CHƯƠNG 2. BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TOÀN CẦU

2.1 Biến đổi khí hậu trong các thời kỳ địa chất

Những bằng chứng thu được qua các thời đại địa chất khác nhau cho thấy sự biến đổi của khí hậu Trái đất trong quá khứ là rất sâu sắc.

2.1.1 Khí hậu trước Kỷ Đệ tứ

Khí hậu trước Kỷ Đệ tứ (trước đây 2,6 triệu năm) nóng hơn hiện nay với nồng độ CO₂ cao hơn trong khí quyển. Thời kỳ trước Kỷ Đệ tứ này quá xa để có thể có những mẫu lõi băng, tuy nhiên sử dụng một số phương pháp đại diện như đồng vị cacbon, đồng vị Bo, quan hệ thực nghiệm giữa lỗ khí và nồng độ CO₂ trong khí quyển, người ta có thể đánh giá được nồng độ CO₂ trước Kỷ Đệ tứ.  Kết quả cho thấy nồng độ CO₂ trong giai đoạn này nhìn chung cao hơn so với các thời kỳ gian băng, tiền công nghiệp. Sự biến đổi của CO₂ trong giai đoạn này được giả thiết là do các biến đổi của các quá trình kiến tạo trên Trái đất.

Giai đoạn giữa của Thế Pliocene (hay còn gọi là Thế Thượng Tân), khoảng từ 3,3 đến 3 triệu năm trước là giai đoạn gần đây nhất và có nhiệt độ trung bình toàn cầu được duy trì ấm hơn so với hiện tại. Theo các tính toán từ nhiều mô hình thì nhiệt độ cho giai đoạn này lớn hơn so với thời kỳ tiền công nghiệp khoảng 2ºC đến 3ºC, đưa ra một bức tranh rất giống với khí hậu của Trái đất cuối thế kỷ 21 được dự tính bởi các mô hình toàn cầu. Thế Pliocene cũng đủ gần để hình dạng của các lục địa và đại dương đạt đến mức tương tự như ngày nay. Nồng độ khí CO₂ trong giai đoạn này vào khoảng 360 đến 400 ppm. Các bằng chứng địa chất và số liệu đồng vị cho thấy rằng mực nước biển giai đoạn này cao hơn ít nhất là 15 đến 25 m so với mực nước biển ngày nay, đồng nghĩa với việc giảm băng và lục địa ít khô cằn hơn.

  

Hình 2.1 Niên đại địa chất Đại Tân Sinh

Vào khoảng 55 triệu năm trước, giai đoạn giữa của Thế Palaeocene (Thế Cổ Tân) và Thế Eocene (Thế Thủy Tân), một đợt nóng đột ngột kéo dài với mức tăng vài °C đã được ghi nhận bởi những biến đổi của đồng vị ¹⁸O và tỷ lệ Mg/Ca. Đợt nóng lên toàn cầu cùng với những tác động đến môi trường đi kèm được ghi nhận ở tất cả các vĩ độ, trên cả bề mặt lẫn ở sâu dưới đại dương. Đợt nóng này kéo dài gần 100 nghìn năm và thường được gọi là Cực đại nhiệt Cổ-Thủy Tân (PETM: Palaeocene-Eocene Thermal Maximum). Các bằng chứng về sự thay đổi đối với mưa trên toàn cầu được ghi nhận ở trong nhiều hóa thạch, bao gồm cả hóa thạch thực vật. Các nghiên cứu đồng vị ¹³C trên biển và lục địa cho thấy một khối lượng lớn cacbon với tỷ lệ ¹³C thấp đã được giải phóng vào khí quyển và đại dương. Nguồn gốc của việc giải phóng cacbon này có khả năng là từ khí mêtan CH₄, CO₂ từ các hoạt động núi lửa, hoặc sự ôxy hóa trầm tích hữu cơ. Cực đại nhiệt Cổ-Thủy Tân làm thay đổi hệ sinh thái toàn cầu, đã và đang được nghiên cứu rất nhiều và có những đặc điểm khá giống với ngày nay trong vấn đề lượng cacbon phát thải vào khí quyển đang ngày một tăng cao.  Trong giai đoạn PETM, các tính toán cho thấy lượng cacbon giải phóng vào khí quyển nằm trong khoảng từ 1 đến 2 ×10¹⁸ g cacbon, tương đương với lượng KNK phát thải dự tính trong thế kỷ 21.

