Sẽ là bất khả thi để tính toán được nhiệt độ của Trái Đất chỉ bằng một số liệu đo lường đơn lẻ, vì mỗi một khu vực và vùng lãnh thổ lại có những điều kiện khí hậu khác nhau, từ vùng Nam Cực lạnh giá cho đến những khu vừng nhiệt đới nóng ẩm Nam Mỹ và cả những sa mạc khô cằn tại Châu Phi. Việc phân tích đo đạc các mảng thời tiết này để cho ra được các số liệu cụ thể rồi dựa vào đó tính toán ra được một thước đo chuẩn cho nhiệt độ của cả hành tinh, khỏi phải nói, là một nhiệm vụ phức tạp và khó khăn không tưởng. Và đây là lúc chúng ta cần đến các nhà khoa học.
Vào những tháng đầu tiên của mỗi năm, các cơ quan khí tượng lớn trên thế giới sẽ công bố số liệu về nhiệt độ toàn cầu của năm trước đó. Hiện nay các số liệu này chủ yếu đến từ bốn cơ quan thuộc ba cường quốc : Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (JMA), Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA), Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia Hoa Kỳ (NOAA) và Văn phòng Khí tượng (Met Office) thuộc Vương quốc Anh.
Về cơ bản, để có được bức tranh hoàn chỉnh về nhiệt độ Trái Đất, các khoa học sẽ kết hợp số liệu có được từ việc đo nhiệt độ không khí trên bề mặt đất liền và bề mặt đại dương – thường là được thu thập bởi tàu, phao, đôi khi là các vệ tinh.
Nhiệt độ tại mỗi trạm trên đất liền và đại dương được so sánh hàng ngày với ‘nhiệt độ bình thường’ của chính xác địa điểm đó trong quá khứ, thường là con số trung bình trong khoảng thời gian dài 30 năm. Sự chênh lệch, nếu có, sẽ được gọi là ‘số dị thường’ và chúng giúp các nhà khoa học ước ính được sự thay đổi về nhiệt độ qua thời gian diễn ra như thế nào.
Nếu số dị thường là số dương, có nghĩa là nhiệt độ ấm hơn nhiệt độ trung bình dài hạn, nếu nó là số âm, có nghĩa là nhiệt độ đã trở nên mát hơn.
(*Ví dụ, nhiệt độ trung bình ngày 15/12/2019 tại khu vực A là 29°C, nhiệt độ trung bình ngày 15/12 trong vòng 30 năm gần nhất của khu vực A là 27°C, như vậy số dị thường = 29 – 27 = 2°C)
Các số dị thường của từng ngày sẽ được cộng vào tính trung bình để cho ra số liệu của tháng. Rồi các số của tháng sẽ được dùng để tiếp tục tính ra số liệu quý, số liệu mùa, và số liệu năm.
Các nhà khoa học sử dụng bốn bộ dữ liệu chính để nghiên cứu nhiệt độ toàn cầu.
Văn phòng Khí tượng Trung tâm Hadley và Phòng nghiên cứu khí hậu của Đại học East Anglia thuộc Vương quốc Anh cùng hợp tác cho ra tập hợp dữ liệu HadCRUT4.
Tại Hoa Kỳ, bộ dữ liệu GISTEMP do Viện Khoa học Vũ trụ Goddard của NASA (GISS) xây dựng, còn Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia (NOAA) tạo ra hồ sơ MLOST.
Bộ dữ liệu thứ tư do Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (JMA) sản xuất.
Cả bốn bộ dữ liệu này đều cho thấy xu hướng ấm lên của nhiệt độ toàn cầu trong vòng 130 năm qua, tuy vẫn có những khác biệt về số liệu cụ thể của các năm. Theo đó, từ năm 1880 đến năm 1940, số dị thường của nhiệt độ toàn cầu tăng từ -0,25 lên 0 và duy trì tương đối ổn định đến năm 1980. Bắt đầu từ năm 1981 cho đến nay số này bắt đầu tăng lên nhanh chóng và ở mức xấp xỉ +0.5 vào năm 2012.
Trong bốn bộ dữ liệu, số dị thường của GISTEMP thể hiện sự nóng lên toàn cầu nhanh nhất. JMA có xu hướng thấp hơn một chút so với những cơ quan khác. Vậy tại sao chúng ta thấy sự khác biệt giữa các bộ dữ liệu?
Câu trả lời cho vấn đề này nằm ở các yếu tố cơ bản tác động trực tiếp đến việc xây dựng từng bộ dữ liệu :
– Không có dữ liệu của các vùng xa xôi hẻo lánh
– Lỗi đo lường
– Khác biệt về thiết bị đo lường của từng cơ quan, hoặc có sự thay đổi theo thời gian
– Các nguồn nhiệt nhân tạo/tự nhiên gây nhiễu tùy vào đặc điểm của từng khu vực
– Khác biệt về vị trí chiều cao bề mặt để dùng thiết bị đo lường
– Những yếu tố tác động khác (đọc và xử lý dữ liệu, đơn vị đo lường khác nhau…v.v..)
Tuy nhiên, phạm vi đo lường có lẽ là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất. GISTEMP của NASA có phạm vi đo lường toàn diện nhất, với các phép đo được thực hiện trên 99% bề mặt địa cầu. Ngược lại, con số này của JMA chỉ là 85%, cộng thêm việc họ có dữ liệu đặc biệt nghèo nàn về các cực, Châu Phi và Châu Á.
