Băng vĩnh cửu (Permafrost)

Băng vĩnh cửu (permafrost) là lớp đất, đá, hoặc trầm tích nằm dưới bề mặt Trái Đất và duy trì ở nhiệt độ 0°C hoặc thấp hơn trong ít nhất hai năm liên tiếp. Điều quan trọng cần lưu ý là nó không nhất thiết phải chứa băng, nhưng thường bao gồm băng đất (ground ice) – nước đóng băng trong các khoảng trống giữa các hạt đất và đá. Băng vĩnh cửu có thể dày từ vài cm đến hơn 1000 mét và tồn tại ở những vùng có khí hậu lạnh giá, bao gồm các vùng Bắc Cực, Nam Cực và vùng núi cao.

Phân loại Băng vĩnh cửu

Băng vĩnh cửu được phân loại dựa trên nhiệt độ và sự phân bố của nó trên một khu vực địa lý, tạo ra ba loại chính:

Băng vĩnh cửu liên tục (Continuous permafrost): Là lớp băng vĩnh cửu dày đặc và không bị gián đoạn, bao phủ gần như toàn bộ bề mặt đất. Loại này thường được tìm thấy ở các vùng có nhiệt độ trung bình hàng năm thấp nhất.
Băng vĩnh cửu không liên tục (Discontinuous permafrost): Là lớp băng vĩnh cửu bị gián đoạn bởi các vùng đất không đóng băng. Những vùng không đóng băng này có thể là do ảnh hưởng của các yếu tố địa phương như dòng nước ngầm, hồ, hay hướng sườn dốc. Loại băng vĩnh cửu này thường gặp ở những khu vực có mùa hè ấm hơn so với vùng băng vĩnh cửu liên tục.
Băng vĩnh cửu rời rạc (Sporadic permafrost): Chỉ xuất hiện ở những khu vực riêng biệt, thường ở những nơi có điều kiện địa hình đặc biệt như sườn núi phía Bắc hoặc trong các vùng đất than bùn. Đây là dạng băng vĩnh cửu ít phổ biến nhất và nhạy cảm nhất với sự thay đổi nhiệt độ.

Sự hình thành Băng vĩnh cửu

Băng vĩnh cửu hình thành khi nhiệt độ trung bình hàng năm của mặt đất đủ thấp để duy trì nước đóng băng trong thời gian dài. Quá trình này phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm:

Khí hậu: Nhiệt độ không khí thấp và lượng mưa tuyết đáng kể là những yếu tố quan trọng nhất. Cụ thể, nhiệt độ trung bình hàng năm phải dưới 0°C.
Địa hình: Độ dốc, hướng sườn và độ cao ảnh hưởng đến lượng bức xạ mặt trời mà mặt đất nhận được. Ví dụ, sườn phía bắc thường lạnh hơn sườn phía nam ở Bắc bán cầu.
Thảm thực vật: Thảm thực vật có thể cách nhiệt mặt đất, ngăn chặn sự đóng băng sâu. Lớp tuyết phủ dày cũng đóng vai trò như một lớp cách nhiệt, giữ cho mặt đất ấm hơn không khí bên trên.
Thành phần đất: Các loại đất khác nhau có khả năng giữ nước và dẫn nhiệt khác nhau, ảnh hưởng đến sự hình thành băng vĩnh cửu. Đất chứa nhiều hạt mịn, như đất sét, có thể giữ nước tốt hơn và do đó dễ hình thành băng vĩnh cửu hơn.

Tầm quan trọng của Băng vĩnh cửu

Băng vĩnh cửu đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái và khí hậu toàn cầu:

