🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Những Con Đường Của Ánh Sáng (Tập 2) Ebooks Nhóm Zalo NHỮNG CON ĐƯỜNG CỦA ÁNH SÁNG Vật lý và siêu hình học của ánh sáng và bóng tối Les Voies de la LumIÈre của Trịnh Xuân Thuận Copyright © LIBRAIRIE ARTHÈME FAYARD 2007 Biểu ghi biên mục trước xuất bản được thực hiện bởi Thư viện KHTH TP.HCM Những con đường của ánh sáng. T.2 / Trịnh Xuân Thuận ; Phạm Văn Thiều, Ngô Vũ d. - T.P. Hồ Chí Minh : Trẻ, 2008. 303tr. ; 24cm. Nguyên bản : Les voies de la lumière. 1. Ánh sáng -- Sự truyền ánh sáng. 2. Vật lý thiên văn. I. Phạm Văn Thiều d. II. Ngô Vũ d. III. Ts: Les voies de la lumière. 523.015 -- dc 22 T833-T53 Đó là một hẻm xanh, nơi con sông ca hát Những mảnh bạc vung vãi bay đầu cỏ Đỉnh núi cao rực rỡ mặt trời Đó là một thung nhỏ ánh nắng reo vui. Arthure Rimbaud Người ngủ trong thung 6 những con đường của ánh sáng Kính tặng gia đình tôi và tất cả những sinh linh của ánh sáng. Lời tựa 7 LỜI TỰA Ánh sáng là người bạn tri kỉ của tôi. Trong công việc của nhà vật lý thiên văn, tôi thường xuyên phải làm việc với nó. Nó là phương tiện đặc ân mà tôi có để đối thoại với vũ trụ. Các hạt có năng lượng cao phát ra từ các cơn hấp hối bùng nổ của các ngôi sao nặng, mà người ta gọi là các “tia vũ trụ”, hay các sóng hấp dẫn, các sóng độ cong của không gian được tạo ra từ sự co mạnh ở lõi của một khôi sao nặng để trở thành nơi giam cầm ánh sáng – một lỗ đen –, hay từ chuyển động điên cuồng của một cặp lỗ đen nhảy múa quanh nhau, đều mang đến cho chúng ta rất nhiều thông tin mới lạ về không gian xa xôi. Nhưng không phải các tia vũ trụ, cũng chẳng phải các sóng hấp dẫn là các sứ giả chính của vũ trụ. Chính ánh sáng mới là cái đảm nhiệm vai trò này. Không còn nghi ngờ gì nữa, phần lớn các thông tin về vũ trụ mà chúng ta biết được đều là nhờ sự giúp đỡ hữu hiệu và trung thành của ánh sáng. Đó là sứ giả tuyệt vời nhất của vũ trụ. Chính ánh sáng cho phép chúng ta giao tiếp và kết nối với vũ trụ. Chính ánh sáng đã chuyển tải những đoạn nhạc và các nốt rời rạc của cái giai điệu bí ẩn của vũ trụ mà con người kỳ công tái dựng với tất cả vẻ đẹp tráng lệ của nó. Ánh sáng đóng vai trò sứ giả của vũ trụ nhờ ba tính chất cơ bản mà các bà mụ đã ban tặng cho nó lúc chào đời: 1) ánh sáng không lan truyền tức thì, và phải mất một khoảng thời gian mới đến được chỗ chúng ta; 2) ánh sáng tương tác với vật chất; và 3) ánh sáng thay đổi màu sắc khi được phát đi bởi một nguồn sáng chuyển động đối với người quan sát. Bởi vì ánh sáng không lan truyền tức thì, nên chúng ta nhìn vũ trụ bao giờ cũng muộn hơn, và chính điều này cho phép chúng ta lần ngược trở lại theo thời gian, để khám phá quá khứ của vũ trụ và tái tạo bản sử thi hoành tráng 8 những con đường của ánh sáng và kỳ diệu của vũ trụ khoảng 14 tỉ năm dẫn đến chúng ta. Ngay cả khi ánh sáng lan truyền với vận tốc lớn nhất có thể trong vũ trụ: 300.000 kilômét mỗi giây – một cái nháy mắt là ánh sáng đã có thể chạy bảy vòng quanh Trái đất! –, thì ở thang vũ trụ vận tốc ấy cũng chỉ như rùa bò. Bởi vì nhìn xa, nghĩa là nhìn sớm – chúng ta nhìn Mặt trăng muộn hơn hơn một giây, Mặt trời gần tám phút, ngôi sao gần nhất hơn bốn năm, thiên hà gần nhất giống dải Ngân hà của chúng ta, thiên hà Andromède, sau 2,3 triệu năm, các quasar1  xa nhất sau khoảng mười hai tỉ năm –, nên các kính thiên văn, hay còn gọi là các giáo đường của thời hiện đại, nơi đón nhận ánh sáng của vũ trụ, là các cỗ máy đích thực lần ngược lại thời gian. Các nhà thiên văn học đang miệt mài chế tạo các kính thiên văn tiếp nối các kính thiên văn khổng lồ hiện nay để nhìn được những thiên thể mờ hơn, cũng có nghĩa là xa hơn và sớm hơn, và lần ngược lại thời gian khoảng 13 tỉ năm ánh sáng, tới tận khoảng 1 tỉ năm sau Big Bang, với hy vọng ngắm nhìn trực tiếp sự ra đời của các ngôi sao và thiên hà đầu tiên. Bằng cách khám phá quá khứ của vũ trụ, các nhà vật lý thiên văn có thể sẽ hiểu được hiện tại và tiên đoán được tương lai của nó. Ánh sáng cho phép chúng ta lần ngược trở lại quá khứ do nó cần phải mất một khoảng thời gian mới đến được chúng ta. Ánh sáng cũng mang theo nó bản mật mã vũ trụ, và một khi giải được mật mã này chúng ta sẽ tiếp cận được bí mật về cấu tạo hóa học của các sao và thiên hà, cũng như bí mật về chuyển động của chúng. Sở dĩ như vậy là vì ánh sáng tương tác với các nguyên tử cấu thành vật chất nhìn thấy được của vũ trụ. Trên thực tế, ánh sáng chỉ có thể nhìn thấy được nếu nó tương tác với các vật. Ánh sáng tự thân là ánh sáng không nhìn thấy được. Để ánh sáng nhìn thấy được, thì đường đi của nó phải bị một vật nào đó chặn lại, vật ấy có thể là cánh hoa hồng, là các chất màu trên bảng màu của người họa sĩ, là gương của kính thiên văn hay võng mạc của mắt chúng ta. Tùy theo cấu trúc nguyên tử của vật chất mà ánh sáng tiếp xúc, ánh sáng sẽ bị hấp thụ một lượng năng lượng rất chính xác. Tới mức nếu chúng ta thu được quang phổ của ánh sáng do một sao hay một thiên hà phát ra – hay nói cách khác, nếu chúng ta dùng lăng kính phân tách nó thành các ❖ 1 Viết tắt của tên tiếng Anh: quasi-stellar object, có nghĩa là vật thể giống sao (chuẩn tinh) là thiên thể cực xa và cực sáng, với dịch chuyển đỏ rất lớn đặc trưng. Trong phần ánh sáng biểu kiến, quasar trông giống một ngôi sao bình thường. Thực tế, nó là nhân của các thiên hà ở đó có những hoạt động mãnh liệt, với độ trưng lớn hơn rất nhiều phần còn lại của thiên hà, thường là các lỗ đen siêu lớn. Được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1961 (ND). Lời tựa 9 thành phần năng lượng hay màu sắc khác nhau –, thì chúng ta sẽ phát hiện ra rằng quang phổ này không liên tục, mà bị ngắt thành các vạch hấp thụ dọc tương ứng với năng lượng đã bị các nguyên tử hấp thụ. Vị trí của các vạch này không hề tùy tiện, mà là phản ánh một cách trung thực sự sắp xếp các quỹ đạo electron trong các nguyên tử của vật chất. Sự sắp xếp này là độc nhất đối với mỗi nguyên tố hóa học. Nó là một dạng dấu vân tay, một loại thẻ căn cước của các nguyên tố hóa học cho phép nhà vật lý thiên văn nhận ra các nguyên tố này một cách dễ dàng. Ánh sáng cho chúng ta biết thành phần hóa học của vũ trụ bằng cách như vậy đó. Ánh sáng cũng cho phép nhà thiên văn học nghiên cứu chuyển động của các thiên thể. Vì trên trời chẳng có gì là đứng yên. Lực hấp dẫn làm cho tất cả các cấu trúc của vũ trụ – như sao, thiên hà, đám thiên hà... – hút lẫn nhau và “rơi” vào nhau. Chuyển động rơi này hòa vào chuyển động giãn nở chung của vũ trụ. Thực tế, Trái đất cũng tham gia vào một vũ điệu vũ trụ tuyệt vời. Nó mang chúng ta qua không gian với vận tốc khoảng ba chục kilômét mỗi giây trong chuyến chu du hàng năm quanh Mặt trời. Đến lượt mình, Mặt trời lại kéo theo Trái đất, và cùng với Trái đất là chúng ta, trong chuyến chu du của nó quanh trung tâm của Ngân hà, với vận tốc hai trăm ba mươi kilômét mỗi giây. Thế vẫn chưa hết: Ngân hà lại rơi với vận tốc chín mươi kilômét mỗi giây về phía thiên hà đồng hành với nó là Andromède. Đến lượt mình, cụm thiên hà địa phương chứa thiên hà của chúng ta và Andromède cũng lại rơi với vận tốc khoảng sáu trăm kilômét mỗi giây về đám Vierge, và đám này lại rơi vào một tập hợp lớn các thiên hà gọi là “Nhân hút Lớn”. Bầu trời tĩnh và bất động của Aristote đã chết hẳn! Trong vũ trụ, tất cả đều vô thường, đều thay đổi và chuyển hóa liên tục. Chúng ta không nhìn thấy sự náo động mãnh liệt này bởi vì các thiên thể ở quá xa, và cuộc sống của chúng ta quá ngắn ngủi. Một lần nữa, lại chính ánh sáng đã tiết lộ cho chúng ta sự vô thường này của vũ trụ. Ánh sáng thay đổi màu sắc khi nguồn sáng chuyển động so với người quan sát. Ánh sáng dịch chuyển về phía đỏ (các vạch hấp thụ dọc dịch chuyển về phía năng lượng nhỏ hơn) nếu vật tiến ra xa, và về phía xanh lam (các vạch hấp thụ dọc dịch chuyển về phía năng lượng cao hơn) nếu vật tiến lại gần. Bằng cách đo sự dịch chuyển về phía đỏ hay phía xanh này, nhà thiên văn học sẽ tái hiện được các chuyển động vũ trụ. 10 những con đường của ánh sáng Như vậy ánh sáng kết nối chúng ta với vũ trụ. Nhưng ánh sáng không chỉ thiết yếu đối với nhà thiên văn học. Tất cả chúng ta đều là con đẻ của ánh sáng. Ánh sáng đến từ Mặt trời là nguồn gốc của sự sống. Dù là tự nhiên hay nhân tạo, ánh sáng cho phép chúng ta không chỉ ngắm nhìn thế giới, mà còn tương tác với thế giới và tiến hóa trong thế giới. Nó không chỉ ban cho chúng ta nhìn thấy, mà còn ban cho chúng ta tư duy nữa. Từ những thời rất xa xưa cho tới ngày nay, ánh sáng luôn mê hoặc trí tuệ con người, dù đó là nhà khoa học, triết gia, nghệ sĩ hay tu sĩ. Tôi muốn thuật lại ở đây lịch sử hùng tráng của những nỗ lực của con người nhằm thâm nhập vào trong lòng của vương quốc ánh sáng để đột phá những bí mật của nó. Tôi muốn khám phá không chỉ các chiều kích khoa học và công nghệ của ánh sáng, mà cả các chiều kích thẩm mỹ, nghệ thuật và tâm linh của ánh sáng nữa. Tôi muốn nghiên cứu không chỉ vật lý về ánh sáng, mà cả siêu hình học về ánh sáng. Ý đồ của tôi là tìm hiểu xem bằng cách nào ánh sáng đã giúp chúng ta trở thành người. Các chương từ 1 đến 3 kể lại các những nỗ lực của con người nhằm đột phá các bí mật khoa học của ánh sáng. Chương đầu tiên bắt đầu với khái niệm của người Hy Lạp về một “ngọn lửa bên trong”, một con mắt chăm chú quan sát thế giới bằng cách phóng chiếu lên nó các tia sáng, trái ngược với quan niệm hiện nay về ánh sáng, theo đó, ánh sáng không phải đi từ mắt tới vật, mà từ vật tới mắt. Chương này tiếp tục với Euclid và hình học của ông về thị giác và mặt nón các tia thị giác, với nhà bác học Arập Alhazen, người vứt bỏ khái niệm ngọn lửa bên trong và đảo ngược hướng của các tia sáng, để rồi kết thúc với Léonard de Vinci, người hiểu được rằng các hình ảnh của thế giới bên ngoài được phóng chiếu theo chiều bị đảo ngược lên võng mạc của mắt. Chương 2 phát triển các quan niệm mới về ánh sáng do cuộc đại cách mạng khoa học thế kỷ XVII mang lại. Kepler và Descartes đã phát hiện ra rằng não đóng vai trò tích cực trong thị giác, rằng chính não đã tái lập lại sự định hướng đúng của vật và làm cho chúng ta nhìn thấy thế giới ở đúng vị trí của nó. Bằng cách dùng lăng kính phân tách ánh sáng trắng thành bảy màu, bảy sắc cầu vồng, Newton đã đưa ra khái niệm về các màu cơ bản. Chương 3 tập trung quanh cuộc tranh luận về bản chất của ánh sáng: ánh sáng là hạt, như Newton quả quyết, hay là sóng, như Huygens, Young và Fres nel khẳng định? Vào thế kỷ XVIII, Young đã chứng minh rằng sự thêm ánh sáng vào ánh sáng có thể lại dẫn đến bóng tối, điều này chỉ có thể giải thích Lời tựa 11 được nếu ánh sáng có bản chất sóng. Faraday và Maxwell, khi ngợi ca sự kết hợp của điện và từ, và chứng tỏ rằng các sóng điện từ cũng không khác gì các sóng ánh sáng, đã củng cố thêm quan niệm sóng về ánh sáng. Vào thế kỷ XX, Einstein, bằng cách tự vấn thế giới có thể sẽ trình hiện như thế nào trước mắt mình khi nó cũng chuyển động nhanh như một hạt ánh sáng, đã tạo ra một cuộc cách mạng trong các quan niệm về thời gian và không gian, và đã thống nhất vật chất và năng lượng bằng thuyết tương đối hẹp. Để giải thích hành trạng của các electron phát ra từ bề mặt của một kim loại dưới tác dụng của ánh sáng – mà người ta gọi là “hiệu ứng quang điện” –, Einstein đã đưa trở lại quan niệm ánh sáng là hạt, nhưng gán cho các hạt này một “lượng tử năng lượng”, ý tưởng đã được Planck đưa ra trước đó. Vậy ánh sáng là sóng hay hạt? Bohr và các đồng nghiệp của ông, những người sáng lập ra một môn vật lý mới gọi là “cơ học lượng tử”, tuyên bố rằng ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt. Giống như Janus, ánh sáng có hai khuôn mặt bổ sung cho nhau. Nó xuất hiện như một sóng hoặc như một hạt tùy theo dụng cụ đo được sử dụng. Chương 4 khám phá các dạng ánh sáng thiên thể khác nhau xuất hiện trong suốt lịch sử dài dằng dặc của vũ trụ. Chương này đặt ra câu hỏi: trong tương lai rất xa những ánh sáng này sẽ trở nên như thế nào? Bắt đầu bằng ánh sáng nguyên thủy, vô cùng nóng, của Big Bang, ánh sáng này trình hiện trước chúng ta ngày nay dưới dạng một bức xạ hóa thạch, bị lạnh đi rất nhiều bởi sự giãn nở của vũ trụ và choán khắp vũ trụ. Sau đó chương này sẽ đề cập đến sự tiến hóa của ánh sáng các sao và thiên hà, từ sự ra đời của các sao đầu tiên cho đến cái chết của các tinh tú gần đây nhất. Chương này cũng nhắc đến đối trọng của ánh sáng, đó là bóng tối. Sau rốt, vật chất sáng của các sao và các thiên hà chỉ chiếm 0,5 tổng lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ. Chúng ta đang sống trong một vũ trụ-tảng băng trôi, chỉ nhìn thấy phần nhô lên rất nhỏ. Trong 99,5% còn lại, 3,5% được cấu thành từ vật chất thông thường không phát ra bất kỳ ánh sáng nhìn thấy được nào, 26% vật chất ngoại lai không phát ra bất kỳ ánh sáng nhìn thấy được hoặc ánh sáng nào khác, và bản chất của chúng thì vẫn hoàn toàn là bí ẩn (người ta gọi đó là “vật chất tối”), và 70% còn lại tạo thành “năng lượng tối”, tác dụng như một lực đẩy làm tăng sự giãn nở của vũ trụ, và bản chất của năng lượng này cũng hoàn toàn bí ẩn. 12 những con đường của ánh sáng Chương 5 đề cập chi tiết hơn về ánh sáng mặt trời, nguồn gốc của sự sống và năng lượng, và vô số các cảnh tượng ánh sáng với tất cả những vẻ đẹp mà ánh sáng mặt trời sinh ra trên Trái đất. Chương này đề cập đến sự quang hợp của cây cối, phản ứng sinh hóa quan trọng nhất cho sự sống của chúng ta trên Trái đất, và những nguy cơ mà con người đang gây ra cho hành tinh bởi hành động phá hủy dại dột các khu rừng nhiệt đới và gây ô nhiễm khí quyển trái đất. Chương này không chỉ đề cập đến những mặt tích cực, mà còn cả những mặt tiêu cực của ánh sáng mặt trời khi người ta lạm dụng nó. Tác giả cũng giải thích cảnh tượng huyền diệu của cầu vồng, màu đỏ rực rỡ của hoàng hôn, “tia xanh” bí hiểm, màu trắng của những đám mây, màu lam thẫm của các dãy núi xa xa, màu xanh thẳm của đại dương, màu xanh vắt của bầu trời quang mây... Chương 6 kể lại cách con người chế ngự ánh sáng phục vụ cuộc sống của mình và giao tiếp với đồng loại, và nhờ vậy đã biến hành tinh thành một ngôi làng toàn cầu. Chương này bắt đầu bằng công cuộc chinh phục lửa, sau đó đề cập đến ánh sáng nhân tạo với phát minh ra đuốc và đèn thắp bằng mỡ động vật và dầu thực vật, nến, đèn gaz và cuối cùng là bóng điện và đèn huỳnh quang. Tiếp theo là phát minh ra lazer, đứa con của cơ học lượng tử, kết quả của sự “khuếch đại” ánh sáng nhìn thấy được, và với vô số các ứng dụng đa dạng bắt nguồn từ đó. Sau đó tác giả đề cập đến việc sử dụng ánh sáng để vận chuyển thông tin và kết nối nhân loại. Các mạng cáp quang khổng lồ vận chuyển ánh sáng ngang dọc khắp thế giới. Chúng tải hàng triệu cuộc điện đàm và kết nối tất cả các máy tính của hành tinh thành một mạng khổng lồ gọi là Internet. Internet hiện nay vẫn dựa trên các máy điện quang, trong đó các electron kết hợp chặt chẽ với các photon để truyền thông tin. Nhưng công nghệ internet điện quang này sẽ sớm được thay thế bằng Internet quang tử, dựa hoàn toàn trên ánh sáng. Chương 6 kết thúc với các máy của tương lai, các máy lượng tử. Làm thế nào để sử dụng được các tính chất lượng tử lạ lùng và kỳ diệu của ánh sáng để viễn tải các hạt (viễn tải lượng tử), để ngăn chặn tin tặc (mật mã lượng tử) và tính toán cực kỳ nhanh (máy tính lượng tử)? Chương 7 đề cập đến mối quan hệ mật thiết của mắt và não, đến cách kết hợp chặt chẽ của hai cơ quan này để cho phép chúng ta nhìn thấy. Chương này cũng khám phá cách thức mà ánh sáng góp phần làm phong phú thế giới tinh thần và nghệ thuật của con người. Mắt là một dụng cụ quang học kỳ diệu Lời tựa 13 mà tiến hóa sinh học đã nhào nặn một cách độc lập cho rất nhiều loài. Mặc dù mắt người chỉ chứa ba loại tế bào thị giác nhạy cảm chỉ với ba loại màu: đỏ, xanh và tím, nhưng nhờ hoạt động của não, con người có thể tri giác được tới khoảng vài trăm sắc thái và màu của thế giới. Chính nhờ có não mà chúng ta nhạy cảm với ánh sáng, mà ánh sáng khơi dậy trong chúng ta biết bao xúc cảm và tình cảm. Theo Goethe, ánh sáng có một bản chất sâu kín và tâm linh, và các màu là “những hành động và nỗi đớn đau của ánh sáng”. Một vật có màu sắc được tri giác bởi cả mắt và não. Các màu chuyển tải các mã, các ý nghĩa được che khuất, những điều cấm kị và các định kiến mà chúng ta phản ứng lại một cách vô thức. Các họa sĩ là những bậc thầy trong nghệ thuật sử dụng ánh sáng để gợi ấn tượng và cảm giác về hiện thực. Monet, một họa sĩ thuộc trường phái ấn tượng, đã biến ánh sáng thành một yếu tố căn bản và luôn thay đổi trong tranh của ông. Ông muốn thâu tóm trên tranh của ông “tính tức thời”, cái thần thái của sự vật ở một thời điểm nhất định. Ánh sáng, vốn thay đổi theo thời gian, và màu sắc, vốn thay đổi theo sự chiếu sáng, phải được tính đến bằng mọi giá. Bị mê hoặc bởi các phát kiến khoa học liên quan đến ánh sáng và thị giác, Seurat đã sáng tạo ra lối vẽ điểm họa của ông. Những biến đổi của sắc độ không còn được tạo ra bằng cách pha trộn các màu trên bảng màu nữa, mà bằng cách bắt mắt và não của người xem phải tổ hợp các điểm màu khác nhau trong một loại “đại tổng hợp thị giác”. Từ bỏ phép phối cảnh truyền thống, Cézane đã tiến hành thử nghiệm với không gian và màu sắc. Theo ông, hội họa không phải là nghệ thuật bắt chước một vật. Vẽ, đó chính là sử dụng màu sắc và hình khối để thể hiện các cảm giác bên trong mãnh liệt trước thế giới bên ngoài. Còn Kandinsky đã đẩy sự trừu tượng đi xa hơn nữa: khẳng định chiều kích tinh thần của ánh sáng và các màu sắc, ông khẳng định rằng hội họa có thể vượt qua các hình khối và chỉ thể hiện bằng các đường nét, các vết và các màu, rằng mỗi một màu sắc đều biểu lộ một sự cộng hưởng nội tại riêng có đối với tâm hồn và do đó có thể được sử dụng một cách độc lập với hiện thực thị giác. Chiều kích tinh thần này của ánh sáng đã được các tôn giáo và các truyền thống tâm linh ca ngợi đến cực điểm. Trong Cơ đốc giáo, Chúa là ánh sáng, và nghệ thuật Gothic trước hết là nghệ thuật ánh sáng. Trong Phật giáo, ẩn dụ ánh sáng được sử dụng để chỉ sự tiêu tan của vô minh và nhận ra diệu đế. Cuốn sách này dành cho những “chính nhân” không nhất thiết phải có một hành trang kỹ thuật, mà chỉ cần có óc tò mò ham hiểu biết về vật lý và siêu hình của ánh sáng. Trong quá trình viết cuốn sách này, tôi đã cố gắng hết sức 14 những con đường của ánh sáng có thể để tránh sử dụng các thuật ngữ chuyên ngành mà vẫn không làm mất đi độ chính xác và nghiêm túc khoa học. Tôi đặc biệt quan tâm làm thế nào để cho hình thức trình bày là đơn giản nhất, rõ ràng nhất và dễ đọc nhất, nhằm chuyển tải đến bạn đọc các khái niệm đôi khi khô khan, xa lạ và khó hiểu. Tôi cũng đã đưa vào nhiều hình ảnh và một tập các hình minh họa màu không chỉ để cụ thể hóa những gì tôi đã trình bày, mà còn để việc đọc cuốn sách này thêm vui mắt. TRỊNH XUÂN THUẬN Charlottesville, tháng 11 năm 2006 Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 15 Chương 5 ÁNH SÁNG CỦA SỰ SỐNG: MẶT