Khí nhà kính làm cho lớp không khí gần bề mặt nóng lên, nhưng lại làm cho các tầng khí quyển bên trên lạnh đi và co lại, giống như bầu trời đang sụp dần xuống bề mặt Trái đất.
Khí quyển của Trái đất có nhiều lớp. Vùng xảy ra các hiện tượng thời tiết ảnh hưởng đến con người là tầng đối lưu, lớp không khí dày từ 8-15km. Tầng đối lưu dày đặc đến mức chiếm 80% khối lượng nhưng chỉ chiếm một phần nhỏ thể tích khí quyển.
Bên trên tầng đối lưu là những tảng không khí loãng dần, gồm tầng bình lưu dày khoảng 50km, sau đó đến tầng trung lưu dày khoảng 80km và cuối cùng là tầng nhiệt quyển dày hơn 640km.
Ngoài tầng đối lưu, biến đổi khí hậu cũng xảy ra ở các tầng cao hơn của khí quyển. "Mức tăng CO2 hiện nay xảy ra trong toàn bộ bầu khí quyển", Martin Mlynczak, nhà vật lý khí quyển tại Trung tâm Nghiên cứu Langley thuộc Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA), nói với Wired.
CO2 làm nóng không khí bề mặt, làm lạnh không khí trên cao
Con người phát thải hơn 40 tỷ tấn CO2 hàng năm. Khí nhà kính này có tính chất hấp thụ và phát lại bức xạ Mặt trời. Ở tầng đối lưu, do mật độ phân tử không khí dày đặc, bức xạ CO2 phát ra làm nóng các phân tử xung quanh, làm tăng nhiệt độ tổng thể.
Tầng đối lưu, lớp không khí gần bề mặt nhất, chỉ chiếm một phần nhỏ thể tích khí quyển Trái đất. (Ảnh: Shutterstock).
Ở các tầng khí quyển cao hơn, do không khí loãng, bức xạ CO2 không tương tác với các phân tử khác mà đi vào không gian. Do khả năng hấp thụ bức xạ Mặt trời thấp hơn CO2, các phân tử không khí bị khí nhà kính "chiếm" mất năng lượng. Đồng thời, khí nhà kính cũng tạo ra hiệu ứng giữ nhiệt ở tầng đối lưu. Kết quả là các tầng khí quyển trên cao bị nguội đi nhanh chóng.
Dữ liệu vệ tinh gần đây đã xác nhận rằng từ 2002-2019, tầng trung lưu và nhiệt quyển đã giảm 1,7 độ C. Mlynczak ước tính rằng cuối thế kỷ này, khi nồng độ CO2 dự kiến tăng gấp đôi, nhiệt độ ở những tầng khí quyển trên cao sẽ lạnh đi khoảng 7,5 độ C. Tốc độ mất nhiệt này nhanh gấp 2-3 lần so với tốc độ tăng nhiệt ở tầng đối lưu.
Không khí lạnh đi cũng có nghĩa là các tầng khí quyển đang co lại, bầu trời giống như đang sụp dần xuống bề mặt Trái đất theo nghĩa đen. Độ dày của tầng bình lưu đã giảm khoảng 1% hay 400 m kể từ năm 1980, theo Petr Pisoft, nhà vật lý khí quyển tại Đại học Charles (CH Czech). Trên tầng bình lưu, Mlynczak phát hiện ra rằng tầng trung lưu và vùng dưới của tầng nhiệt quyển đã co lại khoảng 1.300m từ 2002-2019.
Nồng độ CO2 trong khí quyển tăng có nguy cơ gây ra nhiều hiện tượng thời tiết cực đoan. (Ảnh: NASA).
Khí quyển lạnh hơn tác động tiêu cực đến tầng ozone ở tầng bình lưu, lớp bảo vệ con người khỏi bức xạ Mặt trời có hại gây ung thư da. Sự phá hủy tầng ozone bị khuếch đại bởi các đám mây tầng bình lưu ở cực, chỉ hình thành ở nhiệt độ rất thấp. Tầng bình lưu mát hơn có nghĩa là những đám mây này dễ hình thành hơn.
"Trời sập" làm thủng tầng ozone và kéo theo thời tiết cực đoan
Lỗ hổng tầng ozone ở Nam Cực đang phục hồi khi CFC dần biến mất sau Nghị định thư Montreal 1987. Trong khi đó ở Bắc Cực, khí quyển lạnh đi đang làm trầm trọng thêm tình trạng mất tầng ozone, theo Peter Von der Gathen, nhà nghiên cứu tại Viện Alfred Wegener (Đức). Chưa rõ lý do tầng ozone ở Bắc Cực bị ảnh hưởng nặng nề hơn Nam Cực bởi hiệu ứng khí quyển lạnh đi.
Vào mùa xuân năm 2020, Bắc Cực lần đầu tiên xuất hiện lỗ thủng tầng ozone. Peter von der Gathen cho rằng nguyên nhân là nồng độ CO2. Trong một bài báo trên Nature Communications, ông cảnh báo rằng việc khí quyển tiếp tục lạnh đi sẽ cản trở mục tiêu chữa lành hoàn toàn tầng ozone vào giữa thế kỷ này.
Dòng phản lực (màu đỏ), gây ra nhiều hiện tượng thời tiết trên bề mặt Trái đất, bị ảnh hưởng bởi các tầng khí quyển trên cao. (Ảnh: NASA).
Các khu vực bên dưới các lỗ thủng tầng ozone ở Nam Cực trước đây không có người sinh sống, nhưng các khu vực bên dưới các lỗ thủng tầng ozone đang hình thành ở Bắc Cực thì có. Còn tùy theo vị trí lỗ thủng trong tương lai, nhưng von der Gathen dự đoán khu vực bị ảnh hưởng có thể là Trung và Tây Âu, những khu vực có mật độ dân cư đông đúc.
Các nhà vật lý khí quyển cũng lo ngại hiệu ứng làm mát khí quyển có thể thay đổi chuyển động của không khí ở trên cao, kéo theo ảnh hưởng đến thời tiết và khí hậu ở mặt đất. Gió tây trong tầng bình lưu đảo ngược định kỳ, dẫn đến nhiệt độ dao động mạnh, và tầng bình lưu có thể nóng lên tới 50 độ C chỉ trong vài ngày. Nhiệt độ tăng đẩy không khí chìm xuống, tác động vào dòng phản lực Đại Tây Dương ở trên cùng của tầng đối lưu.
Dòng phản lực, điều khiển các hệ thống thời tiết trên khắp Bắc bán cầu, bắt đầu chuyển động và có thể gây ra nhiều loại thời tiết khắc nghiệt, từ những đợt hạn hán mùa hè đến đợt lạnh kéo dài hàng tuần ở Bắc Mỹ, châu Âu và một số vùng của châu Á.
Hầu hết kết quả mô phỏng đến nay đều nhất quán rằng tầng bình lưu nhạy cảm với nồng độ CO2, Mark Baldwin, nhà khoa học khí hậu nghiên cứu tầng bình lưu tại Đại học Exeter (Anh), cho biết. Tuy nhiên, một số mô hình dự đoán sẽ có nhiều đợt nóng lên đột ngột hơn, một số khác thì dự đoán sẽ có ít hơn.
"Nếu chúng ta hiểu rõ hơn các tầng khí quyển trên cao, dự báo thời tiết dài hạn và dự đoán biến đổi khí hậu sẽ được cải thiện", Baldwin nói.