2.1.2 Các thời kỳ băng hà –gian băng

Các bản ghi cổ khí hậu cho thấy một chuỗi các thời kỳ băng hà- gian băng xen kẽ kể từ 740 nghìn năm trước đây trong số liệu lõi băng, và kể từ vài triệu năm trước đây trong số liệu trầm tích đại dương dưới sâu. Thời kỳ băng hà là một giai đoạn giảm nhiệt độ lâu dài của khí hậu Trái đất, dẫn tới sự mở rộng của các sông băng, các dải băng trên lục địa và trên vùng cực. Thời kỳ gian băng thì ngược lại, khí hậu Trái đất trở nên ấm hơn, làm băng tan chảy. Thời kỳ băng hà cuối cùng kết thúc cách đây khoảng 18000 năm. Thế Holocen (Toàn Tân) mà chúng ta đang sống thuộc về một giai đoạn gian băng.

 

  

Hình 2.2Thay đổi nhiệt độ bề mặt Trái đất có tương quan chặt chẽ với sự thay đổi của nồng độ khí CO₂ trong 400.000 năm qua. Số liệu tái tạo từ dữ liệu lõi băng ở Vostock (ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/icecore/antarctica/vostok/)

Trong 430 nghìn năm trở lại đây, khi mà các số liệu cùng các hiểu biết có được đầy đủ hơn, những chu trình băng hà- gian băng có chu kỳ 100 nghìn năm với biên độ rất lớn xuất hiện rõ nét. Hình 2.2 đã sử dụng số liệu tái tạo từ dữ liệu lõi băng ở Vostock, Nam Cực (vĩ độ: 78°27'51"S, kinh độ: 106°51'57"E). Ngoài chu kỳ 100 nghìn năm, các biến đổi lớn của khí hậu với chu kỳ nhỏ hơn cũng được xác định.

Ở đây sẽ giải thích thêm một chút về phương pháp phân tích quá khứ sử dụng lõi băng. Ưu điểm nổi trội của các mẫu băng đá đó là các mẫu này rất bền, không bị lẫn thông tin như các mẫu trầm tích đáy biển (thường hay bị nhiễm các vi sinh vật). Trong một mẫu băng đá dày đến mấy nghìn mét, mỗi lớp tuyết mỏng là lượng tuyết tích tụ hàng năm, chứa các thông tin về khí quyển của Trái đất vào thời điểm đó. Do vậy, thông tin của mẫu lõi băng tại mỗi độ sâu cho biết thành phần khí quyển và nhiệt độ tại từng thời kỳ tương ứng.Phân tích bề dày lớp băng, biến động của hàm lượng ¹⁸O sẽ cho các thông tin về giáng thủy và nhiệt độ trong quá khứ.  Phấn hoa quan sát được trong các lõi băng và có thể được dùng để suy đoán các loài thực vật đã tồn tại.Tro núi lửa cũng có mặt trong một số lớp băng, và có thể được dùng để xác định thời gian hình thành lớp trầm tích đó. Lượng muối biển trong các lõi băng sâu ở Nam Cực cho biết sông băng ở đâyđã tiến đến vĩ độ nào về phía xích đạo, từ đó có thểxác định được các thời kỳ băng hà và thời kỳ gian băng.

Việc lấy mẫu từ các phiến băng của Greenland và Nam Cực đã được tiến hành từ cuối những năm 1960. Đầu những năm 1990, các nhà nghiên cứu đã lấy được những mẫu băng sâu tới 3053,44 m từ phiến băng của Greenland và biết được khí hậu trong quá khứ ít nhất là trước đây 110.000 năm. Trong khi đó, những dữ liệu từ băng ở Nam Cực có thể cho biết khí hậu cách nay 750.000 năm. Bên cạnh Nam Cực và Greenland, người ta còn có thể lấy mẫu băng tại những sông băng sâu ở dãy Andes của Peru và Bolivia, núi Kilimanjaro của Tanzania, và dãy Himalayas của Châu Á.

Các lõi băng chỉ ra rằng nồng độ KNK tương quan với nhiệt độ Nam Cực theo các chu kỳ băng hà – gian băng (Hình 2.2), gợi ý rằng có một mối liên kết chặt chẽ giữa KNK trong khí quyển và nhiệt độ. Các số liệu lõi băng phân giải cao trong thời kỳ gian băng cho thấy nhiệt độ Nam cực bắt đầu tăng vài trăm năm rồi nồng độ CO₂ mới tăng. Trong thời kỳ gian băng hiện tại (và có lẽ tương tự cho 3 thời kỳ gian băng trước đó), ấm lên ở cả hai bán cầu xảy ra sớm vài nghìn năm so với dấu hiệu tăng mực nước biển đầu tiên, kết quả của việc tan băng ở Bắc bán cầu do tốc độ nóng lên nhanh của các vĩ độ phía Bắc.

