Sự ấm lên toàn cầu là gì?

Sự ấm lên toàn cầu – sự nóng lên dần dần của bề mặt, các đại dương và khí quyển của Trái đất – là một trong những vấn đề môi trường nhức nhối nhất của thời đại chúng ta.

Sự tăng nhiệt độ trung bình toàn thế giới đã được các nhà khoa học ghi chép kể từ cuối thế kỉ 19. Nhiệt độ trung bình của Trái đất đã tăng thêm 0,8 độ C trong thế kỉ qua, theo báo cáo của Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) của Mĩ.

Mặc dù sự tồn tại của sự ấm lên toàn cầu đã từng bị xem là vấn đề gây tranh cãi, nhưng nay nó đã được xem là một thực tế bởi phần lớn các nhà nghiên cứu trong cộng đồng khoa học quốc tế, theo NASA.

Ngoài ra, đa số các nhà khoa học đồng ý rằng tốc độ ấm lên toàn cầu mà chúng ta đang đối mặt không phải là một hiện tượng tự nhiên, mà chủ yếu là kết quả của hoạt động của con người.

Biến thiên trung bình 5 năm của nhiệt độ bề mặt toàn cầu vào các năm 1884, 1927, 1969 và 2012. Màu xanh sậm là những vùng lạnh hơn nhiệt độ trung bình. Và màu đỏ sậm là những vùng ấm hơn nhiệt độ trung bình. Ảnh: NASA/Goddard Scientific Visualization Studio

