Một buổi sáng khi còn là giảng viên tại Viện nghiên cứu Cao cấp của đại học Princeton, Einstein đưa đề bài cho một trợ giảng trước giờ kiểm tra. Đọc xong đề bài, người trợ giảng thấy ngạc nhiên và hỏi:

Không ngần ngại, Einstein trả lời:

Câu chuyện phía trên được gán cho Einstein mặc dù chưa có ai chứng minh (hay phủ nhận) việc này. Tuy nhiên, việc ai nói ra không quan trọng bằng ý nghĩa của nó, chúng ta sống trong một thế giới chuyển động, không những vật chất chuyển động mà ngay cả kiến thức của toàn nhân loại cũng vậy. Nhiệm vụ của khoa học là tìm hiểu quy luật của vũ trụ, nơi mà theo mình đích đến không thú vị bằng quá trình đến.

Trong bài viết trước, từ đầu thế kỷ 19 Fourier đã bước đầu đặt dấu mốc trong quá trình tìm hiểu hệ thống khí hậu trên trái đất. Mặc dù với nhiều công cụ toán học mạnh mẽ nhưng Fourier tại thời điểm đó không có đủ tiềm lực để tiến hành hiểu sâu thêm. Tới đây, ông chỉ biết tồn tại một lớp vật chất (khí quyển trên bề mặt trái đất) giúp cho nhiệt độ của trái đất ở trạng thái cân bằng. 

Không khí bao gồm nhiều thành phần, trong đó chủ yếu chứa N2 (78%), O2 (20%), Ar (0.9%), hơi nước (từ 0->3%), CO2 (0.04% năm 2017), ... [1]. Riêng hơi nước là đặc biệt vì mật độ của nó biến đổi theo ngày nên mới có việc hơi nước chiếm từ 0 tới 3%.

Một số bạn có thể thắc mắc tại sao không phải N2, hay O2 hay Argon chịu trách nhiệm cho hiện tượng nóng lên toàn cầu, tổng hợp thành phần của chúng chiếm tới 99% không khí cơ mà?

Theo cách hiểu đơn giản sở dĩ các khí, hỗn hợp như CO2, hơi nước, (viết tắt là GHG - Greenhouse Gas).. có thể tác động lên khí hậu (theo ý nghĩa thay đổi nhiệt độ) là bởi vì chúng có thể hấp thụ được nhiệt lượng mà trái đất tỏa ra. Còn theo cách giải thích khoa học thì nhiệt lượng tỏa ra từ trái đất có bước sóng nằm trong vùng hồng ngoại, bước sóng ở vùng này tương tác mạnh với GHG nhưng gần như trong suốt với những khí khác. [2] Điểm chung của CO2, hơi nước, Methane (CH4) là cấu trúc phân tử của chúng tồn tại những "vibrational modes" được kích hoạt bởi những năng lượng có bước sóng khác nhau [3]. 

Theo đó khi bước sóng ở vùng hồng ngoại tác động lên GHG sẽ làm các molecules này giao động (theo cách nói khoa học thì sẽ khiến những molecules di chuyển từ ground state lên excited state), các excited state này không bền, do đó GHG molecules sẽ thả (emit) ra môi trường một nhiệt lượng với bước sóng tương ứng (như hình bên). [4]

Quay lại với những năm 1860, khi Tyndall vẫn đang cố tìm lời giải từ bài toán của các nhà địa chất học: có một thời gian thì Bắc Âu đã từng bị bao phủ bởi một dải băng tương tự như Greenland. Tại thời điểm đó, kiến thức của chúng ta chưa thể giải thích tại sao khí hậu lại có thể thay đổi một cách cực đoan và quyết liệt tới như vậy ( cũng để nói thêm, ở thời điểm này các khái niệm như kỷ băng hà, thời kỳ băng hà mới được nhen nhóm như một lý thuyết mới, "kỷ băng hà" tại thời điểm này được coi là thời kỳ mà nhiệt độ trái đất rất thấp dẫn tới hình thành những dải băng lục địa, sông băng). Tyndall hướng sự nghiên cứu của mình dựa trên tính toán của Fourier, ông tạo lập một số thí nghiệm [5] và thông qua đó chỉ ra rằng hơi nước đóng vai trò rất quan trọng (nhân tố chính) trong việc bẫy nhiệt trên trái đất. Thí nghiệm cũng chỉ ra rằng CO2 cũng hấp thụ tốt nhiệt lượng tỏa ra từ trái đất.

Tới đây chắc hẳn có nhiều bạn vội đưa ra kết luận, hiện tượng nóng lên toàn cầu là do hơi nước bởi 2 lý do: hơi nước là phân tử hấp thụ tốt nhất và hơn nữa thành phần của hơi nước trong GHG là cao nhất. Hay như một số bạn dưới đây : 

Chúng ta mới chỉ bắt đầu được 1 đoạn rất ngắn trong quá trình tìm hiểu ảnh hưởng của GHG. Thí nghiệm của Tyndall mặc dù vậy vẫn chưa giải thích được câu đố trước đó. Điều này chính là nền tảng để Arrhenius khởi đầu những nghiên cứu vào những năm 1890. Tại thời điểm đó, cũng giống như những nhà khoa học khác, Arrhenius nhận ra rằng sự tuần hoàn của hơi nước trong bầu khí quyển được tính bằng ngày và mật độ của chúng cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó hơi nước không phải là tác nhân của kỷ băng hà, vốn diễn ra trong thời gian lâu hơn (hàng chục ngàn năm). Ông chuyển sự chú ý sang GHG tiếp theo: CO2.

Khác với hơi nước, CO2 trú ngụ trong bầu khí quyển trong thời gian lâu hơn và mật độ chỉ thay đổi khi có những sự kiện lớn như sự phun trào núi lửa,...  Arrhenius nhận ra rằng, nếu thêm vào 1 lượng nhất định CO2 sẽ khiến nhiệt độ tăng lên tương ứng. Thêm vào nữa, khi nhiệt độ khí quyển tăng, khiến chúng có thể "giữ" được thêm nhiều hơi nước [6], lượng hơi nước thêm này (khoảng 7% cho mỗi 1 độ C) lại góp phần làm nóng trái đất thêm - đây được gọi là positive feedback (phản hồi tích cực). 

Ở đây ta có thể so sánh CO2 đóng vai trò như 1 chiếc núm điều chỉnh âm lượng, thay đổi mật độ CO2 dẫn tới nhiều thay đổi trong khí hậu.

Để thấy được sự thay đổi đó như thế nào thì xin hẹn gặp lại các bạn trong bài sau.

* 99% thành phần của khí quyển là N2, O2, Ar vốn không giữ nhiệt lượng tỏa ra từ trái đất, <1% GHG đóng vai trò giữ nhiệt làm ấm trái đất 

* Thí nghiệm của Tyndall chỉ ra rằng hơi nước là GHG giữ nhiệt lượng tỏa ra từ trái đất nhiều nhất, kéo theo là CO2

* CO2 đóng vai trò điều khiển khí hậu, thay đổi mật độ CO2 làm thay đổi mật độ hơi nước.

References:

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth#Composition

[2] https://scied.ucar.edu/carbon-dioxide-absorbs-and-re-emits-infrared-radiation

[3] https://scied.ucar.edu/molecular-vibration-modes

[4] Đây là cách giải thích lược gọn, mô tả chi tiết bạn có thể xem thêm tại : http://butane.chem.uiuc.edu/pshapley/GenChem1/L15/web-L15.pdf

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/John_Tyndall#Main_scientific_work

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Clausius%E2%80%93Clapeyron_relation