Nghiên cứu cho thấy đã có một sự thay đổi khí hậu đột ngột và lan rộng trong sa mạc Sahara 5.000 năm trước.

5000 năm trước, vùng Sahara - hôm nay là một sa mạc rộng lớn ở phía bắc châu Phi, trải dài hơn 3,5 triệu dặm vuông – hồi đó là một cảnh quan xanh tươi, nhiều sắc màu rực rỡ với thảm thực vật trải rộng và rất nhiều hồ. Bức tranh hang động cổ xưa trong khu vực mô tả hà mã dầm mình trong nước, những đàn voi và hươu cao cổ đi lang thang - một sự tương phản lớn với sự cằn cỗi, địa hình khắc nghiệt hiện nay.

Thời đại "xanh" của Sahara, được gọi là thời kỳ ẩm ướt châu Phi, có thể kéo dài từ 11.000 đến 5.000 năm trước đây, và được cho là đã kết thúc đột ngột, với sự khô cạn và hình thành vùng sa mạc trong một khoảng từ một đến hai thế kỷ.

Các nhà nghiên cứu tại Viện kỹ thuật MIT, Đại học Columbia và các nơi khác đã phát hiện thấy rằng sự thay đổi khí hậu đột ngột này xảy ra gần như cùng lúc trên khắp Bắc Phi.

Nhóm nghiên cứu bắt nguồn từ mùa mưa và khô của khu vực trong 30.000 năm qua bằng cách phân tích mẫu trầm tích ngoài khơi bờ biển của châu Phi. Trầm tích như vậy bao gồm bụi thổi ra từ lục địa qua hàng ngàn năm: Càng nhiều bụi thì lục địa càng nhiều nguy cơ trở nên khô hạn.

Từ các đánh giá của họ, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng trong thời kỳ ẩm ướt châu Phi, sa mạc Sahara phát thải lượng bụi ít hơn 5 lần so với hiện tại. Kết quả của nghiên cứu có đưa ra dự đoán về một sự thay đổi khí hậu lớn hơn rất nhiều so với dự đoán trước đây ở châu Phi, và sẽ được công bố trong Earth and Planetary Science Letters.

David McGee, một trợ lý giáo sư tại Bộ môn Khoa học trái đất, khí quyển và hành tinh của Viện Kỹ thuật MIT, cho biết các kết quả định lượng của nghiên cứu này sẽ giúp các nhà khoa học xác định ảnh hưởng của bụi phát thải đến biến đổi khí hậu trong quá khứ và hiện tại.

"Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy những thay đổi lớn đáng kinh ngạc về lượng bụi phát thải ở Châu Phi," McGee, tiến sĩ đã việc ở Đại học Columbia nói. "Điều này cho chúng ta  cơ sở để nhìn về quá khứ đúng lúc, để giải thích hiện tượng biến đổi khí hậu khủng khiếp đã xảy ra trong quá khứ. Sắp diễn ra biến đổi khí hậu ở châu Phi. Vậy trước đây nó đã xảy ra như thế nào? "

Tìm ra thủ phạm “bụi”

Để theo dõi diễn biến bụi phát thải ở châu Phi theo thời gian, McGee phân tích mẫu trầm tích thu được vào năm 2007 bởi các nhà nghiên cứu từ Columbia và Viện Hải dương học Woods Hole. Các nhà nghiên cứu lấy mẫu từ ngoài khơi bờ biển phía tây bắc của châu Phi, trong khoảng cách hơn 550 dặm.

Tại mỗi khu vực, họ đã thu thập một mẫu – cột trầm tích hình trụ dài 10 foot,  một đầu ngập nước.

McGee nói một cột trầm tích 10 foot đại diện cho khoảng 30.000 năm trầm tích lắng đọng, lớp nọ chồng lớp kia, trong đại dương - trầm tích là bụi gió thổi ra từ lục địa, nước mang bụi đến thông qua các dòng hải lưu, và các thành phần hữu cơ còn sót lại của các sinh vật nữa, tất cả chìm xuống đáy biển. Một centimet trầm tích tương ứng với khoảng 100 năm lắng đọng, cho thấy những gì McGee gọi là "độ phân giải cao" ghi chép các thay đổi của bụi theo thời gian.

Để theo dõi bao nhiêu bụi gió thổi ra từ lục địa tích lũy lại trong 30.000 năm qua, McGee sử dụng một sự kết hợp: đầu tiên là sử dụng kỹ thuật xác định thời gian hình thành trầm tích, sau đó loại trừ sự tích tụ của trầm tích biển và tàn tích sinh học.