Lưu trữ carbon: Băng vĩnh cửu lưu trữ một lượng lớn carbon hữu cơ từ thực vật và động vật đã chết. Khi băng vĩnh cửu tan chảy, carbon này được giải phóng vào khí quyển dưới dạng carbon dioxide (CO₂) và metan (CH₄), góp phần vào biến đổi khí hậu. Metan là một khí nhà kính mạnh hơn CO₂ nhiều lần.
Ổn định địa hình: Băng vĩnh cửu hoạt động như một “chất keo” giữ đất và đá lại với nhau. Khi băng vĩnh cửu tan chảy, đất trở nên không ổn định, dẫn đến sạt lở đất, sụt lún và xói mòn. Điều này có thể gây thiệt hại cho cơ sở hạ tầng và nhà cửa được xây dựng trên nền băng vĩnh cửu.
Ảnh hưởng đến hệ sinh thái: Tan băng vĩnh cửu ảnh hưởng đến môi trường sống của các loài động thực vật, làm thay đổi dòng chảy của sông ngòi và ảnh hưởng đến chất lượng nước. Ví dụ, tan băng vĩnh cửu có thể dẫn đến sự hình thành các hồ thermokarst, làm thay đổi môi trường sống thủy sinh.

Tan băng vĩnh cửu và Biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu đang làm tăng nhiệt độ toàn cầu, dẫn đến tan băng vĩnh cửu ở nhiều khu vực. Điều này tạo ra một vòng lặp phản hồi tích cực: tan băng vĩnh cửu giải phóng khí nhà kính, góp phần làm tăng nhiệt độ toàn cầu, dẫn đến tan băng vĩnh cửu nhiều hơn.

Băng vĩnh cửu là một thành phần quan trọng của hệ thống Trái Đất. Việc hiểu rõ về băng vĩnh cửu, quá trình hình thành và tan chảy của nó là rất quan trọng để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu và phát triển các biện pháp thích ứng.

Các quá trình liên quan đến băng vĩnh cửu

Ngoài việc tan chảy, băng vĩnh cửu còn trải qua một số quá trình khác, bao gồm:

Thermokarst: Quá trình hình thành các chỗ trống, hố và các dạng địa hình không đều do sự tan chảy không đồng đều của băng đất. Điều này có thể dẫn đến sự sụt lún mặt đất, hình thành các hồ thermokarst, và thay đổi hệ sinh thái.
Solifluction: Quá trình chuyển động chậm của đất bão hòa nước trên sườn dốc, thường xảy ra ở các khu vực băng vĩnh cửu trong mùa hè khi lớp đất bề mặt tan ra.
Frost heave và frost thrusting: Sự giãn nở của nước khi đóng băng có thể gây ra sự nâng lên của đất (frost heave) hoặc đẩy các lớp đất đá lên trên bề mặt (frost thrusting). Quá trình này có thể gây hư hại cho đường sá, công trình và hệ thống đường ống.

Ảnh hưởng của băng vĩnh cửu đến cơ sở hạ tầng

Tan băng vĩnh cửu gây ra những thách thức đáng kể đối với cơ sở hạ tầng được xây dựng trên nó, bao gồm:

Đường sá và đường sắt: Mặt đường bị biến dạng, nứt nẻ và sụt lún do nền đất bên dưới không ổn định.
Đường ống: Rò rỉ và hư hỏng đường ống dẫn dầu và khí đốt do biến dạng đất.
Tòa nhà: Nền móng bị nứt và sụt lún, gây hư hại cho công trình. Các tòa nhà có thể bị nghiêng hoặc sập hoàn toàn.

Nghiên cứu về băng vĩnh cửu

Các nhà khoa học đang nghiên cứu băng vĩnh cửu bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm:

Khoan thăm dò: Lấy mẫu băng vĩnh cửu để phân tích thành phần, tuổi và các đặc điểm khác.
Quan trắc nhiệt độ: Theo dõi nhiệt độ của băng vĩnh cửu theo thời gian để phát hiện sự thay đổi và dự đoán xu hướng tan băng.
Mô hình hóa: Sử dụng mô hình máy tính để dự đoán sự thay đổi của băng vĩnh cửu trong tương lai dưới các kịch bản khí hậu khác nhau.
Viễn thám: Sử dụng vệ tinh và máy bay để quan sát sự thay đổi của băng vĩnh cửu trên diện rộng và theo dõi các quá trình như thermokarst.

