ĐỘ ẨM ĐẤT TOÀN CẦU SUY GIẢM “VĨNH VIỄN” DO BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

CarbonBrief - Một nghiên cứu mới cảnh báo rằng tình trạng suy giảm độ ẩm trong lớp đất mặt trên toàn cầu trong thế kỷ 21 có thể đánh dấu sự thay đổi "vĩnh viễn" trong chu trình luân chuyển nước của Trái Đất.

Kết hợp dữ liệu từ vệ tinh, các thông số đo mực nước biển và quan trắc "chuyển động của vùng cực", nghiên cứu cho thấy mức độ ẩm trong lớp đất mặt đã suy giảm nhiều kể từ năm 2000.

Kết quả nghiên cứu, được công bố trên Tập san Science, chỉ ra rằng nguyên nhân chính của sự suy giảm này là do bầu khí quyển ngày càng trở nên "khát" nước khi nền nhiệt độ toàn cầu gia tăng, cùng với sự thay đổi trong hình thái mưa.

Do đó, các nhà nghiên cứu cảnh báo rằng những thay đổi quan sát được này có thể sẽ biến thành "vĩnh viễn" nếu xu hướng ấm lên cứ tiếp tục như hiện nay.

Một báo cáo khoa học khác với quan điểm tương tự đã nhận định rằng nghiên cứu này cung cấp "bằng chứng thuyết phục" về sự "thay đổi không thể đảo ngược" của các nguồn cung cấp nước trên đất liền do biến đổi khí hậu.

Tiến sĩ Benjamin Cook (người không tham gia vào nghiên cứu trên), chuyên gia khoa học liên ngành về hệ thống Trái Đất tại Viện Nghiên cứu Không gian Goddard của NASA và Đại học Columbia (Hoa Kỳ), giải thích rằng việc lớp đất mặt khô cằn "làm tăng mức độ nghiêm trọng và tần suất" của các đợt hạn hán lớn, gây hậu quả cho con người, hệ sinh thái và ngành nông nghiệp.

Ông chia sẻ như sau:

"Hạn hán là một trong những thảm họa thiên nhiên gây tác động mạnh nhất và thiệt hại nhất, vì chúng thường kéo dài dai dẳng. Mọi thứ đều cần đến nước – hệ sinh thái cần nước, nông nghiệp cần nước. Con người cần nước. Nếu không có đủ nước – chúng ta sẽ gặp rắc rối."

LỚP ĐẤT KHÔ HẠN

Mỗi năm, khoảng 6 nghìn tỷ tấn nước tuần hoàn luân chuyển qua bề mặt đất liền của hành tinh Trái Đất. Khi mưa rơi xuống đất liền, nước bị giữ lại trong các lớp đất, ở vùng đất ngập nước, mạch nước ngầm, sông ngòi ao hồ và các hồ chứa lớn, trước khi trở về đại dương.

Độ ẩm trong lòng đất là một phần quan trọng của hệ thống luân chuyển này nơi Trái Đất, giúp tưới tiêu cho đất, tuần hoàn nguồn dinh dưỡng và điều hòa nền khí hậu.

Lượng nước có trong đất thường nhạy cảm với nhiều yếu tố, bao gồm những thay đổi nơi lượng mưa, hiện tượng bốc hơi, thảm thực vật và điều kiện khí hậu – cũng như hoạt động của con người như nông nghiệp thâm canh.

Nghiên cứu chỉ ra sự "suy giảm dần" độ ẩm trong đất suốt thế kỷ 21, bắt đầu bằng giai đoạn "cạn kiệt mạnh" trong ba năm từ năm2000-2002.

Cụ thể, các nhà nghiên cứu phát hiện rằng sự suy giảm độ ẩm trong đất đã dẫn đến tổng lượng nước mất đi là 1.614 tỷ tấn (gigatonnes, hay Gt) trong giai đoạn từ năm 2000-2002 và sau đó là 1.009 tỷ tấn từ năm 2002 đến 2016.

(Để so sánh, lượng băng mất đi ở Greenland dẫn đến mất 900 tỷ tấn nước trong giai đoạn 2002-2006.)

Theo nghiên cứu này, độ ẩm đất vẫn chưa phục hồi tính đến năm 2021 và khó có thể cải thiện nhờ điều kiện khí hậu hiện tại.

