Nóng lên toàn cầu, băng tan trên núi: Cuộc chiến dữ liệu cứu nguy nguồn nước?

Biến đổi khí hậu đang gióng lên hồi chuông cảnh báo trên khắp hành tinh, và những lớp tuyết trắng xóa trên các đỉnh núi, vốn được ví như “hồ chứa nước tự nhiên khổng lồ”, cũng không nằm ngoài vòng xoáy đó. Việc hiểu rõ nhiệt độ của lớp tuyết phủ này trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết, không chỉ để dự đoán lượng nước quý giá sẽ chảy về các hồ chứa mà còn để phòng ngừa những trận lũ quét kinh hoàng.

Tại sao nhiệt độ lớp tuyết phủ lại quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu?

Khí hậu ngày càng trở nên thất thường, mùa hè nóng hơn, tuyết tan nhanh hơn, và các hiện tượng thời tiết cực đoan như hạn hán và lũ lụt xuất hiện với tần suất dày đặc. Trong bối cảnh đó, dữ liệu về nhiệt độ lớp tuyết phủ đóng vai trò then chốt. Nó giúp các nhà khoa học, nhà quản lý đập và các cơ quan phụ trách tài nguyên nước dự báo chính xác thời điểm tuyết bắt đầu tan và dòng chảy sẽ đổ về hạ lưu.

Tại California, khoảng một phần ba lượng nước của tiểu bang này đến từ băng tuyết tan chảy trên dãy Sierra Nevada. Đây cũng là nguồn cung cấp nước chính cho các thị trấn và thành phố ở tây bắc Nevada. Việc quản lý dòng chảy hàng tỷ gallon nước này đòi hỏi sự chính xác cao độ để đảm bảo đủ nước cho mùa hè khô hạn mà không gây ngập lụt. Sự cần thiết của dữ liệu nhiệt độ tuyết chính xác càng trở nên quan trọng khi biến đổi khí hậu thúc đẩy thời tiết nóng hơn, làm tuyết tan nhanh hơn và gây ra những biến động nhanh chóng giữa các giai đoạn rất ẩm ướt và rất khô hạn.

Cuộc cách mạng trong đo lường: Từ phương pháp thủ công đến công nghệ đột phá

Trong quá khứ, việc thu thập dữ liệu về lớp tuyết phủ là một công việc vô cùng gian khổ và tốn kém. Tuy nhiên, một thế hệ công cụ, kỹ thuật và mô hình mới đang hứa hẹn sẽ đơn giản hóa quy trình này, cải thiện độ chính xác của các dự báo về nguồn nước, và giúp các bang như California quản lý an toàn một trong những nguồn nước lớn nhất của họ trước những đợt hạn hán và lũ lụt ngày càng nghiêm trọng.

Di sản của James Church và chiếc ống lấy mẫu tuyết Mt. Rose

Lịch sử của các cuộc khảo sát tuyết ở Hoa Kỳ bắt nguồn từ Hồ Tahoe, hồ trên núi cao lớn nhất Bắc Mỹ, vào khoảng đầu thế kỷ 20. Trước những lo ngại về lũ lụt và thiếu nước giữa các chủ sở hữu nhà ven hồ và cộng đồng hạ lưu, Giáo sư James Church từ Đại học Nevada, Reno, vào năm 1908 đã phát minh ra ống lấy mẫu tuyết Mt. Rose. Thiết bị đơn giản này, với các đoạn ống nối lại, đầu nhọn và vạch đo, cho phép đo độ sâu của tuyết và tính toán hàm lượng nước bên trong bằng cách cân ống đã chứa đầy tuyết.

Phát minh này hiệu quả đến nỗi vào giữa những năm 1930, Hoa Kỳ đã khởi động một chương trình khảo sát tuyết liên bang, tiền thân của chương trình do Dịch vụ Bảo tồn Tài nguyên Thiên nhiên (NRCS) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) thực hiện ngày nay. Hàng trăm nhà khảo sát tuyết trên khắp miền Tây Hoa Kỳ vẫn sử dụng những chiếc ống Mt. Rose, hầu như không thay đổi sau hơn một thế kỷ, để thu thập dữ liệu.