Giải pháp và thích ứng

Một số giải pháp và biện pháp thích ứng với tan băng vĩnh cửu đang được phát triển, bao gồm:

Giảm phát thải khí nhà kính: Giảm phát thải khí nhà kính là biện pháp quan trọng nhất để làm chậm quá trình tan băng vĩnh cửu và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.
Kỹ thuật xây dựng thích ứng: Sử dụng các kỹ thuật xây dựng đặc biệt như thermosyphons, nền móng trên cọc, và vật liệu cách nhiệt để thích ứng với điều kiện đất không ổn định.
Theo dõi và cảnh báo sớm: Theo dõi sự thay đổi của băng vĩnh cửu và phát triển hệ thống cảnh báo sớm về các nguy cơ liên quan đến tan băng, như sạt lở đất và sụt lún.

Tóm tắt về Băng vĩnh cửu

Băng vĩnh cửu là một thành phần thiết yếu của hệ thống Trái Đất, đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa khí hậu toàn cầu và duy trì sự ổn định của hệ sinh thái ở các vùng lạnh giá. Nó là một lớp đất, đá và trầm tích đóng băng vĩnh viễn, lưu trữ một lượng lớn carbon hữu cơ. Sự tan chảy của băng vĩnh cửu do biến đổi khí hậu đang giải phóng lượng carbon này vào khí quyển, góp phần làm tăng hiệu ứng nhà kính và đẩy nhanh quá trình nóng lên toàn cầu. Đây là một vòng lặp phản hồi tích cực đáng lo ngại, bởi vì sự nóng lên toàn cầu càng tăng thì băng vĩnh cửu càng tan chảy nhanh hơn, giải phóng thêm khí nhà kính.

Tan băng vĩnh cửu không chỉ ảnh hưởng đến khí hậu mà còn gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với môi trường và cơ sở hạ tầng. Sự sụt lún mặt đất do tan băng vĩnh cửu gây ra thiệt hại cho đường sá, nhà cửa, đường ống và các công trình khác. Nó cũng làm thay đổi hệ sinh thái, ảnh hưởng đến môi trường sống của động vật hoang dã và gây ra xói mòn bờ biển. Việc hiểu rõ về băng vĩnh cửu và tác động của biến đổi khí hậu lên nó là rất quan trọng để phát triển các chiến lược thích ứng và giảm thiểu rủi ro.

Giảm phát thải khí nhà kính là biện pháp quan trọng nhất để làm chậm quá trình tan băng vĩnh cửu. Bên cạnh đó, cần phát triển các công nghệ và kỹ thuật xây dựng thích ứng với điều kiện đất không ổn định ở các vùng băng vĩnh cửu. Việc theo dõi và nghiên cứu băng vĩnh cửu cũng đóng vai trò quan trọng trong việc dự đoán các tác động trong tương lai và đưa ra các biện pháp ứng phó kịp thời. Chung tay bảo vệ băng vĩnh cửu là bảo vệ hành tinh của chúng ta.

Tài liệu tham khảo:

National Snow and Ice Data Center (NSIDC): https://nsidc.org/cryosphere/permafrost
International Permafrost Association (IPA): https://ipa.arcticportal.org/
IPCC Sixth Assessment Report (AR6): https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/

Câu hỏi và Giải đáp

Bên cạnh CO$_2$ và CH$_4$, còn loại khí nhà kính nào khác được giải phóng khi băng vĩnh cửu tan chảy, và tác động của nó như thế nào?

Trả lời: Băng vĩnh cửu tan chảy cũng có thể giải phóng oxit nitơ (N$_2$O), một loại khí nhà kính mạnh hơn CO$_2$ gần 300 lần về khả năng giữ nhiệt. Mặc dù lượng N$_2$O được giải phóng thấp hơn CO$_2$ và CH$_4$, nhưng nó vẫn đóng góp đáng kể vào tổng lượng khí nhà kính trong khí quyển.

Làm thế nào để các nhà khoa học xác định tuổi của băng vĩnh cửu?

Trả lời: Tuổi của băng vĩnh cửu có thể được xác định bằng phương pháp định tuổi bằng đồng vị phóng xạ, chẳng hạn như định tuổi bằng carbon-14 đối với vật chất hữu cơ được tìm thấy trong băng, hoặc định tuổi bằng các đồng vị khác đối với các lớp đất đá xung quanh. Phân tích các lớp đất và băng cũng cung cấp thông tin về lịch sử khí hậu và môi trường của khu vực.

