Nước biển dâng: Bài toán khó cần giải trong thế kỷ 21

Thay đổi mực nước biển và nguyên nhân

Hình thành từ hàng triệu năm trước, biển và đại dương đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống của con người. Biển tạo ra hơn một nửa nguồn oxy mà chúng ta thở hằng ngày, cung cấp một nguồn hải sản đa dạng, giúp vận chuyển 3/4 hàng hoá tiêu dùng, và chứa đựng trong lòng nó các nguồn tài nguyên thiết yếu như dầu mỏ. Liên Hiệp Quốc ước tính có chừng 40% dân số cư ngụ gần biển, với 600 triệu người sinh sống trong khu vực cao hơn mực nước biển từ 10 mét trở xuống. Việt Nam có 28 trên tổng số 64 tỉnh thành ven biển, với đường bờ biển dài hơn 3000km. Chính bởi vậy, những thay đổi dù nhỏ của mực nước biển sẽ có tác động mạnh mẽ tới cuộc sống của chúng ta. 

Về diện tích, biển và đại dương bao phủ 72% bề mặt Trái đất. Mực nước biển của Trái đất không phẳng lặng mà luôn có sự lên xuống hằng ngày và hằng giờ, mỗi khu vực có một biên độ khác nhau. Sự thay đổi ấy do tác động đồng thời của nhiều yếu tố, bao gồm thủy triều, ảnh hưởng của gió và bão, và tác động của khí hậu. Trong khi thủy triều hay nước dâng do gió và bão dễ nhận quan sát được bằng mắt thường do có biên độ lớn, thì sự thay đổi mực nước do tác động của khí hậu tương đối khó nhận biết.

Thủy triều là yếu tố có dao động lớn và thường xuyên nhất đến sự thay đổi của mực nước biển. Dao động thủy triều được hình thành do lực hút của Mặt trăng và Mặt trời tác động lên Trái đất, làm khối chất lỏng trên bề mặt nó (biển và đại dương) biến đổi. Ở Biển Đông, thủy triều có hai lần dâng lên đạt đỉnh (high waters) và hai lần mực nước đạt thấp nhất (low waters), được kết hợp từ các thành phần nhật triều và bán nhật triều có tần số và biên độ khác nhau của sóng biển. Khoảng dao động tổng hợp có độ lớn trung bình từ 2 đến 3 mét, tùy địa điểm dọc bờ biển (Hình 1). Một số nơi như vịnh Fundy (Canada) và cửa sông Severn (Anh), biên độ thủy triều hằng ngày có thể đạt tới 15-16 mét. 

Bên cạnh thủy triều, mực nước còn bị ảnh hưởng bởi tác động của khối không khí trên mặt biển, đặc biệt là gió. Không chỉ có góp phần tạo nên các hoàn lưu và dòng chảy trên biển, gió còn khiến cho mực nước dâng cao hơn hay hạ thấp xuống. Tác động của gió và áp suất khí quyển trở nên rõ rệt nhất khi xảy ra bão. Khi bão hay áp thấp nhiệt đới hình thành trong vòng vài ngày, mực nước biển nằm gần khu vực cơn bão đi qua cũng tăng tạm thời khoảng 1-2 mét. Hiện tượng này còn gọi chung là nước dâng do bão (storm surge). Ngoài ra, động đất hay va chạm kiến tạo dưới đáy biển cũng có tiềm năng sinh ra sóng thần, là hiện tượng nước biển dâng cao đến vài mét trong ngắn hạn. Ở Đông Nam Á, trận sóng thần năm 2004 ở Indonesia đã giết hại hơn 200’000 người.

Không chỉ cần gió mạnh của các cơn bão, mực nước biển còn bị thay đổi bới các loại gió yếu hơn. Trong một nghiên cứu do nhóm chúng tôi thực hiện cách đây nhiều năm tại ĐH Quốc gia Singapore, chúng tôi thấy rằng gió mùa Đông Bắc trên thực tế làm hạ mực nước biển trung bình ở Vịnh Bắc Bộ chừng 10 centimet trong những tháng mùa đông. Mực nước trung bình ở Biển Đông nhìn chung dao động trong khoảng chừng 20-30 centimét, chủ yếu do tính chất thay đổi theo mùa của gió và dòng chảy, và tác động của các thành phần có chu kỳ dài của thủy triều. Dao động của thủy triều và gió mùa diễn ra đều đặn hàng năm, đã như vậy từ hằng ngàn năm trước và sẽ tiếp tục như vậy trong tương lai với sự thay đổi không đáng kể. 

