Hình 10. Biến đổi năng lượng Mặt Trời

Dòng nhiệt từ Mặt Trời phân bố không đồng đều trên bề mặt Trái Đất. Do chuyển động tự quay quanh Mặt Trời, trên Trái Đất có hiện tượng ngày đêm và biến đổi mùa. Do ánh sáng Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất theo những góc độ khác nhau, cho nên lượng nhiệt của các khu vực trên Trái Đất hấp thụ được cũng khác nhau. Tất cả các hiện tượng trên làm cho nhiệt độ bề mặt Trái Đất thay đổi theo chu kỳ ngày đêm, theo mùa và giữa các vùng có vĩ độ khác nhau. Vào khoảng 500 năm trước công nguyên, loài người đã biết chia bề mặt Trái Đất thành các khu vực có nhiệt độ khác nhau (đới khí hậu thiên văn) là Ôn đới, Nhiệt đới, Hàn đới. Ngày nay, dựa vào nhiều chỉ tiêu như nhiệt độ, lượng nước mưa, sức gió, v.v, người ta phân chia bề mặt Trái Đất theo các đới khí hậu vật lý: Đới xích đạo từ giữa 10^ovĩ độ Bắc và 10⁰ vĩ độ Nam; vùng nhiệt đới giữa 10⁰ - 30⁰ vĩ độ Nam; vùng Ôn đới giữa khoảng 40⁰ - 50⁰ vĩ độ Nam, Bắc; vùng Hàn đới từ vĩ độ 65⁰ Bắc, Nam đến hai cực.

Bề mặt Trái Đất tiếp nhận nhiều năng lượng Mặt Trời bị nung nóng lên, kéo theo sự nóng lên của toàn bộ khối khí nằm trên, làm giảm áp suất không khí ở các lớp sát mặt đất. Dòng khí nóng trở nên nhẹ hơn không khí xung quanh, hướng lên các tầng cao của khí quyển. Không khí ở các vùng lạnh hơn có xu hướng chuyển tới khu vực nóng để thay thế cho không khí nóng bay đi. Kết quả là xuất hiện sự chuyển dịch của các khối không khí dưới dạng gió. Quá trình trên diễn ra liên tục, theo xu hướng san bằng sự chênh lệch nhiệt độ và áp suất không khí ở các đới khí hậu ứng với các khu vực cục bộ trên Trái Đất. Không khí nóng, khi bay lên trên hoặc chuyển động ngang, mang theo nhiều hơi nước tạo ra mưa. Do vậy, quá trình hoàn lưu của khí quyển luôn đi kèm với chu trình tuần hoàn nước trong tự nhiên.

Hoàn lưu khí quyển là tình hình vận chuyển tuần hoàn không khí bên trên mặt địa cầu, không phải tổng thể dòng khí tại một thời điểm, của một năm, mà là tình hình chung của nhiều năm.

Nguyên nhân cơ bản của hoàn lưu là do sự phân bố không đồng đều của bức xạ theo vĩ độ (tạo nên sự nóng - lạnh khác nhau của mặt đệm từ sự phân bố không đồng đều của bức xạ), là do tính đối lập và bản chất vật lý giữa đại dương và lục địa và do tính không đồng nhất của mặt đệm.

Các nguyên nhân đó tạo nên sự chênh về khí áp dẫn đến sự tạo thành các dòng chảy không khí và hình thành hoàn lưu.

Lực gradien khí áp và lực coriolít là hai lực chủ yếu tạo nên hoàn lưu.

Vận chuyển không khí có quy mô rất lớn và rất phức tạp. Có thể kể ra 3 xu hướng vận chuyển không khí ở quy mô lớn:

- Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vĩ độ mà đặc trưng là cực và xích đạo đã tạo nên sự chuyển vận của không khí theo phương kinh tuyến (gọi là hoàn lưu kinh hướng).

- Do chuyển động quay của Trái Đất làm lệch hướng chuyển động của không khí tạo nên chuyển vận dọc theo các vĩ tuyến (gọi là hoàn lưu vĩ hướng).

