một vài nơi trên thế giới có thể chìm xuống lòng biển như Miami, New Orleans, Đồng bằng sông Cửu Long, Hà Lan, đảo Tuvalu, v.v.v... Đặc biệt, nước ngọt tạo ra do sự tan chảy của các núi băng ở Bắc Băng Dương có thể làm loãng nước của hải lưu Gulf Stream và làm cho nó nhẹ đi nên không chìm xuống. Kết quả là một sự thay đổi lớn trong khí hậu của Châu Âu, với những hậu quả chưa thể tính trước và chưa chắc sẽ còn ấm áp như mùa đông hiện nay nữa. Một số dấu vết hóa thạch là dấu hiệu chứng tỏ sự kiện tương tự đã diễn ra trong quá khứ nhiều lần, nhưng chứng cứ hóa thạch vẫn là dấu hỏi.
Phúc Nguyễn
Tham khảo
[1] http://vi.wikipedia.org/wiki/H%E1%BA%A3i_l%C6%B0u_Gulf_Stream
[2] Maury M Fontaine. 1855 The Physical Geography of the Sea. New York – Harper & brothers
[3] Richard Seager, David S. Battisti 2002. Is the Gulf Stream responsible for Europe’s mild winter? Quartely Journal of the Royal Meteorological Society edition 128 page 2563-2586
[4] Richard Seager. The source of Europe’s mild climate? www.Americanscientist.org