Hiệu ứng nhà kính
Sự ấm lên toàn cầu bắt đầu với hiệu ứng nhà kính, hiện tượng có nguyên nhân do sự tương tác giữa khí quyển Trái đất và bức xạ từ mặt trời đến.
Bức xạ mặt trời đi qua khí quyển và bị hấp thụ một phần trên mặt đất. Tuy nhiên, một phần bức xạ đến bị phản xạ trở ra ngoài không gian.
Các chất khí trong khí quyển Trái đất hấp thụ một phần bức xạ phản xạ đó; vì thế, khí quyển nóng lên.
Sự nóng lên này của khí quyển được gọi là “hiệu ứng nhà kính” bởi vì nó tương tự với quá trình giữ ấm trong nhà kính vào mùa đông: Bức xạ mặt trời bị các thành thủy tinh của nhà kính giữ lại, làm nóng nhà kính và giữ ấm cho cây xanh trong nhà kính suốt mùa đông.
Những chất khí có mặt trong khí quyển là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính được gọi là “khí nhà kính” và bao gồm hơi nước, carbon dioxide (CO₂), methane và nitrous oxide. Không phải chất khí nhà kính nào cũng giống nhau: ví dụ, methane có khả năng bắt nhiệt gấp khoảng 21 lần so với carbon dioxide, theo EPA.
Tuy nhiên, CO₂ thường được trích dẫn là nguyên nhân chính của sự ấm lên toàn cầu do hoạt động của con người – chủ yếu do đốt các nhiên liệu hóa thạch như than đá và dầu mỏ - làm giải phóng những lượng CO₂ lớn chưa từng thấy vào khí quyển kể từ Cách mạng Công nghiệp hồi cuối thế kỉ 18.
Thống kê ấm lên toàn cầu
Trước Cách mạng Công nghiệp, lượng CO₂ trong khí quyển bằng khoảng 280 phần triệu (ppm), theo Cục Hải dương và Khí quyển Quốc gia Mĩ (NOAA).
Nhưng kể từ cuối thế kỉ 18, hàm lượng CO₂ đã tăng lên đều đều; bắt đầu vào năm 2000, tốc độ tăng là khoảng 1,9 ppm mỗi năm, theo NOAA.
Vào tháng 5 năm 2013, các nhà khoa học báo cáo đo được hàm lượng carbon dioxide cao đến 400 ppm, khiến nhiều nhà khoa học khí hậu hết sức lo ngại: Hàm lượng CO₂ đã không cao như thế kể từ Kỉ Pliocene, từ 3 triệu đến 5 triệu năm trước, theo Viện Hải dương Học Scripps.
Vào Kỉ Pliocene, nhiệt độ trung bình toàn cầu cao hơn ngày nay từ 3 đến 4 độ C, và mực nước biển dâng cao hơn ngày nay 40 m ở một số khu vực.
Tác động của sự ấm lên toàn cầu đã được nhìn thấy ở nhiều khu vực trên thế giới: Ở Vườn quốc gia Băng hà Montana ở Mĩ, nơi đã từng có khoảng 150 sông băng được tìm thấy, nay chỉ còn lại 25 sông băng có diện tích lớn hơn 25 acre, theo Cục Địa chất Mĩ.
Và nhiệt độ ở Bắc Mĩ đã đạt tới đỉnh cao kỉ lục vào năm 2012, và năm ngoái là năm nóng nhất kể từ năm kỉ lục 1880. Các nhà khoa học cũng ghi được con số nhiệt độ cực độ thứ hai (cực cao và cực thấp) vào năm 2012.
Sự ấm lên toàn cầu và biến đổi khí hậu
Sự tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu dù là nghiêm trọng nhưng nó mới chỉ là một mặt của sự ấm lên toàn cầu. Các nhà khoa học còn lo ngại sự ấm lên toàn cầu sẽ làm cho khí hậu biến đổi trên toàn thế giới.
Biến đổi khí hậu do nhiệt độ tăng lên có khả năng sẽ bao gồm những thay đổi chính về kiểu gió, lượng mưa hằng năm và biến thiên nhiệt độ theo mùa. Những biến đổi này sẽ kéo dài vài ba thập niên hoặc lâu hơn, theo EPA.
Ví dụ, ở đông bắc nước Mĩ, biến đổi khí hậu có khả năng mang đến lượng mưa hằng năm tăng lên.
Tuy nhiên, ở tây bắc Thái Bình Dương, lượng mưa mùa hè sẽ giảm, còn lượng mưa mùa đông có khả năng sẽ là mưa rào thay cho tuyết rơi. Như vậy sẽ làm giảm lượng nước cung ứng khi tuyết tan vào những tháng mùa hè.
Làm thế nào đối phó với sự ấm lên toàn cầu
Ngày càng có nhiều nhà kinh tế, nhà chính khách và các cá nhân quan tâm đến sự ấm lên toàn cầu và những hệ lụy của nó, và họ đang đề xuất các bước để đẩy lùi xu thế đó.
Cắt giảm phát thải khí nhà kính có lẽ là phương pháp căn bản nhất để đối phó với sự ấm lên toàn cầu, và giảm tốc độ đốt nhiên liệu hóa thạch cũng là động thái then chốt góp phần vào nỗ lực đó.
Phát triển năng lượng sạch, bao gồm năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng địa nhiệt, có tiềm năng to lớn cắt giảm lượng than đá và dầu mỏ bị đốt để cấp nguồn cho các nhà máy phát điện.
Cải tiến ngành công nghiệp vận tải, sử dụng xe công cộng và xe tiết kiệm nhiên liệu, cũng sẽ giảm lượng khí nhà kính trong khí quyển. (Ước tính khoảng 25% lượng khí thải CO₂ liên quan đến năng lượng ở nước Mĩ là do xe cộ.)
Mỗi nỗ lực cá nhân, ví dụ như giảm công suất máy điều hòa vào mùa đông và sử dụng bóng đèn tiết kiệm năng lượng, cũng sẽ giúp đối phó với sự ấm lên toàn cầu, nhưng đa số các nhà khoa học khí hậu còn nhấn mạnh yêu cầu trước mắt là cần có các chính sách vĩ mô mang tầm quốc tế để giải quyết các nguyên nhân và hệ lụy phức tạp của sự ấm lên toàn cầu.

Nguồn: LiveScience

"Nguồn Thuvienvatly.com"

Lực ma sát là gì?

Lực ma sát là lực cản trở chuyển động của một vật này so với vật khác. Nó không phải là một lực cơ bản, ví dụ như lực hấp dẫn hay lực điện từ. Thay vậy, các nhà khoa học tin rằng lực ma sát là kết quả của lực hút điện từ giữa các hạt tích điện có trong hai bề mặt tiếp xúc.

Các nhà khoa học đã bắt đầu chắp nối với nhau các định luật chi phối lực ma sát vào thế kỉ thứ 15, nhưng vì các tương tác quá phức tạp, nên việc đặc trưng hóa lực ma sát trong những tình huống khác nhau thường đòi hỏi có các thí nghiệm và không thể chỉ được suy luận ra từ các phương trình hay định luật.

Với mỗi quy tắc chung về lực ma sát, luôn có nhiều ngoại lệ. Chẳng hạn, trong khi hai bề mặt gồ ghề (ví dụ như giấy nhám) chà xát lên nhau thỉnh thoảng có ma sát lớn hơn, nhưng những bề mặt được mài rất nhẵn (ví dụ như các tấm kính thủy tinh) đã được lau sạch hết các hạt bụi bám trên mặt thật ra có thể dính vào nhau rất mạnh.