Trong khi đó, nước biển dâng (sea level rise) do biến đổi khí hậu (climate change) diễn ra âm thầm hơn. Sự dâng lên này thường rất nhỏ, chỉ vài milimet mỗi năm. Do đó, rất khó nhận biết bằng trực tiếp mắt thường mà không có các đo đạc và quan trắc. Thế nhưng, lượng tăng sẽ trở nên rất đáng kể trong dài hạn vài chục năm. Tầm quan trọng của nước biển dâng ở chỗ: không giống như thủy triều hay nước dâng do bão hết lên rồi lại xuống, lượng tăng lên này là vĩnh viễn và không đảo ngược được. Khi kết hợp với triều cường, chúng sẽ có tác động rất lớn đến tương lai của những nơi có cư dân đông đúc như các thành phố New York, Vancouver, Amsterdam, Sydney, Melbourne, Tokyo, Bangkok, Singapore, Hồ Chí Minh. 

Vậy biến đổi khí hậu liên quan thế nào đến nước biển dâng? Trước hết, do nhiệt độ tăng cao, các khối băng, tuyết từ Bắc Cực, Nam Cực và các đỉnh núi cao tan ra chảy ra biển. Dù lượng băng này sẽ tan ra vào mùa hè và được bổ sung vào mùa đông, khí hậu ấm khiến lượng tan nhanh hơn và lượng đóng băng giảm đi. Thứ đến, nước dâng do hiện tượng giãn nở nhiệt của nước biển. Khi nước biển ấm hơn, thể tích sẽ tăng lên, dẫn tới việc mực nước biển sẽ dâng cao hơn. Các nguyên nhân khác gắn với địa vật lý biển và khí hậu, như thay đổi của dao động khí hậu (ENSO), biến đổi dòng chảy, biến dạng hình dạng Trái đất (geoid)... cũng tác động lên sự thay đổi của mực nước biển. 

“Đo” lượng nước dâng: các phương pháp và những hạn chế

Từ xa xưa, sự dâng lên và hạ xuống của mực nước đã gắn liền với lịch sử của loài người. Không phải ngẫu nhiên mà hiện tượng đại hồng thủy và con thuyền Noah đã xuất hiện trong rất nhiều nền văn hóa khác nhau. Một cách nào đó, câu chuyện dân gian đã phản ánh ký ức của con người trước hiện tượng nước biển dâng. Truyền thuyết về nhà tiên tri Moses cũng là một chỉ dấu khác về những ký ức về sự thay đổi đột ngột của mực nước dâng trong lịch sử chúng ta. 

Chúng ta hầu như khó cảm nhận được rõ rệt sự thay đổi của mực nước biển do lượng tăng hằng năm khá nhỏ. Tuy nhiên, nhờ có các phân tích và quan sát khoa học tinh vi, nhà khoa học đã có thể tính toán và gián tiếp ước lượng độ cao mực nước khi xem xét thay đổi của san hô, hay khảo cứu các dấu tích lưu lại trên hang động. Tuy nhiên, để thu được dữ liệu chính xác hơn về mực nước, cần phải quan sát trực tiếp. Đó là cơ sở cho sự ra đời của các trạm thủy triều (tide gauge). Trạm thủy triều cổ nhất xuất được cho được xây dựng tại Amsterdam (Hà Lan) vào khoảng năm 1700. Các trạm thủy triều thường được đặt tại các vùng đất có nền đất tốt, ít dịch chuyển và chịu được sóng gió và điều kiện khắc nhiệt. Mực nước đo được ghi nhận với các quãng thời gian khác nhau, thường là hàng giờ. Các trạm thủy triều hầu hết được đặt dọc bờ biển, một số ít còn lại được đặt trên các đảo đá ngoài khơi. 

Bên cạnh cách đo mực nước trực tiếp, ngày nay các thiết bị viễn thám cũng được sử dụng để đo mực nước từ trên cao. Ưu điểm của các thiết bị viễn thám là có thể quan sát được mực nước biển ngoài khơi, điều mà các trạm thủy triều gần bờ không làm được. Tuy nhiên, nhược điểm của quan sát này là sự gián đoạn về không gian và thời gian. Do số lượng vệ tinh tham gia quan sát rất ít (2-3 chiếc), tại một thời điểm ta chỉ quan sát được mực nước tại một khu vực nhất định trên biển, trước khi chuyển qua khu vực khác. Trong khi đó, mực nước thay đổi hằng giờ. Muốn sử dụng được số liệu này, các nghiên cứu cần tích hợp chúng vào các mô hình, để từ đó suy đoán ra mực nước tại các vị trí không quan sát được. Ngoài ra, độ chính xác của mực nước khi quan sát vệ tinh rất kém khi gần bờ. Một số nghiên cứu mới hơn dùng quan sát bằng laser (ridar) khắc phục được nhược điểm về độ phân giải gần bờ, nhưng vẫn bị những hạn chế về phạm vi không gian có thể đo đạc được tại một thời điểm và sự đắt đỏ trong việc đầu tư và duy trì sự hoạt động của chúng.