Thách thức với các phương pháp truyền thống

Bên cạnh các cuộc khảo sát thủ công, vào những năm 1960, chính phủ Hoa Kỳ cũng bắt đầu thiết lập mạng lưới các trạm giám sát cố định, ngày nay được gọi là mạng lưới SNOTEL. Với hơn 900 trạm trên khắp các tiểu bang miền Tây và Alaska, SNOTEL liên tục truyền dữ liệu về nhiệt độ không khí, độ sâu tuyết và độ ẩm của đất. Các trạm này còn được trang bị “gối tuyết” cảm biến áp suất để cân tuyết và xác định hàm lượng nước.

Tuy nhiên, cả hai phương pháp này – khảo sát thủ công và SNOTEL – đều không cung cấp được thông tin chi tiết về nhiệt độ bên trong toàn bộ lớp tuyết phủ. Lớp tuyết trên dãy Sierra Nevada có thể dày hơn 6 mét (20 feet), và nhiệt độ bên trong nó có thể thay đổi rất lớn, đặc biệt là ở phần trên cùng.

Việc đo nhiệt độ toàn bộ lớp tuyết, hay còn gọi là xác định “hàm lượng lạnh” (lượng năng lượng cần thiết để đưa toàn bộ lớp tuyết về 0°C), cho đến nay vẫn là công việc cực kỳ khó khăn và tốn thời gian. Các nhà nghiên cứu thường phải đào các hố tuyết xuống tận mặt đất và dùng nhiệt kế đầu dò để đo dọc theo thành hố. Những nỗ lực gắn cảm biến từ xa liên tục thường thất bại do chuyển động và sức nặng của tuyết làm hỏng thiết bị.

Thiết bị hồng ngoại: Bước tiến mới trong theo dõi nhiệt độ tuyết

Pral ngừng sản xuất, hiện có thể chỉ vây quanh kế hoạch mở cửa mà vẫn kiên quyết chốt chặn ở những điểm cắm trại trên Sierra Nevada gây ra.”

Trước những thách thức đó, các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Sa mạc (DRI) ở Reno, Nevada, như Dan McEvoy và Bjoern Bingham, đang thử nghiệm một phương pháp mới. Họ sử dụng một thiết bị hồng ngoại thử nghiệm có khả năng đo nhiệt độ khi được thả xuống một lỗ khoan trong tuyết.

Ý tưởng này nảy ra với Anne Heggli, một giáo sư về thủy văn học núi tại DRI, vào năm 2019, khi bà biết các nhà nghiên cứu tại viện đang dùng nhiệt kế đo thịt hồng ngoại để đo nhiệt độ bề mặt tuyết. Năm 2021, Heggli hợp tác với công ty RPM Systems để thiết kế một thiết bị hồng ngoại tối ưu cho điều kiện thực địa. Kết quả là một máy đo nhiệt độ tuyết đủ mỏng để vừa với lỗ khoan của các nhà khảo sát tuyết, được gắn vào một sợi dây có vạch chia 10 centimet (4 inch).

Mục tiêu cuối cùng là loại bỏ việc phải đào hố tuyết. Các nhà khảo sát có thể chỉ cần mang theo thiết bị này và thả nó vào các lỗ khảo sát sẵn có. Vào năm 2023, Cục Khai hoang Hoa Kỳ (US Bureau of Reclamation), cơ quan liên bang vận hành nhiều đập của quốc gia, đã tài trợ một dự án nghiên cứu kéo dài ba năm để khám phá việc sử dụng các thiết bị hồng ngoại này. DRI đã cung cấp thiết bị cho 20 đội khảo sát tuyết trên khắp California, Colorado, Idaho, Montana, Nevada và Utah.

