Trái Đất hiện nay đang ở thời kỳ băng hà hay thời kỳ gian băng?

Trái Đất hiện đang nằm trong một thời kỳ gian băng ấm áp có tên gọi là thế Holocen, bắt đầu từ khoảng 11700 năm trước sau khi đợt lạnh cuối cùng của kỷ Đệ Tứ kết thúc. Trong thời kỳ này, khí hậu tương đối ổn định đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành và phát triển của các nền văn minh nhân loại.

Yếu tố nào điều khiển sự luân phiên giữa thời kỳ băng hà và thời kỳ gian băng?

Sự luân phiên này chủ yếu được kích hoạt bởi các chu kỳ Milankovitch, bao gồm các biến thiên có tính tuần hoàn của độ lệch tâm quỹ đạo, độ nghiêng trục tự quay và tiến động của Trái Đất làm thay đổi lượng bức xạ mặt trời nhận được ở vùng cực. Tín hiệu quỹ đạo sau đó được khuếch đại mạnh mẽ bởi sự biến thiên nồng độ khí nhà kính và phản hồi suất phản chiếu bề mặt của các khiên băng.

Thời kỳ gian băng Eemian có điểm gì khác biệt so với thế Holocen?

Thời kỳ gian băng Eemian diễn ra cách đây khoảng 125000 năm và có đặc trưng nổi bật là mực nước biển toàn cầu khi đó dâng cao hơn thời kỳ tiền công nghiệp từ 6 m đến 9 m do các khiên băng ở Greenland và Nam Cực bị tan chảy một phần đáng kể.

Thời kỳ gian băng (interglacial period) là gì?

Thời kỳ gian băng là giai đoạn khí hậu ấm áp kéo dài hàng nghìn năm xen giữa các thời kỳ băng hà lạnh giá trong một đại băng hà của lịch sử Trái Đất. Trong các giai đoạn này, nhiệt độ trung bình toàn cầu gia tăng rõ rệt, diện tích các khiên băng lục địa tại hai cực bị thu hẹp đáng kể, và mực nước biển toàn cầu dâng cao tương ứng. Bài viết trình bày cơ chế vật lý thiên văn điều biến chu kỳ gian băng, các bằng chứng địa chất từ lõi băng và trầm tích biển sâu, các thời kỳ gian băng điển hình trong thế Pleistocen, cùng những tác động môi trường toàn cầu liên quan.

Bản chất khoa học và định vị địa chất

Trong địa thời học và cổ khí hậu học, lịch sử Trái Đất xen kẽ giữa các chế độ nhà kính ấm áp không có băng vĩnh cửu tại hai cực và các chế độ nhà băng lạnh giá có sự hiện diện của các khiên băng quy mô lớn. Kỷ Đệ Tứ là giai đoạn đại băng hà điển hình của lịch sử Trái Đất, được đặc trưng bởi sự dao động tuần hoàn có tính chu kỳ cao giữa các thời kỳ băng hà cực đại và các thời kỳ gian băng.

Một thời kỳ gian băng được định nghĩa dựa trên các tiêu chí nhiệt độ và diện tích băng tuyết. Khi bức xạ mặt trời tăng lên tại các vĩ độ cao ở bán cầu bắc, quá trình tan chảy mùa hè vượt quá lượng tuyết tích tụ mùa đông. Sự suy giảm diện tích tuyết và băng làm giảm suất phản chiếu bề mặt của Trái Đất, dẫn đến việc bề mặt đất liền và đại dương hấp thụ nhiều nhiệt lượng hơn. Cơ chế phản hồi dương này thúc đẩy hệ thống khí hậu chuyển nhanh từ trạng thái băng hà lạnh giá sang trạng thái gian băng ấm áp.

Bằng chứng trực tiếp nhất về các thời kỳ gian băng được lưu trữ trong tỷ số đồng vị oxy trong vỏ hóa thạch của trùng lỗ sống tại đáy đại dương. Tỷ số đồng vị oxy chuẩn hóa $\delta^{18}\text{O}$ được xác định theo công thức giải tích sau:

\delta^{18}\text{O} = \left( \frac{(^{18}\text{O}/^{16}\text{O})_{\text{mẫu}}}{(^{18}\text{O}/^{16}\text{O})_{\text{chuẩn}}} - 1 \right) \times 1000

Trong biểu thức trên, đại lượng $\delta^{18}\text{O}$ biểu thị độ lệch phần nghìn của tỷ số giữa đồng vị oxy mười tám và đồng vị oxy mười sáu, thành phần phân số biểu diễn tỷ số đồng vị trong mẫu hóa thạch so với mẫu chuẩn quốc tế VPDB cho mẫu vỏ cacbonat. Trong các thời kỳ băng hà, đồng vị oxy mười sáu nhẹ hơn bay hơi ưu tiên từ đại dương và bị lưu giữ lại trong các khiên băng trên lục địa, khiến nước biển sâu giàu đồng vị oxy mười tám hơn. Ngược lại, trong các thời kỳ gian băng, các khối băng tan chảy giải phóng lượng lớn đồng vị oxy mười sáu trở lại đại dương, khiến giá trị $\delta^{18}\text{O}$ trong trầm tích đáy biển giảm xuống rõ rệt.