Các phân tích từ lõi băng chỉ ra rằng nồng độ CO₂ khí quyển thay đổi trong khoảng từ 180 đến 300 ppm qua các thời kỳ băng hà – gian băng trong vòng 650.000 năm trở lại đây. Việc giải thích một cách định lượng cũng như cơ chế của sự thay đổi CO₂ này vẫn là một trong những bài toán chưa được giải của lĩnh vực khí hậu. Các quá trình trong khí quyển, đại dương, trong trầm tích biển và trầm tích trên đất liền, cũng như động lực băng biển và các tảng băng cần được tính đến.  Bởi vì biến đổi khí hậu trong giai đoạn ban đầu và giai đoạn kết thúc của một thời kỳ băng hà diễn ra trong khoảng vài nghìn năm, hầu hết các biến đổi này bị tác động bởi một quá trình hồi tiếp dương của CO₂: nghĩa là một sự lạnh đi nhỏ ban đầu (có thể xuất hiện do sự biến động của quỹ đạo Trái đất, sẽ được đề cập đến ở phần sau) sẽ được tăng cường do nồng độ CO₂ trong khí quyển giảm đi.

Bên cạnh mối liên hệ chặt chẽ giữa thay đổi nhiệt độ và nồng độ CO₂ trong khí quyển, các phân tích cũng cho thấy sự liên quan giữa khí hậu và các dao động của quỹ đạo Trái đất. Do Trái đất tự quay xung quanh trục của nó và quay quanh Mặt Trời trên quỹ đạo, theo thời gian một vài biến thiên chu kỳ đã diễn ra. Năm 1920, nhà toán học người Serbi là Milutin Milankovitch đã đề xuất rằng biến động của quỹ đạo Trái đất có ảnh hưởng đến khí hậu. Hiệu ứng tổ hợp của các biến động trong chuyển động của Trái đất lên khí hậu do vậy được gọi là chu kỳ Milankovitch. Các thay đổi của chuyển động Trái đất gồm sự thay đổi của độ lệch tâm, độ nghiêng trục và tuế sai (Hình 2.3).

  

Hình 2.3 Biểu diễn độ lệch tâm, độ nghiêng trục và tuế sai chuyển động của Trái đất trên quỹ đạo (theo http://www.skepticalscience.com).

Độ lệch tâm dao động với chu kỳ khoảng 413.000 năm và giá trị thay đổi trong khoảng từ 0,002 (độ lệch tâm nhỏ, quỹ đạo gần tròn) đến 0,050 (độ lệch tâm lớn hơn, quỹ đạo có hình elíp vừa phải) từ 800.000 năm trước đến dự kiến 200.000 năm tiếp theo trong tương lai.  Giá trị củađộ lệch tâm hiện tại là 0,017.Thay đổi của độ lệch tâm điều chỉnh khoảng cách của Trái đất với mặt trời và có ảnh hưởng hạn chế đến bức xạ trung bình toàn cầu và trung bình năm. Tuy nhiên sự thay đổi của độ lệch tâm  làm thay đổi khoảng  cách từ Trái đất đến mặt trời, dẫn đến sự điều chỉnh mạnh của các mùa và ảnh hưởng của vĩ độ do độ nghiêng trục và chuyển động tuế sai gây nên.

Hiện tại, chênh lệch của điểm gần mặt trời nhất (gọi là điểm cận nhật) và điểm xa nhất (điểm viễn nhật) là khoảng 5,1 triệu km tương ứng với độ chênh khoảng 6,8% của bức xạ Mặt Trời, nghĩa là bức xạ mặt trời tại điểm cận nhật lớn hơn bức xạ mặt trời tại điểm viễn nhật là 6,8%. Trái đất đi qua điểm cận nhật vào khoảng ngày 03 tháng 01 (năm 2000 diễn ra vào ngày 02 tháng 01), và qua điểm viễn nhật vào khoảng ngày 04 tháng 7 hàng năm (năm 2000 là ngày 02 tháng 7). Trong quá khứ có thời điểm độ lệch tâm lớn hơn nhiều so với hiện tại, nghĩa là quỹ đạo là elíp nhiều hơn, lượng bức xạ mặt trời ở điểm cận nhật sẽ có thể lớn hơn tới 23% so với điểm viễn nhật.

Độ nghiêng của trục tự quay của Trái đất so với mặt phẳng quỹ đạo dao động với chu kỳ khoảng 41.000 năm. Theo thời gian độ nghiêng trục quay thay đổi giữa 22,05°và 24,50°.Giá trị độ nghiêng của trục tự quay  hiện nay của Trái đất là 23,5°.Sự thay đổi độ nghiêng trục quay này có ảnh hưởng đến sự thay đổi điều kiện khí hậu của các mùa. Mỗibán cầu bị nghiêng khỏi mặt trờitrong các thời gian mùa đông và hướng về mặt trờitrong mùa hè. Khi bán cầu nghiêng xa khỏi mặt trời, nó nhận được ít bức xạ hơn bán cầu còn lại. Do đó, mặc dù ở gần mặt trờihơn vào ngày đông chí, Bắc bán cầu nhận được ít bức xạ hơn trong mùa đông so với trong mùa hè. Tương tự, cũng là hệ quả của sự nghiêng, khi Bắc bán cầu bắc trải qua mùa đông thì Nam bán cầu  lại là mùa hè.Do đó, khi độ nghiêng của trục tự quay Trái đất nhỏ thì mùa đông ấm hơn và mùa hè mát hơn.