Sáng kiến “Hàm lượng lạnh California” và các nỗ lực hợp tác

Dự án của DRI chỉ là một phần trong nỗ lực rộng lớn hơn nhằm thu thập dữ liệu nhiệt độ lớp tuyết phủ trên các ngọn núi miền Tây. Phòng thí nghiệm Tuyết Trung tâm Sierra của UC Berkeley (Central Sierra Snow Lab), phối hợp với Bộ Tài nguyên Nước California, đang thực hiện dự án “Sáng kiến Hàm lượng lạnh California”. Họ đang thử nghiệm các hệ thống cảm biến nhiệt độ khác nhau, được gắn trên một thanh polymer chắc chắn, với mục tiêu phát triển một hệ thống bền bỉ có thể truyền dữ liệu nhiệt độ hàng giờ.

California là tiểu bang miền Tây duy nhất duy trì chương trình khảo sát tuyết riêng và vận hành các trạm giám sát cố định riêng. Kế hoạch là xác định các thiết bị hoạt động tốt nhất trong mùa đông này và bắt đầu thử nghiệm các phương pháp hứa hẹn nhất tại nhiều địa điểm hơn vào mùa tới. Mục tiêu cuối cùng là gắn các thiết bị này tại hơn 100 trạm giám sát tuyết của California, theo Andrew Schwartz, giám đốc phòng thí nghiệm.

NRCS cũng đang tiến hành một nỗ lực nghiên cứu tương tự tại một số địa điểm SNOTEL chọn lọc, sử dụng cáp nhiệt độ dạng hạt. Điều đáng mừng là các nhóm nghiên cứu khác nhau đang giao tiếp và hợp tác cởi mở, hứa hẹn cung cấp thông tin bổ sung và mở rộng cơ sở dữ liệu về nhiệt độ lớp tuyết phủ.

Dữ liệu tuyết và tương lai của các mô hình dự báo nguồn nước

Trong nhiều thập kỷ, các cơ quan và nhà nghiên cứu thường sử dụng các mô hình hồi quy tương đối đơn giản để dự báo nguồn nước. Những mô hình này chủ yếu dựa trên mối quan hệ lịch sử giữa lượng nước trong tuyết và lượng nước sẽ chảy xuống núi.

Tuy nhiên, biến đổi khí hậu đang làm thay đổi nhiệt độ, mực tuyết, tốc độ tan chảy và sự bốc hơi, cũng như làm cho các kiểu thời tiết trên núi cao đi chệch khỏi các quy luật lịch sử, khiến các mô hình này trở nên kém tin cậy hơn. “Khi chúng ta có những năm khác xa và thường xuyên hơn so với mức bình thường, các mô hình của chúng ta không được chuẩn bị sẵn,” Anne Heggli nhận định.

Việc tích hợp các quan sát nhiệt độ trực tiếp vào các mô hình phức tạp hơn xuất hiện trong những năm gần đây, theo Andrew Schwartz, hứa hẹn sẽ cải thiện đáng kể độ chính xác của các dự báo về nguồn nước. Điều này, đến lượt nó, sẽ giúp các cộng đồng quản lý tốt hơn tình trạng hạn hán và ngăn ngừa vỡ đập ngay cả khi biến đổi khí hậu gây ra thời tiết ngày càng ẩm ướt, khô hạn, ấm hơn và kỳ lạ hơn. Khoảng một phần tư dân số thế giới phụ thuộc vào nguồn nước được lưu trữ trong tuyết và sông băng trên núi, và biến đổi khí hậu đang phá vỡ các chu trình thủy văn duy trì các hồ chứa băng tự nhiên này ở nhiều nơi trên thế giới. Vì vậy, bất kỳ tiến bộ nào trong quan sát và mô hình hóa đều có thể mang lại lợi ích toàn cầu rộng lớn hơn.

“Bóng ma” cắt giảm ngân sách và nguy cơ đối với an ninh nguồn nước

Tuy nhiên, có một mối đe dọa rõ ràng đối với những tiến bộ này. Ngay cả khi các dự án hoạt động tốt như hy vọng, không rõ các công cụ và kỹ thuật này sẽ được triển khai rộng rãi đến mức nào vào thời điểm Nhà Trắng đang cắt giảm nhân sự tại các cơ quan liên bang, chấm dứt hàng nghìn tài trợ khoa học và cố gắng loại bỏ hàng chục tỷ đô la tài trợ tại các bộ phận nghiên cứu.

