Nobel Vật Lý 2021: 3 Thập Kỷ Cho Một Công Trình Vĩ đại

Ba nhà khoa học đoạt giải Nobel vật lý 2021 - Ảnh: Nobel Prize

Trong số 3 nhà khoa học được trao giải lần này, nhà khoa học 90 tuổi người Nhật Bản Syukuro Manabe là người đặt nền móng đầu tiên cho công trình nghiên cứu, cũng là người đầu tiên chứng minh mức độ gia tăng CO2 trong khí quyển có liên quan đến sự nóng lên toàn cầu.

"Nền móng cho các mô hình khí hậu"

Nghiên cứu của ông Manabe được thực hiện từ những năm 1960, khi ông còn làm việc cho Cục Thời tiết Hoa Kỳ, nay là Cơ quan Quản lý khí quyển và đại dương (NOAA).

Trong giai đoạn đó, những tác động của hiện tượng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu chưa thực sự rõ ràng nên nghiên cứu của ông ít được quan tâm. Syukuro Manabe chỉ ra rằng nhiệt lượng từ Mặt trời chiếu qua bầu khí quyển sẽ được mặt đất hấp thụ một phần, phần còn lại bức xạ từ mặt đất và được hấp thụ một phần trong khí quyển, làm ấm không khí và mặt đất, trong khi chỉ một phần bức xạ thoát ra ngoài không gian.

Ông cũng là nhà nghiên cứu đầu tiên khám phá sự tương tác giữa cân bằng bức xạ và sự vận chuyển thẳng đứng của các khối không khí do đối lưu có tính đến nhiệt do chu trình nước đóng góp. Không khí nóng nhẹ hơn không khí lạnh nên bay lên nhờ đối lưu. Không khí ấm cũng mang theo hơi nước.

Không khí càng ấm thì nồng độ hơi nước càng cao. Khi lên cao, nơi bầu khí quyển lạnh hơn, các đám mây hình thành, chúng giải phóng nhiệt tiềm ẩn và tạo ra các giọt nước nặng bị lực hấp dẫn rơi xuống bề mặt Trái đất gây mưa. Đó là cơ sở quan trọng để giải thích và xây dựng các mô hình dự báo thời tiết và khí hậu hiện nay.

Tác động của con người

Đến khoảng những năm 1970, nhà khoa học Klaus Hasselmann đã nghiên cứu ra mô hình liên kết thời tiết và khí hậu với nhau, từ đó trả lời câu hỏi tại sao các mô hình khí hậu có thể đáng tin cậy mặc dù thời tiết luôn thay đổi và không ổn định.

Các phương pháp của ông đã được sử dụng để chứng minh rằng nhiệt độ tăng lên trong khí quyển là do hoạt động của con người phát thải ra khí nhà kính.

Tuy nhiên, phải đến một thập kỷ sau đó, vào khoảng năm 1980, Giorgio Parisi đã phát hiện các nhân tố ẩn trong những vật chất phức tạp khác có thể đóng góp vào quá trình vận hành hệ thống khí hậu, bao gồm cả việc phát thải khí nhà kính.

Khám phá của Parisi là một trong những đóng góp quan trọng nhất cho lý thuyết về hệ thống vận hành phức tạp của khí hậu với việc áp dụng nhiều lĩnh vực như toán học, sinh học và cả khoa học máy tính vào tính toán cho các mô hình dự báo biến đổi khí hậu.

Như vậy, sau 3 thập kỷ với nỗ lực nối tiếp của 3 nhà khoa học, thế giới được tiếp cận với các kịch bản biến đổi khí hậu mang tính định lượng hơn và cũng chính xác hơn.

Tháng 8-2021, Ủy ban liên quốc gia về biến đổi khí hậu (IPCC) cảnh báo: Biến đổi khí hậu đang diễn ra trên diện rộng, nhanh chóng hơn và ngày càng tăng. Các nhà khoa học đang quan sát những thay đổi của khí hậu Trái đất ở mọi khu vực và trên toàn hệ thống khí hậu. Nhiều thay đổi quan sát trong hệ thống khí hậu cho thấy một nguy cơ cao về các tác động xấu do biến đổi khí hậu gây nên.

Báo cáo của IPCC đưa ra những ước tính mới về khả năng nhiệt độ khí quyển sẽ vượt qua mức độ ấm lên toàn cầu là 1,5oC trong những thập kỷ tới, thậm chí là cao hơn 2oC. Lúc đó, Trái đất sẽ phải đối diện với tình trạng hạn hán, bão lũ thường xuyên hơn hiện nay, đồng thời hệ sinh thái biển mất đi 90% rạn san hô, đe dọa an ninh lương thực toàn cầu.

Đóng góp của 3 nhà khoa học, đặc biệt là ông Syukuro Manabe, cho chúng ta thấy mỗi người, thông qua các hoạt động hằng ngày của mình đang góp phần vào sự nóng lên toàn cầu. Để làm chậm lại điều đó, chúng ta chỉ còn cách giảm sự phát thải khí nhà kính và hoạt động này là trách nhiệm không của riêng ai.

Tiên lượng chính xác về khí hậu từ nhiều thập kỷ trước

Các kết quả tính toán sự gia tăng nhiệt độ tương lai và vai trò của khí nhà kính trong sự nóng lên toàn cầu ngày nay dựa vào các mô hình khí hậu.

Năm 1967, cùng với Richard Wetherald, Manabe đã có một công bố kinh điển trên tạp chí Journal of The Atmospheric Sciences, đặt nền móng cho sự phát triển của các mô hình khí hậu hiện đại.

Manabe và Wetherald sử dụng mô hình đối lưu bức xạ một chiều (nghĩa là Trái đất được xem như là một cột khí quyển thẳng đứng, mọi điểm trên bề mặt Trái đất là như nhau).

Dựa trên đó, các tác giả đã định lượng được mức tăng nhiệt độ của Trái đất là 2,3oC khi nồng độ CO2 trong khí quyển tăng lên gấp đôi. Lưu ý rằng kết quả này rất phù hợp với các kết quả ngày nay có được dựa trên tính toán từ các mô hình phức tạp hơn và số liệu cập nhật hơn so với thời kỳ hơn 50 năm trước.

Nghiên cứu này đã lần đầu tiên chứng minh một cách rõ ràng sự gia tăng của nồng độ CO2 trong khí quyển sẽ làm gia tăng nhiệt độ bề mặt Trái đất.

Thỏa thuận Paris về biến đổi khí hậu năm 2015 đã đặt ra mục tiêu hạn chế mức tăng nhiệt độ toàn cầu đến cuối thế kỷ 21 ở mức dưới 2oC so với thời kỳ tiền công nghiệp, và một mục tiêu tham vọng hơn là tăng dưới 1,5oC.

Tuy nhiên kết quả tính toán từ các mô hình khí hậu dựa trên những kịch bản phát thải khí nhà kính, đặc biệt là khí CO2 vào khí quyển, chỉ ra nếu không có sự cắt giảm khí nhà kính mạnh mẽ và triệt để từ các quốc gia, việc đạt được mục tiêu của Thỏa thuận Paris là khá xa vời.

PGS.TS Ngô Đức Thành (Trường ĐH Khoa học và công nghệ Hà Nội)

Giải Nobel vật lý 2021 sẽ về tay ai?

TTO - Theo dự đoán, nghiên cứu về thông tin lượng tử, siêu vật liệu nhân tạo và làm chậm ánh sáng có thể được trao giải Nobel vật lý 2021.