Biến đổi do tiến động quĩ đạo Trái đất hay còn gọi là tuế sai sinh ra do lực hấp dẫn giữa các hành tinh (chủ yếu với sao Mộc) làm quỹ đạo elíp của Trái đất xoay quanh trong không gian theo 2 chu kỳ cơ bản là 19.000 và 23.000 năm. Tiến động quỹ đạo này làm thay đổi hướng của trục quay Trái đất tương đối so với mặt trời, làm biến đổi các điểm phân theo thời gian.

Lý thuyết Milankovitch đưa ra giả thuyết rằng thời kỳ băng hà được bắt đầu khi chiếu sáng mùa hè đạt được giá trị thấp nhất gần vĩ độ 65°N, tạo điều kiện cho tuyết tồn tại quanh năm, do đó sẽ tích tụ dần để tạo nên các tảng băng ở Bắc bán cầu. Một ví dụ minh chứng là thời điểm bắt đầu thời kỳ băng hà cuối, cách đây khoảng 116 nghìn năm tương ứng với chiếu sáng tại vĩ độ 65°N vào giữa tháng 6 là vào khoảng 40W/m², thấp hơn so với giá trị ngày nay.

  

Hình 2.4 Thay đổi tham số của quỹ đạo Trái đất từ 250,000 năm trước đến nay (http://www.fs.fed.us/ccrc/primers/climate-change-primer.shtml).

Thời kỳ băng hà gần đây nhất bắt đầu từ khoảng 116.000 năm trước, đáp lại sự thay đổi của quỹ đạo Trái đất. Các tảng băng tăng và mực nước biển giảm đến cực đại trong Cực đại Băng hà Cuối cùng (LGM: Last Glacial Maximum) cách đây khoảng 21.000 năm. Nồng độ của các KNK trong khí quyển trong giai đoạn LGM thấp hơn khá nhiều so với giai đoạn tiền công nghiệp, làm giảm -2,8W/m² cân bằng bức xạ toàn cầu. Giá trị này xấp xỉ bằng, nhưng trái dấu, với giá trị làm thay đổi bức xạ toàn cầu của các KNK năm 2000. Băng bao phủ phần lớn khu vực Bắc Mỹ và châu Âu, làm hạ mực nước biển. Các thảm thực vật thay đổi, với các lãnh nguyên mở rộng ở Bắc bán cầu và các khu rừng nhiệt đới bị thu hẹp. Các thay đổi bề mặt này làm thay đổi tỉ lệ ánh sáng mặt trời phản xạ từ bệ mặt (hay còn gọi là albedo), tạo nên một quá trình hồi tiếp dương. Các xon khí, chủ yếu là bụi tăng lên, một phần là hệ quả của việc giảm độ phủ thực vật.

 Đối với mực nước biển, các phân tích dựa trên các mô hình cho phép ước lượng sự thay đổi mực nước biển trung bình trong thời kỳ chuyển tiếp băng hà – gian băng cuối cùng, nghĩa là từ giai đoạn Cực đại Băng hà Cuối cùng sang thế Holocene (Toàn Tân).  Kết quả cho thấy mực nước biển đã tăng lên khoảng 120 m so với 21.000 năm trước đây.                                                                                                                     

2.1.3 Giai đoạn gian băng hiện tại

Khí hậu Trái đất đã nhiều lần thay đổi, với những thời kỳ băng hà lạnh xen kẽ với những thời kỳ gian băng ấm áp.  Cách đây 20.000 năm cho đến khoảng 11.000 năm Trái đất vẫn lạnh hơn hiện nay khoảng 5ºC. Đó cũng là thời kỳ băng hà cuối cùng trong lịch sử Trái đất.

Từ cách đây 11.000 năm Trái đất ấm dần lên và đến khoảng 8.000 năm trước đây, nhiệt độ Trái đất đã ở mức gần tương đương với nhiệt độ ngày nay, với sự hơn kém về nhiệt độ là khoảng 1°C.

Thời kỳ gian băng hiện tại (thế Holocene) chứng kiến các thay đổi do tác nhân của con người lên môi trường từ quy mô địa phương (ví dụ thay đổi sử dụng đất) đến quy mô toàn cầu (ví dụ các thành phần khí quyển). Các dữ liệu ở thời kỳ hiện tại đầy đủ và tốt hơn rất nhiều so với các thời kỳ trước đó, cả về không gian lẫn thời gian.

Trong thời kỳ gian băng hiện tại, các thay đổi trong quỹ đạo Trái đất điều chỉnh khí hậu phân bố theo vĩ độ và theo mùa của bức xạ mặt trời.