Các hoàn lưu của khí quyển dưới dạng gió có thể phân biệt theo quy mô địa phương (gió Biển, gió Phơn, gió Núi - Thung lũng) hoặc hoàn lưu quy mô Toàn cầu (gió Tín phong, gió Tây, v.v.).

Gió biển là loại gió có chu kỳ ngày đêm thường gặp ở các miền bờ biển, bờ hồ lớn và các sông lớn. Ban ngày gió thổi từ mặt nước vào mặt đất và ban đêm thổi ngược lại. Gió thường đổi hướng thổi vào thời gian gần trưa (khoảng10 giờ) và gần nửa đêm (khoảng 22 giờ). Gió biển tràn vào đất liền không quá 10 km và tạo ra một vòng khép kín bằng dòng không khí phía trên chuyển động theo hướng ngược lại.

Gió Phơn là loại gió khô nóng thổi từ trên phía núi cao xuống dưới chân núi. Thời gian của những đợt gió Phơn có thể là vài giờ hoặc vài ngày. Gió Phơn có thể xuất hiện ở bất kỳ hệ thống núi cao nào, khi các dòng không khí phải vượt qua đường phân thuỷ của dãy núi. Khi hai bên dãy núi cao có sự chênh lệch về áp suất không khí, thì xuất hiện gió chuyển động từ phía áp suất cao về nơi thấp hơn. Ở sườn đón gió, dòng không khí đi lên sẽ lạnh dần đi cùng với quá trình ngưng kết hơi nước để tạo thành mưa. Các dòng không khí khi vượt qua sống núi cao đã trở nên khô và lạnh, sẽ tiếp tục hướng xuống chân núi. Trong quá trình hạ thấp độ cao, dòng không khí khô sẽ liên tục nóng lên để tạo thành loại gió Phơn. Loại gió Tây ở các tỉnh Miền Trung Việt Nam vào mùa hè có thể xem là gió Phơn.

Gió Núi - Thung lũng có chu kỳ hoạt động ngày đêm đặc trưng. Ban ngày gió thổi từ trung tâm thung lũng theo các sườn núi đi lên. Ban đêm gió thổi từ đỉnh núi xuống các thung lũng và khu vực đồng bằng. Nguyên nhân tạo ra loại gió này là sự chênh lệch nhiệt độ ở cùng độ cao của không khí ở sườn núi và trên các thung lũng. Ban ngày, gradien khí áp nằm ngang hướng từ thung lũng lên sườn núi, ban đêm thì ngược lại.

Gió mùa là dòng không khí cố định theo mùa, với hướng gió thay đổi từ mùa này sang mùa khác có thể hoàn toàn đối nghịch hướng. Gió mùa liên quan với hoạt động của các dòng xoáy không khí khác nhau trên Trái Đất. Gió mùa thể hiện rõ ở những vùng, mà ở đó xoáy thuận và xoáy nghịch khá bền vững và có ưu thế trong từng mùa. Gió mùa thể hiện mạnh ở các vĩ độ nhiệt đới nên được gọi tên là gió mùa Nhiệt đới. Gió lạnh vào mùa Đông và gió Đông Nam vào mùa Hè là các ví dụ về gió mùa ở nước ta.

Hình 11. Các đới khí áp trên bề mặt Trái Đất

Hoàn lưu khí quyển và chu trình hoàn lưu nước trong tự nhiên là các nguyên nhân cơ bản tạo nên đặc điểm khí hậu, thời tiết, chúng tác động mạnh mẽ tới chất lượng môi trường không khí và điều kiện sống của sinh vật, con người trên Trái Đất.