Giáo sư Dongryeol Ryu, đồng tác giả chính của nghiên cứu trên, là chuyên gia thủy văn và viễn thám tại Đại học Melbourne (Australia), đã giải thích như sau:

"Chúng tôi quan sát thấy sự suy giảm từng bước [độ ẩm đất] gấp hai lần trong hai thập kỷ qua, xen kẽ trong một xu hướng giảm liên tục. Trước đây, [chúng tôi] chưa từng thấy xu hướng này, nên đây là điều rất đáng lo ngại."

Ts. Ryu giải thích rằng việc phân tích sự thay đổi độ ẩm đất trên quy mô toàn cầu giúp giới nghiên cứu xác nhận xu hướng khó nhận thấy trong các bộ dữ liệu vùng địa lý có phạm vi nhỏ hơn:

"Điều đặc biệt mà chúng tôi phát hiện khi phân tích các số liệu trên quy mô lớn chính là – dù lượng mưa dao động mạnh và nền nhiệt độ tăng – tổng lượng nước tích tụ trong đất, bao gồm độ ẩm đất và lượng nước ngầm, đã giảm dần từ khoảng đầu thế kỷ này."

Các bản đồ dưới đây minh họa sự thay đổi độ ẩm đất trong giai đoạn từ năm 2003-2007 và từ năm 2008-2012 so với mốc từ năm 1995-1999, theo ước tính từ bộ dữ liệu tái phân tích ERA5-Land về đất liền. Vùng tô màu nâu trên bản đồ cho thấy độ ẩm đất giảm, trong khi vùng tô màu xanh cho thấy độ ẩm tăng.

Bản đồ phía trên cho thấy sự suy giảm độ ẩm đất trên diện rộng ở khu vực Đông Á, Trung Á, Trung Phi, Bắc Mỹ và Nam Mỹ trong giai đoạn từ năm 2003-2007. Bản đồ bên dưới cho thấy sự "bổ sung" độ ẩm trong những năm sau đó chỉ xảy ra ở một số khu vực nhỏ tại Nam Mỹ, Ấn Độ, Australia và Bắc Mỹ.

Biến động độ ẩm đất trung bình trong giai đoạn từ năm 2003-2007 (bản đồ a) và từ năm 2008-2012 (bản đồ b) so với mốc 1995-1999. Vùng tô màu nâu thể hiện độ ẩm giảm, màu xanh là độ ẩm tăng. Màu xám đậm chỉ thị những khu vực có sự thay đổi độ ẩm không đáng kể về mặt thống kê. Số liệu được ước tính bởi mô hình ERA5-Land. Nguồn: Tập san Science.

BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Ts. Ryu cho biết nhóm nghiên cứu "nghi ngờ rằng nền nhiệt độ tăng đã đóng vai trò quan trọng" trong tình trạng suy giảm trữ lượng nước trên đất liền và độ ẩm đất ở thế kỷ 21 này.

Nghiên cứu chỉ ra 2 yếu tố thúc đẩy sự suy giảm dần độ ẩm đất trong 25 năm qua, bao gồm: biến động hình thái / mô hình mưa và lượng nước cần bốc hơi (evaporative demand) gia tăng.

Lượng nước cần bốc hơi ám chỉ "cơn khát nước” của bầu khí quyển, hay lượng hơi ẩm mà khí quyển ngày càng ấm có thể hút lên từ đất, thực vật và nguồn nước mặt.

Các nghiên cứu đã chỉ ra lượng nước cần bốc hơi toàn cầu đã tăng trong hai thập kỷ qua, ảnh hưởng đến nguồn cung ứng nước, gây hại cho mùa màng và dẫn đến nạn hạn hán.

Nghiên cứu mới lưu ý rằng "lượng nước cần bốc hơi tăng do khí hậu ấm lên" cho thấy xu hướng "khô hạn ngày càng rõ rệt và sẽ lan rộng khi nền nhiệt độ tăng".

Ts. Ryu cho biết sự sụt giảm "rất bất thường" về độ ẩm lớp đất mặt trong giai đoạn từ năm 2000-2002 có thể là do lượng mưa toàn cầu thấp, trùng với "thời điểm lượng nước cần bốc hơi bắt đầu gia tăng".

Ts. Ryu lưu ý một giai đoạn khác của suy giảm nhanh độ ẩm đất – ít biểu hiện rõ rệt hơn – đã diễn ra trong giai đoạn từ năm 2015-2016, có thể là do nạn hạn hán từ pha El Niño trong các năm 2014-2016.