Lực ma sát là nguyên nhân sinh ra lửa khi cọ xát hai que củi lên nhau

Các loại ma sát

Có hai loại ma sát chính, ma sát nghỉ và ma sát động. Ma sát nghỉ tác dụng giữa hai bề mặt không chuyển động tương đối với nhau, còn ma sát động tác dụng giữa những vật đang chuyển động.

Trong chất lỏng, lực ma sát là lực cản trở giữa những lớp chuyển động của một chất lỏng, nó còn được gọi là lực nhớt. Nói chung, chất lỏng càng nhớt thì càng đặc, vì thế mật ong có lực ma sát nhớt lớn hơn nước.

Các nguyên tử bên trong một vật liệu rắn cũng có thể chịu lực ma sát. Ví dụ, nếu một khối kim loại rắn bị nén, thì toàn bộ các nguyên tử bên trong vật liệu chuyển động, gây ra lực ma sát nội.

Trong tự nhiên, không có những môi trường hoàn toàn không có ma sát: ngay cả trong không gian vũ trụ ngoài xa, những hạt vật chất nhỏ xíu có thể tương tác, gây ra ma sát.

Hệ số ma sát

Hai vật rắn chuyển động với nhau chịu tác dụng của lực ma sát động. Trong trường hợp này, lực ma sát bằng một phần của lực vuông góc tác dụng giữa hai vật (phần đó được xác định bởi một con số gọi là hệ số ma sát, nó được xác định qua các thí nghiệm). Nói chung, lực ma sát độc lập với diện tích tiếp xúc và không phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của hai vật.

Lực ma sát còn tác dụng lên những vật đứng yên. Lực ma sát nghỉ giữ cho các vật khỏi chuyển động và thường có giá trị cao hơn lực ma sát chịu bởi hai vật đó khi chúng chuyển động tương đối với nhau. Lực ma sát nghỉ là cái giữ cho cái hộp trên một miếng ván nghiêng không trượt xuống phía dưới.

Ứng dụng của ma sát

Lực ma sát giữ một vai trò quan trọng trong nhiều quá trình hằng ngày. Chẳng hạn, khi hai vật cọ xát lên nhau, lực ma sát làm cho một phần năng lượng chuyển động bị biến đổi thành nhiệt. Đó là nguyên nhân vì sao cọ xát hai que củi lên nhau cuối cùng sẽ tạo ra lửa.

Lực ma sát còn là nguyên nhân gây ăn mòn và xẻ rảnh trên bánh răng và những bộ phận cơ giới khác. Đó là nguyên do người ta sử dụng dầu bôi trơn, hay chất lỏng, để làm giảm ma sát – và giảm ăn màn và xẻ rảnh – giữa các bộ phận đang chuyển động.

Nguồn: LiveScience

"Nguồn Thuvienvatly.com"

Khảo sát chất keo dính lực mạnh

Khoảng 98% khối lượng nhìn thấy được trong vũ trụ của chúng ta chủ yếu là do chất keo dính lực hạt nhân mạnh tạo ra.

Đối với đa số chúng ta, keo dán là một chất kết dính đơn giản dùng để làm dính các vật lại với nhau. Nhưng trong trái tim của vật chất, keo dán còn có một vai trò lớn hơn, tích cực hơn so với chất dịch trong veo làm mì ống dính vào giấy.

Nhìn gần vào tâm của nguyên tử, đầu tiên người ta bắt gặp một vùng đậm đặc gồm các proton và neutron. Phóng to hình ảnh lên chút nữa, người ta tìm thấy những proton và neutron này được cấu tạo từ những hạt còn nhỏ hơn nữa, các quark, kết dính với nhau bởi những hạt gọi là gluon. Trường của gluon này kết hợp các quark với nhau vì các quark trao đổi gluon qua lại.

Gluon còn tạo ra khối lượng. Ví dụ, ở proton, chỉ riêng các quark gây ra chưa tới 1% khối lượng tổng cộng. Các nhà vật lí phỏng đoán phần còn lại phải có gốc gác từ trường gluon xung quanh các quark trong proton.

Chất keo dính vạn vật này là hiện thân của lực mạnh – một trong bốn lực cơ bản đã biết trong vũ trụ của chúng ta, cùng với lực hấp dẫn, lực điện từ và lực yếu. Trong số bốn lực, lực mạnh là phức tạp nhất và có lẽ được người ta hiểu ít nhất.

