Mục lục bài họcĐang ở d07-b1
The Greenhouse Effect, the Enhanced Greenhouse Effect and Climate Feedbacks
The natural greenhouse effect. Incoming solar radiation is mostly short-wave. Greenhouse gases are almost transparent to it, so it passes through the atmosphere and is absorbed by the surface. The warmed surface then re-radiates energy as long-wave infrared. Greenhouse gases absorb long-wave radiation strongly and re-emit it in all directions, including downwards, so the lower atmosphere is warmed. The entire mechanism rests on that asymmetry: short-wave in, long-wave obstructed on the way out. Without it, the mean surface temperature would be about −18 °C instead of about 15 °C, so the natural greenhouse effect is what makes the planet habitable.
The enhanced greenhouse effect. Human activity adds greenhouse gases faster than sinks remove them. Carbon dioxide comes from burning fossil fuels, deforestation and cement manufacture; methane from ruminant livestock, flooded rice fields, landfill and leaks from gas systems; nitrous oxide mainly from nitrogen fertilisers; and halocarbons from industry. The result is a stronger absorption of outgoing long-wave radiation, so the planet warms until outgoing energy again balances incoming energy at a higher temperature.
Global warming potential and residence time. Global warming potential measures the warming caused by one kilogram of a gas relative to one kilogram of carbon dioxide over a stated period, usually one hundred years. On that basis methane is roughly 28 times as powerful and nitrous oxide roughly 265 times. Carbon dioxide nonetheless dominates because warming depends on potency multiplied by quantity, and carbon dioxide is emitted in vastly larger amounts and persists for centuries. Methane's residence time of about twelve years has a practical consequence: cutting methane produces measurable results within a couple of decades, whereas cutting carbon dioxide is what determines the long-run outcome.
Positive feedbacks amplify. The ice–albedo feedback is the standard example: warming melts ice, the darker ocean or ground exposed has a much lower albedo, so more solar radiation is absorbed, so warming increases and more ice melts. Thawing permafrost releases methane and carbon dioxide from previously frozen organic matter. Warming increases evaporation, and water vapour is itself a greenhouse gas. Warmer sea water dissolves less carbon dioxide, so a sink weakens. Forest dieback and peat fires convert stores into sources. In every case the output feeds back to reinforce the original change.
Negative feedbacks damp, but only partly. Higher carbon dioxide concentrations can raise rates of photosynthesis, and increased evaporation can thicken low cloud, which reflects incoming radiation. Both are real, but both are limited: the fertilisation effect is constrained by nitrogen, water and temperature, and cloud is ambiguous in sign because low cloud reflects while high cloud traps outgoing long-wave radiation. The honest summary is that negative feedbacks exist but are not currently strong enough to offset the positive ones.
Tipping points. A tipping point is a threshold beyond which change becomes self-sustaining and is not reversible on human timescales, because positive feedbacks take over from the original driver. Candidate examples include the collapse of the West Antarctic and Greenland ice sheets, large-scale permafrost thaw, and the conversion of parts of the Amazon from rainforest to savanna. Their significance for policy is that they make gradual cost–benefit reasoning unsafe: past the threshold, stopping emissions no longer stops the change.
Hiệu ứng nhà kính tự nhiên. Bức xạ mặt trời đi tới chủ yếu là sóng ngắn. Khí nhà kính gần như trong suốt với loại bức xạ này, nên nó xuyên qua khí quyển và bị mặt đất hấp thụ. Mặt đất nóng lên rồi phát lại năng lượng dưới dạng hồng ngoại sóng dài. Khí nhà kính hấp thụ mạnh bức xạ sóng dài và phát lại theo mọi hướng, kể cả xuống dưới, nên tầng khí quyển thấp ấm lên. Toàn bộ cơ chế nằm ở bất đối xứng đó: sóng ngắn vào được, sóng dài bị cản trên đường ra. Không có nó, nhiệt độ bề mặt trung bình sẽ khoảng −18 °C thay vì khoảng 15 °C, nên hiệu ứng nhà kính tự nhiên chính là thứ làm hành tinh này ở được.
Hiệu ứng nhà kính tăng cường. Hoạt động của con người bổ sung khí nhà kính nhanh hơn tốc độ các bể hấp thụ lấy đi. Cacbon điôxit đến từ đốt nhiên liệu hoá thạch, phá rừng và sản xuất xi măng; mêtan từ gia súc nhai lại, ruộng lúa ngập nước, bãi chôn lấp và rò rỉ từ hệ thống khí đốt; đinitơ ôxit chủ yếu từ phân đạm; và các halocacbon từ công nghiệp. Kết quả là bức xạ sóng dài đi ra bị hấp thụ mạnh hơn, nên hành tinh nóng lên cho tới khi năng lượng đi ra cân bằng lại với năng lượng đi vào ở một nhiệt độ cao hơn.