2.3.6. Biến đổi khí hậu và sự nóng lên toàn cầu

Vào cuối những năm 1990, mức phát tán dioxit cacbon (CO₂) hàng năm xấp xỉ bằng 4 lần mức phát tán năm 1950 và hàm lượng CO­₂ đã đạt đến mức cao nhất trong những năm gần đây. Theo đánh giá của Ban Liên Chính Phủ về biến đổi khí hậu thì có bằng chứng cho thấy về ảnh hưởng rất rõ rệt của con người đến khí hậu Toàn cầu. Những kết quả dự báo gồm việc dịch chuyển của các đới khí hậu, những thay đổi trong thành phần loài và năng suất của các HST, sự gia tăng các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt và những tác động đến sức khoẻ con người. Các nhà khoa học cho biết, trong vòng 100 năm trở lại đây, Trái Đất đã nóng lên khoảng 0,5⁰C và trong thế kỷ này sẽ tăng từ 1,5 - 4,5⁰C so với nhiệt độ ở thế kỷ XX.

Nguyên nhân sự nóng lên của Trái Đất rất đa dạng, bao gồm các nguyên nhân nhân tạo (sử dụng năng lượng, hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, phá rừng) và nguyên nhân tự nhiên (gia tăng dòng nhiệt phát sinh từ lòng Trái Đất, thay đổi cường độ bức xạ Mặt Trời theo chu kỳ, sự chuyển động của Trái Đất qua những vùng khác nhau trong Ngân Hà, v.v.).

Khí hậu Trái Đất thường xuyên thay đổi trong quá trình lịch sử địa chất, cứ sau một chu kỳ nóng lên lại là một thời kỳ lạnh có tên là chu kỳ băng hà. Một chu kỳ băng hà kéo dài khoảng 100.000 năm, còn một chu kỳ nóng kéo dài từ 10.000 - 20.000 năm. Hiện nay, chúng ta đang sống trong chu kỳ nóng lên của Trái Đất, bắt đầu khoảng 10.000 năm trước đây. Chu kỳ băng hà gần nhất với loài người xẩy ra cách đây từ 110.000 - 10.000 năm. Nguyên nhân của các thay đổi lớn của khí hậu Trái Đất bao gồm: thay đổi vị trí Trái Đất so với Mặt Trời, thay đổi cường độ hoạt động của Mặt Trời, sự gia tăng hoạt động của tro bụi và hơi nước, v.v. Trong khi quay xung quanh Mặt Trời, trục Trái Đất có nghiêng một góc không ổn định từ 22⁰ đến 25⁰ (hiện nay góc nghiêng là 23⁰27'). Khi thay đổi độ nghiêng của trục quay, Trái Đất có thể nhận tăng hoặc giảm 20% năng lượng Mặt Trời tới mặt đất. Khoảng cách Trái Đất - Mặt Trời cũng luôn thay đổi do quỹ đạo quay của Trái Đất có lúc là hình tròn, có khi lại là hình bầu dục. Chu kỳ thay đổi từ quỹ đạo hình tròn sang quỹ đạo hình bầu dục của Trái Đất kéo dài khoảng 100.000 năm và kèm theo nó là sự tăng hoặc giảm 7% năng lượng Mặt Trời tới mặt đất. Cường độ bức xạ Mặt Trời biến thiên theo chu kỳ 11 năm và 100 năm, tương ứng với sự gia tăng số lượng vết đen trên bề mặt Mặt Trời. Tro bụi núi lửa cũng có thể làm thay đổi nhiệt độ khí quyển Trái Đất. Núi lửa Agung (Inđônêxia) năm 1963 và núi lửa Chichôn (Mêhico) năm 1982 đều làm nhiệt độ khí quyển Trái Đất giảm đi 0,25⁰ trong những năm đó. Sự va chạm của các thiên thạch là một nguyên nhân tiềm năng khác, gây ra biến đổi mạnh mẽ khí hậu Toàn cầu. Các nguyên nhân tự nhiên nói trên có thể làm cho nhiệt độ khí quyển Trái Đất thay đổi mạnh mẽ trong các chu kỳ thời gian khác nhau. Tuy nhiên, theo dõi sự biến đổi khí hậu của Trái Đất trong khoảng thời gian từ 1860 đến nay, có thể thấy một số các dị thường về sự thay đổi nhiệt độ khí quyển Trái Đất. Sau giai đoạn lạnh từ 1860 đến 1900 là giai đoạn nóng lên +0,5⁰C của khí quyển từ 1900 đến 1940. Tiếp theo đó là giai đoạn ổn định của nhiệt độ từ 1940 đến 1970 và nóng lên từ 1970 đến nay. Nếu tính từ năm 1860 đến 1992 thì nhiệt độ khí quyển Trái Đất đã tăng lên chừng 1⁰C. Nguyên nhân chính gây ra sự biến đổi nhiệt độ Trái Đất và các biến đổi khí hậu kèm theo trong thời gian 1860 đến 1992 là sự gia tăng sử dụng nhiên liệu hoá thạch và sự suy thoái của các bể chứa khí CO₂ của Trái Đất. Bên cạnh phông gia tăng chung nhiệt độ khí quyển, có thể nhận thấy sự trùng lặp của các suy giảm đột biến nhiệt độ sau các trận phun núi lửa lớn đã nói trên.