TRỜI, NĂNG LƯỢNG, BẦU TRỜI XANH VÀ CẦU VỒNG Mặt trời và bầu đoàn hành tinh của nó Cách đây 4,55 tỉ năm, tại ngoại ô của Ngân Hà, nằm cách tâm Ngân Hà 26.000 năm ánh sáng, một đám mây giữa các vì sao đường kính khoảng một năm ánh sáng (10.000 tỉ km), được cấu thành tới 98% từ hỗn hợp khí hyđro và hêli và một ít nguyên tố nặng (2%), tất cả được trộn với rất nhiều hạt bụi, đã co mạnh lại do hiệu ứng hấp dẫn của chính nó. Chuyển động co lại này được khởi phát bởi một sao siêu mới (cái chết bùng nổ của một sao ở gần) đã làm cho đám mây co lại và phần lõi của nó có mật độ ngày càng cao hơn và nóng hơn. Rất nhanh sau đó, mật độ của vùng trung tâm này cao gấp 150 lần mật độ của nước, và nhiệt độ của nó lên tới 15 triệu độ Kelvin. Các phản ứng hạt nhân được khởi phát, các hạt nhân hyđro (hay proton) cứ bốn hạt tổng hợp với nhau thành các nhân hêli, giải phóng rất nhiều ánh sáng và năng lượng. Khối khí bốc cháy: Mặt trời ra đời và thuộc thế hệ sao thứ ba. Kể từ đó sự chuyển hóa hyđro thành năng lượng diễn ra không ngừng nghỉ và Mặt trời ngày nay vẫn tiếp tục chuyển hóa mỗi giây 4,3 triệu tấn hyđro thành ánh sáng và năng lượng. Trong khi co lại, đám mây giữa các vì sao, hay “tinh vân Mặt trời”, quay quanh chính nó ngày càng nhanh hơn, giống như nghệ sĩ trượt băng nghệ thuật sẽ quay nhanh hơn khi thu tay dọc theo cơ thể. Trong khi tâm của tinh 16 những con đường của ánh sáng vân Mặt trời co lại để tạo nên Mặt trời, các lực li tâm được sinh ra bởi chuyển động quay làm cho phần bên ngoài của nó phân bố thành một đĩa dẹt đường kính khoảng 5 giờ ánh sáng, tức bằng một trăm lần khoảng cách 150 triệu kilômet giữa Trái đất và Mặt trời. Trong đĩa khí này rải rác vô số các hạt bụi có kích thước vô cùng nhỏ, khoảng một phần mười nghìn milimet, được sinh ra trong khí quyển của các sao kềnh đỏ thuở xa xưa. Được lực hấp dẫn kích thích và lực điện từ làm chất kết dính, các hạt này kết tụ lại với nhau để tạo thành các viên gạch xây nên các hành tinh, hay còn được gọi là “vật chất cấu thành hành tinh”. Quá trình kết tụ tiếp tục và vật chất cấu thành hành tinh dần dần đạt đến kích thước của một viên sỏi nhỏ, một cái kẹo, một quả trứng, một quả bóng tennis, một quả bóng đá, một sân vận động, một khu phố, một thành phố, một tỉnh, rồi có kích thước bằng cả nước Pháp, bằng Mặt trăng... Quá trình này chậm lại đáng kể vào giai đoạn cuối: trong khi chỉ cần vài trăm năm là có thể chuyển từ hạt bụi đến quả bóng đá, thì phải mất hàng trăm triệu năm mới có thể chuyển từ bóng đá thành một hành tinh. Vào cuối thời kỳ hình thành hệ Mặt trời, cách đây khoảng bốn tỉ năm, phần lớn các vật chất cấu thành hành tinh đã được tập hợp lại với nhau dưới tác động của lực hấp dẫn thành tám hành tinh (H. 46). Diêm Vương tinh, “hành tinh” xa Mặt trời nhất, là một trường hợp đặc biệt1 : các nhà thiên văn học nghĩ rằng nó không được hình thành đồng thời với các hành tinh anh em của nó, mà trên thực tế nó là một tiểu hành tinh lớn bị phóng ra từ khu dự trữ sao chổi Kuiper, nằm ở ngay rìa của Hệ Mặt trời2 , rồi bị lực hấp dẫn của Mặt trời giữ lại. Từ bốn tỉ năm nay, các hành tinh quay không biết mệt mỏi xung quanh Mặt trời3 . Mặt trời: thiên thể của ánh sáng và sự sống Trên một trong các hành tinh này, hành tinh thứ ba kể từ Mặt trời, sự sống đã được đánh thức. Đã xuất hiện ở đó con người biết tự vấn về vũ trụ đã sinh ra mình. Ngôi sao của chúng ta là một nguồn ánh sáng và nhiệt lượng duy ❖ 1 Năm 2006, gần 2.500 nhà khoa học họp tại Praha, cộng hòa Czech đã nhất trí bỏ phiếu loại Diêm Vương tinh ra khỏi danh sách các hành tinh trong hệ Mặt trời. (ND) 2 Khu dự trữ sao chổi mang tên nhà thiên văn học người Hà Lan Gerard Kuiper, người đã phát hiện ra nó. 3 Để biết thêm chi tiết về sự hình thành các hành tinh, xem Trịnh Xuân Thuận, Hỗn độn và Hài hòa, Phạm Văn Thiều và Nguyễn Thanh Dương dịch, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2003, và Nguồn gốc - Nỗi hoài niệm về những thuở ban đầu, Phạm Văn Thiều và Ngô Vũ dịch, NXB Trẻ, 2006. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 17 Hình 46. Sự hình thành Hệ Mặt trời. (a) Khối khí trung tâm co lại dưới tác dụng của lực hấp dẫn cho ra đời Mặt trời (hình trên). (b) Các phần bên ngoài dẹt xuống như một cái đĩa. (c) và (d): các hạt bụi kết tụ lại với nhau để tạo thành “vật chất cấu thành hành tinh”. Các trận gió dữ dội gây bởi Mặt trời non trẻ đẩy khí ra phía ngoài đĩa. (e) và (f): các vật chất cấu thành hành tinh tiếp tục kết tụ với nhau và tăng lên về kích thước. Sau khoảng 100 triệu năm, các hành tinh xuất hiện và chuyển động theo các quỹ đạo gần tròn xung quanh Mặt trời non trẻ. 18 những con đường của ánh sáng nhất có thể duy trì sự sống này. Ánh sáng Mặt trời có liên quan rất nhiều đến hiện tượng sinh học của sự sống trên Trái đất. Chính ánh sáng cho phép chúng ta hoạt động trong môi trường của chúng ta: ánh sáng giúp ta nhìn thấy các vật bằng cách chiếu sáng chúng; ánh sáng do bề mặt của các vật phản chiếu đi vào mắt và báo cho chúng ta biết sự hiện diện, hình dáng và màu sắc của chúng. Hơn thế nữa, chúng ta hít thở ôxy được sinh ra bởi cây xanh; mà cây xanh tạo ra ôxy nhờ một quá trình hóa học gọi là “quang hợp”, sử dụng năng lượng của ánh sáng Mặt trời. Năng lượng hóa học do thức ăn tạo ra, xét cho cùng, cũng bắt nguồn từ quang hợp. Nhiên liệu mà chúng ta sử dụng để chạy xe, để điều hòa không khí trong phòng, để vận hành nhà máy chế tạo ra vô số các sản phẩm hàng ngày làm cho cuộc sống của chúng ta đầy đủ và dễ chịu hơn, phân tích cho đến cùng, cũng bắt nguồn từ ánh sáng Mặt trời. Chính ánh sáng Mặt trời điều chỉnh đồng hồ sinh học của bạn và làm cho bạn còn đủ tỉnh táo để đọc cuốn sách này. Hơn nữa, các mối quan hệ giữa sự sống và ánh sáng - thị giác, quang hợp, sự điều chỉnh đồng hồ sinh học, v.v... - không chỉ liên quan đến con người, mà còn đúng đối với đại đa số các loài sinh vật nữa. Ngôi sao Mặt trời là một khối khí khổng lồ có bán kính bằng 109 lần bán kính của Trái đất, tức 696.000 km, và khối lượng lớn gấp cỡ 332.000 lần Trái đất, tức 2000 tỉ tỉ tỉ (2.1030) kg. Bề mặt chuyển động của Mặt trời, bao quanh là lửa, được đốt nóng bởi ngọn lửa hạt nhân ở trung tâm có nhiệt độ lên tới 5.780 độ Kelvin4 , nhiệt độ làm chảy tất cả các vật liệu mà chúng ta biết hiện nay. Tâm của Mặt trời là một lò phản ứng hạt nhân khổng lồ phát ra một năng lượng khủng khiếp nhờ sự tổng hợp các hạt nhân hyđro. Áp suất của các lớp trên và các phản ứng hạt nhân làm cho lõi của nó (có bán kính cỡ 175.000 km, tức một phần tư bán kính Mặt trời) bị nóng lên đến các nhiệt độ giảm dần từ 20 triệu độ ở tâm xuống đến 10 triệu độ ở biên của nó. Ở các bán kính lớn hơn 175.000 km, ngay khi nhiệt độ giảm xuống dưới 10 triệu độ, các phản ứng hạt nhân dừng lại, vì cần phải đạt đến nhiệt độ tối thiểu này thì các hạt nhân hyđro mới có thể tổng hợp với nhau. Ở bên trên lõi này trải ra một vùng “bức xạ” rộng lớn dày tới 325.000 km, trong đó năng lượng sinh ra ở tâm của Mặt trời được vận tải tới các lớp ngoài bởi các photon sinh ra ở vùng trung tâm. Nhiệt độ tại các vùng bức xạ còn đủ cao để các nguyên tử hyđro va chạm liên tục và dữ dội giải phóng ra các proton và electron: khí bị ion hóa. Photon từ vùng trung tâm phải mở một con đường qua cánh rừng ❖ 4 Từ nay về sau, đơn vị sử dụng là nhiệt độ Kelvin, nếu không sẽ chỉ rõ đơn vị sử dụng là nhiệt độ nào. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 19 rậm rạp các proton và electron tự do. Ở đó chúng va chạm vào nhau bất cứ lúc nào, và thay vì bay theo đường thẳng, chúng phải đi theo các con đường vô cùng zig-zag để ra được bên ngoài, giống như một người say rượu không sao đi thẳng được. Do đó, thay vì mất hơn một giây để vượt qua vùng bức xạ, chúng đã phải mất khoảng... 170.000 năm! Ở trên vùng bức xạ, nhiệt độ tiếp tục giảm, va chạm giữa các nguyên tử hyđro xảy ra thưa thớt hơn và cũng ít dữ dội hơn, và electron vẫn gắn kết với proton trong các nguyên tử-nhà tù của chúng: khí chuyển từ trạng thái ion hóa mạnh sang trạng thái trung hòa. Các nguyên tử trung hòa hấp thụ photon, điều này ngăn cản năng lượng Mặt trời tán xạ ra phía ngoài thông qua bức xạ, như từng xảy ra trong vùng bức xạ. Để có thể tỏa sáng bằng toàn bộ ngọn lửa của mình, Mặt trời phải dùng đến một cơ chế khác, gọi là “đối lưu”. Tất cả chúng ta đều biết hiện tượng này khi đun nước: nước nóng nổi lên bề mặt, bị nguội đi rồi lại hạ xuống, tạo thành các chuyển động tròn. Tương tự, trong vùng đối lưu dày 200.000 km, từ mép trên của vùng bức xạ cho tới bề mặt của Mặt trời (hay “quang cầu” - tức mặt cầu phát ra ánh sáng), khí nóng bay lên, và do nhiệt độ của quang cầu thấp hơn nhiệt độ của các lớp dưới, nên sẽ bị lạnh đi rồi rơi xuống, tạo ra các khoang đối lưu khổng lồ có dạng là các vòng kín. Tình hình trong vùng đối lưu là hoàn toàn khác với trong vùng bức xạ: năng lượng ở đây được chuyển tải tới bề mặt Mặt trời không phải bởi ánh sáng, mà bởi chuyển động của vật chất khí. Chính vì các chuyển động đối lưu này mà bề mặt liên tục thay đổi của Mặt trời xuất hiện như một miếng vá khổng lồ khoảng 4 triệu ô khí lớn, mỗi ô có kích thước khoảng một nghìn kilomét, cỡ kích thước của một lục địa trên Trái đất, chúng xuất hiện và biến mất theo các chu kỳ sinh tử liên tục cứ mỗi mười giây một lần (H. 47). Tính gián đoạn của ánh sáng Mặt trời Sự phát sáng không dừng lại ở bề mặt của Mặt trời, như thoạt tiên ta tưởng. Ở trên quang cầu còn có một vùng rộng lớn khí cực kỳ nóng phát ra ánh sáng không nhìn thấy được bằng mắt thường5 . Vỏ bọc khí nóng mà ❖ 5 Nếu nhìn thẳng vào Mặt trời, võng mạc có nguy cơ bị hỏng và mắt sẽ bị mù, nên chúng ta không bao giờ được nhìn Mặt trời bằng mắt trần, mà không đeo kính bảo vệ phù hợp. Tuy nhiên, thật may là chúng ta có thể chiêm ngưỡng trực tiếp cảnh bình minh và hoàng hôn tuyệt đẹp, vì bức xạ Mặt trời ở những lúc này bị hấp thụ một phần bởi các lớp khí quyển, và cường độ của nó đã giảm đi đáng kể. 20 những con đường của ánh sáng người ta gọi là “vành nhật hoa” trải cho đến khoảng 10 triệu kilomet bên trên bề mặt của Mặt trời (H. 47). Thông thường, người ta chỉ có thể quan sát rõ được nó khi có nhật thực, khi đĩa Mặt trăng chắn hết ánh sáng làm chói mắt của Mặt trời6 . Các nguyên tử khí của Mặt trời (hay mọi sao khác cũng thế) đều phát ra ánh sáng có các năng lượng rất xác định sinh ra các vạch sáng trong quang phổ. Có thể biết phổ của một sao bằng cách phân tách ánh sáng của nó thành các thành phần năng lượng hay màu sắc khác nhau bằng lăng kính. Khi ánh sáng Mặt trời được phân tách như vậy, thoạt trông nó có vẻ như một quang phổ liên tục. Nhưng sự nghiên cứu chi tiết hơn bằng một máy quang phổ lại cho thấy phổ của ánh sáng Mặt trời không hề liên tục, mà bị băm thành hàng trăm vạch thẳng đứng. Nhà vật lý người Đức Joseph Fraunhofer (1787- 1826), người phát minh ra máy quang phổ, đã phân loại được hơn sáu trăm vạch! Năm 1913, nhà vật lý người Đan Mạch Niels Bohr giải thích rằng tính Gió Mặt trời Vùng bức xạ Vùng chuyển tiếp (8500km) Sắc cầu (1500km) Quang cầu (500km) Nhật hoa Lõi Lõi Vùng đối lưu Hình 47. Các vùng chính bên trong Mặt trời. Để thể hiện được các vùng nhỏ nhất, các tỷ lệ ở đây không đúng theo thực tế. ❖ 6 Năm 1930, nhà thiên văn học người Pháp Bernard Lyot đã sáng chế một dụng cụ rất khéo, gọi là “nhật hoa ký” có thể che khuất hình ảnh của đĩa Mặt trời trong kính thiên văn và cho phép các nhà thiên văn quan sát vành nhật hoa Mặt trời mà không cần phải chờ nhật thực. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 21 gián đoạn của ánh sáng gắn liền với tính gián đoạn của vật chất. Thực tế, trong mô hình nguyên tử của Bohr, các electron trong một nguyên tử không thể muốn đi thế nào thì đi, mà buộc phải đi theo các quỹ đạo rất xác định, ở cách hạt nhân một khoảng xác định. Mỗi lần một electron thực hiện một cú nhảy lượng tử từ một quỹ đạo ở xa sang một quỹ đạo gần nhân hơn thì một hạt ánh sáng lại được phát ra. Năng lượng của hạt ánh sáng đúng bằng hiệu năng lượng của quỹ đạo xuất phát và năng lượng của quỹ đạo đến. Do đó, sự phân bố các vạch phổ phản ánh trung thành sự sắp xếp quỹ đạo của các electron bên trong nguyên tử. Sự sắp xếp này là duy nhất đối với mỗi nguyên tử. Nó tạo thành một dạng dấu vân tay, một dạng thẻ căn cước của nguyên tố hóa học. Cũng giống như cảnh sát nhận dạng tội phạm bằng các dấu vân tay mà hắn vô ý để lại hiện trường vụ án, nhà thiên văn nhận dạng các nguyên tố hóa học có trong khí của một ngôi sao nhờ sự phân bố các vạch phổ của nó. Chính các vạch phổ này cho chúng ta biết cấu tạo hóa học của các sao, các thiên hà và của toàn vũ trụ. Phần lớn các vạch phổ của Mặt trời đều có thể được gán cho các nguyên tố hóa học đã biết trên Trái đất, như sắt chẳng hạn, điều này khẳng định thêm ý tưởng về sự thống nhất sâu sắc giữa trời và đất, mà Newton đã nêu ra khi ông phát hiện ra định luật vạn vật hấp dẫn vào năm 1666. Nhưng cũng các vạch mới cũng xuất hiện. Năm 1868, các nhà thiên văn đã hiểu rằng các vạch chưa hề biết này có lẽ gây bởi một nguyên tố hóa học chưa biết trên Trái đất, và họ gọi nó là “hêli” (theo tiếng Hy Lạp helios, nghĩa là “Mặt trời”). Mãi đến năm 1895, gần ba thập kỷ sau khi phát hiện ra nó trong ánh sáng Mặt trời bị phân tách, thì hêli mới được phát hiện trên Trái đất. Khí này được dùng để bơm cho những quả bóng bay đa sắc của trẻ nhỏ, làm cho chúng bay lên trời cao, và làm cho chúng ta có giọng ngạt mũi khi hít phải... Nhiệt độ cực cao của vành nhật hoa Trong những năm 1920, sự quan sát màu sắc của vành nhật hoa trong các kỳ nhật thực tiết lộ rằng khí cực kỳ loãng của vành nhật hoa này cũng phát ra các vạch mới. Do thiếu thông tin, các nhà thiên văn gán các vạch chưa rõ này cho một nguyên tố hóa học khác không thấy có trên Trái đất mà họ gọi là “coroni” (từ chữ corona có nghĩa là vành nhật hoa ND). Ngày nay chúng ta biết rằng coroni không hề tồn tại, rằng các vạch này không phải là do một dạng nguyên tử mới phát ra, mà thực tế là do các nguyên tử đã biết nhưng bị mất nhiều electron hơn các nguyên tử có trong quang cầu. Người ta nói rằng chúng bị ion hóa nhiều hơn, bởi vì một ion không gì khác hơn là một nguyên tử bị 22 những con đường của ánh sáng mất electron7 . Điều đó giải thích tại sao các cấu trúc electron bên trong và do đó là các vạch phổ của các nguyên tử trong vành nhật hoa khác với các vạch phổ của các nguyên tử và ion trong quang cầu. Chẳng hạn, các nhà vật lý thiên văn đã nhận diện được các vạch nhật hoa là của các nguyên tử sắt đã bị mất 13 trong số 26 electron của chúng, trong khi ở quang cầu phần lớn các nguyên tử sắt chỉ mất tối đa là một hoặc hai electron. Sở dĩ các nguyên tử bị mất nhiều electron là vì nhiệt độ của vành nhật hoa rất cao. Các nhà vật lý thiên văn đã rất sửng sốt khi phát hiện ở vài nghìn kilomet bên dưới bề mặt của Mặt trời, nhiệt độ, đáng lẽ ra phải giảm và thấp hơn nhiệt độ của quang cầu, thì ngược lại, nó lại cao hơn vài trăm lần! Thực vậy, các quan sát chứng tỏ rằng nếu nhiệt độ giảm từ 5.800 độ Kelvin của quang cầu xuống một nhiệt độ tối thiểu là 4.500 độ Kelvin ở khoảng 500 km ở trên quang cầu, thì sau đó nó lại tăng rất nhanh, đạt tới một triệu độ ở độ cao 10 km! Rồi nó lại tăng dần để đạt đến một giá trị trung bình ổn định là 3 triệu độ ở độ cao khoảng 10.000 km, với rải rác là các vùng nóng hơn có thể gấp vài lần nhiệt độ trung bình. Các nhiệt độ rất cao này làm cho phần bên ngoài bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời phát ra ánh sáng cực kỳ giàu năng lượng dưới dạng các tia cực tím và tia X. Vậy tại sao nhiệt độ lại tăng trong khi rời xa lò lửa nhiệt hạch ở trung tâm? Hiện nay chưa có ai giải thích được điều này một cách đầy đủ. Càng khó giải thích hơn khi mà hiện tượng nóng lên lại xảy ra đột ngột, chỉ trên vài trăm kilomet. Các nhà thiên văn nghĩ rằng đó là do các nhiễu loạn từ ở bề mặt của Mặt trời. Thực tế, Mặt trời là một loại nam châm khổng lồ với các đường sức đi xuyên qua nó và ló ra ở gần các cực từ Bắc và Nam. Nhưng Mặt trời khác nam châm ở chỗ nó không rắn và phải mất nhiều thời gian hơn mới quay trọn một vòng quanh mình nó ở các cực (35 ngày) so với ở xích đạo (25 ngày). Do chuyển động quay vi sai này nên các đường sức từ bên trong Mặt trời bị kéo dãn, xoắn và trộn vào nhau (H. 48). Một số đường ló ra ở bề mặt, tạo ra các vùng tối có kích thước cỡ Trái đất. Đó chính là các “vết Mặt trời” do Galileo phát hiện ở thế kỷ XVII (H. 14 của tập ảnh màu). Các vùng này tối không phải bởi vì chúng không phát ra ánh sáng, mà bởi vì nhiệt độ của chúng chỉ cỡ 1300 độ, thấp hơn nhiệt độ của bề mặt Mặt trời. Thỉnh thoảng, các đường sức từ có các cực đối nhau có thể gặp nhau và triệt tiêu nhau. Quá trình này giải phóng một lượng lớn năng lượng, làm tăng tốc các hạt và tạo ra các sóng lan truyền trong lớp khí loãng của vành nhật hoa và làm cho nó nóng lên. ❖ 7 Do vậy nếu các nguyên tử trung hòa, thì các điện tích dương của proton trong hạt nhân nguyên tử của chúng được bù lại chính xác bởi các điện tích âm của electron, còn các ion thì có điện tích dương. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 23 Cặp vết Mặt Trời Thời gian Tai lửa Hình 48. Từ trường bên trong Mặt trời. Chuyển động quay vi sai của Mặt trời làm cho các đường sức từ bị kéo dãn và xoắn. Một số ló ra ở bề mặt, hình thành một vòng kín và tạo ra các cặp vết Mặt trời. Nếu như vòng này được nhìn thấy ở mép của đĩa Mặt trời, thì nó tạo ra một vòng cung lửa, gọi là tai lửa, làm cho vật chất bị ion hóa được phóng từ bề mặt Mặt trời và được dẫn bởi các đường sức từ. Mặt trời, nguồn năng lượng khủng khiếp Sự sống trên Trái đất cần năng lượng để duy trì và phát triển. Năng lượng này, Mặt trời có vô khối dưới dạng ánh sáng. Hào phóng ban phát cho chúng ta ánh sáng, Mặt trời là nguồn của mọi sự sống trên hành tinh xanh này. Công suất toàn phần (hay năng lượng trên một đơn vị thời gian) mà Mặt trời phát ra là 400 triệu tỉ tỉ (4.1026) oát, tức bằng năng lượng của 1000 triệu tỉ tỉ nhà máy điện, mỗi nhà máy có công suất 1000 MW. Chỉ cần ba phút của năng lượng khủng khiếp này là có thể làm tan chảy vỏ Trái đất, hoặc sáu giây để bốc hơi toàn bộ các đại dương trên hành tinh xanh. Sở dĩ các thảm kịch này không xảy ra là bởi vì phần lớn năng lượng kinh hoàng này bị bức xạ và mất hút trong không gian. Trái đất, chốn nương thân nhỏ xíu của con người mất hút trong mênh mông bao la vũ trụ, chỉ nhận được một phần nhỏ năng lượng Mặt trời: khoảng một phần mười tỉ. Lượng ánh sáng Mặt trời mà hành tinh chúng ta nhận phụ thuộc vào nhiều nhân tố: khoảng cách Mặt trời-Trái đất (Trái đất càng xa Mặt trời thì lượng năng lượng mà nó nhận càng nhỏ, vì năng lượng này giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng), các thay đổi theo mùa và lượng năng lượng bị khí quyển Trái đất hấp thụ và phát trở lại vào không gian. 24 những con đường của ánh sáng Trái đất hoàn thành chuyến chu du hàng năm của nó quanh Mặt trời theo một quỹ đạo gần tròn với bán kính trung bình 150 triệu km. Điều này có nghĩa là ánh sáng Mặt trời, với vận tốc lan truyền là 300.000 km/s, phải mất hơn 8 phút mới đến được chúng ta sau khi rời khỏi bề mặt Mặt trời: nếu một bàn tay khổng lồ lấy đi Mặt trời, thì phải 8 phút sau chúng ta mới nhận ra điều đó! Khoảng cách trung bình giữa Trái đất - Mặt trời không biến thiên quá 2%. Trên quỹ đạo của Trái đất quanh Mặt trời, điểm cận nhật cách Mặt trời 147 triệu km, và điểm viễn nhật cách Mặt trời 152 triệu km. Từ đó sinh ra các biến thiên nhiệt độ không quá vài phần mười độ trên phạm vi toàn cầu: một biến thiên nhiệt độ gần như vô nghĩa. Như vậy, chắc chắn không phải khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời là nguyên nhân gây ra cái nóng như nung vào mùa hè hay cái lạnh như cắt vào mùa đông. Mà trên thực tế chính trục quay của Trái đất bị nghiêng là nguyên nhân tạo ra sự luân chuyển của các mùa. Thực tế, địa cầu của chúng ta không đứng thẳng, mà nghiêng một góc 23,5 độ so với mặt phẳng elip - mặt phẳng trong đó tất cả các hành tinh (trừ Diêm Vương tinh) bền bỉ vạch ra quỹ đạo của chúng. Người ta nghĩ rằng trong quá trình hình thành cách đây 4,5 tỉ năm, một tiểu hành tinh khổng lồ đã va vào nó, và làm cho nó bị nghiêng sang một bên8 . Nhịp các mùa Bởi vì bị nghiêng nên năng lượng và nhiệt mà Trái đất nhận được ở tất cả các điểm của nó và tại các thời điểm khác nhau trong chuyến chu du hàng năm của nó quanh Mặt trời là không như nhau. Vào tháng 6, độ nghiêng của Trái đất làm cho bán cầu Bắc nghiêng nhiều nhất về phía Mặt trời và do đó nhận được nhiều nhiệt lượng nhất, trong khi bán cầu Nam ở xa Mặt trời nhất nên nhận được ít năng lượng nhất. Trong khi người Tây Ban Nha và Hy Lạp tận hưởng mùa hè để tắm nắng trên bãi biển, thì người Chilê và Australian lại phải khăn áo kín mít để chống lại cái giá rét của mùa đông. Chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng nằm ở trên và dưới xích đạo càng trở nên rõ rệt hơn khi mà vào mùa hè các tia nắng Mặt trời chiếu gần như thẳng đứng ở bán cầu Bắc, làm cho nhiệt độ ở đó cao, trong khi vào mùa đông, ở bán cầu Nam, các tia nắng chiếu xiên là là mặt đất, làm cho nhiệt độ ở đó thấp. Tình hình sẽ bị đảo ngược sáu tháng sau đó, tức vào tháng giêng. Bởi vì hướng của trục quay của Trái đất là tương đối ổn định, nên lúc này bán cầu Bắc xa Mặt ❖ 8 Xem Trịnh Xuân Thuận, Hỗn độn và Hài hòa, sđd. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 25 trời nhất và nhận ít nhiệt lượng và ánh sáng Mặt trời hơn bán cầu Nam. Giờ đến lượt người Pháp tận hưởng niềm vui với các môn thể thao mùa đông, và người Brazil vui đùa trên bãi biển. Vòng quay các mùa cứ tiếp tục diễn ra như thế. Lần tới, khi chiêm ngưỡng ngày hội sắc vàng của mùa thu, hay khi bạn bị chinh phục bởi cảnh tượng mới mẻ của mùa xuân, bạn hãy thầm nhủ rằng đó là bởi vì Trái đất nghiêng. Trung bình, một vùng như đất nước Marốc nhận ánh sáng vào mùa hè nhiều gấp đôi mùa đông. Chênh lệch càng lớn hơn ở các khu vực cao hơn: ở Bắc cực, kể cả lúc nửa đêm người Inuit cũng vẫn được hưởng ánh nắng Mặt trời trong suốt mùa hè, trong khi người ở Nam cực chìm trong bóng tối hoàn toàn nhiều tháng ròng. Sự biến thiên nhỏ trong khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời trong chuyến chu du hằng năm của nó xung quanh Mặt trời sinh ra một hiệu ứng nhỏ làm gia tăng hoặc suy yếu hiệu ứng của độ nghiêng của Trái đất. Khi mùa hè đến bán cầu Bắc và mùa đông tràn đến bán cầu Nam, Trái đất nằm xa Mặt trời hơn một chút, làm cho cái nóng thiêu đốt của mùa hè bớt đi một chút ở bán cầu Bắc và mùa đông ở bán cầu Nam đỡ khắc nghiệt hơn. Sáu tháng sau, Trái đất nằm gần Mặt trời hơn một chút, đến lượt mùa đông trong bán cầu Bắc sẽ ấm hơn một chút và mùa hè ở bán cầu Nam sẽ đỡ nóng hơn. Như vậy, về trung bình, cư dân ở bán cầu Bắc được hưởng nhiệt độ ôn hòa hơn chút ít so với những người sống ở dưới xích đạo. Nhưng liệu có phải lúc nào cũng như thế không? Điều đó sẽ xảy ra nếu trục quay của Trái đất luôn cố định trong không gian và luôn hướng về phía sao Bắc cực, trong chòm sao Tiểu Hùng (Gấu nhỏ). Do sự đứng yên gần như tuyệt đối của ngôi sao này trong bầu trời, nên từ giờ này sang giờ khác, từ đêm này qua đêm khác, sao Bắc cực, chỉ phương Bắc, mãi mãi là một nguồn an ủi và giúp đỡ vô giá đối với các lữ khách qua bao thế kỷ. Nhưng hướng của trục quay Trái đất lại không cố định. Nó vẽ nên trong không gian một hình nón có nửa góc ở đỉnh là 23,5 độ, giống như trục quay của một con quay. Các nhà vật lý gọi đó là chuyển động “tiến động”. Chuyển động này do tương tác hấp dẫn giữa Trái đất, Mặt trăng và Mặt trời gây ra. Nhưng chu kỳ của chuyển động tiến động của Trái đất không phải là vài giây như của con quay, mà nó kéo dài tới 26.000 năm! Như vậy, trong khoảng 14.000 năm tới, con cháu chút chít của chúng ta sẽ thấy trục quay của Trái đất vẫn bị nghiêng trung bình một góc là 23,5 độ, nhưng hướng về phía một sao khác có tên là sao Chức Nữ (Véga), trong chòm sao Thiên Cầm (Lyre). Đến thời kỳ xa xôi này, Trái đất sẽ gần Mặt trời hơn trong quỹ đạo của nó vào mùa hè và xa Mặt trời hơn vào mùa đông 26 những con đường của ánh sáng ở bán cầu bắc. Bấy giờ đến lượt những người sống bên trên xích đạo sẽ phải chịu nắng nóng hơn những người sống ở bên dưới xích đạo. Băng tuyết xâm chiếm Trái đất Chênh lệch nhiệt độ càng lớn hơn theo vĩ độ khi độ nghiêng của Trái đất càng lớn. Liệu có khả năng trục quay của Trái đất sẽ có hành trạng “vô kỷ luật” với hướng của nó thay đổi từng ngày hay không? Câu trả lời là không. Trục quay của Trái đất có hành trạng rất ngoan ngoãn. Trong cả triệu năm mà nó không biến thiên quá 1,3 độ so với độ nghiêng trung bình 23,5 độ của nó. Thật là phúc lớn cho chúng ta, bởi vì nếu biến thiên này lớn hơn, thì sự sống trên Trái đất không thể sinh sôi và phát triển được. Nhưng điều này không có nghĩa là biến thiên nhỏ này không gây ra hậu quả gì. Ngay cả một biến thiên nhỏ cũng có thể có các hiệu ứng lớn đối với khí hậu Trái đất. Nếu Trái đất bị nghiêng đột ngột thêm một góc 1,3 độ về phía Mặt trời, thì người Phần Lan ở trên vĩ độ 65 độ trên xích đạo sẽ nhận thêm 20% nhiệt lượng từ Mặt trời vào mùa hè, và ít hơn 20% vào mùa đông. Nếu các điều kiện khác được hội đủ, thì sự suy giảm ánh sáng Mặt trời mà Trái đất nhận được có thể đủ để khởi phát các thay đổi khí hậu sâu sắc. Trong trường hợp nghiêm trọng nhất, băng có thể tràn ngập Trái đất. Theo nhà thiên văn người Nam Tư Miloutine Milankovíc (1879-1958), các thời kỳ băng giá kéo có thể xảy ra sau sự ngẫu hợp các điều kiện rất đặc biệt: khi Trái đất gần Mặt trời nhất trong quỹ đạo của nó và khi ở bán cầu Bắc là mùa đông. Mùa đông khi đó sẽ rất ôn hòa (Mặt trời ở gần Trái đất nhất sẽ cung cấp nhiều nhiệt nhất) và rất ngắn (lực hấp dẫn mạnh nhất của Mặt trời kéo Trái đất quay nhanh hơn trên quỹ đạo của nó, và do đó rút ngắn mùa đông). Ngược lại, mùa hè sẽ mát và kéo dài. Do nhiệt độ giảm nên tuyết rơi từ mùa đông sẽ không tan hết. Tích tụ theo thời gian, tuyết không tan sẽ biến thành băng và có tác dụng như một tấm gương phản chiếu ánh sáng Mặt trời lên không gian, làm nhiệt độ càng giảm thêm. Nếu, hơn nữa, Trái đất ít nghiêng hơn vào thời kỳ này, chẳng hạn chỉ 22 độ thôi, thì mùa hè vốn đã mát sẽ càng mát hơn, và Trái đất khi đó sẽ đi vào một thời kỳ băng giá. Kết quả phân tích trầm tích dưới đáy biển, những ký ức của khí hậu cổ xưa, khẳng định với chúng ta kịch bản của Milankovíc. Nó nói với chúng ta rằng nhiệt độ trung bình của các đại dương vào mùa hè trước các thời kỳ băng giá trên thực tế thấp hơn nhiều. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 27 Mặt trăng bình ổn hành trạng hỗn độn của trục Trái đất Như chúng ta đã biết, trục quay của Trái đất không biến thiên quá 1,3 độ trong một triệu năm vừa qua. Tuy vậy, sự ổn định này, về mặt tiên nghiệm mà nói, không phải là điều hiển nhiên. Chỉ cần xét trường hợp Hoả tinh, hành tinh hàng xóm của chúng ta, ngày nay nghiêng 25,2 độ, chỉ hơn Trái đất hơn một độ là đủ biết. Thực ra trong quá khứ không phải lúc nào cũng như thế. Người ta cho rằng trục quay của nó đã có một hành trạng hỗn độn và biến thiên khoảng 10 độ trong quá khứ, tạo ra các mùa cực kỳ khác biệt. Có lẽ chính nhiệt độ mùa hè nóng bỏng đã làm bốc hơi nước mà trước đó còn chảy thành dòng trên bề mặt hành tinh đỏ này cách đây vài tỉ năm, khiến cho các lòng sông và suối khô nẻ để nhắc nhớ quá khứ huy hoàng của nó. Tại sao trục quay của Hỏa tinh lại tỏ ra dị thường trong khi hành trạng của trục Trái đất lại hiền lành đáng ngạc nhiên đến thế? Rất có thể là do sự chênh lệch về kích thước giữa các vệ tinh của hai hành tinh. Trong số tất cả các hành tinh cùng loại với Trái đất của hệ Mặt trời (tức các hành tinh có lớp đất rắn), chỉ có Trái đất là có một vệ tinh lớn. Thủy tinh và Kim tinh không có vệ tinh. Hỏa tinh có hai mặt trăng kích thước rất nhỏ vốn là hai tiểu hành tinh lớn, có đường kính khoảng ba mươi và hai mươi km, tên là Phobos và Deimos. Khối lượng của những vệ tinh này nhỏ tới mức lực hấp dẫn của chúng không thể nhào nặn chúng thành hình cầu, và vì thế chúng có bề mặt rất ghồ ghề. Ngược lại, Mặt trăng yêu quý của chúng ta, nàng thơ của những đôi uyên ương và các thi nhân, lại lớn hơn rất nhiều. Với bán kính 1.738 km, khối lượng bằng 1,2% khối lượng của Trái đất và lực hấp dẫn bằng một phần sáu lực hấp dẫn của Trái đất (nếu trên Trái đất bạn cân nặng 72 kg thì trên Mặt trăng bạn chỉ còn 12 kg), Mặt trăng đã bị lực hấp dẫn nhào nặn thành hình cầu phản chiếu ánh sáng Mặt trời và chiếu sáng những vùng thôn dã ban đêm bằng một ánh sáng dịu dàng. Mặt trăng không chỉ gây ra thủy triều, mà nó còn có tác dụng bình ổn trục quay của Trái đất. Các nhà vật lý thiên văn có thể nhận biết điều đó như thế nào? Chắc chắn, họ không thể chơi trò Chúa sáng thế và quyết định lấy Mặt trăng đi để xem điều gì sẽ xảy ra nếu không còn Mặt trăng nữa. Nhưng họ đã có máy tính. Máy tính nói với họ rằng, nếu không có Mặt trăng, thì trục quay của Trái đất sẽ có hành trạng hoàn toàn hỗn độn9 . Hành trạng của Trái đất sẽ không thể dự báo ❖ 9 Xem thêm Hỗn độn và Hài hòa, sđd. 28 những con đường của ánh sáng được và độ nghiêng của nó có thể thay đổi đột ngột từ 0 độ (Trái đất khi đó sẽ đứng thẳng) đến 85 độ (tức là Trái đất sẽ nằm nghiêng trong mặt phẳng hoàng đạo). Những thay đổi độ nghiêng này sẽ kéo theo những thay đổi sâu sắc về khí hậu, làm tổn hại sự sống trên Trái đất. Nếu Trái đất đứng thẳng, thì lượng ánh sáng và nhiệt lượng của Mặt trời mà nó nhận được ở tất cả các điểm sẽ như nhau trong suốt cả năm (bỏ qua những biến thiên nhỏ do quỹ đạo của Trái đất quanh Mặt trời không phải là một vòng tròn hoàn hảo, mà là hình elip). Ngược lại, nếu nó nằm trong mặt phẳng hoàng đạo (như hành tinh Thiên Vương), thì một nửa Trái đất sẽ chìm trong bóng tối và băng giá trong một mùa đông dài sáu tháng, trong khi một nửa khác sẽ phải chịu cái nắng thiêu đốt của Mặt trời mùa hè, và tình hình bị đảo ngược lại sáu tháng sau. Với những khí hậu cực đoan như vậy giáng xuống một cách hoàn toàn bất ngờ (do hành trạng hỗn độn của nó, nên chúng ta không thể dự báo những gì mà trục quay của Trái đất có thể gây ra), sự sống sẽ không có bất kỳ cơ hội nào để nảy nở và sinh sôi. Có tác dụng bình ổn đặc tính thất thường của trục quay Trái đất, Mặt trăng, đứa con của Trái đất (người ta nghĩ rằng nó đã được tách từ vỏ Trái đất trong một va chạm dữ dội của một tiểu hành tinh với Trái đất cách đây 4,5 tỉ năm), xét cho cùng, chính là nguyên nhân của sự hiện diện ở đây của chúng ta. Mặt trời sưởi ấm Trái đất Trung bình mỗi giây Trái đất nhận được từ Mặt trời một lượng năng lượng (hay công suất) 342W trên một mét vuông (W/m2), tương đương với lượng nhiệt nhận được từ một bóng đèn 50W đặt cách mười xentimét. Một phần lớn của bức xạ này (khoảng 42%) thuộc loại “khả kiến”, nghĩa là mắt người có thể nhìn thấy được. Trên thực tế, quá trình tiến hóa đã ban tặng cho con người (cũng như nhiều loài vật khác) con mắt, bộ phận thu nhận ánh sáng tuyệt vời cho phép chúng ta hoạt động và tiến hóa trong một thế giới được Mặt trời chiếu sáng. Nhưng Mặt trời còn phát ra các loại ánh sáng khác mà mắt người không nhìn thấy được. Ánh sáng không nhìn thấy được này cùng với ánh sáng khả kiến tạo thành phổ điện từ. Mặt trời phát ra tia cực tím (9%) làm chúng ta bị cảm nếu đứng quá lâu dưới trời nắng, và hồng ngoại (49%), và một tỉ lệ nhỏ các tia gamma, tia X và sóng vô tuyến. Bởi vì khí quyển là một lớp bảo vệ sự sống khỏi các tia cực tím giàu năng lượng và có hại của Mặt trời, và vì nó ngăn cản phần lớn lượng tia hồng ngoại, nên bức xạ Mặt trời xuống mặt đất chủ yếu thuộc dạng khả kiến. Trong bức xạ Mặt trời nhìn thấy được, khoảng một phần ba bị các đám mây trong lớp khí quyển ở tầng cao và bề mặt Trái đất phản Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 29 chiếu vào không gian, trong khi hai phần ba còn lại được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt hoặc trong khí quyển, hoặc trên bề mặt của Trái đất. Các tia nắng Mặt trời nhìn thấy được vuốt ve da ta và sưởi ấm các đồ vật trên Trái đất vào ban ngày. Nhưng bề mặt Trái đất (hay mọi vật khác) không thể hấp thụ vô hạn ánh sáng và nhiệt lượng Mặt trời để ngày càng nóng thêm: nếu không, hành tinh của chúng ta sẽ biến thành nơi không thể sinh sống được. Khi mặt đất nóng lên, thì bản thân nó cũng bức xạ mạnh hơn. Rốt cuộc, Trái đất sẽ bức xạ vào không gian hết lượng năng lượng mà nó đã nhận được từ Mặt trời, và một sự cân bằng được thiết lập. Nếu Trái đất không có khí quyển, thì nhiệt độ cân bằng sẽ rất thấp, cỡ -230C, và hành tinh của chúng ta sẽ chỉ là một khối cầu băng giá không sinh sống được! Thật may cho chúng ta, Trái đất có một khí quyển có khả năng tạo ra một hiệu ứng nhà kính mang lại cho Trái đất một nhiệt độ dễ chịu và thuận lợi cho sự sống. Lồng kính cho ánh sáng khả kiến của Mặt trời đi vào sưởi ấm cây trồng. Nhưng mọi vật được sưởi ấm ở một nhiệt độ cao hơn không độ tuyệt đối (0 độ Kelvin, hay -2370C), dù đó là cơ thể, cuốn sách mà bạn đang cầm trên tay, hay các vật xung quanh bạn, đều bức xạ năng lượng. Nếu nhiệt độ của vật bức xạ càng cao thì bức xạ và năng lượng mà nó phát ra càng cao. Một vật có nhiệt độ khoảng chục độ C thì bức xạ chủ yếu của nó là tia hồng ngoại; vật có nhiệt độ vài nghìn độ C (như bề mặt của một ngôi sao nặng) bức xạ chủ yếu là tia cực tím. Cây cối được Mặt trời sưởi ấm ở nhiệt độ vài chục độ C phát ra các sóng hồng ngoại. Nhưng, nếu lồng kính cho ánh sáng nhìn thấy được đi qua, thì chúng lại chắn ánh sáng hồng ngoại. Vì thế nhiệt lượng Mặt trời bị cầm tù, làm cho bên trong lồng kính nóng hơn bên ngoài, mang lại cho cây trồng nhiệt độ ấm áp hơn, ngay cả trong những ngày lạnh nhất của mùa đông10 . Tương tự, khí quyển của Trái đất có chứa khí gọi là “khí gây hiệu ứng nhà kính”. Các cấu trúc phân tử của chúng làm cho các khí này, giống như kính của lồng kính, cho ánh sáng nhìn thấy được đi qua, nhưng hấp thụ một lượng lớn ánh sáng hồng ngoại. Các khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh nhất là khí cacbonic (hay dioxit carbon), hơi nước và metan (do vi khuẩn trong dạ dày bò và các động vật nhai lại khác tạo ra) (H. 49). Khí quyển Trái đất tác dụng một hiệu ứng nhà kính hết sức có lợi sưởi ấm hành tinh chúng ta thêm khoảng 40 độ, cho phép sự sống phát triển. Thay vì một nhiệt độ băng giá -23 độ, nhiệt ❖ 10 Sở dĩ nhiệt độ bên trong lồng kính cao hơn bên ngoài, ngoài việc kính có khả năng chắn ánh sáng hồng ngoài, còn là do chúng loại trừ các chuyển động đối lưu của không khí bên trong lồng gây mất nhiệt. 30 những con đường của ánh sáng độ trung bình trên Trái đất rất dễ chịu và ấm áp, khoảng 170C. Thay vì là một khối cầu băng giá không có sự sống, Trái đất được bao phủ bởi ba phần tư là đại dương nước lỏng, làm cho nó xứng với cái tên xinh đẹp “hành tinh xanh”. Thay vì một khung cảnh hoang tàn và băng giá trải rộng hút tầm mắt, trước mắt chúng ta là những cánh đồng cỏ, những khu rừng và những cánh đồng đầy hoa thơm cỏ lạ vỗ về tâm hồn ta. Ánh sáng Mặt Trời khả kiến Bức xạ hồng ngoại thoát ra Ánh sáng Mặt Trời bị phản xạ Bức xạ hồng ngoại một phần bị khí quyển hấp thụ Mây Các phân tử khí cacbonic Các bức xạ hồng ngoại tái phát xạ Ánh sáng tới mặt đất Hình 49. Hiệu ứng nhà kính. Ánh sáng Mặt trời không bị mây phản chiếu đi xuống mặt đất và sưởi ấm Trái đất. Ánh sáng hồng ngoại sinh ra từ mặt đất được sưởi nóng bị khí cacbonic trong khí quyển hấp thụ một phần, làm cho Trái đất nóng lên. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 31 Một hiệu ứng nhà kính tai hại Cũng giống như có một cholesterol có lợi và một cholesterol có hại, cũng có một hiệu ứng nhà kính tốt và một hiệu ứng nhà kính xấu. Hiệu ứng nhà kính do khí quyển Trái đất gây ra rất hữu ích đối với hành tinh của chúng ta. Nhưng điều có lợi ở một liều nhỏ lại có thể trở nên chết người ở liều mạnh. Con người phải cảnh giác để không phá vỡ sự cân bằng mà hệ sinh quyển của chúng ta đã kiên nhẫn xây dựng trong suốt hàng tỉ năm, không được làm tăng đột ngột hiệu ứng nhà kính này. Khí cacbonic, nguyên nhân hàng đầu gây hiệu ứng nhà kính trong khí quyển, hiện nay có rất ít: cỡ 0,03%. Nhưng nếu hàm lượng này tăng thêm có thể sẽ gây ra những hậu quả đầy tai hoạ đối với sự cân bằng sinh thái của hành tinh chúng ta và biến nó thành nơi không thể sinh sống được nữa. Các mẫu đá lấy ở Nam cực, những kí ức đích thực về những thời xa xưa, kể lại với chúng ta rằng, trong khi hàm lượng khí cacbonic của khí quyển Trái đất gần như không thay đổi trong những thời kỳ tiền công nghiệp, thì nó đã tăng lên đột ngột vào khoảng năm 1850, khi kỉ nguyên công nghiệp bắt đầu. Kể từ đó, nó đã tăng 30% và tiếp tục tăng khoảng 0,5% mỗi năm. Hàm lượng khí cabonic chưa bao giờ cao đến thế kể từ 420.000 năm nay. Sự gia tăng này chắc chắn là do hoạt động thiếu ý thức của con người. Con người sử dụng ngày càng nhiều dầu và than hơn cho số nhà máy và xe hơi liên tục gia tăng của mình. Đồng thời, những ghi chép khí hậu nói với chúng ta rằng nhiệt độ trung bình trên Trái đất đã không ngừng tăng lên kể từ kỉ nguyên công nghiệp, chậm trong những năm đầu tiên, sau đó tăng lên một nhịp cao hơn. Sự gia tăng gần như đồng thời hàm lượng khí cabonic và nhiệt độ toàn cầu chắc chắn không hề ngẫu nhiên. Trên thực tế, chính sự gia tăng lượng khí cacbonic trong khí quyển đã gây ra sự nóng lên toàn cầu: các kết quả đo đã chứng tỏ rằng những biến thiên nhiệt độ song hành với các biến thiên của lượng khí cacbonic như hình với bóng. Trong thế kỷ trước, Trái đất đã nóng lên khoảng 0,6 độ; nếu con người tiếp tục thực hiện chính sách đà điểu, không thay đổi gì cách sống của mình và tiếp tục thải hàng tấn khí cacbonic vào khí quyển Trái đất, thì theo dự báo, hai trăm năm tới nhiệt độ trung bình của Trái đất sẽ tăng từ 2 đến 5 độ. Một vài độ tăng thêm này thôi cũng đủ để kéo mực nước biển tăng lên, do sự giãn nở nhiệt của thể tích nước và sự tan chảy các tảng băng ở Bắc và Nam cực, sẽ gây ra những trận ngập lụt kinh hoàng cho các vùng ven biển và nhấn chìm hoàn toàn nhiều hòn đảo. Paris và Los Angeles sẽ bị ngập lụt và Maldives sẽ biến mất dưới nước. Khí hậu nóng sẽ trở nên 32 những con đường của ánh sáng cực kỳ khủng khiếp: các đợt nóng (nóng hơn cả đợt hè nóng bỏng làm chết hàng nghìn người cao tuổi tại Pháp năm 2003), các nạn cháy rừng, hạn hán, lũ lụt, bão (như cơn bão Katrina tàn phá New Orleans năm 2005) sẽ xảy ra thường xuyên và ngày càng dữ dội hơn. Nhiệt độ trong lục địa sẽ cao hơn ở các vùng gần hoặc trên đại dương, và sự nóng lên sẽ rõ rệt hơn ở những vùng cao. Trong khi các thời kỳ hạn hán chưa từng thấy hoành hành trên các vùng như Lưu vực Địa Trung Hải hay Nam Phi, thì các vùng khác như Ấn Độ hay Indonesia, sẽ chịu những cơn mưa không ngớt và lũ lụt tàn phá. Độ ẩm cực cao trong các vùng này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vô số đàn muỗi, tác nhân truyền bệnh. Sốt rét, sốt đăng-gơ và các loại sốt xuất huyết sẽ đe dọa một phần lớn dân cư11 . Hiệu ứng nhà kính có thể sẽ còn mạnh hơn và biến Trái đất thành một lò lửa thực sự. Chúng ta đã có một ví dụ nhãn tiền về quá trình này. Đó là điều đã xảy ra trên hành tinh láng giềng của chúng ta - Kim tinh: hàm lượng khí cacbonic trong khí quyển của hành tinh này đã lên tới 96,5%, gây ra một hiệu ứng nhà kính khủng khiếp trên hành tinh này. Nhiệt độ trung bình trên bề mặt Kim tinh là 4570C, tức gấp hơn bốn lần rưỡi nhiệt độ của nước sôi! Chì trên đó cũng nhanh chóng tan chảy. Con người liệu có đủ thông thái để tránh một số phận như thế cho hành tinh của mình không? Trái đất bức xạ nhiệt mà nó đã giữ trong lòng Trái đất không chỉ được sưởi nóng bởi Mặt trời, mà nó còn tự sưởi nóng một phần bằng năng lượng toả ra từ chính trong lòng của nó. Năng lượng này không có nguồn gốc nhiệt hạch, như ở các sao. Các hành tinh không có một lõi đủ nóng để tổng hợp hyđro và phát sáng như những ngôi sao. Chúng bằng lòng với việc phản chiếu ánh sáng của mặt trời của chúng. Nhiệt lượng mà Trái đất tỏa ra bắt nguồn từ các nguyên tố phóng xạ như urani, thori và plutoni nằm trong lòng nó. Các nguyên tố này phát ra nhiệt và năng lượng dưới dạng các bức xạ và các hạt cơ bản khi hạt nhân nặng, phức tạp và không bền vững của chúng tự phát phân rã sau một khoảng thời gian nhất định để biến thành các nhân nhẹ hơn, đơn giản hơn và bền vững hơn. Quá trình phân rã tự phát này phát ra các hạt và các bức xạ được gọi là “phóng xạ”. Thời ❖ 11 Để biết chi tiết về các thảm họa được báo trước này đối với Trái đất, xem Nguồn gốc - Nỗi hoài niệm về những thuở ban đầu, sđd. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 33 gian mà một nguyên tố phải mất để phân rã phụ thuộc vào bản chất của nó. Chẳng hạn, trung bình, một nửa trong tổng số các nguyên tử urani 238 phân rã sau 4,5 tỉ năm12 . Đối với urani 235, thời gian này là 713 triệu năm; đối với thori là 13,9 tỉ năm, và plutoni là 2,4 triệu năm. Đúng là năng lượng được sinh ra từ sự phân rã chỉ của một nguyên tử phóng xạ là rất nhỏ và thời gian phân rã là vô cùng dài, nhưng Trái đất chứa nhiều nguyên tử phóng xạ và có hàng triệu, thậm chí hàng tỉ năm cần thiết cho sự phân rã các nguyên tố phóng xạ đó. Chính một phần nhờ năng lượng và nhiệt lượng có nguồn gốc phóng xạ này (gọi là “năng lượng địa nhiệt”) mà hành tinh của chúng ta giữ được một tâm nóng và vẫn có hoạt tính về mặt địa chất: chúng là nguồn gốc của các cơn “giận dữ” của núi lửa và chuyển động của các mảng kiến tạo đang diễn ra trên bề mặt Trái đất. Tổng cộng, bên trong Trái đất phát ra một luồng nhiệt 0,87 W/m2, tức thấp hơn gần 400 lần so với 342 W/m2 mà nó nhận từ được Mặt trời! Nếu như chỉ có năng lượng địa nhiệt để sưởi ấm Trái đất, thì nó chỉ có nhiệt độ trung bình là -2430C, tức chỉ cao hơn nhiệt độ băng giá của không gian giữa các thiên hà (-270 độ) khoảng ba mươi độ. Phải nhờ đến nhiệt lượng của Mặt trời thì nhiệt độ của Trái đất mới có một bước nhảy vọt 220 độ để đạt tới -23 độ. Và cuối cùng, nhờ hiệu ứng nhà kính của khí quyển Trái đất, như chúng ta đã thấy, cung cấp thêm 40 độ nữa thì Trái đất mới có một nhiệt độ trung bình rất dễ chịu, khoảng 17 độ. Vậy phóng xạ tự nhiên phát ra từ Trái đất liệu có gây nguy hiểm đối với sức khỏe của con người hay không? Liệu nó có nguy cơ làm tăng hậu quả gây ung thư hay không? Dường như điều đó không xảy ra: chưa có một nghiên cứu nào chỉ ra được một nguy cơ nào đó gắn với phóng xạ tự nhiên. Bản tổng kết các bức xạ của Trái đất Với các nguồn bức xạ khác nhau này, Trái đất liệu có nguy cơ bị nóng quá và nhiệt độ tăng lên vô hạn không? Câu trả lời chắc chắn là không, vì hành tinh của chúng ta đã biết tìm ra các cách khéo léo và hiệu quả để bức xạ tất cả ❖ 12 Vì vậy người ta nói rằng “nửa thời gian sống” của urani 238 là 4,5 tỉ năm. Do bản chất bất định của cơ học lượng tử - lý thuyết vật lý mô tả hành trạng của các nguyên tử và các hạt dưới nguyên tử -, chúng ta không thể biết một nguyên tử sẽ phân rã vào lúc nào. Chúng ta chỉ có thể tiên đoán, sau một khoảng thời gian nhất định, một tập hợp các nguyên tử sẽ bị phân rã. 34 những con đường của ánh sáng năng lượng mà nó nhận được từ Mặt trời, thiết lập một sự cân bằng nhiệt phù hợp và duy trì ở bề mặt một nhiệt độ ổn định. Để hiểu thật rõ vấn đề này, chúng ta hãy lập bản tổng kết các bức xạ của Trái đất. Trong số 342 W/m2 nhận từ Mặt trời, chủ yếu dưới dạng ánh sáng khả kiến (chúng ta đã thấy rằng phần lớn các tia cực tím và hồng ngoại đều bị khí quyển chặn lại), thì khoảng 30% (107 W/m2) bị khí quyển và mặt đất phản xạ trở; phần còn lại (235 W/m2) bị hấp thụ bởi các đám mây (67 W/m2) và bề mặt Trái đất (168 W/m2), và chuyển hóa thành nhiệt. Nhiệt bị mặt đất hấp thụ làm nóng không khí tiếp xúc với nó, và không khí bị nóng lên lại phát trở lại 24 W/ m2 lên không gian. Nhiệt của mặt đất cũng có tác dụng làm bốc hơi nước, làm mất thêm 78 W/m2. Còn nhiệt tỏa ra từ bề mặt Trái đất bị nóng lên bởi các bức xạ Mặt trời và địa nhiệt (350 W/m2) thì được phát dưới dạng bức xạ hồng ngoại. Phần lớn bức xạ hồng ngoại này (324 W/m2) bị khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí quyển hấp thụ và phát trở lại bề mặt Trái đất. Chỉ một phần nhỏ (26 W/m2) bị mất vào không gian. Như vậy, tổng cộng Trái đất đã phát ngược trở lại 107 + 24 + 78 + 26 = 235 W/m2. Đó cũng chính là tổng năng lượng mà nó nhận được từ Mặt trời. Thật là may, nhiệt độ của chốn nương thân của chúng ta trong vũ trụ không tiếp tục tăng lên vô hạn! Chí ít nếu con người không làm nhiễu động sự cân bằng tinh tế này bằng các hành động thiếu ý thức của mình13 ... Vết Mặt trời và giá lúa mì Nếu vẻ đẹp lộng lẫy của mùa xuân và màu vàng rực rỡ của mùa thu, nếu những cơn gió lạnh của mùa đông và những đêm hè dịu dàng, và như vậy nếu sự luân chuyển của các mùa là do Trái đất bị nghiêng và không nhận cùng một lượng ánh sáng và nhiệt trong chuyến chu du hằng năm của nó quanh Mặt trời, nếu sự sưởi nóng Trái đất không ổn định suốt trong suốt năm, thì lượng ánh sáng do Mặt trời phát ra sẽ dẫn đến những hậu quả gì? Liệu có khả năng là ánh sáng này biến thiên và khi đó sẽ khởi phát các thảm họa thời tiết trên hành tinh của chúng ta hay không? Độ sáng của Mặt trời chắc chắn đã biến thiên trong quá khứ của nó. Cách đây 4,5 tỉ năm, nó vừa sinh ra và chuyển động co lại của nó từ đám mây giữa các vì sao ban đầu vẫn chưa kết thúc. Nhiệt và mật độ ở tâm của Mặt trời lức ❖ 13 Những con số được sử dụng ở đây để lập bản tổng kết các bức xạ của Trái đất được trích từ bài báo “Mặt trời và Trái đất”, của Christian Ngô, đăng trong Mặt trời, Fayard/Cité des sciences et de l’industrie, Paris, 2004, tr. 100. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 35 đó nhỏ hơn, và nó đốt cháy ít nhiên liệu hyđro hơn. Nhiệt độ trong tâm của Mặt trời là 10 triệu độ Kelvin, chỉ vừa đủ để khởi phát sự tổng hợp hạt nhân; nhiệt độ trên bề mặt của nó là 4.500 độ, tức thấp hơn nhiệt độ của nó hiện nay 1.500 độ; bán kính của nó là một triệu kilomet, và độ sáng của nó chỉ bằng hai phần ba hiện nay. Sau khoảng 50 triệu năm, Mặt trời non trẻ cuối cùng đã ổn định với một bán kính 696.000 km để trở thành ngôi sao của chúng ta hiện nay, với các nhiệt độ cao hơn rất nhiều: 20 triệu độ ở tâm, 6000 độ ở bề mặt, và sáng hơn khoảng 30%. Kể từ đó, Mặt trời có vẻ cân bằng ổn định, lực đẩy của bức xạ bên trong có xu hướng làm nó nổ tung đã được cân bằng chính xác bởi lực hấp dẫn có xu hướng nén nó lại. Thế còn độ sáng của Mặt trời hiện nay thì sao? Nó không hoàn toàn ổn định, nhưng biến thiên rất ít: không phải 30% như khi còn trẻ, mà dưới 1%. Chính nhà thiên văn người Anh gốc Đức William Herschel (1738-1822), người phát hiện ra hành tinh Thiên Vương, là người đầu tiên nêu ra sự thay đổi của độ sáng của Mặt trời bằng một lập luận khá thông minh. Ông đã quan sát thấy các vết Mặt trời do Galileo phát hiện không tồn tại mãi mãi, mà xuất hiện và biến mất theo thời gian. Herschel đã nghĩ rất chính xác rằng số các vết Mặt trời này gắn liền với hoạt động của Mặt trời, rằng Mặt trời càng hoạt động mạnh thì nó càng có nhiều vết. Ông đã nảy ra ý tưởng kiểm tra giả thiết của mình bằng cách gắn kết số vết Mặt trời quan sát được trên bề mặt của thiên thể của chúng ta với...giá lúa mì! Lập luận của ông như sau: bức xạ Mặt trời càng mạnh, thì càng được mùa lúa mì, và giá lúa mì càng giảm. Số các vết Mặt trời như vậy phải có tương quan nghịch với giá lúa mì! Nhưng khi ông giới thiệu lý thuyết này trước các đồng nghiệp tôn kính của mình ở Hội Hoàng gia Luân Đôn năm 1801, thì không một ai tin: độ sáng của Mặt trời không thể biến thiên. Thế mới thấy niềm tin theo Aristote vào tính bất biến của trời có sức sống thật lâu dài! Mặt trời không phải là bất biến Tuy nhiên, Herschel đã có lý. Độ sáng của Mặt trời không phải là không đổi. Mãi hơn một thế kỷ rưỡi sau trực giác thiên tài của ông mới được kiểm chứng. Các kết quả đo chính xác do các vệ tinh thực hiện cuối những năm 1970 đã làm sáng tỏ sự biến thiên nhẹ của độ sáng Mặt trời, cỡ 0,1%. Mặt trời sáng hơn một chút khi số các vết của nó nhiều nhất, và mờ hơn một chút khi số này ít nhất. Khoảng thời gian giữa hai cực đại hoặc hai cực tiểu trung bình là mười một năm, bằng chu kỳ của các vết Mặt trời. Người ta cho rằng các vết này đánh dấu vị trí ở đó các đường sức từ ở bên trong Mặt trời ló ra 36 những con đường của ánh sáng ở bề mặt: từ trường của các vết Mặt trời trên thực tế cao hơn từ trường trung bình của Mặt trời một nghìn lần. Các vết Mặt trời xuất hiện theo cặp, với các cực ngược nhau: một vết có cực dương, vết kia có cực âm. Chu kỳ của các vết Mặt trời dường như gắn với sự tái sắp xếp một cách tuần hoàn của từ trường Mặt trời - khoảng 11 năm. Khi đó, các cực từ của Mặt trời bị đảo ngược lại, cực Bắc trở thành cực Nam, và cực Nam trở thành cực Bắc. Các vết Mặt trời cũng là những nơi Mặt trời biểu lộ cơn giận dữ của nó: những lưỡi lửa, những cung sáng được gọi là “tai lửa” (H. 14 của tập ảnh màu), và đặc biệt là các phun trào phóng hàng tỉ tấn vật chất (proton và electron) vào không gian. Các cơn giận dữ của Mặt trời vì thế cũng có tương quan với chu kỳ 11 năm của các vết Mặt trời. Như vậy, Mặt trời của chúng ta hoạt động mạnh nhất và sáng nhất khi có nhiều vết trên bề mặt nhất, và hoạt động yếu nhất và mờ nhất khi có ít vết Mặt trời nhất. Nhưng nếu độ sáng của Mặt trời đi liền với số các vết Mặt trời, các vết này là các vùng nhiệt độ thấp hơn (1.500 độ Kelvin) và tối hơn các vùng khác của Mặt trời, thì chúng ta có thể tự hỏi tại sao Mặt trời lại sáng nhất khi số các vết Mặt trời lớn nhất chứ không phải là nhỏ nhất. Điều này được giải thích bằng thực tế là các vết Mặt trời luôn bị bao quanh bởi các vùng sáng nóng hơn rất nhiều, lên tới khoảng 2.000 độ Kelvin, như vậy nghĩa là cao hơn nhiệt độ trung bình của Mặt trời. Khi hoạt động của Mặt trời lên mức tối đa, trên Trái đất chúng ta sẽ nhận được ánh sáng nhiều hơn khoảng 0,1%, tức nhiều hơn mức trung bình 342 W/m2 là 0,3 W/m2, và khi hoạt động yếu nhất, thì ít hơn 0,3 W/m2. Các biến thiên này là rất nhỏ: so với các sao cùng khối lượng khác, thì Mặt trời có hành trạng bình lặng và ổn định hơn về độ sáng. Về dài hạn mà nói, cùng với việc Mặt trời già đi, nhiệt độ trong tâm của nó sẽ tăng lên, nó sẽ đốt cháy nhiều nhiên liệu hyđro hơn, do đó kích thước và độ sáng sẽ tăng lên. Nhưng các thay đổi này không xảy ra trong một sớm một chiều: các tính toán dự báo rằng độ sáng của Mặt trời sẽ tăng khoảng 50%, nhưng trong một thời gian rất dài, khoảng bốn tỉ năm. Trong hàng nghìn năm tới, loài người sẽ không phải lo lắng về một Mặt trời sáng hơn và nóng hơn. Mặt trời và khí hậu Trái đất Một biến thiên nhỏ về độ sáng như thế liệu có thể ảnh hưởng đến khí hậu trên Trái đất? Một công suất 0,3 W/m2 ứng với công suất của một bóng Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 37 điện 50W đặt cách xa bốn mét. Thật như một hạt cát trên sa mạc, bạn sẽ nói vậy. Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu đã gợi ý rằng ngay cả các chênh lệch rất nhỏ của ánh sáng Mặt trời nhận được này cũng có thể là nguồn gốc của những đảo lộn sâu sắc đối với khí hậu trên Trái đất. Họ nghĩ rằng sự sụt giảm số các vết Mặt trời, và do đó là sự giảm hoạt động của Mặt trời, có thể sẽ khởi phát các “thời kỳ băng giá nhỏ”, làm nhiệt độ trên toàn cầu giảm 0,5 đến 1 độ. Thực tế, trong quá khứ đã có một thời kỳ dài (1645-1715) Mặt trời ít hoạt động, gọi là “cực tiểu Maunder”, theo tên của nhà thiên văn người Anh đã nghiên cứu nó. Thời kỳ có rất ít vết trên bề mặt Mặt trời này có vẻ khá phù hợp với “thời kỳ băng giá nhỏ” bao trùm Bắc Âu trong một mùa đông băng giá kéo dài ở cuối thế kỷ XVII (H. 50). Dường như cũng có một sự tương quan giữa chu kỳ Mặt trời 22 năm (sau một chu kỳ 11 năm, các vết Mặt trời đảo cực; như vậy phải hai chu kỳ 11 năm, tức 22 năm, thì các vết mới trở lại các cực ban đầu của chúng) với các giai đoạn hạn hán trên Trái đất. Chẳng hạn, ở Bắc Mỹ, các thời kỳ hạn hán kéo dài từ 3 đến 6 năm đã trùng hợp với sự bắt đầu của 8 chu kỳ Mặt trời đã qua. Thời kỳ gần đây nhất là cuối những năm 1950. Tuy nhiên, thời kỳ hạn hán được coi là sẽ xảy ra đầu những năm 1980 đã không thể hiện rõ ràng lắm. Một số nhà nghiên cứu khác cho rằng sự ấm lên toàn cầu quan sát được trong suốt thế kỷ qua là do sự gia tăng hoạt động của Mặt trời. Mặc dù rất khó có thể mô hình hóa chi tiết các tương tác phức tạp giữa khí quyển, các lục Hình 50. Thời kỳ băng giá nhỏ ở cuối thế kỷ XVII ở Châu Âu. Bức tranh này vẽ cảnh mùa hè trông như mùa đông tại Hà Lan thế kỷ XVII. Thời kỳ băng giá nhỏ này liên quan với sự vắng bóng các vết trền bề mặt Mặt trời. 38 những con đường của ánh sáng địa và các đại dương, nhưng các tính toán vẫn chứng tỏ rằng một sự gia tăng 0,1% bức xạ Mặt trời trong thế kỷ qua đã có thể làm tăng tối đa 0,2 độ trên một thế kỷ, thấp hơn nhiều so với 0,6 độ quan sát được. Vả lại, nếu Trái đất nóng lên là do lỗi của Mặt trời, chứ không phải do khí gây hiệu ứng nhà kính mà con người thải rất nhiều vào sinh quyển của mình, thì sẽ giải thích như thế nào về các biến thiên nhiệt độ của Trái đất theo hàm lượng khí cacbonic trong khí quyển Trái đất? Như Shakespeare đã nói rất chí lí trong vở Jules César: “Lỗi không ở các vì tinh tú, mà ở chính chúng ta!”. Ánh sáng, nước và gió Trái đất, “hành tinh xanh”, là hành tinh duy nhất trong hệ Mặt trời có gần ba phần tư bề mặt được nước bao phủ. Trái đất là hành tinh duy nhất nằm cách Mặt trời một khoảng thích hợp để không bị quá nóng (như trên Thủy tinh và Kim tinh) làm cho nước bị bốc hơi hết, cũng không quá lạnh làm cho nước bị đóng băng hoàn toàn như trên các mặt trăng lớn nhất của Mộc tinh là Callisto và Ganymède. Trái đất nằm chính xác trong vùng “sống được”, vùng cho phép nước ở thể lỏng và làm nảy nở sự sống. Các đại dương, các dòng sông và suối choán gần 72% bề mặt địa cầu, tức 360 triệu kilomét vuông. Các đại dương chiếm phần lớn thể tích nước trên Trái đất: 1,4 tỉ kilomét khối nước (hay 1,4 tỉ triệu tấn nước), tức 97,4% tổng thể tích. Nước ngọt chỉ chiếm 2,6%, trong đó 2% bị cầm tù dưới dạng băng trên các đỉnh núi tuyết và trong các tảng băng ở hai cực. Còn hơi nước nằm trong khí quyển Trái đất và ngưng tụ để thi thoảng lại mang mưa đến chúng ta chỉ chiếm một phần rất nhỏ, chỉ 0,001% tổng thể tích nước. Như vậy nước là hợp chất hóa học dồi dào nhất trên Trái đất. Đó cũng là nguồn nuôi dưỡng sự sống quan trọng nhất. Chính nước đã cho phép sự sống nảy nở. Trên thực tế, sự sống đã bắt đầu trong biển. Đại dương là môi trường thuận lợi nhất cho sự sống phát triển: do có mật độ phù hợp, nước không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho các tế bào gặp nhau, mà còn là lá chắn bảo vệ sự sống khỏi các tia cực tím độc hại của Mặt trời thời non trẻ. Lá chắn nước này rất quan trọng, vì cách đây khoảng hai tỉ năm, khi sự sống trên Trái đất mới chập chững những bước đầu tiên, lúc đó vẫn chưa có ôxy và khí quyển Trái đất chưa thể phát triển tầng ozon như ngày nay để bảo vệ chúng ta khỏi các tia cực tím của Mặt trời. Nước không chỉ là mặt phân cách giữa trời và đất, giữa khí quyển và mặt đất, mà còn là thành phần chính của các cơ thể sống: chúng ta được cấu thành 70% từ nước. Không có nước thì thực vật và Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 39 động vật không thể xuất hiện và tồn tại. Ánh sáng và nhiệt lượng của Mặt trời liên tục lao vào cuộc chơi bốc hơi và ngưng tụ với các nguồn lớn nước là các đại dương, để định hình khí hậu và nhào nặn nên hình dạng của các lục địa. Bức xạ Mặt trời làm nóng nước biển và biến nó thành hơi. Để làm cho nước bốc hơi, cần phải cung cấp cho nó rất nhiều năng lượng. Làm cho nước nóng lên đến 100 độ chưa đủ; còn cần phải cho nó thêm nhiệt (gọi là nhiệt hoá hơi) cần thiết để bẻ vỡ các liên kết phân tử của nước lỏng. Ngược lại, khi hơi nước ngưng tụ, lượng lớn nhiệt này sẽ được toả ra. Đó là nguyên lý của cách hấp trong nghệ thuật nấu ăn: nó dựa trên “ẩn nhiệt” của sự ngưng tụ hơi nước. Tương tự, các lượng lớn năng lượng nhập cuộc trong quá trình bốc hơi và ngưng tụ của nước trên Trái đất. Mỗi ngày, hơn 1000 tỉ tấn nước bốc hơi và bay vào khí quyển. Nước tổ chức thành các đám mây, tập hợp các giọt nhỏ nước mưa cân bằng với hơi nước, phiêu du theo gió. Các đám mây này ngưng tụ thành mưa trên biển, và bằng cách đó tái phân bố nhiệt lượng thu được từ Mặt trời dưới dạng mưa. Nước rơi xuống các đại dương, một lần nữa lại bị bốc hơi, và một chu kỳ mới lại bắt đầu. Một số đám mây lang thang về phía các lục địa và lần này đến lượt đất nhận được mưa. Nước mưa chảy trên các sườn dốc, tạo ra các rạch, suối và sông, rồi tất cả lại đổ ra biển, khép kín một chu trình. Nước mưa cũng có thể ngấm vào lòng đất, cung cấp nước cho lớp nước ngầm. Nó hòa tan một số nguyên tố hóa học của đá, qua đó có tác dụng bào mòn cơ học, xóa đi các ghồ ghề của khung cảnh Trái