Cơ chế thiên văn Milankovitch và chu kỳ gian băng

Nguyên nhân gốc rễ kích hoạt sự xuất hiện tuần hoàn của các thời kỳ gian băng xuất phát từ sự biến thiên cơ học quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời, thường được gọi là các chu kỳ Milankovitch.

1. Bằng chứng định lượng từ quỹ đạo Trái Đất

Năm 1976, Hays, Imbrie và Shackleton đã công bố công trình bước ngoặt trên tạp chí Science, chứng minh rằng sự biến thiên quỹ đạo Trái Đất chính là yếu tố tạo nhịp cho các chu kỳ băng hà và gian băng trong kỷ Đệ Tứ. Ba tham số quỹ đạo chính tham gia điều biến bức xạ mặt trời bao gồm:

Độ lệch tâm quỹ đạo: Hình dạng quỹ đạo elip của Trái Đất biến đổi từ dạng gần tròn sang dạng dẹt hơn với chu kỳ chiếm ưu thế khoảng 100000 năm. Độ lệch tâm điều biến tổng lượng bức xạ mặt trời hàng năm mà Trái Đất nhận được từ không gian.
Độ nghiêng trục tự quay: Góc nghiêng giữa trục tự quay của Trái Đất và mặt phẳng hoàng đạo dao động tuần hoàn với chu kỳ chiếm ưu thế khoảng 41000 năm, làm biến thiên độ tương phản mùa và lượng bức xạ hấp thụ tại hai vùng cực.
Hiện tượng tiến động: Chuyển động đảo trục quay của Trái Đất làm thay đổi vị trí của điểm cận nhật trên quỹ đạo với chu kỳ trung bình khoảng 23000 năm, chi phối sự phân bố bức xạ mùa hè giữa hai bán cầu.

Năm 1988, Berger đã lượng hoá cơ chế giải tích của lý thuyết Milankovitch, chỉ ra rằng lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái Đất vào ngày hạ chí tại vĩ độ 65 độ Bắc là tham số vật lý then chốt quyết định sự khởi phát hoặc kết thúc của một thời kỳ gian băng. Khi lượng bức xạ mùa hè tại vĩ độ 65 độ Bắc vượt qua một ngưỡng tới hạn nhất định, tuyết mùa đông ở vùng cực không thể tồn tại qua mùa hè, kích hoạt quá trình chuyển đổi sang thời kỳ gian băng.

2. Phản hồi khí nhà kính và suất phản chiếu băng

Mặc dù các biến thiên quỹ đạo thiên văn cung cấp lực kích hoạt ban đầu, năng lượng bức xạ từ quỹ đạo thuần túy không đủ lớn để tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ toàn cầu đáng kể giữa thời kỳ băng hà và thời kỳ gian băng. Sự khuếch đại này được điều khiển bởi hai cơ chế phản hồi nội tại của hệ thống Trái Đất:

Năm 1999, Petit và các cộng sự đã công bố dữ liệu từ lõi băng Vostok tại Nam Cực, phục dựng lịch sử khí hậu và thành phần khí quyển liên tục xuyên suốt 420000 năm. Kết quả phân tích bọt khí cổ xưa chứng minh nồng độ khí cacbonic trong khí quyển dao động đồng nhịp chặt chẽ với nhiệt độ, đạt mức thấp khoảng 180 ppm trong thời kỳ băng hà lạnh giá và tăng lên mức khoảng 280 ppm trong các thời kỳ gian băng ấm áp.

Năm 2000, Shackleton đã chứng minh rằng chu kỳ thể tích băng 100000 năm bị trễ pha so với biến thiên nhiệt độ và nồng độ khí cacbonic. Khí cacbonic hoạt động như một chất khuếch đại khí hậu toàn cầu cực kỳ mạnh mẽ, truyền tín hiệu nóng lên từ bán cầu bắc lan tỏa sang toàn bộ bán cầu nam và các đại dương trên thế giới.

Phân loại và các thời kỳ gian băng tiêu biểu

Cổ khí hậu học hiện đại sử dụng thang phân vị tầng đồng vị biển để chuẩn hóa thứ tự các thời kỳ gian băng.

1. Thang phân vị tầng đồng vị biển

Năm 2005, Lisiecki và Raymo đã thiết lập chồng dữ liệu chuẩn LR04 dựa trên việc tổng hợp 57 bản ghi đồng vị oxy đáy biển phân bố trên toàn thế giới. Theo quy ước chuẩn quốc tế, các tầng đồng vị biển mang số lẻ đại diện cho các thời kỳ gian băng ấm áp, trong khi các tầng mang số chẵn đại diện cho các thời kỳ băng hà có thể tích băng lớn.