Theo tính toán của nhóm liên quốc gia về biến đổi khí hậu (viết tắt là IPCC) thì:

- Nhiệt độ bề mặt trung bình Toàn cầu tăng lên từ 0,3 đến 0,6^oC từ cuối thế kỷ 10; 0,2 đến 0,3^oC trong vòng 40 năm qua. Hai thời kỳ nóng lên đáng kể nhất là từ 1910 đến 1940 và từ 1970 đến nay

- Kết quả phân tích số liệu 600 năm (từ 1400 - 2000) về nhiệt độ trung bình bán cầu Bắc cho thấy: các thập kỷ cuối thế kỷ 20 nóng lên một cách không bình thường.

- Lượng mưa trung bình trên các lục địa Toàn cầu tăng từ đầu thế kỷ đến những năm 1960. Từ năm 1980 đến nay, lượng mưa có xu thế giảm.

Như vậy, nguyên nhân chủ yếu của sự biến đổi khí hậu Toàn cầu là sự gia tăng một cách đáng kể lượng khí nhà kính vào khí quyển từ các hoạt động của con người. Việc tăng lượng các khí nhà kính sẽ làm tăng hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ của khí quyển Trái Đất và kèm theo đó là làm biến đổi một loạt những đặc trưng khí hậu khác.

Trong 4 loại khí nhà kính được phát thải vào khí quyển (CO₂, CH₄, N₂O, NO_x) thì CO₂ đóng vai trò quan trọng nhất và là thành phần chính của khí nhà kính.

- Khí CO₂ và NO_x được phát thải do quá trình đốt cháy nhiên liệu hoá thạch (than, dầu, khí tự nhiên). Nhiên liệu hoá thạch được sử dụng chính trong các lò hơi công nghiệp để phát điện, trong sản xuất xi măng, giấy, các sản phẩm dệt, đường, vật liệu xây dựng...

Nguồn phát thải CO₂ khác là sử dụng năng lượng phi thương mại như đốt cháy củi, gỗ, các chất thải trong chế biến nông sản.

Theo tính toán của IPCC, lượng phát thải cacbon do thay đổi sử dụng đất vùng nhiệt đới được cân bằng nhờ hấp thụ từ trồng rừng ở các vùng khác ngoài nhiệt đới. Trong những năm 80, cacbon từ khí quyển được hấp thụ bởi sinh quyển từ 0,5 - 2,0 tỷ tấn/năm. Trong vòng 30 năm, 40 - 60% CO₂ hiện có trong khí quyển sẽ bị hấp thụ. Nếu giảm phát thải thì có thể tự điều chỉnh lượng CO₂ bằng nhiều quá trình khác để đạt được sự cân bằng trong khí quyển.

- Khí mêtan (CH₄) trong khí quyển cũng tăng nhanh do hoạt động của con người, đặc biệt là trong các lĩnh vực nông nghiệp, xử lý chất thải và khai thác nhiên liệu hoá thạch. Số liệu của IPCC cho thấy, tổng lượng CH₄ từ tất các các nguồn phát thải trên Toàn cầu đạt khoảng 535 triệu tấn trong một năm. Nồng độ CH₄ trong khí quyển trung bình từ 1984 tăng 6%/năm. IPCC cũng nhận định là 60 - 80% tổng lượng CH₄ phát thải hiện nay là do hoạt động của con người.