đất. Nhả nhiệt trong mùa đông và tích nhiệt trong mùa hè, biển đóng vai trò quan trọng trong sự điều hòa khí hậu Trái đất. Chẳng hạn, chỉ cần mười xen timét đầu tiên của mặt biển là đủ để hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt của toàn bộ bức xạ Mặt trời. Điều này làm cho nhiệt độ trung bình của nước biển luôn cao hơn nhiệt độ của không khí xung quanh: 17,5 độ so với 15 độ của không khí. Bởi vì các lượng năng lượng khổng lồ của Mặt trời tham gia vào cuộc chơi sưởi nóng hoặc làm lạnh nước biển, nên biển đóng vai trò điều hòa nhiệt trên hành tinh của chúng ta. Các biến thiên nhiệt ở biển không bao giờ quá lớn. Nếu nhiệt độ của các lục địa có thể chênh nhau tới bốn mươi độ vào mùa đông và mùa hè, thì nhiệt độ mặt nước biển không bao giờ biến thiên quá năm độ. Nhiệt được tích tụ trong mùa hè và bốc lên khí quyển trong mùa đông giải thích tại sao mùa đông ở các vùng ven biển luôn ấm hơn các vùng trong đất liền. Đó cũng là lý do tại sao nước Pháp, phần lớn được biển bao bọc, lại có khí hậu ôn hòa. 40 những con đường của ánh sáng Gió và hải lưu cũng tồn tại là nhờ ánh sáng Mặt trời. Gió thổi khi giữa các vùng có chênh lệch áp suất khí quyển - trọng lượng của cột khí trên đầu chúng ta. Không khí càng nóng, thì càng loãng, nên mật độ càng thấp và càng nhẹ hơn, nó càng bay lên cao và áp suất của nó cũng càng thấp. Không khí càng lạnh, thì mật độ càng cao và càng nặng, nó càng đi xuống và áp suất của nó càng lớn. Như vậy, chênh lệch áp suất bắt nguồn từ chênh lệch nhiệt độ của không khí. Không khí tìm cách tự cân bằng áp suất. Vì vậy nó di chuyển song song với mặt đất từ vùng có áp suất cao đến các vùng áp suất thấp. Chính chuyển động này của không khí sinh ra gió làm mát chúng ta trong những ngày hè oi bức và làm cho mùa đông thêm lạnh lẽo. Chuyển động của không khí cũng là nguyên nhân gây ra hải lưu: không khí nóng ở các vùng nhiệt đới bay lên và hướng về phía các cực, ở đó nó bị lạnh đi và bay về phía xích đạo, tạo ra gió trên mặt đại dương, gió này gây ra các hải lưu đẩy nước nóng của các miền vĩ độ thấp sang các miền có vĩ độ cao, và nước lạnh đi theo chiều ngược lại. Ánh sáng và sự sống Hiện nay, chúng ta vẫn còn chưa biết bằng cách nào sự sống đã xuất hiện trên Trái đất cách đây khoảng 3,8 tỉ năm, bằng cách nào mà các hạt bụi sao vô sinh lại có thể lắp ráp để cho ra đời các vật hữu sinh. Sự sống có phải đã xuất hiện trên bề mặt Trái đất như cha đẻ của thuyết tiến hóa Charles Darwin (1809-1882) từng nghĩ? Darwin đã miêu tả sự xuất hiện của sự sống như thế này: “Chúng ta có thể hình dung rằng trong một vũng nước ấm nào đó có tất cả các loại amoniac và muối phospho, ánh sáng, nhiệt, điện, v.v..., một hợp chất protein đã được hình thành về mặt hóa học, sẵn sàng chịu các thay đổi còn phức tạp hơn”14 . Trong kịch bản này, ánh sáng đóng vai trò thiết yếu. Chính ánh sáng mang lại nhiệt và năng lượng cần thiết cho sự đột sinh của các tế bào đầu tiên; chính ánh sáng, với sự trợ giúp của các tiểu hành tinh liên tục bắn phá Trái đất thuở ban đầu, đã sưởi ấm cái “vũng nước ấm” đó. Nhưng người ta đã phát hiện thấy các sinh vật sống và sinh sôi trong những điều kiện cực hạn như các môi trường cực nóng (sinh vật ưa nhiệt), axit (sinh vật ưa axit) hay mặn (sinh vật ưa mặn) thách thức mọi sự tưởng tượng của con người. Phát hiện này đã gieo một nghi ngờ đối với kịch bản “vũng nước ấm” yêu quý của Darwin. Cuối những năm 1970, một nhóm các nhà hải dương ❖ 14 Thư viết cho nhà thực vật học Joseph Dalton Hocker, được đưa vào trong The Life and Letters of Darwin, NXB F. Darwin, tập 2, D. Appleton, New York, 1887. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 41 học đã phát hiện ra dưới đáy Thái Bình Dương, trong kẽ nứt Galapagos, sâu khoảng 2,5 km dưới biển, một hệ động vật phong phú gồm cua, những non sâu khổng lồ và các vi khuẩn sống nhung nhúc xung quanh các ống thông núi lửa khổng lồ trong một môi trường hoàn toàn không có ánh sáng. Các ống thông núi lửa nhả vào đại dương các dòng nham thạch phun ra từ lòng Trái đất, và nước biển bị nóng lên đến khoảng 1100C, tức cao hơn nhiệt độ của nước sôi15 . Các sinh vật ưa nhiệt, có thể sinh sôi phát triển ở nhiệt độ lên tới 1700C, chắc chắn không giống các dạng sự sống quen thuộc với chúng ta. Đúng là một số động vật sống trên sa mạc có thể chịu được các nhiệt độ nóng bỏng khoảng 50 độ, nhưng vượt qua ngưỡng này thì con người, động vật và thực vật bắt đầu bị nướng chín. Nhiệt độ quá cao làm cho protein bị biến dạng và các enzyme trở nên mất tác dụng. Bạn có thể thấy rõ điều này với quả trứng luộc: nó trở nên trắng và cứng. Ngoài các nhiệt độ nóng bỏng quanh các ống thông núi lửa, đáy biển chìm đắm hoàn toàn trong bóng tối; ánh sáng Mặt trời không thể xuyên xuống các độ sâu hơn hai kilomét. Trước khi phát hiện ra các sinh vật ưa nhiệt, các nhà sinh học cho rằng ánh sáng Mặt trời là không thể thiếu đối với mọi dạng sự sống. Cây cối úa tàn nếu không có ánh sáng, và động vật đến lượt mình lại phụ thuộc vào cây cối và các động vật khác làm nguồn thức ăn để duy trì sự sống. Cần phải kết luận ngay rằng loại lập luận này không thể áp dụng cho sinh vật ưa nhiệt. Người ta cho rằng chúng lấy năng lượng sống không phải từ ánh sáng Mặt trời, mà trực tiếp từ chất lỏng nóng mà núi lửa phun ra từ các ống thông dưới đáy biển. Nhiều năm sau, sự khoan thăm dò dầu hoả đã cho thấy sinh vật ưa nhiệt không chỉ tồn tại trong các khu vực quanh ống thông núi lửa, mà còn cả dưới đáy biển và ở những chỗ rất sâu (từ 0,5 đến 3 km) trong lòng đất liền, vốn là những chỗ mà ánh sáng cũng hoàn toàn không thể xuống tới được. Mặt khác, nhiều nghiên cứu cũng đã chứng tỏ rằng gen của các sinh vật ưa nhiệt giống như hai giọt nước với gen của các sinh vật cổ xưa nhất trong cây phả hệ của sự sống, tức các vi khuẩn cổ sinh. Từ đó có quan điểm cho rằng sự sống đã có thể bắt đầu ở những khu vực rất sâu dưới đáy biển, trong một môi trường cực kỳ nóng, hoàn toàn không có ánh sáng, để rồi sau đó ngoi lên mặt nước. ❖ 15 Nhưng nước biển không không vì thế mà bị sôi, vì ở các áp suất lớn dưới đáy biển, nhiệt độ sôi lớn hơn 1000C. 42 những con đường của ánh sáng Sự sống liệu có thể sinh ra dưới đáy biển sâu mà không cần ánh sáng? Khí quyển của Trái đất nguyên thủy trước khi sự sống xuất hiện, cách đây khoảng bốn tỉ năm, là không thở được, thậm chí rất độc hại: không có ôxy, nhưng lại rất giàu metan, amoniac, nước, hyđro, dioxit carbon, nitơ và các khí thối khác. Môi trường lúc đó rất khắc nghiệt: nhiệt độ trên bề mặt Trái đất lên tới khoảng 1000C do bị các tiểu hành tinh bắn phá dữ dội. Nhiệt độ này đúng là nóng bỏng nhưng còn thấp hơn rất nhiều nhiệt độ 1500 độ của 500 triệu năm trước đó khi số các bắn phá của các tiểu hành tinh lên đến cực đại. Do ngưng tụ, hơi nước rơi thành mưa như trút, tạo ra các đại dương đầu tiên. Các cơn giông liên tục nổ ra, kèm theo đó là chớp giật sáng rực bầu trời. Về phần mình, núi lửa phun các dòng nham thạch sôi sùng sục lên mặt đất nóng bỏng. Ngoài ra, hành tinh của chúng ta còn nhận được những lượng rất lớn ánh sáng cực tím của Mặt trời non trẻ, vì tầng ozon bảo vệ vẫn chưa tồn tại, ôxy vẫn chưa xuất hiện. Trong một môi trường như thế, liệu sự sống có cơ hội, dù là rất nhỏ, để đột sinh hay không? Năm 1953, để tìm hiểu vấn đề này, chàng nghiên cứu sinh trẻ tuổi người Mỹ là Stanley Miller làm luận án tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của nhà hóa học Harold Urey, đã quyết định tái tạo trong phòng thí nghiệm các điều kiện của Trái đất nguyên thủy. Stanley bơm vào quả bóng kín một hỗn hợp metan, amoniac, hyđro và nước, coi đó là khí quyển khởi thủy, và phóng điện vào quả bóng này nhằm mô phỏng các tia chớp trong các cơn giông nguyên thủy. Nước liên tục được tuần hoàn thông qua bốc hơi và ngưng tụ để mô phỏng đại dương nguyên thủy. Kết quả đã vượt quá mức mong đợi: sau hai ngày, hỗn hợp có một màu đỏ-nâu; phân tích “hỗn hợp khởi thủy” này đã cho thấy sự hiện diện của các phân tử hữu cơ (như focmandehit) và hơn một chục axit amin, trong đó có sáu phân tử là các viên gạch cơ bản tạo nên các protein có trong tất cả các dạng sự sống ngày nay! Thật là ngây ngất: dường như người ta đang đi đúng đường để tái tạo những bước chập chững đầu tiên của sự sống trong phòng thí nghiệm! Nhưng ngày nay, hơn 50 năm sau, niềm phấn khích đó đã chùng xuống. Và sở dĩ như vậy là vì một lý do cơ bản: từ giữa những năm 1980 người ta cho rằng khí quyển nguyên thủy của Trái đất không được cấu thành từ hyđro và các hợp chất có chứa hyđro như metan và amoniac, mà là từ khí cacbonic và nitơ phân tử, giống như khí quyển của Mộc tinh và Kim tinh. Thế nhưng, nếu thay thế metan bằng khí cacbonic và lặp lại thí nghiệm của Miller, thì thật thất vọng, các axit amin hoàn toàn không xuất hiện! Giả thiết về sự sống đột sinh Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 43 trong một “vũng nước ấm” trên bề mặt Trái đất, như Darwin từng nghĩ, không còn được ủng hộ nữa. Với sự phát hiện ra các sinh vật ưa các điều kiện cực hạn, người ta đã quay lại giả thiết về một sự sống đột sinh trong bóng tối ở sâu thẳm đại dương, nơi mà ánh sáng không thể xuyên tới. Trong kịch bản này, sự sống được sinh ra trong biển sâu sau đó mới đi lên mặt nước. Bằng chứng là các khí độc hại và nóng trên ba trăm độ thoát ra từ các ống thông núi lửa ngầm dưới đáy biển, ở đó các sinh vật ưa các điều kiện cực hạn sinh sôi và phát triển, gợi cho người ta nhớ đến các khí được cho rằng phải xuất hiện ở những thời khắc đầu tiên của Trái đất – đó là khí cacbonic, hyđro, nitơ, metan và các chất chứa hyđro khác. Thế nhưng, lặp lại thí nghiệm của Miller với hỗn hợp khí phát ra từ các ống thông núi lửa dưới đáy biển, và trong các điều kiện tương tự về nhiệt độ và áp suất, các axit amin đã xuất hiện như để trêu ngươi họ! Vậy liệu sự sống liệu có thực sự bắt đầu trong bóng tối dưới đáy biển sâu, không có sự hiện diện của ánh sáng Mặt trời? Ngay cả khi điều này là đúng đi nữa, thì con đường vẫn còn rất dài để đi từ các axit amin trơ đến cơ thể sống đầu tiên, có khả năng sinh sản và tiến hóa! Cho tới nay, vấn đề vô sinh chuyển sang hữu sinh bằng cách nào vẫn là một trong những vấn đề huyền bí nhất và cơ bản nhất của sinh học hiện đại. Cây cối sống bằng không khí Dù sự sống đã đột sinh từ nơi sâu thẳm hay trên bề mặt Trái đất, hay, một giả thiết thứ ba, sự sống đã được mang đến Trái đất từ các sao chổi hay các tiểu hành tinh (giả thiết được gọi là “tha sinh”16 ), dù ánh sáng có vai trò hay không trong sự ra đời của sự sống, thì vẫn có một điều chắc chắn, đó là chỉ một nguồn năng lượng duy nhất dồi dào và tương đối ổn định như nguồn năng lượng được cung cấp bởi ánh sáng Mặt trời của chúng ta, kết hợp với một khí quyển có khả năng giữ được phần lớn năng lượng này, mới có thể mang lại cho hành tinh xanh của chúng ta một khí hậu đủ ổn định, cho phép sự sống nảy nở và phát triển khoảng 3,8 tỉ năm sau khi Trái đất bước lên sân khấu. Trong số tất cả các sự kiện xảy ra trong thời kỳ dài đầy sóng gió này, sự sáng tạo ra quang hợp có lẽ là đáng chú ý nhất và quan trọng nhất. Nó không chỉ ❖ 16 Xem Trịnh Xuân Thuận, Nguồn gốc - Nỗi hoài niệm về những thuở ban đầu, Phạm Văn Thiều và Ngô Vũ dịch, NXB Trẻ 2006, chương V. 44 những con đường của ánh sáng cho phép chuyển hóa năng lượng Mặt trời thành năng lượng hóa học (là cơ sở của sự trao đổi chất của tất cả các sinh vật), mà còn làm thay đổi hoàn toàn vẻ bề ngoài của hành tinh của chúng ta bằng cách cho phép đội quân xanh xâm chiếm các lục địa và sinh sôi phát triển ở đó. Nó đã khởi phát một sự thay đổi sâu sắc tới mức tất cả các dạng sự sống trên mặt đất ngày nay đều phụ thuộc vào ánh sáng Mặt trời - hoặc là trực tiếp, hoặc là gián tiếp, thông qua ôxy, một sản phẩm của quang hợp - để tồn tại. Không có ánh sáng, sự sống trên mặt đất là không thể. Không chỉ cây xanh làm cho tâm hồn ta tươi mát, mà chúng còn giúp chúng ta duy trì sự sống thông qua việc đón nhận ánh sáng Mặt trời để tạo nguồn thức ăn cho con người. Bằng cách làm khí quyển giàu thêm ôxy, cây xanh cho phép chúng ta hô hấp. Vậy bằng cách nào cây cối đã có thể sáng tạo và hoàn thiện trò ảo thuật khéo léo này? Đó là bằng quá trình gọi là quang hợp - phản ứng hóa học quan trọng nhất và cần thiết nhất cho sự sống còn của chúng ta trên Trái đất. Các nhà khoa học đã vấp phải nhiều khó khăn trong quá trình giải mã các bí mật của quang hợp và phải mất khoảng bốn thế kỉ họ mới tìm ra câu trả lời chính thức. Sở dĩ như vậy là vì một trong các khí liên quan đến quang hợp, khí cacbonic, là loại khí không nhìn thấy được và tương đối hiếm trong khí quyển Trái đất. Cách đây hơn 350 năm, bác sĩ và nhà hóa học người xứ Flamand Jan Baptist van Helmont (1579-1644) là người đầu tiên tự vấn về phương thức dinh dưỡng của cây cối. Ông đã trồng một cây liễu non trong một cái chậu và quan sát sự sinh trưởng của cây bằng cách ghi chép cẩn thận trọng lượng của cây, của đất trong chậu, của nước mà ông dùng để tưới cây, v.v... Sau 50 năm, trọng lượng của cây đã tăng lên khoảng 70 kg, nhưng trọng lượng của đất gần như vẫn nguyên vẹn. Từ đó Helmont đã suy ra rằng sự tăng trọng lượng của cây chủ yếu là nhờ nước. Như một trò đùa của số phận: mặc dù nhà hóa học người Flamand này là người đã đặt ra cái tên “chất khí”, nhưng ông vẫn nghĩ rằng các khí là các thể trơ và không bao giờ có thể ảnh hưởng lên sự trao đổi chất trong cây liễu của ông. Quan điểm về cây có thể sống bằng không khí vẫn nằm cách xa đầu ông ngàn trùng! Cần phải đợi đến thế kỷ XVIII thì các nhà hóa học người Pháp Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) và người Anh Joseph Priestley (1733-1804) mới tiến hành xác định về mặt hóa học các khí trong không khí. Nhờ hiểu biết này, Priesley đã chứng tỏ được rằng cây cối sử dụng các khí trong khí quyển cho quá trình trao đổi chất của chúng, nhưng theo cách ngược với động vật Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 45 Hình 51. Sự quang hợp của cây cối. Bằng cách hấp thụ nước có trong đất và khí cacbonic trong không khí, cây cối tạo ra ôxy và đường. hay ngược với quá trình đốt cháy. Thay vì tiêu thụ ôxy, như trong trường hợp động vật hít thở hay trong sự đốt cháy, cây cối sử dụng khí cacbonic và nhả ra ôxy (H. 51). Như Priestley đã tóm tắt ngắn gọn: “Không khí mà một cây nến cháy sử dụng được tái tạo bởi một cây đang lớn lên”. Cây cối thu nhận ánh sáng Mặt trời Cuối thế kỷ XVIII, người ta ngây thơ nghĩ rằng ôxy chẳng qua bắt nguồn từ sự phân li của khí cabonic (CO2): cây giữ carbon đồng thời nhả ra ôxy (O2). Người ta nghĩ ra một phản ứng hóa học kiểu: 6.CO2 + 6 O2 + năng lượng Mặt trời → C6H12O6 + 6O2. Sáu nguyên tử carbon trong cây kết hợp với sáu phân tử nước (H2O) - do rễ cây hấp thụ từ đất - để tạo ra một phân tử đường (hay carbon hydrate) và sáu nguyên tử ôxy. Nếu sự cân bằng về số các nguyên tử 46 những con đường của ánh sáng liên quan trong các phản ứng hóa học trên là đúng, thì cơ chế được tưởng tượng ra ở đây là sai. Mãi một thế kỷ rưỡi sau - nhờ công lớn của nhà hóa học người Mỹ Melvin Calvin (1911-1997), người được giải Nobel hóa học năm 1961 – người ta mới nhận thấy rằng ôxy trên thực tế không bắt nguồn từ sự phân li của khí cabonic, mà từ sự phân li của nước. Ngày nay người ta biết rằng có hai phản ứng khác nhau: một phản ứng “sáng” chuyển hóa năng lượng của ánh sáng Mặt trời thành năng lượng hóa học và lưu giữ nó trên các phân tử nhỏ (được đặt tên là ATP và NADPH), và một phản ứng “tối” không cần ánh sáng nhưng sử dụng năng lượng hóa học sinh ra từ phản ứng sáng để chuyển hóa khí cacbonic thành các phân tử hữu cơ (các phân tử chứa carbon). Chính sự điều hòa hoạt động này đã làm cho cây cối sinh trưởng, mang lại phúc lợi cho con người. Ở phần lớn cây xanh, hai phản ứng cách nhau về không gian, nhưng diễn ra đồng thời. Tuy nhiên, một số cây, như xương rồng sa mạc, lại đóng các lỗ lá ban ngày để giảm thiểu sự bay hơi, và chỉ mở chúng vào ban đêm để hấp thụ khí cacbonic. Như vậy, phản ứng sáng xảy ra ban ngày và phản ứng tối vào ban đêm. Bộ phận quang hợp của cây cối là một trong các cỗ máy phức tạp nhất, đòi hỏi hơn một chục phân tử phải được sắp xếp theo một trật tự đặc biệt để cho phép electron nhảy từ một phân tử này sang một phân tử khác. Quang hợp được thực hiện bên trong các cấu trúc rất nhỏ hình thấu kính gọi là “diệp lục thể”, bản thân chúng lại được chứa trong các cấu trúc lớn hơn, đó là các tế bào thực vật. Diệp lục thể chứa các sắc tố, chủ yếu là các sắc tố diệp lục, gắn liền với các protein. Cấu trúc nguyên tử của diệp lục làm cho nó hấp thụ các phần đỏ và lam của ánh sáng Mặt trời, nhưng để cho các thành phần màu khác đi qua. Chính vì thế cây có màu xanh lục, nằm giữa lam và đỏ trong ánh sáng bị phân tách của Mặt trời, nó có một bước sóng trung bình là 500 nanomét, làm mát mắt chúng ta. Các sắc tố của diệp lục bắt ánh sáng Mặt trời dưới dạng các photon để chuyển hóa thành năng lượng hóa học. Các giai đoạn chính của phản ứng sáng như sau: các photon Mặt trời đẩy electron của các sắc tố chạy dọc theo một chuỗi các chất vận tải phân tử, điều này đòi hỏi một sự cung cấp các electron mới. Sự đổi mới electron này được thực hiện nhờ sự phân li các phân tử nước, mỗi phân tử này, như đã biết, được cấu thành từ hai nguyên tử hyđro và một nguyên tử ôxy. Nước bị phân tách giải phóng electron, proton (hãy nhớ rằng một nguyên tử hyđro được cấu thành từ một proton và một electron) và ôxy. Ôxy được chuyển đi, trong khi proton khởi phát hoạt động của các phân tử Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 47 nhỏ ATP (viết tắt của “adénosine triphosphate”), mà năng lượng của nó sẽ được sử dụng trong phản ứng tối cho sự tổng hợp đường (các phân tử hữu cơ chứa carbon) từ khí cacbonic. Rốt cuộc, nhờ năng lượng Mặt trời, carbon chuyển từ CO2 của không khí vào đường của cây, trong khi ôxy của nước được giải phóng. Cây cối chỉ sử dụng 0,06% năng lượng mà Mặt trời tỏa xuống Trái đất, tức 9,6.1014 kW/h, nhưng như thế cũng đã lớn hơn gấp bốn lần năng lượng mà chúng ta tiêu thụ cho các nhu cầu của bản thân chúng ta. Bằng cách tiêu thụ năng lượng này, đội quân xanh nuôi toàn bộ hệ sinh quyển, kể cả hơn sáu tỉ người, những người đã tạo ra một sinh khối lớn hơn sinh khối của tất cả các loài vật đã từng sống trên Trái đất một trăm lần. Cuộc cách mạng ôxy Tế bào thực vật đã phát triển như thế nào một cơ chế tinh vi đến thế để sử dụng ánh sáng Mặt trời chuyển hóa khí cacbonic và nước thành đường và ôxy? Trên thực tế, chúng đã thừa hưởng cơ chế quang hợp của các vi khuẩn cổ xưa. Cách đây khoảng 3,8 tỉ năm (thời gian xuất hiện các tế bào đầu tiên hiện còn chưa rõ) đã xuất hiện trên Trái đất một vi khuẩn nguyên thủy, tổ tiên chung của toàn bộ thế giới sinh vật. Thực tế, ông tổ của muôn loài này là một vi khuẩn đơn bào. Tế bào, đơn vị cơ bản của sự sống, được một màng rất mỏng, dày khoảng vài chục phần triệu millimet bao bọc. Màng này không bịt kín, mà cho