Ông cho biết kết quả nghiên cứu này cho thấy độ ẩm đất không còn phục hồi sau một năm khô hạn, như đã từng trước đây:

"Trước kia, khi lượng mưa tăng trở lại, độ ẩm đất sẽ phục hồi. Nhưng vì lượng nước cần để bốc hơi ngày càng tăng cao, và một khi chúng ta trải qua những năm có pha El Niño mạnh – khiến lượng mưa giảm mạnh trong một đến hai năm, thì dường như lượng nước trong đất đã không thể phục hồi hoàn toàn được nữa. Vì vậy, ngay cả khi có một năm mưa nhiều hơn bình thường sau hạn hán, độ ẩm đất vẫn không thể hồi phục được."

KIỂM CHỨNG CHÉO

Việc đo lường những thay đổi trong độ ẩm đất toàn cầu từ trước đến nay luôn là một thách thức đối với giới khoa học, do thiếu dữ liệu quan trắc trực tiếp và toàn diện về lượng nước thấm trong đất.

Nhóm nghiên cứu nói trên đã giảm được mức sai số bằng cách đối chiếu bộ dữ liệu tái phân tích ERA5-Land từ Trung tâm Dự báo Thời tiết Tầm trung Châu Âu (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts - ECMWF), với ba bộ dữ liệu đo lường địa vật lý.

Hệ thống mô hình bề mặt đất của ERA5 sử dụng dữ liệu khí tượng và dữ kiện đầu vào khác để ước tính lượng nước có trong vài mét lớp đất phia trên bề mặt.

Các số liệu này được so sánh với dữ liệu thu được từ sứ mệnh GRACE (Thí nghiệm Theo dõi Độ Phục hồi Trọng lực và Khí hậu - Gravity Recovery and Climate Experiment) – là dự án vệ tinh hợp tác giữa Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) với Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức (German Aerospace Center).

Bắt đầu hoạt động từ năm 2002, GRACE đã theo dõi sự thay đổi trọng lực của Trái Đất thông qua dữ liệu về mức độ cạn kiệt nước ngầm, tình trạng thiếu hụt băng quyển và độ dâng của mực nước biển, qua đó phát hiện tình trạng nước liên tục dịch chuyển từ đất liền ra đại dương.

Các nhà khoa học còn đối chiếu dữ liệu ERA5 với bộ dữ liệu hơn 100 năm về đo lường dao động vòng quay Trái Đất khi lượng phân bố trọng lượng hành tinh thay đổi.

(Việc phân bố lại băng và nước, như từ băng tan hay cạn kiệt nước ngầm, sẽ khiến Trái Đất lắc nhiều hơn khi quay và trục quay sẽ nghiêng nhẹ. Hiện tượng này còn gọi là "chuyển động cực" (polar motion))

Bộ dữ liệu thứ ba thu được chính là từ mực nước biển trung bình toàn cầu do vệ tinh đo lường.

Để tách biệt thay đổi độ ẩm đất từ các bộ dữ liệu trên, nhóm nghiên cứu đã loại trừ các yếu tố khác làm dâng mực nước biển toàn cầu, ví dụ như lượng băng tan ở Greenland, lục địa Nam Cực, hiệu ứng giãn nở nhiệt của nước biển và sự đóng góp từ nước ngầm.

Quá trình loại trừ này giúp ước tính được phần đóng góp của lượng nước mất đi trong đất vào hiện tượng mực nước biển dâng.

Nghiên cứu lưu ý rằng cả dữ liệu quan trắc mực nước biển và chuyển động cực đều "ủng hộ kết luận rằng, sự thay đổi đột ngột về độ ẩm đất là có thật".

Ts. Ryu cho biết việc sử dụng mực nước biển trung bình và "độ lắc của Trái Đất trong chuyển động quay" để theo dõi việc phân bố lại lượng nước trên đất liền chính là "đột phá chính" của nghiên cứu trên.

Ông nói thêm rằng giá trị của việc "đảo ngược phân tích" dữ liệu ERA5 là để cải thiện mô hình bề mặt đất trong tương lai:

"Bằng cách giải thích mọi yếu tố ảnh hưởng đến phép đo này, bạn có thể hiểu được toàn bộ quy trình. Và khi hiểu quy trình, bạn thực sự có thể dự đoán được điều gì sẽ xảy ra trong tương lai nếu các yếu tố này thay đổi theo cách nhất định."

Tiến sĩ Cook từ NASA nhận định rằng "bằng chứng đồng kiểm" từ nghiên cứu trên đã đưa ra "luận cứ vững chắc về sự suy giảm độ ẩm đất quy mô lớn trong vài thập kỷ gần đây".