Trước khi các nhà khoa học có thể có được kiến thức đầy đủ về vật chất nhìn thấy trong vũ trụ của chúng ta – vật chất tạo nên 7 tỉ con người trên Trái đất, các ngôi sao trên bầu trời và mặt đất dưới chân chúng ta – họ sẽ cần hiểu thấu đáo chất keo dính vạn vật liên quan đến lực mạnh. Một thí nghiệm mới tại Phòng thí nghiệm Jefferson ở Mĩ đang tìm cách làm công việc đó.

Minh họa: Sandbox Studio, Chicago

Vật chất và chất keo dính

Ngoài việc giải thích khối lượng tương đối lớn của proton, việc hiểu rõ lực mạnh sẽ giúp trả lời một số bí ẩn khác trong lĩnh vực vật lí hạt cơ bản.

Ví dụ, spin của proton không thể được lí giải bởi riêng những quark cấu thành của nó, chúng đóng góp chưa tới một phần ba của giá trị sau cùng. Tính chất này và những tính chất khác dường như xuất phát từ những thành phần phi quark của proton: chất liệu xuất hiện từ chất keo dính.

Chất liệu này được mô tả bởi lí thuyết sắc động lực học lượng tử (QCD), đó là lí thuyết toán học mô tả lực mạnh. QCD lập biểu đồ tương tác quark (và gluon), giải thích thực tế các quark và gluon không phải là những viên gạch cấu trúc kiểu như gạch và vữa mà thay vậy chúng linh động và mang tính động lực học.

Trong QCD, proton được cấu tạo bởi một biển sôi sục gồm các quark và chất keo dính. Các quark bị vây quanh bởi năng lượng của lực mạnh. Trường năng lượng này sôi và sủi bọt thành các gluon, cùng với vật chất ở dạng quark phù du, chúng hình thành và biến mất gần như tức thời vào chất keo dính. Ngày nay, phần lớn người ta cho rằng biển quark-gluon đó làm cho các tính chất của proton không thể giải thích bởi riêng các quark.

Ngoài ra, lực mạnh quá mạnh nên nó không cho phép một quark độc thân tự tồn tại. Khi các nhà khoa học muốn đánh bật một quark độc thân ra khỏi những quark khác một khoảng cách nhỏ bằng bề rộng của một hạt proton, họ phải chiến thắng 18 tấn lực mạnh kết nối quark đó với các láng giềng của nó. Giải phóng quark tự do còn khó khăn hơn, nhưng lực mạnh vẫn không cho phép quark tự do, thay vậy nó tạo ra một đối hạt cho quark khi nó trôi giạt ra xa. Sự bất lực giải phóng quark tự do này được gọi là sự cầm tù, và nó là một bí ẩn lớn của lực mạnh.

“Các quark không bao giờ tự do,” phát biểu của nhà vật lí lí thuyết Jozef Dudek tại trường Đại học Old Dominion và Phòng thí nghiệm Jefferson. “Và vấn đề là chúng ta không hiểu chính xác, trong QCD, tại sao lại như thế. Chúng ta thật sự không thể chứng minh tại sao lại như thế. Vì thế có hai cách tiếp cận vấn đề.”

“Một là tiếp tục nghiên cứu lí thuyết, tất nhiên rồi. Hướng khác là: Liệu có cái gì chúng ta có thể làm bằng thực nghiệm có thể cung cấp cho chúng ta một gợi ý xem QCD hạn chế ra sao?”

Với hi vọng trả lời được câu hỏi đó, các nhà khoa học đã hướng sang các thí nghiệm được tiến hành với các máy gia tốc hạt.

Hướng vào tâm của vật chất

Các thí nghiệm tiến hành với máy gia tốc mang đến phần lớn kiến thức của chúng ta về QCD. Các máy gia tốc cung cấp cho các nhà khoa học phương tiện có sức mạnh lớn, cho phép khảo sát cấu trúc của một hạt, xé toạc vật chất bình thường để tạo ra các hạt và các trạng thái hiếm của vật chất. Những thí nghiệm như thế cho biết các quark bên trong proton và neutron, làm sáng tỏ những hạt gốc-quark khác, cho phép nhìn thoáng qua những lực tiết chế những hạt đó, tạo ra những trạng thái của vật chất không được nhìn thấy trong vũ trụ kể từ sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang), và mới đây, ở cỗ máy giàu năng lượng nhất đang hoạt động hiện nay, Máy Va chạm Hadron Lớn, đã chạm tới boson Higgs.

Nhưng không phải chỉ có sức mạnh vô địch mới có thể làm lộ ra trái tim của vật chất: Các máy gia tốc năng lượng thấp hơn, nhưng độ rọi cao hơn – các máy gia tốc cung cấp tốc độ cao va chạm hạt để nghiên cứu – cũng có thể mang lại hướng khảo sát các hạt và các lực định hình nên vũ trụ của chúng ta.