Giữa các thiết bị đo mực nước, trạm thủy triều có tầm quan trọng nổi bật, bởi chúng cung cấp một nguồn dữ liệu chính xác trong thời gian dài. Tuy nhiên, có một hạn chế là các vùng đất đặt trạm thủy triều không chỉ dịch chuyển theo phương ngang mà còn theo phương thẳng đứng (Vertical Land Motion - VLM). Sự thay đổi của VLM của các vùng đất quanh khu vực có băng tan do hiện tượng được gọi là GIA (glacial isostatic adjustment) khi các khối địa tầng được giải tỏa sức ép do băng nên dâng cao hơn so với vị trí cũ. Còn ở hầu hết các nơi khác, VLM do dịch chuyển của các khối địa tầng Trái đất (tectonics) và tác động nhân tạo của con người (hút nước ngầm, bồi đắp). Dịch chuyển này đa phần rất nhỏ, chừng vài mm cho đến vài cm mỗi năm. Tuy nhiên, cũng có nhiều nơi diễn tốc độ thay đổi rất lớn. Ví dụ, chỉ trong vòng 20 năm, đất nền của thành phố Bangkok (Thái Lan) lún đến 40-50 cm.

Tại sao VLM quan trọng? Vì trên thực tế, mực nước tuyệt đối của nước biển bằng tốc độ dâng tương đối của nước biển (đo tại trạm thủy triều) khấu trừ phần sự dịch chuyển của mặt đất của trạm thủy triều này. Nếu không khấu trừ phần dịch chuyển của đất mà dùng luôn mưc nước giá trị tại trạm thủy triều, thì tốc độ nước biển dâng hằng năm thu được chứa sai sót lớn. Cách đây một số năm khi còn làm phân tích nước biển dâng, nhóm chúng tôi có phân tích và thấy rằng nếu không khấu trừ VLM này, thì sai số về nước biển dâng đo được có thể lên tới 20-60% (Hình 2). Phân tích tiết và đầy đủ hơn về riêng VLM đã được tiến hành nhiều nơi, như bài báo của Wolpellman trên Review of Geophysics (Woppelmann và Marcos, 2016). Tuy nhiên, đo đạc VLM là công việc dài hạn và khó khăn, đa phần các phân tích khoa học chỉ dừng lại khấu trừ phần dịch chuyển VLM do GIA (Church et al., 2013).

Mực nước biển sẽ dâng bao nhiêu?

Bằng cách kết hợp các nguồn dữ liệu mực nước đo tại trạm thủy triều, từ vệ tinh và các quan sát khác với các phân tích tinh vi, các nhà khoa học đã tái xây dựng nhiều bản đồ mực nước trung bình của Trái đất. Các thảo luận do Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC) chủ trì đã đưa đến một đánh giá tương đối thống nhất và toàn diện. Theo đó, trong báo cáo đánh giá khoa học mới nhất (AR5) của IPCC, mực nước biển toàn cầu đã dâng lên hơn 20 cm từ thời kỳ cách mạng công nghiệp lần thứ nhất cho đến nay (Hình 1). 

Hình 1. Nước biển dâng từ cuối thế kỷ 19 đến nay từ các nguồn dữ liệu khác nhau. (Nguồn: Church et al., 2013)

Nước biển dâng bao nhiêu trong dài hạn chủ yếu tùy thuộc vào tốc độ ấm lên toàn cầu nhanh hay chậm. Do sự tương tác phức tạp trong hệ thống khí hậu, mực nước biển dâng là không đều. Tại một số khu vực, mực nước tăng nhanh hơn nơi khác, đặc biệt là quanh hai cực của Trái đất nơi băng tan ra, và gần “bể nước nóng nhiệt đới” (Tropical Warm Pool) giữa Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương, được biết đến là địa điểm hình thành các cơn bão thường xuyên đổ bộ vào Biển Đông của chúng ta. 