2. Thời kỳ gian băng Eemian

Năm 2016, nhóm công tác PAGES đã tổng hợp đặc tính các thời kỳ gian băng trong suốt 800000 năm qua. Thời kỳ gian băng gần nhất trước thời kỳ hiện tại là thời kỳ Eemian, tương ứng với phân tầng đồng vị biển MIS 5e, diễn ra cách đây khoảng 125000 năm. Trong thời kỳ Eemian, các khiên băng ở Greenland và Nam Cực bị tan chảy một phần đáng kể, khiến mực nước biển toàn cầu cao hơn thời kỳ tiền công nghiệp từ 6 m đến 9 m theo công bố của nhóm công tác PAGES (2016).

3. Thế Holocen thời kỳ hiện tại

Thời kỳ gian băng hiện tại mà nhân loại đang sinh sống chính là thế Holocen, tương ứng với tầng đồng vị biển MIS 1. Thế Holocen chính thức bắt đầu từ mốc 11700 năm trước sau khi đợt lạnh đảo chiều Dryas Trẻ kết thúc. Khí hậu ổn định và ấm áp của thế Holocen đã tạo điều kiện nền tảng cho sự phát triển của nền nông nghiệp định cư và sự trỗi dậy của các nền văn minh nhân loại.

Bảng đối chiếu các đặc trưng giữa thời kỳ băng hà và thời kỳ gian băng

Bảng so sánh tổng hợp các thông số môi trường và vật lý giữa hai trạng thái khí hậu đối lập trong kỷ Đệ Tứ:

Đặc trưng môi trường	Thời kỳ băng hà cực đại	Thời kỳ gian băng tiền công nghiệp
Nồng độ khí cacbonic trong khí quyển	Dao động ở mức thấp xấp xỉ 180 ppm	Dao động ở mức ấm áp xấp xỉ 280 ppm
Phạm vi bao phủ của các khiên băng	Băng lục địa mở rộng tới các vĩ độ trung bình ở Bắc Mỹ và Âu Á	Băng lục địa thu hẹp lại chủ yếu tại Nam Cực và Greenland
Mực nước biển trung bình toàn cầu	Hạ thấp rõ rệt do phần lớn nước bị đóng băng trên các lục địa	Dâng cao và đạt trạng thái cân bằng ổn định tương đối
Giá trị tỷ số đồng vị oxy đáy biển	Giá trị dương cao do đồng vị mười sáu bị giữ trên đất liền	Giá trị suy giảm do đồng vị mười sáu hòa tan trở lại đại dương

Ý nghĩa địa chất và tác động môi trường toàn cầu

Sự chuyển giao giữa các thời kỳ băng hà và gian băng tạo nên những biến đổi sâu sắc đối với bề mặt thạch quyển và sinh quyển Trái Đất:

Hiện tượng đẳng tĩnh băng: Khối lượng băng khổng lồ đè nặng khiến lớp vỏ Trái Đất bị lún xuống trong các thời kỳ băng hà. Khi bước vào thời kỳ gian băng, sự tan biến của khối lượng tải trọng băng dẫn đến hiện tượng nâng đẳng tĩnh đàn hồi của lớp vỏ đất đá diễn ra liên tục qua nhiều nghìn năm.
Biến động đường bờ biển và bồi tụ đồng bằng: Tại các vùng ven biển, sự dâng cao của mực nước biển trong thời kỳ gian băng làm ngập chìm các thềm lục địa nông, tạo tiền đề cho quá trình bồi lắng trầm tích phù sa hình thành nên các đồng bằng châu thổ phì nhiêu như đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long.
Dịch chuyển đới sinh thái và thảm thực vật: Khí hậu ấm và ẩm của các thời kỳ gian băng thúc đẩy rừng cây lá rộng và rừng mưa nhiệt đới mở rộng phạm vi phân bố về phía các vĩ độ cao hơn, thay thế cho các đồng cỏ lãnh nguyên và thảo nguyên khô hạn của thời kỳ băng giá.

Vấn đề khoa học còn mở và tác động nhân sinh

Trong bối cảnh khoa học hiện đại, mối quan hệ giữa chu kỳ gian băng tự nhiên và tác động nhân sinh đang là chủ đề tranh luận sôi nổi:

Năm 2003, Ruddiman đã đề xuất giả thuyết cho rằng các hoạt động nông nghiệp sơ khai như phá rừng làm rẫy và canh tác lúa nước từ hàng nghìn năm trước đã phát thải khí nhà kính, làm chậm lại xu thế nguội lạnh tự nhiên của thế Holocen. Mặc dù giả thuyết này vẫn tiếp tục được thảo luận, các đo đạc quan trắc khí quyển khẳng định nồng độ khí nhà kính trong kỷ nguyên công nghiệp đã vượt xa mọi ngưỡng dao động tự nhiên của các thời kỳ gian băng trong suốt 800000 năm qua. Câu hỏi về thời điểm khởi phát của kỳ băng hà kế tiếp và mức độ can thiệp của con người vào chu kỳ khí hậu Trái Đất vẫn là một đề tài nghiên cứu mở rộng lớn của khoa học khí hậu tương lai.