Các phân tích lõi băng cho thấy nồng độ CO₂ khí quyển giảm khoảng 7 ppm trong giai đoạn cách đây từ 11.000 đến 8.000 năm, tiếp đó tăng lên khoảng 20 ppm cho đến thời điểm bắt đầu thời kỳ công nghiệp (đạt giá trị 280 ppm) (Hình 1.6).

 Nồng độ CH₄ giảm từ giá trị 730 ppb xung quanh thời điểm 10.000 năm trước xuống giá trị 580 ppb cách đây khoảng 6.000 năm, sau đó tăng lại lên 730 ppb vào thời kỳ tiền công nghiệp. Trong khi đó, NO₂ cho mức giảm khoảng 10 ppb trong thời kỳ đầu của thế Holocene và sau đó tăng lên cùng biên độ trong khoảng từ 8.000 đến 2.000 năm trước đây.

Sự thay đổi nhiệt độ trong thế Holocene đã được nghiên cứu cho rất nhiều khu vực khác nhau. Ở những khu vực vĩ độ cao của Bắc Đại Tây Dương và khu vực lân cận Bắc Cực, có vẻ như nhiệt độ mùa hè đạt cực đại vào giai đoạn sớm của thế Holocene (10.000 đến 8.000 năm trước). Các vĩ độ trung bình phía Bắc cho thấy một xu thế giảm của nhiệt độ bề mặt biển từ giai đoạn ấm  thời kỳ đầu đầu và giữa của Holocene đến giai đoạn lạnh hơn thời kỳ tiền công nghiệp. Giai đoạn ấm nhất cho Bắc Âu và Tây Bắc của Bắc Mỹ diễn ra vào khoảng từ 7.000 đến 5.000 năm trước đây. Trong giai đoạn giữa của thế Holocene, phương pháp nghiên cứu phấn hoa và hóa thạch cho thấy sự mở rộng lên phía Bắc của các khu rừng ôn đới cũng như sự rút lui của băng.  Giai đoạn ấm sớm này cũng được xác định trong các khu vực như xích đạo Tây Thái Bình Dương, Trung Quốc, New Zealand, Nam Phi và Nam Cực.

- Từ khoảng 1010 cho đến năm 1360, Trái đất nóng hơn hiện nay;

- Từ khoảng 1360 đến 1750, Trái đất lạnh hơn hiện nay và lạnh nhất vào khoảng  năm 1670, thấp hơn hiện nay khoảng 0,6 ⁰C.

Thời kỳ băng hà nhỏ (Little Ice Age) gần đây nhất xảy ra vào khoảng giữa thế kỷ 16 và kết thúc vào khoảng giữa thế kỷ 19. Nguyên nhân có vẻ như là do sự giảm hoạt động mặt trời. Một số bức tranh cũ đã mô tả lại cảnh hoạt động trong mùa đông châu Âu cho thấy sự lạnh giá của thời kỳ này(ví dụ Hình 2.5).

  

Hình 2.5 Cảnh mùa đông và mọi người di chuyển bằng cách trượt băng (1608, Hendrick Avercamp).

2.2 Biến đổi khí hậu hiện đại

2.2.1 Biến đổi của nhiệt độ

Một số biểu hiện của BĐKH hiện đại được nhận biết rõ rệt qua nhiệt độ.

Băng hà ở Na Uy và dãy An-pơ bắt đầu rút từ giữa thế kỷ 19. Ở Đông Âu, nhiệt độ trung bình năm thời kỳ 1881-1915 tăng lên khoảng vài phần mười độ so với thời kỳ 1846 - 1880. Ở Lêningrat, nhiệt độ trung bình năm tăng +3,5ºC từ 1801 đến 1850; tăng +4,6^oC từ 1921 đến 1936. Các tháng mùa đông đặc biệt nóng lên. Biên độ năm của nhiệt độ (chênh lệch giữa nhiệt độ cao nhất và thấp nhất) ở Lêningrat do vậy giảm đến 1,3^oC.

Ở Tây Âu, nhiệt độ trung bình mùa đông mười năm trước năm 1920 đã tăng lên 2,5^oC so với cuối thế kỷ 19, còn nhiệt độ trung bình năm tăng 0,5^oC. Ở đây cũng bắt đầu những mùa đông ôn hoà. Ở Bắc Băng dương quá trình nóng lên còn rõ rệt hơn ở miền ôn đới. Từ năm 1910 đến hết năm 1940 nhiệt độ trung bình ở Băng Đảo Greenland tăng lên 3^oC.

Sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị và mạng lưới thám sát gần đây đã cho phép đưa ra những kết quả phân tích với độ tin cậy cao về sự biến đổi của nhiệt độ.