Tiềm năng nóng lên toàn cầu và thời gian tồn lưu. Tiềm năng nóng lên toàn cầu đo mức nóng lên do một kilôgam một chất khí gây ra so với một kilôgam cacbon điôxit trong một khoảng thời gian xác định, thường là một trăm năm. Theo thang đó, mêtan mạnh khoảng 28 lần và đinitơ ôxit khoảng 265 lần. Cacbon điôxit vẫn là tác nhân chính vì mức nóng lên phụ thuộc vào độ mạnh nhân với lượng, mà lượng CO₂ thải ra lớn hơn rất nhiều bậc và nó tồn tại hàng trăm năm. Thời gian tồn lưu khoảng mười hai năm của mêtan có một hệ quả thực tế: cắt mêtan cho kết quả đo được trong vòng vài chục năm, còn cắt cacbon điôxit mới quyết định kết cục dài hạn.
Phản hồi dương khuếch đại. Phản hồi băng–suất phản xạ là ví dụ chuẩn: nóng lên làm băng tan, phần biển hoặc đất sẫm màu lộ ra có suất phản xạ thấp hơn nhiều, nên hấp thụ nhiều bức xạ hơn, nên càng nóng và càng nhiều băng tan. Băng vĩnh cửu tan giải phóng mêtan và cacbon điôxit từ khối chất hữu cơ trước đó bị đóng băng. Nóng lên làm tăng bốc hơi, mà hơi nước tự nó là một khí nhà kính. Nước biển ấm hoà tan ít cacbon điôxit hơn, tức một bể hấp thụ yếu đi. Rừng chết hàng loạt và cháy than bùn biến kho chứa thành nguồn phát. Trong mọi trường hợp, đầu ra quay lại củng cố chính thay đổi ban đầu.
Phản hồi âm làm dịu, nhưng chỉ một phần. Nồng độ cacbon điôxit cao hơn có thể làm tăng tốc độ quang hợp, và bốc hơi tăng có thể làm dày mây thấp vốn phản xạ bức xạ đi vào. Cả hai đều có thật nhưng đều bị giới hạn: hiệu ứng bón phân cacbon bị ràng buộc bởi đạm, nước và nhiệt độ; còn mây thì ngay cả dấu cũng chưa chắc chắn vì mây thấp phản xạ trong khi mây cao lại giữ bức xạ sóng dài đi ra. Cách tổng kết trung thực là các phản hồi âm có tồn tại nhưng hiện chưa đủ mạnh để bù lại phần dương.
Điểm tới hạn. Điểm tới hạn là ngưỡng mà vượt qua nó thì thay đổi trở nên tự duy trì và không đảo ngược được ở thang thời gian con người, vì các phản hồi dương tiếp quản vai trò của tác nhân ban đầu. Các ứng viên gồm sự sụp đổ của khối băng Tây Nam Cực và Greenland, sự tan băng vĩnh cửu trên diện rộng, và việc một phần rừng Amazon chuyển thành xavan. Ý nghĩa chính sách là chúng làm cho lối lập luận chi phí–lợi ích tuần tự trở nên không an toàn: sau ngưỡng, ngừng phát thải không còn ngăn được thay đổi nữa.
Một học sinh lập luận: vì mêtan có tiềm năng nóng lên toàn cầu gấp 28 lần cacbon điôxit, chính sách khí hậu nên tập trung vào mêtan chứ không vào cacbon điôxit. Hãy đánh giá lập luận này bằng số liệu, và rút ra kết luận đúng.
Bước 1 — nguyên tắc phải dùng. Đóng góp vào nóng lên bằng ĐỘ MẠNH nhân LƯỢNG PHÁT THẢI. Chỉ nhìn một trong hai thừa số là sai phương pháp, và đây chính là chỗ lập luận trên hỏng.
Bước 2 — làm với con số minh hoạ. Giả sử phát thải toàn cầu khoảng 37 tỷ tấn CO₂ mỗi năm và khoảng 0,37 tỷ tấn mêtan mỗi năm, tức tỷ lệ khối lượng khoảng 100 trên 1. Quy về đơn vị CO₂ tương đương: CO₂ đóng góp 37 nhân 1 bằng 37 đơn vị; mêtan đóng góp 0,37 nhân 28 bằng khoảng 10,4 đơn vị. Vậy mêtan là một phần rất đáng kể nhưng cacbon điôxit vẫn lớn hơn khoảng ba lần rưỡi. Lập luận ban đầu đảo ngược thứ tự ưu tiên vì bỏ mất thừa số lượng.