Vậy làm thế nào để xây dựng được các bộ dữ liệu khi dữ liệu của một số khu vực nào đó bị thiếu?
GISTEMP của NASA sử dụng các phương pháp thống kê để lấp đầy số liệu còn thiếu của một khu vực bằng các số liệu đo được từ các vùng xung quanh khu vực đó. Các số liệu từ các khu vực xung quanh này sẽ được tổng hợp lại theo một phương trình nhất định dựa theo khoảng cách địa lý thực tế. NOAA tuân theo quy trình tương tự cho bộ dữ liệu MLOST.
HadCRUT4 là bộ dữ liệu duy nhất để trống các vùng bị thiếu dữ liệu, thay vì cố gắng điền chúng vào. Họ giả định rằng nhiệt độ trung bình của các vùng này sẽ ở mức tương đồng với mức trung bình toàn cầu.
Đây đáng lẽ sẽ không là một vấn đề nếu các khu vực đều nóng lên với cùng tốc độ. Nhưng dữ liệu cho thấy Bắc Cực, chẳng hạn, đang nóng lên nhanh gấp đôi so với mức trung bình toàn cầu.
Như vậy nếu bị thiếu dữ liệu của Bắc Cực có thể dẫn đến nhiệt độ toàn cầu tính được sẽ thấp hơn so với thực tế.
Trên thực tế vào năm 2013, Hiệp hội Khí tượng Hoàng gia thuộc Vương quốc Anh đã công bố một bản báo cáo mà trong đó, sau khi lấp đầy dữ liệu cho các vùng bị HadCRUT4 bỏ trống, đã cho thấy con số cao gấp đôi so với dữ liệu của HadCRUT4 trong vòng 15 năm qua.
Sau khi đã có đầy đủ số liệu dị thường của tất cả các khu vực, các nhà khoa học sẽ chia diện tích bề mặt Trái Đất thành các ô vuông dạng lưới.
Họ tính toán nhiệt độ trung bình cho mỗi ô bằng cách kết hợp dữ liệu từ tất cả các trạm có sẵn. Diện tích các ô lưới càng nhỏ, số liệu thành phần sẽ càng chính xác, và việc nhiệt độ toàn cầu ước tính sẽ càng sát với thực tế.
Đây cũng là một điểm khác biệt nữa giữa các bộ dữ liệu. Hồ sơ GISTEMP là chi tiết nhất trong bốn bộ dữ liệu, với các ô lưới chia theo mức 2° kinh độ / 2° vĩ độ.
Ba cái còn lại có các ô lưới 5° / 5°. Các cơ quan này cũng khác nhau về số lượng trạm mặt đất có trên khắp thế giới. HadCRUT4 có khoảng 5.500 trạm, chiếm ít nhất, GISTEMP ở giữa với khoảng 6.300 trạm, và MLOST có nhiều nhất, với khoảng 7.000 trạm mặt đất.
Ngoài ra còn có nhiều điểm khác biệt lớn khác nữa giữa bốn bộ dữ liệu, trong đó có dữ liệu từ một mốc thời điểm trong quá khứ. HadCRUT4 là xưa nhất, chứa dữ liệu từ năm 1850. Với GISTEMP và MLOST là năm 1880, và JMA thì muộn hơn một chút, chứa dữ liệu từ năm 1891.
Bằng cách tổng hợp kết quả từ tất cả các ô lưới, số liệu từ mỗi ô sẽ còn được điều chỉnh dựa trên thực tế là độ kinh độ ở xích đạo sẽ lớn so với ở hai cực, các nhà khoa học tính ra được nhiệt độ trung bình cho bán cầu Bắc và Nam. Sau đó, từ các giá trị này ta sẽ ước tính được nhiệt độ trung bình toàn cầu.
Tuy nhiên, vì Bắc bán cầu có nhiều mẫu số liệu hơn, các nhà khoa học sẽ lấy số trung bình của hai giá trị này.
Các vệ tinh ngoài việc đo nhiệt độ ở bề mặt Trái Đất còn có thể thu thập dữ liệu từ tầng đối lưu của bầu khí quyển (tầng thấp nhất).
Chúng ta chỉ có dữ liệu về nhiệt độ của tầng đối lưu bắt đầu từ năm 1979, thời điểm khai sinh của kỷ nguyên vệ tinh. Nhiệt độ tầng đối lưu sẽ khác với nhiệt độ bề mặt Trái Đất, và chịu ảnh hưởng lớn hơn nhiều từ các hiện tượng thời tiết, ví dụ như hiện tượng El Niño.
Các số liệu đo được từ tầng này cũng được các nhà khoa học sử dụng như một bằng chứng cộng thêm về sự thay đổi khí hậu. Một số nhóm khác nhau hiện đang theo dõi nhiệt độ tầng đối lưu và cả bốn nhóm cho thấy xu hướng ấm lên trong 30 năm qua.
Cả bốn bộ dữ liệu lớn và phương pháp đo bằng vệ tinh đều có những ưu nhược điểm riêng, nhờ vào việc kết hợp các phép đo khác nhau của hai phương pháp trên mà chúng ta có thể giải quyết được những vấn đề gặp phải trong việc ước tính nhiệt độ Trái Đất.
Tất cả các bộ dữ liệu bề mặt đều được cập nhật hàng tháng khi có dữ liệu mới và khi các nhà khoa học hiểu thêm được về những điều họ không chắc trước đó.
Thông qua tất cả các điều trên,chúng ta đã có thể quan sát được một cách chi tiết về quá trình thay đổi nhiệt độ của Trái Đất.