phép tế bào liên tục trao đổi vật chất, năng lượng và thông tin với bên ngoài. Cũng giống như mọi cơ thể sống khác, để tồn tại vi khuẩn cần năng lượng và thức ăn. Bởi vì khí quyển nguyên thủy không có ôxy, nên việc hô hấp - hít thở ôxy – là không thể. Giống như các sinh vật ưa nhiệt ngày nay nhảy múa quanh các ống thông nóng dưới đáy biển, những vi khuẩn đầu tiên có lẽ đã phải thỏa mãn nhu cầu năng lượng của mình bằng cách sử dụng năng lượng hóa học của các dòng chảy núi lửa. Phản ứng hóa học của sulfua sắt với hyđro sulfua trên thực tế là nguồn năng lượng dưới dạng hyđro. Năng lượng này cho phép các sinh vật ưa nhiệt chuyển hóa các khoáng chất thành chất hữu cơ. Nhưng quá trình hóa hợp này không hiệu quả lắm. Theo thời gian, thông qua tiến hóa và chọn lọc tự nhiên, cỗ máy tế bào được hoàn thiện để tạo ra năng lượng một cách hiệu quả hơn. Một số thế hệ sau của tế bào tổ tiên chung này đã phát triển hô hấp và quang hợp “kị khí” (không ôxy). Rồi các vi khuẩn lam (cyanobacterie - tiếng Hy Lạp kyanos nghĩa là xanh lam) đã sáng tạo ra quang hợp ưa khí (có ôxy) mà ngày nay chúng ta biết. Các khuẩn lam này thích kết 48 những con đường của ánh sáng với nhau thành chuỗi đa bào giống một số loại cây dưới đáy biển nguyên thủy, chẳng hạn như tảo lam. Chúng đã xuất hiện cách đây khoảng 3,5 tỉ năm, mà bằng chứng là thời kỳ đá phân tầng sinh ra từ sự chồng chập các khối vi khuẩn ở châu Phi và châu Úc. Các khuẩn lam phân tách nước biển để lấy hyđro. Nhưng chúng phải giải quyết một vấn đề quan trọng: đó là khử ôxy được giải phóng bởi quá trình này, vì đối với các sinh vật kị khí, ôxy là một chất độc nguy hiểm có khả năng phá hủy một số thành phần tế bào thiết yếu như ADN. Các khuẩn lam đầu tiên không có bất kỳ khả năng tự vệ nào chống lại các tác dụng độc hại của ôxy. Do đó, một cuộc chết dần hết mòn đã diễn ra một cách từ từ kéo dài tới cả một tỉ năm, và trong khoảng thời gian đó, sự sống đã có đủ thời gian để phát triển các chiến lược để sinh tồn và thích nghi. Cách đây khoảng 2,5 tỉ năm, thông qua chọn lọc tự nhiên và biến đổi gen, cuối cùng enzym đã được tạo ra, cho phép các khuẩn lam còn sót lại tống được ôxy ra ngoài. Vì đã giải quyết được vấn đề này, cộng với sự giúp đỡ của ánh sáng Mặt trời, vi khuẩn bắt đầu chuyển hóa nước và khí cacbonic thành chất dinh dưỡng và ôxy. Ôxy được giải phóng đã ôxy hóa sắt có trong nước biển. Chính nhờ có các mỏ trầm tích giàu sắt ôxy hóa (hay gỉ sắt) mà người ta đã xác định được niên đại của thời kỳ cực kỳ quan trọng, trong đó các khuẩn lam đã sáng tạo ra quá trình quang hợp. Các mỏ lâu đời nhất trong số các mỏ trầm tích này xuất hiện cách đây khoảng 2,5 tỉ năm. Cách đây khoảng 1,9 tỉ năm, hoạt động núi lửa đã giảm đi đáng kể, lượng sắt bị núi lửa phóng ra và hòa tan trong nước biển đã giảm xuống như miếng da lừa của Balzac. Ôxy, vì không thể kết hợp với sắt được nữa, nên tích tụ trong biển và cuối cùng thoát vào khí quyển. Trong hàng tỉ năm tiếp theo, khí quyển dần dần giàu thêm ôxy để ổn định ở mức mà chúng ta biết hiện nay: khoảng 21%. Còn về các thành phần khác của khí quyển, như chúng ta đã biết, đó là nitơ (78%), argon (0,9%), khí cacbonic (0,03%) và một chút hơi nước biến thiên từ không quá 0,1% trong các vùng sa mạc cho tới 3% trong các vùng ẩm ướt. Một lỗ thủng trong tầng ôzôn Trái đất không chỉ nhận từ Mặt trời ánh sáng hữu ích. Chúng ta đã thấy rằng Mặt trời còn mang đến cho chúng ta các tia rất giàu năng lượng, đặc biệt là các tia cực tím (H. 52), và cả một lượng nhỏ các tia gamma và tia X. Mặc dù chỉ chiếm 9% ánh sáng Mặt trời, nhưng các tia cực tím có khả năng phá hủy các Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 49 Các tia cực tím của Mặt trời (UV) (độ cao) 50 km 15 km Đất UV-C 200-280 nm UV-B 280-320 nm Tầng ôzôn UV-A 320-400 nm Không gian giữa các hành tinh Tầng giữa khí quyển Tầng bình lưu Tầng đối lưu Hình 52. Các tia cực tím Mặt trời. Đúng là tầng ôzôn bảo vệ chúng ta tránh được ánh sáng cực tím, giàu năng lượng và độc hại nhất (ánh sáng cực tím loại C và một phần lớn ánh sáng cực tím loại B) tới từ Mặt trời, nhưng nó vẫn cho qua một phần ánh sáng loại B và ánh sáng loại A mà chúng ta cần phải tránh. tế bào sống. Chúng ta ai cũng đều biết tới nguy cơ ung thư da khi phơi nắng quá nhiều để có một làn da rám nắng. Nhưng, nếu các tia cực tím có hại, thì chúng lại chuộc lỗi bằng cách tạo ra chiếc “dù” bảo vệ chúng ta tránh được các tác hại do chúng gây ra. Thực tế, các tia cực tím của Mặt trời đủ năng lượng để phá vỡ một lượng nhất định các phân tử ôxy trong khí quyển, giải phóng các nguyên tử ôxy và sau đó các nguyên tử ôxy này kết hợp với các phân tử ôxy khác để tạo thành các phân tử ôzôn. Ôzôn là phân tử ôxy chứa ba nguyên tử (O3) thay vì hai (O2) mà chúng ta vẫn hít thở hàng ngày. Tầng ôzôn nằm ở độ cao từ 15-50 km trên mặt đất, trong tầng bình lưu thấp của khí quyển. Không khí ở đó hiếm tới mức nếu nén toàn bộ tầng ôzôn để nó có cùng áp suất với không khí trên mặt đất, thì nó sẽ chỉ dày có 3 milimét! Tầng ôzôn đã được hình thành cách đây khoảng 400 triệu năm, khi đội quân xanh rời biển để tràn vào đất liền và làm cho khí quyển Trái đất giàu thêm ôxy thông qua quá trình quang hợp. Nó đóng một vai trò vô cùng quan trọng đối với sự sống trên Trái đất, vì nó bảo vệ chúng ta tránh được các tia cực tím giàu năng lượng nhất của Mặt trời (những tia loại C) bằng cách hấp thụ chúng. Không có tầng ôzôn, thì tất cả chúng ta sẽ đều bị ung thư da. Tóm 50 những con đường của ánh sáng lại, Mặt trời truyền đến một tia có khả năng tạo ra một vòng bảo vệ chúng ta tránh được tác dụng độc hại của chính...tia này! Năm 1986, nhờ các hình ảnh chụp từ vệ tinh, thế giới đã sửng sốt biết rằng khí quyển Trái đất đã bị “rách” ở bên trên Nam cực, tạo ra cái mà ngày nay được biết tới dưới cái tên “lỗ thủng tầng ôzôn” (H. 15 trong tập ảnh màu). Lỗ “thủng” này không hoàn toàn trống rỗng; mà là vùng có hàm lượng ôzôn liên tục giảm: năm 1995, nó chỉ còn bằng một nửa của năm 1970. Một lần nữa người ta lại nghĩ rằng nguyên nhân của chuyện này chính là hoạt động của con người. Như chúng ta đã biết, ôzôn được sinh ra một cách tự nhiên khi các tia cực tím Mặt trời phá vỡ ôxy phân tử thành hai nguyên tử ôxy, hai nguyên tử này sau đó kết hợp với một nguyên tử thứ ba. Sau khi được hình thành, phân tử ôzôn (O3) một lần nữa lại bị tia cực tím phá vỡ thành một phân tử ôxy (O2) và một nguyên tử ôxy (O). Giữa các chu kỳ sinh và hủy này đã thiết lập một sự cân bằng duy trì hàm lượng ôzôn ổn định. Thế nhưng, người ta đã nhận thấy rằng con người đã dại dột gây ô nhiễm khí quyển bằng các chất như clo và brome. Clo bắt nguồn từ các phân tử phức tạp gọi là “cloflorocabon” hay CFC, được tạo ra trong những năm 1930 và được dùng cho công nghệ làm lạnh (CFC được dùng làm tác nhân gây lạnh dưới tên gọi là “fréon”) và các bình xịt. Brome được phái sinh từ các sản phẩm dùng trong các bình cứu hỏa hay một số loại thuốc trừ sâu trong nông nghiệp. Các chất lạ này phá vỡ sự cân bằng của các chu kỳ sinh và hủy bên trong tầng ôzôn, tạo điều kiện thuận lợi cho hủy hơn là sinh (chỉ một nguyên tử clo cũng có thể phá hủy khoảng 100.000 phân tử ôzôn) và như vậy tạo ra một “lỗ thủng” trong lá chắn tự nhiên của Trái đất. Sự xuất hiện của CFC đã làm giảm hàm lượng ôzôn trên toàn cầu khoảng 5% từ năm 1970. Rất may cho sức khỏe của chúng ta, và khác với vấn đề ấm lên toàn cầu, nhân loại đã nhanh chóng ý thức được sự cấp bách của vấn đề lỗ thủng tầng ôzôn. Chẳng hạn, năm 1987 Nghị định thư Montréal đã được ký kết, theo đó các nước công nghiệp lớn nhất cam kết giảm sử dụng CFC và các sản phẩm khác có khả năng phá hủy tầng ôzôn. Kể từ năm 1995, người ta đã thấy các chất độc hại này đã giảm rõ rệt trong khí quyển Trái đất. Nhưng bởi vì CFC là các chất rất bền vững (tuổi thọ lên đến 100-200 năm), nên người ta không thể mong lỗ thủng tầng ôzôn được vá lành ngày một ngày hai. Chí ít thì nó cũng không tiếp tục mở rộng thêm. Các hình ảnh nói với chúng ta rằng mức ôzôn toàn cầu sẽ không thể phục hồi trở lại mức của những năm 1970 trước năm 2050 được. Nếu ôzôn đóng một vai trò có lợi như thế bằng cách hấp thụ các tia cực tím Mặt trời, và nếu chúng ta hoàn toàn có lý khi lo nó bị phá hủy, thì có thể Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 51 bạn sẽ tự hỏi tại sao vào những ngày hè nóng bức chúng ta lại phải lo lắng khi ôzôn được sinh ra quá nhiều và các nhà khí tượng phải đưa ra các “báo động ôzôn”. Vậy ôzôn xấu hay tốt cho sức khỏe của chúng ta? Vì ôzôn cũng có năm bảy loại, chúng ta không nên nhầm lẫn! Ôzôn trong khí quyển bảo vệ chúng ta khỏi các tia cực tím độc hại; nó đóng vai trò có lợi không phải bàn cãi. Ngược lại, ôzôn trên mặt đất, mà chúng ta hít thở, chắc chắn lại là độc hại. Ôzôn này là sản phẩm của các phản ứng hóa học khởi phát bởi bức xạ mạnh của Mặt trời mùa hè từ các khí thoát ra từ ống xả xe ôtô trong thành phố (chính vì thế chúng ta phải tránh đi xe riêng mà nên sử dụng các phương tiện công cộng vào những ngày trời nóng) và còn cả từ phân bón trong nông nghiệp nữa. Nó làm rát mắt, ngứa mũi và hại phổi. Cần phải tránh nó. Quá nhiều nắng cũng có hại cho sức khỏe Nếu tầng ôzôn bảo vệ chúng ta khỏi ánh sáng cực tím của Mặt trời giàu năng lượng nhất và độc hại nhất (ánh sáng có bước sóng từ 200 đến 280 nm, và được gọi là cực tím loại C), thì nó lại cho qua các tia cực tím ít năng lượng hơn (những tia cực tím loại B có bước sóng từ 280 đến 320 nanomet và những tia loại A có bước sóng từ 320 đến 400 nanomet) (H. 52), nhưng chúng vẫn có những ảnh hưởng nhất định đến sức khỏe của chúng ta. Cơ thể của chúng ta có cách để tự bảo vệ khi bị phơi dưới ánh nắng Mặt trời: các tế bào biểu bì chứa các sắc tố gọi là “mélanine”. Mélanine hấp thụ các tia cực tím và bảo vệ một phần các tế bào da tránh được những tác hại của chúng. Do có màu sẫm, nên nó là nguyên nhân tạo màu rám nắng cho da mà phụ nữ phương Tây rất thích, nhưng lại bị phụ nữ phương Đông e sợ (ở châu Á, người có làn da rám nắng thường là người lao động chân tay dưới ánh nắng Mặt trời ở nông thôn). Có hai loại mélanine: một đỏ và một đen, làm cho chúng ta phản ứng khác nhau với ánh nắng. Một số người rất dễ rám nắng trong khi một số người khác da lại ửng đỏ như cà chua! Hiệu quả hấp thụ tia cực tím của mélanine đỏ kém mélanie đen một nghìn lần. Mélanine đỏ có nhiều ở những người tóc hung, những người có một làn da đặc biệt nhạy cảm với ánh nắng. Trái lại, những người da đen chịu tốt hơn các tia cực tím của Mặt trời. Giữa hai thái cực này, tất cả các cấp độ màu da và chịu nắng đều khả dĩ. Nhưng mélanine chỉ giữ lại được hai phần ba các tia cực tím, nó cho qua một phần ba còn lại. Các tia không bị bắt giữ có khả năng phá hủy các tế bào da nếu da phải nhận chúng quá nhiều. Những người bị say nắng sau một ngày 52 những con đường của ánh sáng phơi mình trên bãi biển có thể cảm thấy rõ điều đó. Khi họ phơi nắng quá lâu, các tế bào da bị tấn công sẽ kích hoạt một hệ thống bảo vệ: các mạch máu giãn ra để các chất có khả năng chữa trị các vùng bị tổn thương lan đến biểu bì nhanh hơn. Sự giãn ra này nén các đầu mút dây thần kinh của da, làm cho nó đỏ và đau. Thậm chí có thể gây ra sốt, vì các tế bào bị tổn thương giải phóng chất độc vào máu. Hàng triệu tế bào bị chết, da bắt đầu bị bong. Sau một thời gian, các tế bào mới được sinh ra để thay thế chúng, da trở lại vẻ bình thường, và tất cả lại đâu vào đấy, ngoại trừ kí ức nóng bỏng về những ngày mà da bị ánh nắng thiêu đốt. Phơi nắng quá lâu cũng có thể làm tăng nhiệt độ của cơ thể, giảm huyết áp và đau đầu. Say nắng đặc biệt nguy hiểm đối với người già và trẻ nhỏ. Vì vậy, trong các đợt nắng nóng, nên thường xuyên tắm rửa và tránh tối đa có thể các hoạt động thân thể. Khi tia cực tím tấn công ADN Nếu như phơi nắng hạn chế thì nói chung không gây hậu quả gì, da có thể tự phục hồi nhanh chóng, nếu như phơi nắng thậm chí còn có lợi cho sức khỏe, như chúng ta sẽ thấy, thì phơi nắng quá lâu và quá thường xuyên có thể gây ra các hiệu ứng chết người. Ung thư da có thể sẽ xuất hiện. Các tia cực tím không bị melanine bắt giữ có thể tấn công ADN của các tế bào và làm cho nó bị rối loạn. Nằm ở nhân tế bào, ADN, theo cấu trúc chuỗi xoắn kép của nó, mang trong mình mã di truyền, tức các lệnh đã được lập trình cho phép tổng hợp ra các protein. Nhờ khả năng xúc tác tuyệt vời, protein là cơ sở cho hóa học của sự sống. ADN là đối tượng liên tục bị tấn công, kết quả là nó chịu rất nhiều tổn thương. Chẳng hạn, sau một ngày phơi nắng trên bãi biển, ADN của chỉ một tế bào da có thể chịu từ 100.000 đến một triệu thương tổn! Nói chung, các thương tổn này sẽ không để lại hậu quả gì, vì cơ thể của chúng ta có một hệ thống bảo vệ hết sức hiệu quả chống lại các tấn công này: các enzym sẽ đến sửa chữa các tổn thương và các tế bào bị tổn thương sẽ trở nên như mới. Nhưng nếu phơi nắng quá lâu hoặc quá thường xuyên, thì các tổn thương có thể rất nghiêm trọng, và enzym không thể sửa chữa được hoàn toàn. Khi đó sẽ xảy ra các đột biến, làm thay đổi các lệnh đã được lập trình và các lệnh đúng không còn được đưa ra nữa. Nếu điều này xảy ra đối với lệnh của các gen kiểm soát quá trình nhân bào, thì các tế bào này, thay vì được nhân lên theo một nhịp độ được kiểm soát, sẽ bị nhân lên vô độ và phát triển thành ung thư. Thực tế, các Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 53 tổn thương gây cho gen p53, một trong 30.000 gen trong ADN của người, bởi các tia cực tím B là giai đoạn đầu quan trọng trong quá trình hình thành ung thư da. Sự hấp thụ các tia cực tím bởi các phân tử khác của da cũng có thể làm suy yếu tổng thể hệ miễn dịch, cái được gọi là sự “suy giảm miễn dịch”, tạo thêm điều kiện thuận lợi cho các tế bào ung thư nhân lên vô độ. Có hai loại ung thư da chính là ung thư biểu mô và ung thư hắc tố. Ung thư biểu mô phổ biến hơn (khoảng 90% số trường hợp, tức 2 triệu người trên thế giới mỗi năm) và rất may đây là loại nhẹ hơn. Nhìn chung, khối u nằm trong da và biểu hiện ra bên ngoài là các vết hồng giống như bệnh eczéma. Chỉ cần tiểu phẫu là có thể lấy chúng đi. Nhưng nếu can thiệp không kịp thời, thì u có thể ăn sâu hơn vào da, đi vào các mạch máu và bạch cầu: ung thư biểu mô khi đó chuyển sang dạng nguy hiểm hơn và gây chết người, đó là ung thư hắc tố. Trên toàn thế giới mỗi năm có khoảng 200.000 trường hợp bị ung thư loại này. Biểu hiện ban đầu của ung thư hắc tố là các nốt ruồi có hình dạng và màu sắc thay đổi. Nếu được phát hiện kịp thời, thì có thể điều trị bằng phẫu thuật kết hợp hóa trị và xạ trị để ngăn chặn các tế bào ung thư nhân lên. Che phòng ánh nắng Mặt trời Phơi nắng quá nhiều còn có thể gây ra những tác hại khác, rất may là ít nghiêm trọng hơn ung thư da. Đó là các bệnh về mắt. Chẳng hạn, ở vùng núi, ánh sáng cực tím loại B mạnh hơn, vì nó chỉ phải xuyên qua một lớp khí quyển mỏng hơn và ít bị hấp thụ; hiệu ứng này còn được tăng cường bởi sự phản xạ ánh sáng của băng tuyết. Điều này làm cho một số người trượt tuyết bất cẩn không bảo vệ mắt bị bỏng giác mạc, gọi là bệnh “viêm mắt ở vùng núi cao”. Loại “cháy nắng” này đối với mắt có biểu hiện là chảy nước mắt, đau, rối loạn thị giác có thể dẫn tới lòa tạm thời. Rất may, các triệu chứng này sẽ tự biến mất sau vài ngày nằm trong bóng tối. Ngược lại, việc hấp thụ lặp đi lặp lại các tia cực tím có thể dẫn đến làm đục thủy tinh thể của mắt, có nguy cơ dẫn đến mù lòa. Khoảng 20% số trường hợp đục thủy tinh thể là do phơi trước các tia cực tím; đó là nguyên nhân đầu tiên dẫn đến mù lòa trên thế giới. Người ta chữa bệnh này bằng phẫu thuật thay thủy tinh thể. Nhiều người hiện nay đã thừa nhận rằng phơi nắng quá nhiều có hại cho sức khỏe. Những người phơi nắng quá lâu phải được bảo vệ bằng kem chống nắng. Nhưng nếu một số loại kem chống nắng bảo vệ chúng ta không bị cháy nắng thì chúng cũng không giữ được tất cả các tia cực tím. Chính tia cực tím là 54 những con đường của ánh sáng nguyên nhân dẫn đến ung thư da và suy giảm hệ miễn dịch. Như vậy tốt hơn hết là không phơi trực tiếp dưới ánh nắng Mặt trời quá lâu. Không thể phơi nắng mà không bị tổn thương một số tế bào da. Những phụ nữ xinh đẹp rất tự hào về làn da rám nắng của mình sẽ phải trả một giá đắt: một làn da bị già sớm và nhăn nheo, với các nguy cơ bị ung thư hắc tố và các dạng ung thư da khác. Nếu rất nhiều người tin vào sự huyền bí của da rám nắng như dấu hiệu của sức sống và sức khỏe, thì trong mắt của các bác sĩ chuyên khoa da, da khỏe mạnh ngược lại phải là da không bị phơi nắng quá nhiều. Ánh sáng Mặt trời giúp xương không bị biến dạng Đúng là chúng ta đã nói về các nhược điểm của việc phơi nắng quá lâu, nhưng rõ ràng là sức khỏe và sự thoải mái của chúng ta lại phụ thuộc không kém phần căn bản vào ánh sáng Mặt trời. Không có ánh nắng Mặt trời, chúng ta sẽ bị còi xương! Thật vậy, các tia nắng kích thích cơ thể tổng hợp vitamine D, đóng vai trò quan trọng trong sự điều chỉnh tỉ lệ canxi trong cơ thể và trong sự định hình bộ xương của chúng ta. Chính nó thúc đẩy sự tăng trưởng của xương trẻ nhỏ, duy trì điều kiện tốt cho xương và răng của người lớn, và ngăn ngừa chứng loãng xương và gãy xương ở người già. Cơ thể bị thiếu vitamine D có biểu hiện là các mô xương và sụn bị khoáng hóa không hoàn toàn, gây chậm lớn và chậm phát triển, dẫn đến đau đớn và dị tật. Mặc dù vitamine D có trong rất nhiều thực phẩm - sữa, ngũ cốc, bơ và các đồ uống có gaz -, nhưng các thực phẩm này chỉ cung cấp khoảng một phần ba lượng mà chúng ta cần. Phải nhờ đến ánh nắng Mặt trời để tạo ra phần còn lại trong da với sự trợ giúp của cholesterol trong da. Một người có da trắng cần phơi nắng trung bình khoảng 15 phút mỗi ngày suốt năm; một người da đen, khoảng 45 phút. Nhưng đó chỉ là trung bình thôi, vì vitamin D có thể được dự trữ. Chẳng hạn, phơi nắng trong những ngày hè dài là đủ để tạo ra lượng dự trữ và bù lại cho những ngày phơi nắng ngắn mùa đông. Trong những vùng rất cao hoặc rất thấp, những nơi có mùa đông dài, ánh sáng đèn quartz có thể thay thế tạm thời ánh nắng Mặt trời. Ngoài việc giữ cho xương chúng ta chắc khỏe, vitamin D còn có khả năng chống ung thư. Nhiều nghiên cứu thống kê đã chứng tỏ rằng, trong những vùng nắng nhiều, các loại bệnh ung thư – như ung thư vú, ruột kết, tiền liệt, dạ dày, tử cung,...