Nhiệt độ trung bình toàn cầu đang tăng. Trong 100 năm, từ 1906 đến 2005 nhiệt độ đã tăng +0,74±0,18ºC, nhanh hơn bất kỳ thế kỷ nào trong lịch sử, kể từ thế kỷ 11 đến nay.

Tốc độ tăng nhiệt độ trong 50 năm cuối là +0,13±0,03ºC/thập kỷ, gần bằng hai lần tốc độ tăng trong thời kỳ 1906-2005, cho thấy xu thế biến đổi nhiệt độ ngày càng nhanh hơn. Sai khác lớn nhất của nhiệt độ giữa hai năm liên tiếp là 0,29ºC (giữa năm 1976 và năm 1977).

Giai đoạn 1961-1990, nhiệt độ tối cao tăng  0,14ºC/thập kỷ và nhiệt độ tối thấp tăng 0,2ºC/thập kỷ.

Số liệu quan trắc cho thấy, trên các vùng lục địa, trong 12 năm, từ 1995-2006, đã có 11 năm (trừ 1996) là những năm có nhiệt độ cao nhất kể từ 1850, trong đó nóng nhất là năm 1998 và năm 2005. Riêng 5 năm 2001–2005 có nhiệt độ trung bình cao hơn 0,44ºC so với chuẩn trung bình của thời kỳ 1961–1990.

Nhiệt độ cực trị cũng có xu thế phù hợp với nhiệt độ trung bình, kết quả là giảm số đêm lạnh và tăng số ngày nóng và biên độ nhiệt độ ngày giảm đi chừng 0,07ºC mỗi thập kỷ.

Nhiệt độ bề mặt biển cũng có xu hướng tăng rõ rệt từ đầu thế kỷ 20 trên các đại dương. Tốc độ ấm lên trên đất liền lớn hơn trên đại dương. Trong giai đoạn 1979-2005, nhiệt độ trên đất liền tăng 0,27ºC/thập kỷ còn trên đại dương là 0,13ºC/thập kỷ.

Những nơi nóng lên mạnh nhất nằm ở sâu trong lục địa châu Á và Tây Bắc của Bắc Mỹ. Tuy nhiên cũng có một số vùng bị lạnh đi từ 1979, đa phần ở đại dương và Nam Bán cầu.

Nhiệt độ trung bình của Bắc Bán cầu trong nửa sau thế kỷ 20 cao hơn bất kỳ giai đoạn 50 năm nào trong 500 năm gần đây và có thể cao nhất trong ít nhất 1.300 năm qua.

Trong thời kỳ 1958–2005 nhiệt độ trong tầng đối lưu có xu thế tăng lên, phù hợp với xu thế nhiệt độ tại bề mặt đất. Tốc độ tăng nhiệt độ trong lớp đối lưu dưới là khoảng 0,16 đến 0,18ºC mỗi thập kỷ, tính từ năm 1979. Ngược lại, xu thế nhiệt độ của lớp bình lưu dưới giảm với tốc độ 0,3 đến 0,6ºC mỗi thập kỷ.

  

Hình 2.6 Nhiệt độ trung bình toàn cầu từ 1850 [IPCC, 2007]

Bảng 2.1 Diễn biến của chuẩn sai nhiệt độ trên các châu lục và đại dương trong thế kỷ 20. Đơn vị ºC  [IPCC, 2001]

Khu vực	1910	1920	1930	1940	1950	1960	1970	1980	1990	2000
Bắc Mỹ	-0,2	-0,3	0,2	0,3	0,2	0,1	0,0	0,2	0,5	0,7
Nam Mỹ	-0,1	-0,2	0,0	0,2	0,1	0,2	0,1	0,0	0,2	0,4
Châu Âu	-0,2	-0,1	0,0	0,1	0,2	0,0	0,1	0,0	0,4	0,8
Châu Phi	-0,1	0,0	0,1	0,1	0,0	0,0	0,0	0,3	0,5	0,7
Châu Á	-0,2	0,0	0,0	0,1	0,1	0,1	0,0	0,3	0,7	0,9
Châu Úc	0,1	-0,1	0,0	0,0	-0,2	0,1	0,1	0,3	0,5	0,5
Toàn cầu	-0,2	0,0	0,1	0,2	0,1	0,4	0,4	0,2	0,4	0,7
Lục địa	-0,2	0,0	0,1	0,2	0,1	0,0	0,0	0,3	0,5	0,8
Đại dương	-0,2	0,0	0,1	0,2	0,1	0,1	0,1	0,1	0,3	0,6

Trong thời kỳ 1901–2005 xu thế biến đổi của lượng mưa rất khác nhau giữa các khu vực,  và giữa các thời đoạn khác nhau trên từng khu vực.