- Ôxít nitơ (N₂O) trong khí quyển cũng tăng lên do các hoạt động nông nghiệp và công nghiệp sản xuất một số loại axít. Các nguồn nhân tạo này ước tính phát thải khoảng 38 triệu tấn/năm. Các nguồn tự nhiên có thể gấp đôi số lượng này.

Như vậy, các biểu hiện của sự biến đổi khí hậu Trái Đất bao gồm:

 Sự nóng lên của khí quyển và Trái Đất nói chung.

 Sự thay đổi thành phần và chất lượng khí quyển có hại cho môi trường sống của con người và các sinh vật trên Trái Đất.

 Sự dâng cao mực nước biển do tan băng dẫn tới sự ngập úng của các vùng đất thấp, các đảo nhỏ trên biển.

 Sự di chuyển của các đới khí hậu tồn tại hàng nghìn năm trên các vùng khác nhau của Trái Đất, dẫn tới nguy cơ đe doạ sự sống của các loài sinh vật, các hệ sinh thái và hoạt động bình thường khác của con người.

 Sự thay đổi cường độ hoạt động của quá trình hoàn lưu khí quyển, chu trình tuần hoàn nước trong tự nhiên và các chu trình sinh địa hoá khác.

 Sự thay đổi năng suất sinh học của các hệ sinh thái, chất lượng và thành phần của thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển, thổ nhưỡng quyển.

Trước các nguy cơ của sự biến đổi khí hậu Trái Đất, các quốc gia trên Thế giới đã thông qua Công ước khung về thay đổi khí hậu của Liên Hơp Quốc. Công ước này đặt ra mục tiêu: "Ổn định các nồng độ khí quyển ở mức có thể ngăn ngừa được sự can thiệp của con người đối với hệ thống khí hậu". Mức ổn định phải đạt một khung thời gian đủ cho các hệ sinh thái thích nghi một cách tự nhiên với sự thay đổi khí hậu, bảo đảm việc sản xuất lương thực không bị đe doạ và tạo khả năng phát triển kinh tế một cách bền vững.

2.4. Sinh quyển

2.4.1. Khái niệm

Khái niệm về sinh quyển lần đầu tiên được nhà bác học người Nga V.I.Vernadski đề xướng năm 1926. Sinh quyển là toàn bộ các dạng vật sống tồn tại ở bên trong, bên trên và phía trên Trái Đất hoặc là lớp vỏ sống của Trái Đất, trong đó có các cơ thể sống và các HST hoạt động. Đây là một hệ thống động và rất phức tạp. Nhờ hoạt động của các HST mà năng lượng ánh sáng Mặt Trời đã bị biến đổi cơ bản để tạo thành vật chất hữu cơ trên Trái Đất. Sự sống trên bề mặt Trái Đất được phát triển nhờ sự tổng hợp các mối quan hệ tương hỗ giữa các sinh vật với môi trường tạo thành dòng liên tục trong quá trình trao đổi vật chất và năng lượng. Như vậy, trong sự hình thành sinh quyển có sự tham gia tích cực của các yếu tố bên ngoài như năng lượng Mặt Trời, sự nâng lên và hạ xuống của vỏ Trái Đất, các quá trình tạo núi, băng hà,... Các cơ chế xác định tính thống nhất và toàn diện của sinh quyển là sự di chuyển và tiến hoá của Thế giới sinh vật; vòng tuần hoàn sinh địa hoá của các nguyên tố hoá học; vòng tuần hoàn nước tự nhiên. Tuy nhiên, trong thực tế không phải bất kỳ nơi nào trên Trái Đất cũng có những điều kiện sống như nhau đối với cơ thể sống. Ví dụ, ở vùng cận Bắc Cực, nơi có khí hậu băng hà khắc nghiệt quanh năm hoặc trên đỉnh các dãy núi cao thường chỉ có một số các bào tử tồn tại ở dạng bào sinh, vi khuẩn hay nấm, đôi khi cũng có một vài loài chim di trú tìm đến, song không có loài nào sống cố định. Những vùng này có tên gọi là cận sinh quyển.