Minh họa: Sandbox Studio, Chicago

Những công cụ mới để khảo sát chất keo dính

Thiết bị Máy gia tốc Chùm Electron Liên tục của Phòng thí nghiệm Jefferson lâu nay nổi tiếng với những nghiên cứu chính xác của nó. Một đợt nâng cấp hiện đang triển khai nhằm mở rộng độ chính xác của máy gia tốc này lên những năng lượng cao hơn.

Đợt nâng cấp sẽ tăng gấp đôi năng lượng hoạt động cực đại của chùm electron của nó từ 6 tỉ lên 12 tỉ electron-volt (eV), tức là giảm một nửa bước sóng khảo sát. Năng lượng này sẽ tăng gấp đôi tầm với của thiết bị vào trái tim của vật chất mà không làm ảnh hưởng đến độ rọi cao và độ chính xác thống kê lớn của nó.

Để khảo sát chất keo dính lực mạnh, các nhà khoa học sẽ bắn các electron năng lượng cao vào một miếng kim cương mỏng cỡ bằng một phần năm bề dày của một sợi tóc người. Một số electron sẽ bị lệch hướng bởi cấu trúc tinh thể của kim cương, làm phát ra tia gamma đi xuyên qua chiều dài bằng sân bóng vào Phòng D mới xây tại Phòng thí nghiệm Jefferson. Tại đó, chúng sẽ đi qua một cái lỗ bằng một hạt gạo và lao vào bia: một ống thủy tinh chứa đầy hydrogen.

“Photon tương tác với một quark nào đó bên trong một proton trong hydrogen. Nó va rất mạnh và khi đó, hiểu theo nghĩa nào đó, hạt quark bị đánh bật ra khỏi proton, nhưng nó không thật sự bị đánh bật ra khỏi proton, bởi vì lực giam cầm,” phát biểu của giáo sư Curtis Meyer, phát ngôn viên của một thí nghiệm mới ở Phòng D gọi là GlueX. “Vì thế nó kích thích tạo ra một cặp quark-phản quark.”

Đội GlueX sẽ tìm kiếm những cặp quark-phản quark khác lạ liên kết với nhau bởi một loại chất keo dính biến tính.

“Trong khuôn khổ QCD, có một con số cho anh biết các quark kết hợp với gluon mạnh bao nhiêu, và các gluon dính vào nhau với độ lớn ngang như vậy,” Dudek giải thích.

Bằng cách tìm kiếm những cặp quark-phản quark trong đó trường gluon bị kích thích theo một kiểu nào đó – chúng làm cái gì đó thay vì thụ động kết dính các quark lại với nhau – nhóm hợp tác GlueX hi vọng tìm thấy cái gì đó mới mẻ về tác dụng của các gluon.

“Toàn bộ ý tưởng là về cơ bản anh tạo ra một phổ hạt trong đó anh đã kích thích chất keo dính liên kết chúng với nhau,” Meyer nói. “Vì thế nó cung cấp cho anh thông tin về trường liên kết những quark và phản quark này với nhau.”

Liên kết lại với nhau

Từ xấp xỉ 20.000 sự kiện khả dĩ mỗi giây, thí nghiệm GlueX sẽ ghi khoảng 2 gigabyte dữ liệu. Đội thực nghiệm sẽ khai thác cơ sở dữ liệu tích lũy này tìm kiếm những cặp quark-phản quark liên kết bởi những trường gluon khác lạ. Các nhà nghiên cứu sẽ đo khối lượng của các hạt, vì khối lượng liên hệ với năng lượng dự trữ trong chất keo dính kích thích.

“Nhóm hợp tác GlueX đang hồi hộp chờ đợi sự khởi động của nền vật lí mới sau hai năm nữa,” Meyer nói. “Con đường khoa học với GlueX đã bước vào giai đoạn cuối của nó, vì việc xây dựng thí nghiệm đã bước sang giai đoạn lắp đặt và trang bị. Thí nghiệm này thu hút số lượng nghiên cứu sinh đông đảo và sự tăng tương ứng các trao đổi khoa học mà chúng tôi sẽ làm, và cách chúng tôi sẽ làm.”

Tóm lại, thời gian hào hứng đang ở trước mắt. Các nhà nghiên cứu hiện đang lắp ráp trang thiết bị cần thiết để tiến hành thí nghiệm chi tiết này. Những dữ liệu đầu tiên sẽ bắt đầu tuôn dòng vào năm 2015.

Nguồn: Kandice Carter (Symmetry Magazine)

 "Nguồn Thuvienvatly.com"