Mức nước biển dâng ở các giai đoạn khác nhau là không đều nhau. Ngược dòng về quá khứ, đã có những giai đoạn nước biển thấp hơn ngày nay đến 300-400 mét, hay cũng có những thời kỳ mực nước dâng cao hơn cả chục mét so với ngày nay (Hình 2). Có một số giai đoạn nước biển dâng có chững lại, nhưng ngay sau đó lại tăng lên với tốc độ nhanh hơn. Trong những năm gần đây, mức nước biển dâng trung bình khoảng 3 milimet mỗi năm. Điều đáng nói là việc tăng này có gia tốc, nghĩa là mức tăng của năm sau sẽ cao hơn năm trước.

Hình 2. Nước biển dâng trong khoảng 8000 năm trở lại đây (Nguồn: R.A. Rohde, 2006, Global Warming Art project).

Trong tương lai, nhiệt độ tăng lên bao nhiêu có độ bất định rất cao, phụ thuộc vào cách hành xử và lối sống của chúng ta. Liệu chúng ta sẽ vẫn tiếp tục chạy xe xăng, đốt thêm than, tiêu thụ nhiều sản phẩm công nghiệp, chặt phá rừng,.. hay chúng ta sẽ đổi phát triển năng lượng sạch, sống xanh và bền vững hơn? Nếu có thì sẽ xảy ra bao giờ và ra sao? Chưa kể, chúng ta cũng chưa hoàn toàn hiểu hết về hệ thống khí hậu và đại dương của Trái đất. Bởi những bất định này, các nhà khoa học hợp tác trong IPCC đã đưa ra những dự đoán cho nhiều kịch bản, từ đó các chính phủ và người dân có thể hình dung về những diễn biến tương ứng sẽ xảy ra.  

Nước biển Trái đất dâng lên tương ứng với sự ấm lên toàn cầu. Báo cáo gần nhất AR5 của IPCC có phân tích kỹ hơn về có 4 kịch bản phát thải từ thấp đến cao có khả năng nhấp, sắp xếp từ từ thấp (RCP 2.6), trung bình (RCP4.5), cao (RCP6.0), và rất cao (RCP8.5). Trong kịch bản “lạc quan” nhất (Hình 3), lượng nước biển cũng dâng lên 35 cm. Theo kịch bản “xấu” nhất, nước biển trên Trái Đất sẽ dâng lên 86 cm so với này nay. Điều đó cho thấy, nhiều khả năng chúng ta sẽ đối diện với nguy cơ nước biển tăng từ 50 cm trở lên, lượng tăng hơn gấp đôi so với một thể kỷ trước. Kể cả khi chúng ta chấm dứt hoàn toàn việc thải vào khí quyển khí nhà kính, thì không chỉ nhiệt độ toàn cầu mà cả mực nước biển về dài hạn vẫn tiếp tục tăng chứ không giảm đi.

Tác động của nước biển dâng ra sao?

Nước biển dâng sẽ làm úng ngập (inundation) các đồng bằng và xóa sổ nhiều vùng đất ngập nước (wetland). Không phải ngẫu nhiên mà hầu hết các đô thị lớn trên thế giới từ xa xưa đều nằm ở khu vực cửa sông ven biển, nơi có nguồn nước ngọt dồi dào cho hoạt động nông nghiệp và sinh sống, thuận tiện giao thương đường biển và là cửa ngõ giao lưu văn hóa. Trong khi đó, các khu vực ngập nước, bao gồm rừng nhiệt đới Amazon hay đầm lầy Siberia, là các khu sinh quyển rộng lớn với nhiều loại động thực vật hết sức phong phú. Nước biển dâng cũng làm dần biến mất hoặc xói mòn các bãi biển, cồn cát, đảo chắn và các khu vực vịnh, cửa sông ven biển. Nước biển dâng sẽ làm tăng nguy cơ tác động của các cơn bão và của triều cường, khi nước biển dễ dàng xâm nhập vào đất liền.  

Trong đánh giá tác động của nước biển dâng, các yếu tố rủi ro đều được xem xét. Bên cạnh nước biển dâng dài hạn do biến đổi khí hậu, yếu tố thủy triều và nước dâng do bão cũng thường được cộng gộp trong phân tích. Trong khi lượng nước biển dâng và thủy triều có thể ước lượng được, thì tần suất và cường độ của bão là yếu tố bất định khó dự đoán. Để vượt qua vấn đề này, các phân tích cực trị (Extreme Value Analysis) được áp dụng, qua đó giúp tính được xác suất xảy ra các cơn bão và mức nước biển dâng tương ứng. Chính phủ Singapore khi xây dựng các kịch bản đánh giá rủi ro đã tính đến các chu kỳ lặp lại (Return Period) của bão là hầng năm, 1 trong 10 năm, 1 trong 100 năm và thậm chí 1 trong 1000 năm. Tùy theo tầm quan trọng của các công trình xây dựng ven biển mà các mức độ rủi ro được áp dụng phòng ngừa một cách thích hợp. Sau khi lượng hóa các yếu tố này, ta thu được mực nước tuyệt đối của nước biển phục vụ cho việc đánh giá rủi ro, bao gồm xây dựng bản đồ úng ngập.