Bước 3 — thừa số thứ ba là thời gian tồn lưu. Mêtan tồn lưu khoảng mười hai năm, nên nếu ngừng phát thải thì nồng độ giảm nhanh và nhiệt độ phản ứng trong vòng vài chục năm. Cacbon điôxit tồn lưu hàng trăm năm, nên phần đã thải ra tiếp tục gây nóng lên rất lâu sau khi ngừng phát thải. Hệ quả là hai khí đóng hai vai trò khác nhau về thời gian chứ không cạnh tranh nhau.
Kết luận đúng. Không phải chọn một trong hai. Cắt mêtan là biện pháp hiệu quả nhất để làm CHẬM tốc độ nóng lên trong vài thập kỷ tới, tức mua thêm thời gian trước khi tới các ngưỡng nguy hiểm, và nó thường rẻ vì phần lớn đến từ rò rỉ khí đốt và bãi chôn lấp có thể bịt được. Nhưng cắt cacbon điôxit mới quyết định MỨC nóng lên cuối cùng, vì đó là khí quyết định trạng thái dừng của hệ. Bài luận lấy điểm cao phải nói được hai vai trò đó chứ không xếp hạng hai khí trên cùng một trục.
Hãy viết vòng phản hồi băng–suất phản xạ theo cách được chấm đủ điểm, rồi chỉ ra ba lỗi thường gặp khi học sinh viết về phản hồi khí hậu.
Cách viết đúng, có mũi tên và có khép vòng. Nhiệt độ tăng → băng biển và băng lục địa tan → bề mặt lộ ra là nước biển hoặc đất, có suất phản xạ khoảng 0,1 thay vì khoảng 0,8 của tuyết mới → tỷ lệ bức xạ mặt trời bị hấp thụ tăng thay vì bị phản xạ → năng lượng hấp thụ tăng → nhiệt độ tăng thêm → quay lại bước một. Chính mũi tên cuối cùng quay về nguyên nhân ban đầu mới là thứ biến một chuỗi nhân quả thành một VÒNG PHẢN HỒI.
Lỗi 1 — viết chuỗi mà không khép vòng. Bài viết băng tan làm mực nước biển dâng và gây ngập là mô tả một TÁC ĐỘNG, không phải phản hồi, vì mực nước biển dâng không làm nhiệt độ tăng thêm. Muốn kiểm tra nhanh, hãy hỏi: bước cuối có tác động ngược lên bước đầu không.
Lỗi 2 — hiểu dương là tốt và âm là xấu. Trong lý thuyết hệ thống, dương nghĩa là KHUẾCH ĐẠI và âm nghĩa là LÀM DỊU. Phản hồi dương ở đây gây hậu quả xấu, còn phản hồi âm là thứ giữ hệ ổn định. Nhầm cặp từ này thường làm hỏng cả một câu bốn điểm.
Lỗi 3 — không nêu giá trị suất phản xạ. Câu trả lời chỉ nói bề mặt sẫm màu hấp thụ nhiều hơn thì đúng nhưng mỏng. Nêu được rằng tuyết mới phản xạ khoảng 80% còn mặt biển phản xạ khoảng 10% cho thấy vì sao phản hồi này mạnh đến vậy, và đó cũng là lý do Bắc Cực ấm lên nhanh hơn trung bình toàn cầu nhiều lần — hiện tượng gọi là khuếch đại vùng cực.
Mở rộng đáng thêm. Vòng này còn có một phần âm nhỏ ít người viết: mất băng biển làm tăng bốc hơi và có thể tăng mây thấp ở Bắc Cực, mà mây thấp phản xạ. Nêu được điều đó cho thấy học sinh hiểu rằng các phản hồi hoạt động đồng thời và kết quả ròng là tổng của chúng, chứ không phải chỉ có một vòng chạy một mình.
Bẫy 2 — hiểu phản hồi dương là có lợi. Dương nghĩa là tự khuếch đại. Đây là lỗi từ vựng nhưng làm mất trọn điểm câu hỏi về phản hồi.
Bẫy 3 — xếp hạng khí nhà kính chỉ bằng tiềm năng nóng lên toàn cầu. Phải nhân với LƯỢNG phát thải, và phải tính tới thời gian tồn lưu — hai khí có thể quan trọng ở hai khoảng thời gian khác nhau.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Climate Change and Energy Production gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.