Ở Bắc Mỹ, lượng mưa tăng lên ở nhiều nơi, nhất là ở phía Bắc Canađa nhưng lại giảm đi ở Tây Nam nước Mỹ, Đông Bắc Mexico và bán đảo Bafa với tốc độ giảm khoảng 2% mỗi thập kỷ, gây ra hạn hán trong nhiều năm gần đây.

Ở Nam Mỹ, mưa lại tăng lên trên lưu vực Amazon và vùng bờ biển Đông Nam nhưng lại giảm đi ở Chilê và vùng bờ biển phía Tây.

Ở Châu Phi, lượng mưa giảm ở Nam Phi, đặc biệt là ở Sahel trong thời đoạn 1960–1980.

Ở khu vực nhiệt đới, mưa giảm đi ở Nam Á và Tây Phi với trị số xu thế là 7,5% cho cả thời kỳ 1901–2005. Khu vực có tính địa phương rõ rệt nhất trong xu thế biến đổi lượng mưa là Australia do tác động mạnh mẽ của ENSO.

Ở đới vĩ độ trung bình và vĩ độ cao, lượng mưa tăng lên rõ rệt ở miền Trung Bắc Mỹ, Đông Bắc Mỹ, Bắc Âu, Bắc Á và Trung Á.

Trên phạm vi toàn cầu lượng mưa tăng lên ở các đới phía Bắc vĩ độ 30ºN thời kỳ 1901–2005 và giảm đi ở các vĩ độ nhiệt đới, kể từ thập kỷ 1990.

Tần số mưa lớn tăng lên trên nhiều khu vực, kể cả những nơi lượng mưa có xu thế giảm đi.

  

Hình 2.7 Xu thế biến đổi lượng mưa trung bình năm từ 1901 đến 2005 [IPCC, 2007]

2.2.3 Biến đổi ở các vùng cực, băng quyển

Trong thế kỷ 20 cùng với sự tăng lên của nhiệt độ mặt đất có sự suy giảm khối lượng băng trên phạm vi toàn cầu.

Số liệu quan trắc vệ tinh đã cho thấy băng biển Bắc Bán cầu đã giảm khoảng 2,7± 0,6%/thập kỷ kể từ năm 1978. Tốc độ giảm trong mùa hè lớn hơn trong mùa đông. Vào mùa hè, tốc độ giảm khoảng 7,4±2,4%/thập kỷ. Ở Nam Bán cầu, độ phủ băng biển có sự biến động giữa các năm với xu thế không rõ rệt.

Băng ở Greenland mất dần đi với tốc độ khoảng -50 đến -100 Gt/năm, làm tăng mực biển tương đương khoảng 0,14 đến 0,18 mm/năm trong giai đoạn 1993-2003.

  

Hình 2.8 Diện tích tuyết phủ ở Bắc Bán Cầu vào tháng 3 – tháng 4 qua các năm [IPCC, 2007]

Độ phủ tuyết có xu hướng giảm ở hầu hết các khu vực Bắc Bán cầu, đặc biệt là vào mùa xuân (Hình 2.8).

Ngày đóng băng của các sông và hồ đến muộnhơn với tốc độ khoảng 5,8 ngày/thế kỷ; trong khi đó ngày tan băng lại đến sớm hơn với tốc độ khoảng 6,5 ngày/thế kỷ. 

2.2.4 Biến đổi mực nước biển

Nóng lên toàn cầu làm gia tăng mực nước biển.

Trong khoảng 2000 năm trước năm 1870, sự biến đổi của mực nước biến là nhỏ, với tốc độ thay đổi trung bình từ 0,0 đến 0,2 mm/năm

Từ năm 1961 đến 2003, mực nước biển trung bình trên toàn cầu dâng lên với tốc độ trung bình là 1,8±0,5mm/năm.

Giai đoạn 1993-2003, đo đạc từ vệ tinh Topex/Poseidon cho thấy mực nước biển tăng ở mức 3,1±0,7mm/năm. Người ta cho rằng giai đoạn này tăng nhanh hơn giai đoạn trước có thể là biểu hiện sự khác biệt giữa biến động của các thập kỷ. 

Các nguyên nhân làm cho nước biển dâng chủ yếu là sự dãn nở vì nhiệt, sự tan băng của các chỏm băng và các tảng băng ở vùng cực.

Bên cạnh đó, sự nóng lên của đại dương toàn cầu chiếm đến 80% sự biến đối năng lượng của hệ thống khí hậu Trái đất.

Do lượng cacbon nhân tạo nhiều hơn, sự hấp thụ cacbon của đại dương nhiều hơn dẫn đến tính axit của đại dương nhiều hơn, với sự giảm độ pH bề mặt trung bình là 0,1 đơn vị.