Hình 3. Dự báo nước biển dâng đến cuối thế kỷ theo 4 kịch bản nước biển dâng được đưa ra bởi IPCC. (Nguồn: Church et al., 2013)

Với bản đồ úng ngập, ta có thể ước tính tác động của nước biển dâng dưới nhiều góc độ khá nhau. Theo một ước tính trên tạp chí Thư Nghiên cứu Môi trường (Jevrejeva et al., 2018), thế giới sẽ bị thiệt hại chừng 10,2 ngàn tỷ (trillion) USD mỗi năm vào năm 2100 khi nhiệt độ Trái Đất tăng thêm 1.5oC. Ứng với mức tăng mực nước 86 cm theo kịch bản RCP8.5 vào cuối thế kỷ này, con số thiệt hại lên tới 14 ngàn tỷ USD, chiếm chừng 2.7% GPD toàn cầu, nếu như chúng ta không có biện pháp ứng phó hiệu quả. Trong trường hợp xấu nhất với mực nước biển đạt cao nhất (180 cm), chúng ta sẽ thiệt hại 27 ngàn tỷ USD, một con số khổng lồ - gấp khoảng 10 lần GDP Việt Nam hiện nay.

Lời kết

Trong dài hạn, mực nước biển trung bình toàn cầu liên tục thay đổi. Thời xa xưa, có giai đoạn mực nước thấp hơn ngày nay đến vài trăm mét với tốc độ tăng thường rất chậm. 

Tuy nhiên, sự ra đời của các cuộc cách mạng công nghiệp đã khiến cho Trái đất ấm dần lên. Kéo theo đó là mực nước biển toàn cầu bắt đầu tăng với tốc độ ngày càng nhanh hơn do nhiều nguyên nhân khác nhau: băng tan, giãn nở của nước và các thay đổi trong hệ thống khí hậu Trái đất. Các đo đạc khoa học từ các trạm thủy triều và ảnh vệ tinh đã chỉ ra tốc độ dâng của nước biển do biến đổi khí hậu chừng 3 milimet một năm với gia tốc dương. Dự kiến vào cuối thế kỷ tới, mực nước biển sẽ tăng lên trong khoảng 35-85 cm, gây thiệt hại cho kinh tế toàn cầu hàng ngàn tỷ USD với nhiều hệ lụy về phát triển. 
Tìm cách thích ứng một cách hiệu quả là một trong những bài toán khó nhất mà loài người chúng ta cần hợp tác phải quyết trong thế kỷ này. □

Tham khảo
Church, J.A., P.U. Clark, A. Cazenave, J.M. Gregory, S.Jevrejeva, A. Levermann, M.A. Merrifield, G.A. Milne, R.S. Nerem, P.D. Nunn, A.J. Payne, W.T. Pfeffer, D. Stammer and A.S. Unnikrishnan, 2013: Sea Level Change. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to AR5 of IPCC, Cambridge University Press.
Jevrejeva, S , L.P. Jackson, A. Grinsted, D. Lincke and B. Marzeion, 2018, Flood damage costs under the sea level rise with warming of 1.5 °C and 2 °C, Environmental Research Letters, 13(7), 074014, doi: 10.1088/1748-9326/aacc76
Luu, Q. H., Tkalich, P., and Tay, T. W.(2015) Sea level trend and variability around Peninsular Malaysia, Ocean Science, 11, 617–628, doi:10.5194/os-11-617-2015.
Luu, Q. H., Q. Wu, P. Tkalich & G. Chen (2018) Global mean sea level rise during the recent warming hiatus from satellite-based data, Remote Sensing Letters, 9:5, 497-506, doi: 10.1080/2150704X.2018.1437291
Minh, N.N., Patrick, M., Florent, L., Sylvain, O., Gildas, C., Damien, A., V.U., Dinh, 2014, Tidal characteristics of the gulf of Tonkin, Continental Shelf Research, 91, 37-56, doi:10.1016/j.csr.2014.08.003
Woppelmann, G., M. Marcos (2016), Vertical land motion as a key tounderstanding sea level changeand variability, Review of Geophysis, 54,64–92, doi:10.1002/2015RG000502.

Theo Tạp chí Tia sáng