Nơi sinh sống của sinh vật trong sinh quyển bao gồm môi trường cạn (địa quyển), môi trường không khí (khí quyển) hoặc môi trường nước ngọt hay nước mặn (thuỷ quyển). Đại bộ phận các sinh vật không sinh sống ở những địa hình quá cao, càng lên cao số loài càng giảm, ở độ cao 1 km có rất ít các loài sinh vật, ở độ cao 10 - 15km chỉ quan sát được một số vi khuẩn, bào từ nấm và nói chung sinh vật không thể phân bố vượt ra khỏi tầng Ôzôn. Thành phần của sinh quyển cũng tương tự như thành phần của các quyển khác trên Trái Đất nhưng gần gũi với thuỷ quyển bởi các tế bào sống nói chung có chứa từ 60 - 90% nước. Giống như khí quyển và thuỷ quyển, sinh quyển chứa chủ yếu các nguyên tố nhẹ hơn. Trong thực tế, không tìm thấy các nguyên tố có số nguyên tử cao hơn con số 53 (Iot) trong các tế bào sống. Theo số các nguyên tử, sinh quyển được cấu tạo từ 90% hydrô, ôxi, các bon và nitơ, Bốn nguyên tố này được tìm thấy ở trong tất cả các sinh vật sống trên Trái Đất. Vậy, con người có phải là một thành phần của sinh quyển hay không? Về vấn đề này, tháng 11 năm 1971, dưới sự bảo trợ của UNESCO chương trình con người và sinh quyển (MAB) được thành lập. Mục đích của chương trình là trợ giúp cho sự phát triển các kiến thức khoa học trên quan điểm quản lý và bảo vệ tốt các nguồn tài nguyên thiên nhiên, đào tạo đội ngũ cán bộ có chất lượng về lĩnh vực này và phổ biến những kiến thức thu được cho nhân dân và các nhà ra quyết định. Lúc đầu, chương trình MAB xem con người đứng ngoài cuộc, chỉ quan sát các hoạt động của con người lên các HST. Nhưng sau đó, con người được coi là một bộ phận khăng khít của HST và sinh quyển và thực tế đã trở thành trung tâm của các nghiên cứu, có nghĩa là MAB nghiên cứu trực tiếp các vấn đề về con người trong mối quan hệ với môi trường.

2.4.2. Hô hấp và quang hợp

Từ khi Trái Đất được hình thành thì quá trình tổng hợp và phân huỷ các chất bằng con đường hoá học cũng diễn ra với tên gọi là "vòng đại tuần hoàn địa chất". Bản chất của vòng tuần hoàn này là một quá trình phong hoá đá dưới tác động của nước, không khí và nhiệt độ. Quá trình này xảy ra trên quy mô lớn nhưng rất chậm chạp, nên vật chất tạo ra không nhiều, nhưng điều quan trọng là tạo tiền đề để sự sống ra đời nhờ các khoáng, đá đã trở nên tơi xốp, giàu các chất dinh dưỡng ở dạng dễ tiêu, sinh vật dễ hấp thụ.

Vào thời kỳ tiền Cambri, những sinh vật đơn bào đầu tiên đã xuất hiện và song song với vòng đại tuần hoàn địa chất là sự ra đời của "Vòng tiểu tuần hoàn sinh học". Sinh quyển ra đời và tiến hoá dưới ảnh hưởng của 2 nhóm yếu tố:

- Yếu tố bên ngoài: Điều kiện môi trường thay đổi, các biến cố thiên nhiên và biến đổi địa lý.

- Yếu tố bên trong: Sự thay đổi của các thành phần sinh vật bên trong các HST.