Lớp chồng lên lớp

Sử dụng kỹ thuật bình thường hóa thorium-230, McGee và các đồng nghiệp của ông tính thời gian tích tụ cho mỗi lớp trầm tích dày 2-3 cm dọc theo cột. Kỹ thuật này dựa trên sự phân rã của uranium trong nước biển: Theo thời gian, uranium phân rã thành thori-230, một chất hóa học hòa tan dính vào bất kỳ hạt trầm tích nào chìm xuống đáy biển. Số lượng uranium, tốc độ sản xuất của thorium-230 - trong các đại dương của thế giới là tương đối ổn định. McGee đo nồng độ của thorium-230 trong mỗi mẫu để xác định tỷ lệ tích tụ trầm tích theo thời gian.

Trong những thời kỳ trầm tích tích lũy một cách nhanh chóng, nồng độ thorium-230 thấp đi. Trong thời gian chậm tích lũy, McGee đo được nồng độ thorium-230 lớn hơn.

Khi nhóm tính toán tỷ lệ tích tụ trầm tích trong 30.000 năm qua, việc xác định bao nhiêu trầm tích đó là bụi từ láng giềng của châu Phi trở nên quan trọng. Các nhà nghiên cứu loại trừ trầm tích sinh học từ các mẫu bằng cách đo canxi cacbonat, opal và carbon hữu cơ, những tàn tích chính của các sinh vật sống. Sau khi trừ đi các đo lường này từ mỗi lớp mẫu, các nhà nghiên cứu giải quyết các nhiệm vụ tách các trầm tích còn lại vào nhóm bụi gió đưa ra từ lục địa và trầm tích biển - các hạt lưu thông thông qua các đại dương, lắng đọng ở đáy biển bởi các dòng chảy.

McGee đã sử dụng một kỹ thuật thứ hai được gọi là mô hình lựa chọn thông qua kích thước hạt, phân tích biểu đồ phân bố kích thước hạt khác nhau, từ cỡ thô của bụi cho đến cỡ hạt mịn của đất biển.

"Chúng tôi xác định các thành phần loại trừ: Một tín hiệu cho thấy bụi sẽ như thế này, và trầm tích biển sẽ như thế kia", McGee nói. "Và sau đó chúng ta thấy, OK, kết hợp của những thứ đơn giản cho ta hỗn hợp trầm tích mà ta thấy ở đây?"

Nghiên cứu này, McGee nói, là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã kết hợp hai kỹ thuật – mô hình lựa chọn thông qua kích cỡ hạt và kỹ thuật bình thường hóa thorium-230 - một cặp đôi xác định rất chính xác của lượng bụi phát thải thông qua hàng chục ngàn năm.

Cuối cùng, nhóm nghiên cứu tìm ra một số thời kỳ khô hạn Bắc Phi phát thải bụi nhiều hơn gấp đôi hiện tại. Qua các mẫu, các nhà nghiên cứu tìm thấy thời kỳ ẩm ướt châu Phi bắt đầu và kết thúc rất đột ngột, phù hợp với những phát hiện trước đây. Tuy nhiên, họ thấy rằng 6.000 năm trước đây, vào cuối giai đoạn này, lượng bụi phát thải ở mức một phần năm mức độ ngày nay, và ít bụi hơn nhiều so với các ước tính trước đây.

McGee cho biết các phương pháp đo mới có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về sự liên quan giữa các luồng bụi và khí hậu bằng cách điền thông tin vào cho các mô hình khí hậu.

Natalie Mahowald, một giáo sư của bộ môn Khoa học trái đất và khí quyển tại Đại học Cornell, cho biết sự kết hợp nhóm các kỹ thuật cho các ước tính thực tế  hơn về bụi so với các nghiên cứu trước.

"Bụi là một trong những luồng khí quan trọng nhất đối với khí hậu và biogeochemistry," Mahowald nói. "Nghiên cứu này cho thấy khí hâu gây nên những biến động rất lớn trong 10.000 năm qua, và nó có ý nghĩa rất lớn đối với nhận thức con người gây ra biến đổi khí hậu."

Bước tiếp theo, McGee đang làm việc với các cộng tác viên để kiểm tra xem các phương pháp đánh giá mới này có thể giúp giải quyết một vấn đề lâu dài: sự vô dụng của các mô hình khí hậu trong tái điều kiện ẩm ướt ở Bắc Phi 6.000 năm trước. Bằng cách sử dụng những kết quả mới để đánh giá tác động môi trường của lượng bụi phát thải vào khí hậu vùng, các mô hình đã có thể tái tạo Bắc Phi của 6000 năm trước đây - một khu vực đồng cỏ với vô số loài động vật hoang dã.

"Đây là một khoảng thời gian để đánh thức trí tưởng tượng của mọi người", McGee nói. "Điều quan trọng là hiểu khi nào và bao nhiêu bụi đã tác động đến khí hậu trong quá khứ."