Chính quyền Trump đã sa thải hoặc cho nghỉ việc gần 6.000 nhân viên trên toàn USDA, tương đương 6% lực lượng lao động của bộ. Những cắt giảm này đã ảnh hưởng đến các văn phòng NRCS khu vực. Tại văn phòng Portland, hơn một nửa số vị trí đã bị cắt giảm, theo Larry O’Neill, nhà khí hậu học bang Oregon. Điều này đã khiến một nhóm các nhà lập pháp lưỡng đảng kêu gọi Bộ trưởng Nông nghiệp khôi phục các vị trí này, cảnh báo rằng những tổn thất có thể làm suy yếu dữ liệu và phân tích nước, vốn rất quan trọng đối với các ngành nông nghiệp, chữa cháy rừng, thủy điện, gỗ và du lịch của bang.

Nỗi lo sợ là sẽ không còn đủ người để đến tất cả các địa điểm vào mùa hè này để thay thế pin, tấm pin mặt trời và các cảm biến bị hỏng, điều này có thể nhanh chóng làm suy yếu độ tin cậy của dữ liệu hoặc cắt đứt dòng thông tin từ hơn 80 trạm SNOTEL đang hoạt động ở Oregon. Các nhà lập pháp cảnh báo: “Việc cắt giảm nhân sự và ngân sách tại NRCS sẽ khiến không thể duy trì các thiết bị SNOTEL và tiến hành các quan sát thủ công định kỳ, dẫn đến tình trạng mạng lưới không thể hoạt động trong vòng một năm.” USDA và NRCS đã không phản hồi các yêu cầu bình luận.

Nếu việc cắt giảm của liên bang làm cạn kiệt dữ liệu từ các trạm SNOTEL hoặc công việc khảo sát tuyết của liên bang, phương pháp hồng ngoại của DRI ít nhất vẫn có thể “cung cấp một cách đơn giản để đo nhiệt độ lớp băng tuyết” ở những nơi các cơ quan tiểu bang và khu vực tiếp tục thực hiện khảo sát, McEvoy nói. Nhưng hầu hết các nhà nghiên cứu đều nhấn mạnh rằng lĩnh vực này cần nhiều cuộc khảo sát, trạm, cảm biến và số liệu hơn nữa để hiểu được khí hậu và chu trình nước đang thay đổi như thế nào. Heggli nhấn mạnh rằng cần có sự ủng hộ rộng rãi của lưỡng đảng đối với các chương trình thu thập dữ liệu băng tuyết và cung cấp các dự báo về nước mà nông dân và cộng đồng dựa vào.

Kết luận

Cuộc chiến giành giật từng chút dữ liệu về nhiệt độ lớp tuyết phủ trên núi thực chất là cuộc chiến vì tương lai nguồn nước, đặc biệt tại những khu vực “khát” như miền Tây Hoa Kỳ. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng khắc nghiệt, việc đầu tư vào công nghệ theo dõi tiên tiến, duy trì mạng lưới quan trắc và đào tạo nhân lực là yếu tố sống còn. Bất kỳ sự cắt giảm nào đối với các nỗ lực khoa học này không chỉ là bước lùi trong nghiên cứu mà còn là mối đe dọa trực tiếp đến an ninh nguồn nước và sự ổn định của các cộng đồng phụ thuộc vào “hồ chứa trên trời” này. Đây là lúc cần hành động quyết liệt, bởi lẽ, như Heggli đã nói, “đây là cách chúng ta kiểm kê một trong những, nếu không phải là, tài nguyên quý giá nhất mà chúng ta có. Ở miền Tây, chúng ta trải qua hạn hán theo mùa mỗi mùa hè; lớp tuyết của chúng ta chính là thứ tan chảy từ từ và giúp chúng ta vượt qua đợt hạn đó. Chúng ta cần biết mình có bao nhiêu.”