Tuy nhiên, ông cho biết khoảng thời gian tham chiếu của nghiên cứu tương đối ngắn, khiến việc xác định nguyên nhân suy giảm là chưa rõ ràng:

"Liệu [sự suy giảm] có vĩnh viễn hay không thì còn rất mơ hồ... Trong phạm vi thời gian nghiên cứu này, sự biến thiên tự nhiên nội tại có thể cực kỳ mạnh. Việc quy kết hiện tượng này cho một nguyên nhân cụ thể – dù là biến đổi khí hậu hay biến thiên tự nhiên – còn khó khăn hơn nhiều."

MỰC NƯỚC BIỂN DÂNG

Một phát hiện đáng chú ý trong phân tích mực nước biển dâng chính là trữ lượng nước thoát ra trong đất liền có lẽ đã thúc đẩy hiện tượng mực nước biển dâng vào đầu thế kỷ 21.

Cụ thể hơn, nghiên cứu này ghi nhận việc suy giảm trữ lượng nước trong đất liền trong giai đoạn từ năm 2000-2002 – khi độ ẩm đất giảm mạnh – khiến mực nước biển trung bình toàn cầu dâng gần 2mm hàng năm.

Nhóm nghiên cứu nhận định tốc độ dâng này là "chưa từng có" và "cao hơn đáng kể" so với mức 0.8mm mỗi năm do băng tan ở Greenland.

Giáo sư Reed Maxwell từ Học viện Nghiên cứu Môi trường High Meadows (High Meadows Environmental Institute) thuộc Đại học Princeton (người không tham gia nghiên cứu trên) đánh giá cách so sánh độ ẩm đất với các nguồn tích trữ nước toàn cầu khác là "điều mới lạ" và "mở đường cho nghiên cứu toàn diện hơn về hiện tượng cân bằng nước toàn cầu."

‘THẢM HỌA ÂM THẦM XẢY RA’

Nghiên cứu trên chỉ ra rằng các mô hình về bề mặt đất và thủy văn sẽ cần "cải tiến đáng kể" để mô phỏng chính xác sự thay đổi độ ẩm đất trong bối cảnh khí hậu biến đổi.

Các mô hình hiện tại chưa tính đến tác động của nạn thâm canh nông nghiệp hay xu hướng "xanh hóa" ở vùng bán khô hạn – những yếu tố có thể "đóng góp thêm" vào hiện tượng suy giảm độ ẩm đất.

Trong một bài viết đồng quan điểm đăng trên Tập san Science, Giáo sư Luis Samaniego từ Trung tâm Nghiên cứu Môi trường Helmholtz (Helmholtz Centre for Environmental Research) nhấn mạnh việc "cần thiết" phải tích hợp thêm vào mô hình nghiên cứu thế hệ mới các tác động nhân tạo như canh tác, đập nước lớn và hệ thống tưới tiêu.

Nghiên cứu khẳng định những "phương pháp sáng tạo" để ước tính sự thay đổi trong độ ẩm đất toàn cầu sẽ giúp "cải thiện mô hình hiện tại ở quy mô lục địa và toàn cầu".

Một cách rộng hơn, tiến bộ trong hiểu biết khoa học về thay đổi độ ẩm đất có thể nâng cao khả năng ứng phó hạn hán trên toàn cầu.

Hạn hán thường được mô tả là một "thảm họa âm thầm xảy đến" – vì khi bị phát hiện, nó thường đã diễn ra từ lâu rồi.

Ts. Ryu - tác giả nghiên cứu trên - đã giải thích:

"Khác với lũ lụt hay sóng nhiệt, hạn hán đến rất chậm nhưng để lại hậu quả lâu dài. Chúng ta nên chuẩn bị sớm thay vì chờ đợi muộn màng, vì một khi hạn hán xảy ra, bạn sẽ phải đối mặt với hậu quả kéo dài."

Tiến sĩ Shou Wang từ Phòng thí nghiệm Thủy văn Cực đoan (Hydroclimate Extremes Lab) và Đại học Bách khoa Hong Kong (Hong Kong Polytechnic University) (người không tham gia nghiên cứu trên) nhận định rằng kết quả nghiên cứu này "rất quan trọng" để hiểu rõ "động lực và cơ chế" đằng sau "các hiện tượng thủy văn cực đoan chưa từng có trong nền khí hậu đang ấm lên". Ông nói:

"Đây là công trình đột phá, hé lộ động lực thay đổi chế độ thủy văn dẫn đến các hiện tượng cực đoan chưa từng thấy như hạn hán và lũ lụt đang xảy ra liên tiếp hiện nay."