NHỮNG ĐÁM MÂY CAO NHẤT TRÁI ĐẤT ĐANG HẠ THẤP

Vào những đêm hè, rất lâu sau khi mặt trời lặn, những đám mây mỏng có thể sáng rực trên bầu trời chạng vạng. Chúng được mô tả lần đầu vào năm 1885, sau vụ phun trào lớn của núi lửa Krakatoa năm 1883. Vì chúng vẫn được Mặt Trời chiếu sáng khi mặt đất đã chìm trong bóng tối, chúng hẳn phải lơ lửng ở độ cao hơn 80 km. Nếu chúng được tạo thành từ băng nước, như người ta vẫn giả định từ năm 1912, thì không khí ở đó phải lạnh hơn 150 kelvin. Đó là mây dạ quang (noctilucent clouds), những đám mây cao nhất trên Trái Đất.

Chú chim báo hiệu của tầng khí quyển cao

Từ lâu người ta đã nghi rằng chúng mang một tín hiệu khí hậu. Lượng cacbon điôxít tăng lên làm lạnh tầng bình lưu và tầng trung lưu, những lớp nằm bên dưới các đám mây. Các lớp bị làm lạnh thì co lại: tầng khí quyển trên cao “co rút”, và những đám mây, nằm trên cùng, hẳn sẽ từ từ hạ thấp. Một mô hình khí hậu của vùng này, LIMA/MIMAS, dự đoán đúng như vậy — một sự hạ thấp tăng tốc sau năm 1960, nhanh gấp 6,5 lần so với trước đó, khi cacbon điôxít tăng ngày càng nhanh.

Kiểm chứng điều này không dễ. Tần suất xuất hiện của những đám mây phụ thuộc vào số người quan sát và thời tiết; độ sáng của chúng được đo bằng những dụng cụ không được hiệu chuẩn. Tuy nhiên, độ cao của chúng đã được đo từ khi chúng được phát hiện. Các bài tổng quan trước đây không tìm thấy xu hướng rõ ràng nào: độ cao dao động tự nhiên trong khoảng từ 79 đến 85 km, nhiều hơn mức sụt giảm được dự kiến.

So sánh những gì tương đương

Oleg Ugolnikov, thuộc Viện Nghiên cứu Vũ trụ của Viện Hàn lâm Khoa học Nga, cùng các đồng nghiệp ở Moskva và Kaliningrad, trước hết đặt ra những quy tắc nghiêm ngặt. Các lidar hiện đại, vốn thăm dò bầu trời bằng ánh sáng laser, nhìn thấy những hạt băng li ti ở phần cao của lớp mây, trong khi các bức ảnh chụp lại thấy những hạt lớn nhất ở đáy lớp — thấp hơn tới 2 km. Vì vậy chỉ một kỹ thuật được tính: phép đo tam giác (triangulation), tức chụp ảnh cùng một đám mây từ hai nơi trở lên và tính độ cao của nó từ độ dịch chuyển vị trí.

Họ cũng loại bỏ những đợt khảo sát thiếu chính xác. Đợt đầu tiên, năm 1887, cho kết quả 79 km, nhưng hai người quan sát chỉ cách nhau 32,4 km và đồng bộ thời gian với sai lệch tới vài phút, đủ để gây ra sai số trên 10 km. Nhóm chỉ giữ lại những địa điểm cách nhau ít nhất 40 km với thời điểm chính xác: O. Jesse quanh Berlin năm 1890-1891, C. Störmer gần Oslo năm 1932-1934, rồi Stockholm, Estonia, Latvia và Scotland, cho tới một đường cơ sở dài 200 km năm 1986.

Hai mươi nghìn độ cao mới

Từ năm 2020, khoảng hai mươi máy ảnh, phần lớn thuộc mạng lưới tự động Starvisor, đã theo dõi bầu trời trong khoảng từ vĩ độ 54 đến 61 độ Bắc. Chúng hoạt động theo nhóm, cách nhau từ 50 đến 200 km, chụp tới bốn ảnh mỗi phút. Phần mềm cắt mỗi vùng mây thành các mảnh, ghép các mảnh tương ứng giữa các máy ảnh, rồi tính độ cao và tốc độ của chúng. Kết quả: khoảng 20.000 độ cao riêng lẻ.

Một phương pháp thứ hai kiểm tra lại chúng bằng chính những bức ảnh ấy. Khi một đám mây trôi dần vào bóng của Trái Đất, trước tiên nó ngả sang màu xanh hơn, khi ánh sáng mặt trời chiếu tới nó đi qua tầng ôzôn, rồi ngả sang màu đỏ hơn, khi ánh sáng ấy đi qua tầng khí quyển thấp. Thời điểm của những lần đổi màu này cho biết độ cao của nó. Sau khi hiệu chỉnh lớp mù do các hạt nhỏ trong tầng bình lưu, hai phương pháp khớp với nhau trong phạm vi 0,18 km.

Gỡ rối các manh mối

Độ cao của những đám mây này còn phụ thuộc vào mùa, thời điểm trong đêm, thủy triều do Mặt Trăng, vĩ độ và hoạt động của Mặt Trời. Nhóm đã khớp tất cả các yếu tố này cùng một lúc, từng phép đo một, từ năm 1890 đến năm 2026. Chỉ có hai hiệu ứng nổi bật: mùa, với những đám mây thấp nhất vào khoảng ngày 10 tháng 7, vài tuần sau ngày hạ chí, và xu hướng dài hạn.

Xu hướng đó được đo dưới dạng một tỷ lệ K so với dự đoán của mô hình: K = 1 nghĩa là mô hình đúng, K = 0 nghĩa là không có xu hướng. Phép khớp cho ra K = 0,52 ± 0,18 — một sự hạ thấp được phát hiện với độ tin cậy hơn 99,5%, nhưng chỉ bằng một nửa mức mô hình dự đoán. Ngày nay, điều đó tương ứng với khoảng 1,2 km mỗi thế kỷ.

Một phép kiểm tra đơn giản xác nhận điều này. Trước năm 2000, độ cao trung bình của tất cả các phép đo là 82,52 km; trong thập niên 2020, con số này là 81,83 km. Những đám mây nằm thấp hơn 0,69 km, khoảng một nửa mức sụt giảm mà mô hình dự kiến kể từ năm 1960.

Đáy hạ xuống, đỉnh giữ nguyên

Một chi tiết nổi bật. Rìa trên của dải độ cao của những đám mây hầu như không dịch chuyển, dù theo mùa hay qua các thập kỷ. Rìa dưới đã hạ xuống khoảng gấp đôi mức trung bình — gần với tốc độ mà mô hình dự đoán.

Các tác giả kỳ vọng những phép đo tam giác tiếp theo sẽ làm chính xác hơn độ cao trung bình hiện nay, nhưng bản thân xu hướng sẽ vẫn bị giới hạn bởi số lượng ít ỏi và độ chính xác khiêm tốn của các phép đo cũ. Theo họ, bước tiến thực sự sẽ đến khi các lidar, vệ tinh và máy ảnh đã theo dõi những đám mây đủ lâu trong thế kỷ 21.