Có những giải pháp công nghệ nào đang được nghiên cứu để làm chậm hoặc ngăn chặn quá trình tan băng vĩnh cửu?

Trả lời: Một số giải pháp công nghệ đang được nghiên cứu, bao gồm: “thermosyphons” – thiết bị thụ động giúp làm mát mặt đất vào mùa đông và ngăn chặn sự tan chảy vào mùa hè; phủ đất bằng vật liệu phản xạ ánh sáng để giảm hấp thụ nhiệt; và thậm chí cả việc tái tạo các hệ sinh thái cổ đại như đồng cỏ ma mút với hy vọng khôi phục lại lớp cách nhiệt tự nhiên của mặt đất.

Ảnh hưởng của tan băng vĩnh cửu đến cộng đồng người dân bản địa sống ở các vùng Bắc Cực như thế nào?

Trả lời: Tan băng vĩnh cửu ảnh hưởng nghiêm trọng đến cộng đồng người dân bản địa, gây ra sụt lún nhà cửa, hư hại cơ sở hạ tầng, và làm thay đổi môi trường sống truyền thống của họ. Việc săn bắn, đánh bắt cá và chăn nuôi tuần lộc cũng bị ảnh hưởng do thay đổi hệ sinh thái.

Ngoài việc giải phóng khí nhà kính, tan băng vĩnh cửu còn có những tác động môi trường nào khác?

Trả lời: Tan băng vĩnh cửu có thể gây ô nhiễm nguồn nước do giải phóng các chất ô nhiễm như thủy ngân và các kim loại nặng khác. Nó cũng làm thay đổi dòng chảy của sông ngòi, gây xói mòn bờ biển và ảnh hưởng đến sự phân bố của các loài động thực vật.

Một số điều thú vị về Băng vĩnh cửu

Virus và vi khuẩn cổ đại: Băng vĩnh cửu không chỉ chứa carbon mà còn là nơi “trú ngụ” của các virus và vi khuẩn cổ đại, một số trong đó đã bị đóng băng hàng nghìn năm. Khi băng tan, những vi sinh vật này có thể được giải phóng, đặt ra những mối lo ngại về sức khỏe cộng đồng. Mặc dù nguy cơ l nhiễm bệnh từ các vi sinh vật này chưa được hiểu rõ hoàn toàn, nhưng nó là một vấn đề cần được nghiên cứu thêm.
Xác ướp động vật thời tiền sử: Băng vĩnh cửu đã bảo tồn đáng kinh ngạc xác của các loài động vật thời tiền sử, như voi ma mút và tê giác lông mượt. Những phát hiện này cung cấp cho các nhà khoa học cái nhìn hiếm hoi về quá khứ, giúp họ hiểu rõ hơn về sự tiến hóa và tuyệt chủng của các loài.
“Cửa ngõ địa ngục” ở Siberia: Một hố tử thần khổng lồ được gọi là “Cửa ngõ địa ngục” (Batagaika crater) đang mở rộng nhanh chóng ở Siberia do tan băng vĩnh cửu. Hố này sâu hàng chục mét và đang tiếp tục mở rộng, tiết lộ các lớp đất đá cổ đại và giải phóng khí metan vào khí quyển.
Băng vĩnh cửu không chỉ ở vùng cực: Mặc dù thường được liên kết với các vùng cực, băng vĩnh cửu cũng tồn tại ở các vùng núi cao trên khắp thế giới, bao gồm cả dãy Himalaya và dãy Alps. Sự tan chảy của băng vĩnh cửu ở những khu vực này có thể gây ra lở đất, lũ quét và ảnh hưởng đến nguồn cung cấp nước ngọt.
Yedoma: Yedoma là một loại băng vĩnh cửu giàu carbon đặc biệt được tìm thấy ở Siberia và Alaska. Nó chứa một lượng lớn vật chất hữu cơ được bảo quản tốt và được coi là một trong những “bom hẹn giờ carbon” lớn nhất trên Trái Đất. Khi Yedoma tan chảy, nó sẽ giải phóng một lượng lớn carbon dioxide và metan vào khí quyển, góp phần đáng kể vào biến đổi khí hậu.