  

Hình 2.9 Thay đổi mực nước biển trung bình toàn cầu [IPCC, 2007]

  

Hình 2.10 Tốc độ thay đổi của mực nước biển trong hai thời kỳ 1993-2003 và 1953-2003 [IPCC, 2007]

2.2.5 Biến đổi của dòng chảy

Dòng chảy trên thế giới có những biến đổi sâu sắc từ thập kỷ này sang thập kỷ khác và giữa các năm trong từng thập kỷ.

Dòng chảy tăng lên trên nhiều lưu vực sông thuộc Mỹ song lại giảm đi ở nhiều lưu vực sông thuộc Canada trong 30–50 năm gần đây.

Trên lưu vực sông Lêna ở Xibiri cũng có sự gia tăng dòng chảy đồng thời với nhiệt độ tăng lên và lớp băng phủ giảm đi. Ở lưu vực sông Hoàng Hà, dòng chảy giảm đi rõ rệt trong những năm cuối thế kỷ 20 do nhiệt độ và lượng bốc hơi tăng lên, mức độ tiêu thụ nước cũng tăng lên trong khi lượng mưa không có xu thế tăng hay giảm.

Ở Châu Phi dòng chảy của các sông ở Niger, Senegal và Dambia đều có xu thế chung là giảm đi.

2.2.6 Biến đổi của một số yếu tố và hiện tượng cực đoan

Trên hầu hết các khu vực đất liền, trong hơn 50 năm qua số ngày lạnh, đêm lạnh và sương giá giảm đi và số ngày nóng, đêm nóng tăng lên. Các đợt nắng nóng và nắng nóng gay gắt trở nên thường xuyên hơn.

Kỷ lục là đợt nóng mùa hè năm 2003 ở châu Âu với nhiệt độ trung bình cao hơn 3,8ºC so với trung bình mùa hè thời kỳ 1961-1990, và cao hơn 1,4ºC so với sự kiện nóng nhất trước đó, vào năm 1807. Nhiệt độ lên đến 48ºC ở phía Nam Bồ Đào Nha. Đợt nóng này đã làm 35.000 người chết, trong đó ở Pháp có 15.000 người.

Các hiện tượng như bão, mưa lớn, lũ lụt, lũ quét, hạn hán, tố lốc dường như cũng xảy ra mạnh hơn, bất thường hơn.

Trên phạm vi toàn cầu, biến đổi của xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ) chịu sự chi phối của nhiệt độ nước biển, của hoạt động ENSO và sự thay đổi quỹ đạo của chính XTNĐ. Hoạt động của XTNĐ mạnh tăng lên ở Bắc Đại Tây Dương và một số nơi khác kể từ 1970, tương ứng với sự tăng lên của nhiệt độ bề mặt biển vùng nhiệt đới. Ngay cả những nơi có tần số giảm đi và thời gian tồn tại ít đi thì cường độ XTNĐ vẫn có xu thế tăng lên. Xu thế tăng cường hoạt động của XTNĐ rõ rệt nhất ở Bắc Thái Bình Dương, Tây Nam Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương.

Đối với hạn hán, kể tử những năm 1970, nhiều đợt hạn hán kéo dài, cường độ mạnh cũng đã được ghi nhận tại nhiều khu vực khác nhau, đặc biệt là ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới.

Ở Bắc bán cầu, hạn hán xuất hiện phổ biến từ giữa thập niên 1950 trên phần lớn vùng Bắc Phi, đặc biệt là Sahel, Canađa và Alaska. Ở Nam bán cầu, hạn hán xuất hiện nhiều trong giai đoạn từ 1974 đến 1998. Trên khu vực miền Tây nước Mỹ, hạn hán nặng xuất hiện từ năm 1999 đến cuối năm 2004 mặc dù lượng mưa trên khu vực này có xu thế tăng trong nhiều thập kỷ gần đây.

2.2.7 Biến đổi của một số yếu tố khác

Từ 1960 đến giữa thập kỷ 1990, tốc độ gió Tây vĩ độ trung bình có xu thế tăng lên trong cả hai mùa trên cả Bắc và Nam bán cầu. Ranh giới phía Bắc ở Bắc bán cầu và ranh giới phía Nam ở Nam bán cầu của dòng xiết gió Tây có xu thế dịch chuyển về phía cực. Quỹ đạo của xoáy thuận ôn đới trên Đại Tây Dương ở Bắc bán cầu cũng có xu thế dịch chuyển về phía Bắc cực.

Hơi nước trong tầng đối lưu cũng đang có xu thế tăng lên.

Người ta cũng quan sát được sự giảm bức xạ thường tập trung tại một số khu vực thành thị rộng lớn. Sự tăng lượng xon khí do hoạt động con người là lý do của việc giảm tổng lượng bức xạ xuống bề mặt. Ở một số nơi như Đông Âu, gần đây đã quan trắc được sự đảo dấu, liên quan đến việc khu vực này đã hạn chế được phát thải xon khí, dẫn đến tăng chất lượng không khí và làm tăng lượng bức xạ đi xuống.