- xảy ra ít hơn. Người ta thậm chí còn nói rằng số người mắc bệnh xơ cứng từng mảng của hệ thống thần kinh trung ương và bệnh tiểu đường cũng thấp hơn. Bất luận dù thế nào thì có một điều chắc chắn là Mặt Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 55 trời là thiết yếu cho sức khỏe của chúng ta! Chỉ có điều, cũng giống như mọi điều có ích khác, không nên lạm dụng nó mà thôi. Mặt trời ảnh hưởng đến tâm lý của chúng ta Nếu Mặt trời đóng một vai trò căn bản trong sức khỏe thể xác của chúng ta, thì nó cũng không kém phần quan trọng đối với sự cân bằng tâm lý của chúng ta. Nó có một tác dụng nhất định lên tinh thần của chúng ta. Những ngày trời quang, bầu trời xanh thẳm và nắng vàng rực rỡ khiến tâm hồn ta thoải mái và vui vẻ. Trái lại, những ngày u ám, Mặt trời bị những đám mây dầy che khuất và chỉ cho lọt qua một thứ ánh sáng nhợt nhạt và xám ngắt, thì lòng ta cũng dễ sinh buồn chán. Trạng thái tinh thần của chúng ta thay đổi theo mùa cũng là một thực tế. Cuối mùa thu, ngày ngắn lại và báo hiệu bắt đầu mùa đông khiến chúng ta có cảm giác man mác về sự mất mát và luyến tiếc mùa hè, trong khi những thấp thoáng đầu tiên của mùa xuân, ngày bắt đầu dài hơn đêm, làm chúng ta cảm thấy phấn chấn. Như nữ thi sĩ người Mỹ Emily Dickinson (1830-1886) từng viết: “một ánh sáng chiều đông đè nặng”. Cái cảm giác nặng nề mơ hồ này cũng được Victor Hugo (1802-1885) thể hiện trong cuốn Những người khốn khổ: “Mùa đông làm cho bầu trời và lòng người nặng như đất đá”. Các bác sĩ hiểu quá rõ hiện tượng này: khi mùa đông bắt đầu, số ca trầm cảm tăng lên. Và số ca mắc bệnh này cũng cao hơn ở những vùng cao, nơi mùa đông dài hơn đáng kể so với những vùng thấp. Phụ nữ đặc biệt nhạy cảm với mùa đông: số phụ nữ bị “trầm cảm mùa đông” cao hơn bốn lần nam giới, trong khi các ca trầm cảm không gắn với sự thay đổi mùa ở nữ chỉ cao hơn ở nam hai lần. Cũng giống như trạng thái tinh thần hàng ngày của chúng ta, bệnh trầm cảm mùa đông, mà các bác sĩ gọi là “rối loạn tình cảm theo mùa”, có vẻ như là do thiếu nắng, tức là thiếu ánh sáng. Để hiểu rõ hơn vấn đề này, năm 1985, một nhóm nghiên cứu người Mỹ đã điều trị cho các bệnh nhân trầm cảm theo mùa bằng hai bóng đèn lớn: một đèn phát ra 2500 lux (lux là đơn vị đo thông lượng ánh sáng) ánh sáng trắng, gần bằng lượng ánh sáng của một chiều xuân, và một bóng khác tối hơn rất nhiều, phát ra 500 lux ánh sáng vàng yếu. Kết quả rất rõ ràng: ánh sáng trắng mạnh giúp bệnh nhân giảm trầm cảm, trong khi liều ánh sáng vàng yếu thì không có tác dụng. Ngày nay, liệu pháp ánh sáng được sử dụng để điều trị bệnh trầm cảm theo mùa. Mỗi sáng phơi mình một giờ trước hai bóng đèn lớn (từ 2500 đến 10.000 lux) phát ra lượng ánh sáng tương đương với ánh sáng của một ngày trời nắng mùa xuân là đủ để giúp sáu trên mười ca giảm bệnh. Trong các đợt điều trị bằng ánh sáng, cần phải chú ý lọc các tia 56 những con đường của ánh sáng cực tím và hồng ngoại và phải đeo kính để không bị tổn thương võng mạc. Đồng hồ sinh học bên trong được điều chỉnh theo ánh sáng Cũng như ở tất cả các loài động vật, ai trong chúng ta cũng có một đồng hồ sinh học. Các thí nghiệm chứng tỏ rằng, ngay cả khi bị cách li khỏi môi trường thông thường của chúng ta (như bị nhốt xuống một hang sâu), thì sự trao đổi chất của cơ thể của chúng ta (thức, buồn ngủ, bài tiết, đói, v.v...) vẫn tiếp tục hoạt động theo một nhịp không khác xa lắm với nhịp của một ngày, tức một chu kỳ khá gần với 24 giờ. Nhịp sinh học bên trong này được gọi là “nhịp theo ngày”. Chúng ta cảm thấy rất rõ các hiệu ứng của đồng hồ sinh học bên trong này khi chúng ta đi qua các múi giờ từ lục địa này sang lục địa khác bằng máy bay. Đồng hồ sinh học của chúng ta được điều chỉnh theo nhịp của ngày và đêm ở nơi chúng ta xuất phát; phải mất vài ngày mới không còn cảm thấy các hiệu ứng của sự chênh lệch múi giờ, cái được gọi là jet lag, tức là sự mệt mỏi sau một chuyến bay dài, và sự trao đổi chất của chúng ta được điều chỉnh theo nhịp ngày và đêm mới của nơi đến. Nhìn chung, để đồng hồ sinh học của chúng ta tự điều chỉnh, cứ mỗi múi giờ chúng ta lại phải mất một ngày. Chẳng hạn, vì New York và Paris lệch nhau 6 giờ, nên sẽ cần tối đa sáu ngày để sự trao đổi chất của một người đi từ New York đến Paris hoặc ngược lại thích nghi hoàn toàn với môi trường mới. Vậy cơ chế điều khiển nhịp sinh học ngày đêm của chúng ta là gì? Bởi vì nhịp này có chu kỳ 24 giờ, nên chắc chắn nó gắn với sự tiếp nối ngày và đêm, và như vậy tức là gắn với có hay không có ánh sáng. Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy rằng sự hấp thụ ánh sáng bởi một số tế bào thần kinh võng mạc khởi phát các xung hóa học và điện, các xung này được truyền đến các búi tế bào thần kinh nằm ở đáy não, bên trên phần bắt chéo hình chữ X của các dây thần kinh thị giác. Các búi này tạo thành một cấu trúc gọi là “nhân siêu bắt chéo” (suprachiasmatique). Ở người cũng như các động vật có vú khác, chính nhân này của các tế bào thần kinh đóng vai trò đồng hồ sinh học được điều chỉnh theo ánh sáng. Đồng hồ sinh học này tác động đến một cấu trúc khác, gọi là tuyến tùng, có kích thước chỉ bằng một hạt đậu nhỏ, nằm chính giữa não của chúng ta, giữa vỏ não, thân não và tiểu não. Trong sơ đồ nhị nguyên luận nổi tiếng về một tinh thần tách biệt với thể xác, tinh thần từ bên trong thể xác chiêm nghiệm cảnh tượng của hiện thực bên ngoài, René Descartes (1596-1650) đã nghĩ một cách sai lầm rằng tuyến tùng này là điểm tiếp xúc giữa tinh thần và thể xác. Nhưng, nếu tuyến tùng không phải là nơi tinh thần tiếp xúc với thể Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 57 xác, thì nó lại đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong nhịp ngày đêm của chúng ta. Năm 1958, sau khi nghiên cứu tuyến tùng của khoảng 250.000 con bò, một nhóm các nhà nghiên cứu người Mỹ đã chứng tỏ rằng tuyến tùng tổng hợp một loại hoocmon mới mà người ta gọi là “melatonin”, có tính chất kỳ lạ là làm mất màu các tế bào da của ếch. Một hoocmon mang tên melatonin Nhưng melatonin còn đóng vai trò quan trọng cho sức khỏe của chúng ta hơn là để làm mất màu da của ếch! Trong những năm 1960 và 1970, các nghiên cứu sinh học đã chứng tỏ rằng tỉ lệ melatonin ở động vật, dù là động vật ăn ngày hay ăn đêm, đều tăng lên vào ban đêm và giảm xuống vào ban ngày, như vậy tức là thay đổi theo lượng ánh sáng mà chúng nhận được. Chẳng hạn, chỉ cần phơi dưới một nguồn ánh sáng nhân tạo yếu cỡ 50 lux, tương đương ánh sáng lúc hoàng hôn, là đủ để chấm dứt sự sản sinh melatonin ở rất nhiều động vật có vú. Từ những năm 1980, các nghiên cứu này đã được mở rộng sang người và đã chứng tỏ rằng con người chỉ cần nằm trong một nguồn ánh sáng nhân tạo khoảng 100 lux là sự tổng hợp melatonin trong cơ thể của anh ta dừng lại. Như vậy, ở người, melatonin cũng được tiết ra theo một chu kỳ 24 giờ: nó được giải phóng rất nhiều vào ban đêm, đưa chúng ta chìm sâu vào giấc ngủ, trong khi tỉ lệ của nó rất thấp vào ban ngày, giúp cho phép chúng ta tỉnh táo và chuyên chú vào các hoạt động khác nhau. Bằng cách làm thay đổi nhịp sinh học ngày đêm, melatonin cũng có thể giúp những lữ khách xuyên lục địa thắng được nỗi jet lag của họ. Chẳng hạn, uống một viên melatonin có hai hiệu quả: không chỉ nó có tác dụng như một viên thuốc ngủ, giúp chúng ta chìm trong vòng tay của nữ thần Ngủ, mà còn kích thích tuyến tùng, thúc nó tiết ra thêm melatonin và như vậy khôi phục lại đồng hồ sinh học bên trong cơ thể chúng ta. Một viên melatonin 5mg mỗi tối trước khi đi ngủ trong bốn ngày sau chuyến bay dài là đủ. Tỉ lệ melatonin trong cơ thể của chúng ta còn có thể giải thích một phần căn bệnh trầm cảm theo mùa: vào mùa đông, đêm dài hơn, Mặt trời thức dậy muộn hơn, tỉ lệ melatonin cao kéo dài hơn. Điều này làm cho chúng ta có cảm giác buồn ngủ, uể oải, mệt mỏi, và thiếu động lực. Trong một số trường hợp cực đoan, sự thiếu hào hứng này có thể dẫn đến trầm cảm. Nhìn chung, những vấn đề này sẽ tự mất khi mùa xuân trở lại, khi ngày lại dài hơn đêm. Thậm chí ngay khi một lượng lớn ánh sáng đập vào mắt, một luồng thần kinh được truyền lên não, não tiết ra chất serotonin, một chất hóa học có tên là “chất 58 những con đường của ánh sáng truyền tín hiệu thần kinh”, nó truyền các tín hiệu điện giữa các nơron của não và có tác dụng chống trầm cảm. Tương tự, liệu pháp ánh sáng chữa trầm cảm theo mùa bằng cách loại bỏ việc tạo ra melatonin. Nếu melatonin có tác dụng bù lại jet lag và lên dây cót tinh thần thì các khả năng khác của nó, được các phương tiện truyền thông và nhà buôn ca ngợi là các “chất thay thế thức ăn”, lại rất đáng nghi ngờ. Người ta gán cho melatonin hàng nghìn công năng, mà công năng nào cũng phi thường. Người ta đã khẳng định chắc chắn rằng nó có thể làm chậm quá trình lão hóa và thậm chí làm chúng ta trẻ lại, nâng cao đời sống tình dục, giảm cân, ngăn cản sự phát triển của ung thư, chữa lành bệnh tim, bệnh Alzheimer, v.v... Tuy nhiên, không một khả năng kỳ diệu nào trong số các khả năng từng xuất hiện trên trang nhất của nhiều tờ báo trong những năm 1990 này được chứng minh bằng khoa học. Vi khuẩn cũng có đồng hồ sinh học Một câu hỏi đặt ra: nếu đồng hồ sinh học của con người được điều chỉnh bằng việc có hay không có ánh sáng được mắt truyền lên não, thì điều này phải chăng có nghĩa là chỉ những động vật có hệ thống thị giác và não phát triển mới có thể có đồng hồ sinh học? Các vi khuẩn nguyên thủy có tuổi đời chưa đến 24 giờ liệu có có đồng hồ sinh học không? Các nhà sinh vật học vốn vẫn tin là không và mãi cuối những năm 1980 thì họ mới kinh ngạc phát hiện ra rằng các khuẩn lam, những vi khuẩn đã sáng tạo ra quang hợp, cũng có một đồng hồ sinh học với chu kỳ hoạt động khoảng...24 giờ! Như vậy, phản ứng của các sinh vật nguyên thủy với việc có hay không có ánh sáng có vẻ như không hề phụ thuộc vào sự phát triển của một hệ thống thị giác. Các nhà nghiên cứu nghĩ rằng một số gen chuyên biệt của các vi khuẩn này đóng vai trò là đồng hồ sinh học của chúng. Nghiên cứu các nhịp sinh học cũng đã được thực hiện trên các côn trùng, đặc biệt là ruồi giấm. Lần này cũng vậy, các nhà sinh học đã phát hiện thấy một đồng hồ sinh học được điều chỉnh nhịp theo các biến thiên tuần hoàn của nồng độ một số protein và gen truyền tin gọi là ARN. Vậy trên quan điểm tiến hóa sinh học, ưu điểm của đồng hồ sinh học là gì? Tại sao phần lớn các sinh vật phát triển, ở các nhánh cao của cây phả hệ của sự sống, lại có một đồng hồ sinh học? Một lý do được đưa ra là chim và côn trùng sử dụng vị trí của Mặt trời trên bầu trời để định hướng. Bởi vì Mặt trời thay đổi vị trí trên bầu trời từng giờ, nên nó chỉ có tác dụng làm điểm mốc để Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 59 định vị không gian nếu người ta biết cả thời điểm của ngày. Từ đó nảy sinh nhu cầu về một đồng hồ sinh học. Ngày nay, con người không còn dùng Mặt trời để định hướng nữa, nhưng con người đã thừa hưởng đồng hồ sinh học này từ tổ tiên xa xưa của mình. Nếu người ta có thể tìm ra các lý do thích đáng để chứng minh sự tồn tại của một đồng hồ sinh học điều chỉnh theo ánh sáng ở các sinh vật phát triển, thì tuy vậy cho đến nay vẫn rất khó hiểu tại sao các sinh vật nguyên thủy như vi khuẩn cũng có nhu cầu điều chỉnh nhịp sinh học theo ánh sáng. Đội quân xanh chinh phục các lục địa Chúng ta đã thấy rằng con người (cũng như tất cả các động vật khác) tồn tại được là nhờ các vi khuẩn nguyên thủy đã sáng tạo ra sự quang hợp. Quang hợp không chỉ tạo ra đường, mắt xích đầu tiên trong chuỗi thức ăn, mà còn cả ôxy nữa. Ôxy cho phép chúng ta hô hấp, và cũng là nguồn gốc của tầng ôzôn bảo vệ Trái đất và các cư dân sống trên Trái đất đối với các tác dụng độc hại của tia cực tím của Mặt trời. Sự xuất hiện của tầng ôzôn này đã làm thay đổi sâu sắc diện mạo hành tinh của chúng ta đồng thời cho phép đội quân xanh chinh phục Trái đất. Thật vậy, cách đây khoảng 400 triệu năm, tầng ôzôn mới được hình thành đã làm cho sự sống trở nên khả dĩ trên các lục địa đá vôi rộng lớn, các sinh vật biển đã lao vào cuộc chinh phục đất liền. Tảo xanh đã rời nơi sinh sống dưới nước để đương đầu với những khắc nghiệt của đất liền. Rất có thể do một số vũng nước, bị cắt đứt khỏi biển, đã trở nên khô cạn. Cây cối khi đó đã sáng tạo ra sự phân bố mạch, phát triển trong thân của chúng các ống dẫn cho phép nước và khoáng chất của đất đi từ rễ lên các bộ phận khác và, ngược lại, các sản phẩm của quang hợp đi xuống rễ. Khi đã lên đất liền, một số cây tăng lên về kích thước, có thân to lớn và biến thành cây cao đến chục mét và đường kính gần một mét. Sau đó xảy ra các thay đổi khí hậu sâu sắc do nước trong đất bị đội quân xanh hút lên. Khí quyển trở nên ẩm hơn, mưa nhiều hơn, đất có khả năng giữ nước nhiều hơn. Một phần lớn đất biến thành đầm lầy và trở thành nơi sinh sống của một hệ thực vật phong phú. Những hóa thạch sót lại của cây cối thời kỳ này rất giàu carbon. Chính vì thế người ta gọi thời kỳ vô cùng phong phú thực vật kéo dài từ 360 đến 286 triệu năm trước CN này là kỉ carbon. Than và dầu mỏ ngày nay thỏa mãn một phần lớn nhu cầu năng lượng của chúng ta chủ yếu bắt nguồn từ thời kỳ này. Sau kỉ carbon là kỷ permi, kéo dài từ 286 đến 250 triệu năm trước CN, thời kỳ này đã phải chứng kiến cái lạnh băng giá và cực kỳ khô hạn ập xuống 60 những con đường của ánh sáng hành tinh chúng ta. Một phần lớn cây cối bị tiêu diệt. Chỉ còn sống sót những loại cây biết phát triển cách sinh sản phát tán không phải bằng bào tử, tương đối yếu ớt, mà bằng hạt, chắc chắn hơn. Trong số những kẻ sống sót khỏi cuộc đại diệt này có bộ thông, tổ tiên của thông, bách, tùng ngày nay. Thông qua các đột biến gen ngẫu nhiên và chọn lọc tự nhiên, tự nhiên đã tiếp tục thí nghiệm với các dạng và màu cây mới. Tự nhiên đã sáng tạo ra hoa cách đây khoảng 100 triệu năm, và vô số các chấm màu điểm xuyết cho màu xanh bát ngát của các đồng cỏ bất tận và những cánh rừng nguyên thủy. Lá phổi của Trái đất đang lâm nguy Các loài sinh vật xanh mà tự nhiên đã kiên nhẫn phát triển và duy trì trong hàng trăm triệu năm ngày nay đang lâm nguy, và sở dĩ như vậy là do sự vô ý thức và lòng tham của con người. Để đương đầu với sự tăng dân số phi mã và nuôi sống ngày càng nhiều miệng ăn hơn, con người đã liên tục chặt cây và phá rừng để khai khẩn thêm đất canh tác. Vì lợi nhuận, con người đã không ngừng biến cây thành giấy và các đồ dùng gia dụng. Từ năm 1950, hơn 30% rừng thông và 45% rừng nhiệt đới đã biến mất. 14% diện tích của Amazon, rừng nhiệt đới lớn nhất trên Trái đất, đã bị xóa sổ. Các khu rừng nhiệt đới bên bờ Đại Tây dương của Brazil, Madagascar và Philipin giờ chỉ còn một phần mười diện tích ban đầu của chúng! Cứ hai giây trôi qua lại có một diện tích rừng nhiệt đới bằng một sân bóng đá biến khỏi mặt đất. Sự tàn phá rừng quá đáng này có hậu quả nghiêm trọng là làm hành tinh của chúng ta bị suy giảm khả năng tự bảo vệ chống lại sự tích tụ khí cacbonic. Khí cacbonic tích tụ trong khí quyển Trái đất gây hiệu ứng nhà kính đang đe dọa làm Trái đất nóng lên và ó nguy cơ trở thành nơi không thể sinh sống được nữa. Như chúng ta đã thấy, cây và các loại thực vật khác hấp thụ khí cacbonic của khí quyển và sử dụng ánh sáng Mặt trời để chuyển hóa nó thành ôxy thông qua quang hợp. Như vậy, rừng đóng vai trò là “lá phổi” của Trái đất – hay chính xác hơn là lá phổi theo chiều ngược lại vì, ngược với quang hợp, hô hấp làm cho chúng ta hít ôxy vào và nhả khí cacbonic ra. Rừng và cây xanh bù trừ lượng ôxy tiêu thụ và lượng khí cacbonic mà các sinh vật sống khác tạo ra. Tàn phá rừng nghĩa là chúng ta đã phá vỡ sự cân bằng mong manh này. Nếu như ba phần tư lượng khí cacbonic gia tăng trong khí quyển Trái đất là do con người đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch, thì một phần tư còn lại là do rừng nhiệt đới bị tàn phá. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 61 Đa dạng sinh học lâm nguy Sự tàn phá một cách vô ý thức các lá phổi của Trái đất không chỉ làm tăng sự tích tụ khí cacbonic trong khí quyển và làm trầm trọng thêm sự nóng lên của hành tinh, mà nó còn làm mất đi tính đa dạng sinh học một cách không gì cứu vãn nổi. Các khu rừng nhiệt đới chắc chắn là những nơi đa dạng sinh học nhất: chúng chứa những hệ động vật và thực vật phong phú nhất của địa cầu. Mặc dù chỉ chiếm khoảng 6% diện tích đất liền, nhưng rừng nhiệt đới là nơi trú ngụ của hơn một nửa số sinh vật mà chúng ta biết trên Trái đất. Trên 10 cây số vuông của rừng Amazon, người ta thấy nhiều động vật và thực vật hơn trên toàn châu Âu! Các cuộc tấn công nhằm vào các khu rừng nhiệt đới và tàn phá nơi cư trú tự nhiên, thêm vào đó là ô nhiễm môi trường và săn bắn, đã gây ra một cuộc thảm sát thực sự các loài động vật và thực vật. Mỗi ngày qua đi lại có khoảng 75 số động vật và thực vật biến mất khỏi mặt đất, tức khoảng 3 loài mỗi giờ và 27.000 loài mỗi năm! Nếu con người không làm gì để chặn lại tốc độ tàn sát hiện nay, thì ít nhất một phần năm số loài sinh vật này sẽ biến mất khỏi địa cầu của chúng ta vào năm 2030, và một nửa vào cuối thế kỷ XXI. Sự suy giảm đa dạng sinh học này là một hiểm họa lớn. Tiêu diệt các loài khác cũng có nghĩa là con người có nguy cơ tiêu diệt chính mình, vì sự sống có tính phụ thuộc lẫn nhau. Nó tồn tại là nhờ một chuỗi các quá trình phức tạp gắn liền với nhau. Chẳng hạn, chúng ta phụ thuộc vào một số vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ của chất thải động vật và thực vật thành mùn, điều này cho phép chất hữu cơ được tái chế và nuôi dưỡng Trái đất. Vì chúng ta còn chưa biết thật chính xác các loài đóng vai trò thiết yếu đối với sự sống còn của chúng ta, nên chúng ta không thể tự cho phép mình tiêu diệt chúng. Chúng ta dễ bị tổn thương hơn vì chúng ta nằm ở mắt xích cao trong chuỗi thức ăn và chúng ta phụ thuộc vào các loài khác, trong khi những loài này có thể không cần đến sự hiện diện của chúng ta. Mặt khác, đa dạng sinh học đóng vai trò hàng đầu đối với sức khỏe và sự sung túc của chúng ta. Tự nhiên chứa rất nhiều các chất chữa bệnh quý giá: phần lớn các loại thuốc mà chúng ta dùng để chữa bệnh là được chiết xuất từ các cây dại. Để chữa một số bệnh, chúng ta bắt tự nhiên cho chúng ta thừa hưởng sự thông thái mà nó đã tích lũy trong hàng tỉ năm tiến hóa, sau vô số các mò mẫm. Trong lịch sử sự sống, hàng triệu loài, thông qua đột biến gien ngẫu nhiên và chọn lọc tự nhiên, đã biết cách tạo ra các sản phẩm hóa học cần thiết để tiêu diệt động vật ký sinh trong cơ thể chúng và ngăn chặn bệnh tật. Chúng ta đã 62 những con đường của ánh sáng biết cách khai thác cơ sở dữ liệu khổng lồ mà các loài sinh vật sống tạo thành để bào chế thuốc kháng sinh, vacxin và các loại thuốc chống trầm cảm. Giữ đa dạng sinh học là hết sức quan trọng cho sự khai thác này. Biết đâu một trong số các sinh vật biến mất mãi này lại chứa trong nó chất kỳ diệu có thể chữa được bệnh AIDS hay bệnh ung thư? Nhưng, ngoài lợi ích xét cho cùng mang tính ích kỷ này nhằm bảo vệ nguồn dược liệu tự nhiên để chữa bệnh cho chúng ta, mất đa dạng sinh học cũng còn có nghĩa là phá hủy không gì vãn hồi được nhiều chương của Cuốn sách Lớn về sự sống trước khi chúng ta đọc được. Nghĩa là tước đi mãi mãi của con người các thông tin không gì thay thế được về lịch sử sinh học về nguồn gốc của chính con người17 . Mặt trời, máy phát năng lượng khổng lồ Sự sống cần năng lượng để tồn tại và duy trì nòi giống. Mặt trời rất xứng với tên gọi “ngôi sao của sự sống” ở chỗ nó là nguồn gốc của gần như toàn bộ các nguồn năng lượng nuôi dưỡng chúng ta và duy trì sự sống trên Trái đất. Trên thực tế, năng lượng Mặt trời mà cây xanh chuyển hóa thành vật chất sống thông qua phép màu của quá trình quang hợp có thể được thu hồi để đáp ứng nhu cầu năng lượng của chúng ta. Chẳng hạn, từ thuở chập chững của nhân loại, con người đã biết rằng chỉ cần đốt củi - vật chất nén và có dạng sợi của các mạch dẫn nhựa tạo thành thân cây, các cành và rễ cây - là có thể sưởi ấm và nấu chín thức ăn. Nhưng gỗ cháy giải phóng ít năng lượng hơn các nguồn hiện đang thịnh hành: than, dầu mỏ và khí tự nhiên. Người ta gọi chúng là các nhiên liệu “hóa thạch” bởi vì chúng là tàn tích của cây cối bị phân hủy. Với cuộc cách mạng công nghiệp và sự phát minh ra máy chạy bằng hơi nước vào cuối thế kỷ XVIII, con người đã bắt đầu sử dụng than để chạy tàu biển, tàu hỏa dùng động cơ hơi nước và phổ biến đến khắp mọi nơi trên địa cầu. Năm 1890 là năm chứng kiến sự bước lên sân khấu của động cơ nổ chạy không phải bằng than nữa, mà bằng dầu hoả, một sản phẩm khác của thực vật bị phân hủy. Nhờ phát minh này, con người đã bắt đầu dọc ngang khắp nơi trên những cái thùng nhỏ bằng kim loại mà người ta gọi là xe hơi. Kể từ đó, sở thích vô độ của con người đối với những tên nô lệ cơ khí này đã tăng lên gấp bội, và các nhu cầu về dầu để chạy xe cộ và máy móc của chúng ta ngày càng lớn và cấp bách. ❖ 17 Xem thêm Trịnh Xuân Thuận, Nguồn gốc - Nỗi hoài niệm về những thuở ban đầu, Phạm Văn Thiều và Ngô Vũ dịch, NXB Trẻ, 2006. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 63 Gỗ, than, dầu hay khí tự nhiên: bấy nhiêu sản phẩm bảo đảm sự sống còn của chúng ta, sự sung túc của chúng ta, bấy nhiêu món quà mà Mặt trời đã ban tặng cho nhân loại thông qua sự tận tụy của quá trình quang hợp. Mặt trời là một máy phát năng lượng khổng lồ. Nhờ có lò luyện nhạt nhân nằm trong lõi, nó sản sinh ra khoảng 300 tỉ tỉ (300. 1018) kW.h mỗi giây18 , tức là bằng 100 tỉ quả bom nguyên tử, mỗi quả có sức công phá một megaton. Như chúng ta đã thấy, nếu toàn bộ năng lượng này rơi xuống Trái đất, thì chỉ cần sáu giây là toàn bộ các đại dương bốc hơi hết, hay ba phút để vỏ Trái đất tan chảy. Sở dĩ những thảm họa này không rơi xuống đầu chúng ta, chính là bởi vì Trái đất chỉ choán một thể tích không gian nhỏ, nên rất may cho sức khỏe của chúng ta, nó chỉ nhận một phần rất rất nhỏ năng lượng sáng khổng lồ này: khoảng một phần mười tỉ năng lượng của Mặt trời, tức 30 tỉ kW.h mỗi giây. Phần lớn năng lượng Mặt trời này bị mất vào không gian. Nhưng phần nhỏ đến Trái đất cũng thừa đủ để thỏa mãn nhu cầu của chúng ta: tổng năng lượng mà toàn nhân loại sử dụng chưa bằng 0,01% năng lượng nhận được từ Mặt trời. Chúng ta hãy nhớ lại rằng, trong năng lượng Mặt trời tỏa xuống Trái đất, khoảng 30% bị phản chiếu trở lại không gian và 45% bị chuyển hóa thành nhiệt. Trong số 25% còn lại, phần lớn (24%) cung cấp cho các chu kỳ thủy văn bốc hơi và ngưng tụ của nước. Năng lượng của thực vật Bằng cách nào tự nhiên đã có thể tập trung và tích trữ năng lượng Mặt trời trong các nhiên liệu hóa thạch? Nó đã phải cầu viện đến thế giới thực vật, vốn chiếm khoảng 90% vật chất sống của hành tinh chúng ta và việc dùng thời gian ưa thích của chúng, như chúng ta đã thấy, là dành cho quang hợp. Để tạo ra carbon mà chúng ta đốt tùm lum để thỏa mãn nhu cầu năng lượng, cây cối phải tiêu thụ không khí, nước và năng lượng Mặt trời. Lượng không khí, nước và năng lượng Mặt trời mà cây cối sử dụng cho quang hợp là rất lớn: chẳng hạn, để tạo ra một kilogram gỗ khô cây phải hút khí cacbonic trong 4000 mét khối không khí, tức bằng thể tích của một ngôi nhà lớn! Còn về nước, nước từ đất được dẫn lên tận lá, nơi diễn ra quang hợp. Mặt trời một lần nữa lại ra tay giúp đỡ: bằng cách làm bốc hơi nước, nó tạo ra một hiệu ứng hút dẫn nhựa từ rễ lên lá. Khi trời không đủ nắng, một cơ chế khác ❖ 18 Chúng ta ai cũng đều đã biết đơn vị kilô oát-giờ, bởi vì đó là đơn vị tính năng lượng mà ngành điện lực sử dụng để tính tiền điện. 1kW.h tương đương với năng lượng phải tiêu hao để đưa một tấn nước lên cao 360 mét. 64 những con đường của ánh sáng tham gia: rễ tập trung vào trong chúng các chất khoáng của đất, điều này tạo ra một sự hút nước và như vậy nhựa được đẩy lên cao. Và lượng nước được sử dụng cũng rất lớn: chỉ trong một ngày, một cây tùng đưa lên cao 100 mét khoảng 2 tấn nước, tức lớn hơn cả trọng lượng của chính nó! Và thế vẫn chưa hết: để thỏa mãn các nhu cầu về nước, cây phải tích lũy đủ lượng dự trữ và phát triển một mạng lưới rễ khai thác một thể tích đất rộng tới vài trăm mét khối. Cuối cùng, thực vật cần năng lượng để lớn và sinh trưởng. Vậy mà, mặc dù năng lượng Mặt trời mà cây sử dụng cho quang hợp là khổng lồ - khoảng 18 triệu kW.h mỗi giây -, nhưng chúng cũng chỉ chiếm khoảng 0,06% năng lượng mà Trái đất nhận được từ Mặt trời mà thôi. “Vàng đen” là kết quả của sự ngẫu hợp các hoàn cảnh Vàng đen một phần lớn có nguồn gốc là xác của các sinh vật biển (động vật phù du) và, một phần nhỏ từ các sinh vật sống trên Trái đất trong sông suối hay thực vật mọc ở đáy biển. Khi chết, phần lớn (99,9%) các sinh vật này bị phân hủy, và vật chất của chúng được tái chế. Chẳng hạn, hàng nghìn tỉ thế hệ tảo xanh và các vi sinh vật khác sống trong hồ và chết đi, chúng rơi xuống đáy, và bị trộn lẫn với phấn hoa, bào tử và cây chết. Nhìn chung, các vi khuẩn ưa khí, thích nghi với môi trường giàu ôxy, nhanh chóng tấn công các sinh vật chết này và lấy đó làm thức ăn. Sau khi chúng tiêu hoá xong, chỉ còn lại khí cacbonic và nước. Một phần lớn trong số khí cacbonic và nước này được các thế hệ sinh vật mới tiêu thụ, và phần còn lại phân tán vào khí quyển và đại dương. Tuy nhiên, một phần nhỏ (0,1%) bị rơi vào trong một môi trường không có ôxy và thoát khỏi ra chu kỳ tái chế này. Điều này xảy ra khi, rất ngẫu nhiên, một khu vực giàu các mảnh vật chất sống tạo thành vỉa dưới đáy hồ, đồng bằng hay biển đột ngột bị vùi lấp dưới một lớp trầm tích dầy. Chẳng hạn, sau một trận mưa to, suối và sông có thể cuốn theo lượng lớn cát và bùn, sau đó chúng sẽ lắng rất nhanh xuống đáy. Các lớp cát và bùn này ngăn không cho ôxy xâm nhập, bảo vệ cho xác vật chất chết khỏi bị ôxy hóa. Tuy nhiên, như chúng ta đã thấy, có các vi khuẩn kị khí không cần ôxy để phát triển. Chính chúng sẽ lại tấn công vào phần bị chôn vùi này để lấy ôxy và nitơ cần thiết cho sự sống còn của chúng. Bằng cách đó chúng đã loại bỏ từ xác vật chất chết gần như toàn bộ glucid (hợp chất cấu thành từ carbon, hyđro và ôxy), lipid (các axit béo) và protein. Chỉ những phân tử rất lớn kerogen (tiếng Hy Lạp kêros, nghĩa là “sáp”) mà chúng không thể đồng hóa được, tạo thành một loại bùn không hòa tan màu nâu-đen. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 65 Theo thời gian, và nếu các điều kiện về áp suất và nhiệt độ thuận lợi, kéro gen sẽ biến thành thứ mà chúng ta gọi là “vàng đen”, được dùng để vận hành nhà máy, xe hơi và máy bay. Trầm tích tiếp tục được tích tụ bởi các vi khuẩn kị khí nằm dưới áp suất rất cao do trọng lượng hàng kilomét trầm tích đè lên trên. Nó cũng bị nung nóng lên đến các nhiệt độ rất cao. Ai đã từng xuống mỏ đều biết, nhiệt độ trong lòng đất cao hơn trên mặt đất. Nhiệt này chủ yếu do bức xạ phóng xạ của một số nguyên tố trong vỏ Trái đất. Trung bình cứ xuống sâu 100 m nhiệt độ lại tăng thêm ba độ, điều này làm cho nhiệt độ lên tới 60 độ ở độ sâu 2 km, và 120 độ ở 4 km trong lòng đất. Sau khi được đặt trong các điều kiện áp suất và nhiệt độ rất cao trong vòng hàng chục nghìn năm, thậm chí hàng trăm nghìn năm này, kerogen biến đổi, giải phóng khí cacbonic và nước. Kết quả là một chất lỏng dầy và đen cấu thành từ hyđrocarbua, tức là các phân tử cấu thành chỉ từ hyđro và carbon. Chất lỏng này được gọi là “dầu mỏ” và ngày nay đang rất được thèm muốn. Nhưng, vượt qua một độ sâu nhất định và một áp lực nhất định, dầu hoả không thể tồn tại. Các phân tử của nó bị phân tách thành hyđrocarbua nhẹ hơn, và dầu nhường chỗ cho khí “tự nhiên”. Chính vì thế mà mỏ dầu thường nằm sâu khoảng 2-3 km, trong khi mỏ khí nằm sâu hơn 3,5 km. Khi áp lực của khí trở nên quá cao, lớp đá bị rạn nứt. Dầu và khí sẽ lách qua các khe để ngoi lên bề mặt. Nếu dầu không gặp bất kỳ cản trở nào trên đường đi của nó, thì nó sẽ trào lên và các đám vi khuẩn sẽ vội vã lao vào để phân hủy nó thành nhựa đường, sản phẩm mà chúng ta sử dụng để trải đường. Sự trào lên trực tiếp bề mặt như vậy làm giảm lượng dầu. Để dầu không bị trào lên, thì trên đường trào lên trên lớp đá không thấm, phải có, chẳng hạn, các lớp đất sét vôi và sét giam chúng và làm chúng tích tụ dưới đất. Những người tìm “vàng đen” sẽ tìm kiếm dầu tại những nơi đó. Sở dĩ chất lỏng này quý hiếm như vậy là vì để có nó phải có sự kết hợp của ba điều kiện địa chất. Thứ nhất, một lớp rất giàu chất hữu cơ mà tự nhiên đã nhanh chóng bao phủ bằng trầm tích để bảo vệ nó khỏi bị ôxy hóa phân hủy. Thứ hai, các điều kiện về áp suất và nhiệt độ (khoảng 120 độ) phải rất chính xác để tạo ra hỗn hợp lỏng trong khoảng thời gian thích hợp (hàng chục nghìn, thậm chí hàng trăm nghìn năm). Cách thức rất tinh tế, các điều kiện áp suất và nhiệt độ lại phải được điều chỉnh chính xác tới mức người ta không bao giờ có thể tái tạo được chúng trong phòng thí nghiệm. Cuối cùng, dầu phải được giam một cách phù hợp để không trào thẳng lên mặt đất. Cả ba điều kiện này hiếm khi đồng thời xảy ra khiến cho tổng lượng các xác hữu cơ trên Trái đất 66 những con đường của ánh sáng được chuyển hóa thành dầu mỏ và bị cầm tù trong các mỏ ngầm chỉ khoảng 2%. Chính vì lẽ đó mà vàng đen rất hiếm, và chúng ta rất khó tìm thấy dầu nhiều hơn nữa để thỏa mãn các nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng của mình. Và cũng chính vì lẽ đó mà đã xảy ra các cuộc xung đột địa chiến lược giữa các nước có dầu và những nước không có dầu. Than, một dạng năng lượng Mặt trời hóa thạch Cách đây khoảng 300 triệu năm, các lục địa trên Trái đất vẫn chưa tách khỏi nhau, mà vẫn hợp nhất thành một siêu lục địa gọi là Pangée. Khí hậu nóng và ẩm ướt tới mức siêu lục địa này bị bao phủ bởi một hệ thực vật phong phú bao la hút tầm mắt. Những cánh rừng dương xỉ khổng lồ (cao tới ba mươi mét) phủ những vùng đầm lầy rộng lớn, ở đó nhung nhúc các loài lưỡng cư đầu tiên sinh sôi nảy nở, rồi sau đó chúng rời bỏ môi trường nước để lao vào cuộc chinh phục các vùng đất rắn. Hơi nước và mùi hôi thối bay toả khắp nơi, đó là kết quả thối rữa và phân hủy của vô số lớp lá cây, rong rêu và các loại thực vật khác tích tụ theo thời gian ở đáy các đầm lầy và đầm phá. Rồi những ngày nóng nực kết thúc (nhiệt độ trung bình trên Trái đất lúc đó mát hơn ngày nay, vì chúng ta đang sống ở cuối một kỷ băng hà), các lục địa tách khỏi nhau và bắt đầu trôi giạt. Cùng với thời gian, những lớp phân ủ chướng khí của các xác thực vật được sinh ra từ thời Pangée đã bị vùi sâu tới vài mét dưới lớp bùn và cát. Cũng giống như dầu mỏ, dưới tác dụng kết hợp của áp suất và nhiệt độ cao, trong môi trường không có ôxy của không khí, những lớp phân ủ này bắt đầu chuyển hoá để trở thành khoáng: một dạng đá đen mà ta gọi là “than”. Cũng giống như dầu mỏ, than là một dạng năng lượng Mặt trời cô đặc, bởi vì nó bắt nguồn từ sự phân hủy xác sinh vật, những sinh vật này khi còn sống đã sử dụng ánh sáng Mặt trời để tồn tại. Chẳng hạn, sử dụng than để đốt lò nghĩa là bạn đã sử dụng năng lượng Mặt trời cô đặc mà Trái đất đã kiên trì tích trữ trong hàng trăm triệu năm. Một phần bởi vì than rắn - một dạng đá tạo thành từ sự sống -, nên nó giữ được lâu hơn dầu rất nhiều. Người ta cho rằng, trong số than được hình thành trên hành tinh chúng ta, phần lớn vẫn còn tồn tại, ngoại trừ phần mà con người đã khai thác và sử dụng. Do kỷ địa chất kéo dài từ 360 đến 286 triệu năm trước CN tạo ra phần lớn lượng dầu mỏ và than đá, nên người ta gọi thời kỳ này là kỷ carbon. Và bởi vì các nhiên liệu này bắt nguồn từ sự hóa thạch của các sinh vật cổ xưa, và trong một chừng mực nào đó chúng là các dạng năng lượng Mặt trời hóa thạch, nên chúng được đặt tên là “nhiên liệu hóa thạch”. Vả lại người ta vẫn thỉnh Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 67 thoảng nhìn thấy các hóa thạch của dương xỉ hay của lá cây được khảm trong các cục than. Xác thực vật bị bùn và cát bao phủ biến thành các loại than có chất lượng cao hay thấp, chứa nhiều hay ít carbon tuỳ thuộc vào tuổi của mỏ, và như vậy cũng tức là phụ thuộc vào độ sâu, áp suất và nhiệt độ. Giai đoạn đầu tiên của sự cấu tạo trầm tích dẫn đến than bùn, vốn không gì khác hơn là mùn bị nén chặt. Than mùn chất lượng rất thấp, cháy kém hơn gỗ và năng suất tỏa nhiệt thấp. Các lớp than mùn nằm ngay dưới đáy các đầm lầy và nghèo carbon nhất: hàm lượng của nó chỉ khoảng 50%. Ở những nơi sâu hơn, nhiệt độ và áp suất cao hơn, than mùn chứa nhiều lingit hơn. Lingit được cấu thành 70% từ carbon và nằm sâu khoảng 1 km trong lòng đất. Năng suất toả nhiệt của lingit cao hơn của than mùn, nhưng trung bình vẫn thấp hơn ba lần so với than đá, thuộc lớp than chất lượng cao hơn. Than đá là kết quả của sự nén lingit và chứa tới 85% carbon. Nó nằm sâu khoảng 3 km dưới lòng đất và là dạng than dồi dào nhất và được sử dụng nhiều nhất. Khi cháy, nó tỏa ra rất nhiều nhiệt, và cả một lượng lớn khói. Cuối cùng, ở các áp suất và nhiệt độ lớn hơn, có antraxit, cấu thành từ hơn 90% carbon, là loại than tốt nhất. Đây là loại than chứa rất ít chất dễ bay hơi (khoảng từ 6-8%), và vì vậy cháy mà không bốc khói và tỏa ra rất nhiều nhiệt. Sự hình thành các loại than còn sinh ra khí, đặc biệt là ở cấp độ than đá. Metan (hay còn gọi là “khí mỏ”) có thể xâm chiếm các mỏ than và nếu lẫn vào không khí thì có thể phát nổ khi tiếp xúc với lửa. Đó chính là những vụ nổ mỏ mà các thợ mỏ rất sợ. Trong thế kỷ XX, các vụ nổ mỏ đã giết chết hàng chục nghìn thợ mỏ. Năng lượng không tái sinh gây ô nhiễm môi trường Trữ lượng dầu, khí và than không phải là vô hạn. Chúng đang cạn kiệt nhanh chóng và nghiêm trọng hơn, chúng lại thuộc dạng không tái sinh được. Con người đã phát hiện ra dầu từ thời Cổ đại. Những người cổ xưa đã sử dụng dầu cho rất nhiều ứng dụng: người Ai Cập dùng dầu để bảo quản xác ướp, người Trung Quốc dùng dầu để đóng gạch và sưởi ấm nhà, còn nhiều người dân của các nước khác nữa đã sử dụng dầu để xảm vỏ tàu thủy. Nhưng việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch chỉ thực sự cất cánh cùng với cuộc cách mạng công nghiệp, vào cuối thế kỷ XVIII. Nhờ phát minh ra máy hơi nước, con người đã biết cách chuyển hóa năng lượng của than bị đốt cháy thành công. Với phát minh ra động cơ nổ và ôtô, dầu đã thay thế than để trở thành nhiên liệu hóa thạch được sử dụng nhiều nhất. Giếng dầu hiện đại đầu tiên được khoan năm 68 những con đường của ánh sáng 1859 tại Pennsylvania, Mỹ. Dầu hiện nay cung cấp 40% nhu cầu năng lượng của chúng ta, trong khi khí và than thỏa mãn chỉ khoảng 25%. Than ngày nay chủ yếu được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện để sản xuất điện: nước bị đun nóng bốc hơi, hơi nước dẫn động các tuabin được kết nối với máy phát điện. Chỉ trong hơn một thế kỷ, chúng ta đã tiêu thụ một lượng lớn trữ lượng nhiên liệu hóa thạch mà tự nhiên đã kiên trì hàng trăm triệu năm để sản xuất ra. Sẽ cần phải hàng trăm triệu năm nữa mới có thể tái tạo được trữ lượng này. Đó là một thời gian mà con người không thể có. Do thiếu ý thức và tham lam, con người đã sử dụng rất nhiều năng lượng để sản xuất và tiêu thụ ngày càng nhiều hơn. Con người là sinh vật duy nhất trên Trái đất tiêu thụ năng lượng nhiều hơn lượng cần thiết để sống và tái tạo giống nòi. Ngày nay, người dân của các nước phát triển tiêu thụ một lượng năng lượng cho đi lại và sinh hoạt hàng ngày cao hơn gần một trăm lần lượng năng lượng cần thiết cho sự trao đổi chất của họ! Cứ theo nhịp độ tiêu thụ năng lượng kinh hoàng hiện nay, người ta đánh giá rằng trữ lượng dầu (chủ yếu tập trung ở Trung Đông) và khí (chủ yếu ở Trung Đông và các nước thuộc Liên bang Xô Viết cũ) sẽ cạn kiệt vào khoảng năm 2100. Còn về than, vốn là lượng nhiên liệu dồi dào nhất và phân bố đều nhất về địa lý trên Trái đất (các trữ lượng than lớn nhất nằm ở Mỹ và các nước thuộc Liên bang Xô Viết cũ), sẽ là nguồn nhiên liệu tiếp sức, nhưng cũng sẽ cạn kiệt vào khoảng năm 2300. Nhưng, ngay cả khi các trữ lượng nhiên liệu hóa thạch là vô hạn, thì cũng đã đến lúc cấp bách phải tìm ra và phát triển các nguồn năng lượng thân thiện với môi trường hơn. Trên thực tế, mức tiêu thụ kinh hoàng nhiên liệu hóa thạch đã làm đảo lộn nghiêm trọng sự cân bằng sinh quyển. Dầu và than bị đốt cháy đã đổ hàng tấn khí cacbonic vào khí quyển Trái đất, làm trầm trọng thêm hiệu ứng nhà kính và gây ra sự ấm lên toàn cầu, với các hậu quả khủng khiếp tiềm ẩn đối với sự sống còn của chúng ta và của các loài khác19 . Khí cacbonic mà dương xỉ của kỷ carbon đã tận tụy loại bỏ khỏi không khí cách đây khoảng 300 triệu năm đã phục hồi gần như hoàn toàn. Các khí thải từ các hoạt động của con người chiếm một nửa lượng khí thải vào trong khí quyển Trái đất, tức khoảng 7 tỉ tấn mỗi năm. Trên toàn cầu, than được đốt cháy để sản xuất điện là một nguồn thải lớn khí cacbonic. Về mặt này, nước Pháp là một ngoại lệ, vì 90% lượng điện của Pháp là điện hạt nhân và thủy điện. Do vậy, người Pháp thải khí cacbonic ít hơn người Mỹ ba lần. Dầu được sử dụng cho xe hơi và và ❖ 19 Trịnh Xuân Thuận, Nguồn gốc - Nỗi hoài niệm về những thuở ban đầu, sđd. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 69 các nhiên liệu hóa thạch khác để sưởi ấm nhà, văn phòng, nhà máy cũng góp phần làm tăng hiệu ứng nhà kính. Khí cacbonic sinh ra từ hoạt động của con người đóng góp khoảng 60% vào sự gia tăng hiệu ứng nhà kính quan sát được. Một khí khác gây hiệu ứng nhà kính cũng gắn với hoạt động của con người và có ảnh hưởng lớn lên môi trường chính là metan. Metan đóng góp 20% vào sự gia tăng hiệu ứng nhà kính. Metan chủ yếu bắt nguồn từ chăn nuôi, đặc biệt là từ dạ dày bò (trung bình mỗi năm một con bò sữa tạo ra 90 kg metan), và cả từ rác thải và ruộng lúa. Phần còn lại làm tăng hiệu ứng nhà kính là do các khí có hàm lượng ít hơn trong khí quyển như clorofluorocabon (CFC) trước kia được sử dụng trong công nghiệp làm lạnh và điều hòa không khí, và bị cấm từ năm 1987 do chúng phá hủy tầng ôzôn. Do các giếng dầu bắt đầu cạn kiệt và giá nhiên liệu leo thang, nên trước mắt người ta rất muốn trao lại vị trí hàng đầu cho than, với tất cả các hậu quả xấu của nó đối với sinh thái: bụi than đá phát tán trong không khí và khi con người hít phải sẽ lắng lại trong phổi; khói làm tối bầu trời và đen các ngôi nhà; các ôxit lưu huỳnh và ôxit nitơ độc hại làm axit hóa nước mưa và tuyết, đe dọa sức khỏe con người, đồng thời ảnh hưởng đến ao hồ, sông suối, rừng, và bào mòn các công trình kiến trúc bằng đá tuyệt vời trong các thành phố20 . Cái giá phải trả về con người và môi trường này là không thể chấp nhận và phải tránh bằng mọi cách. Tích giữ nhiệt Mặt trời Vì thế con người đã đi tìm các nguồn nhiên liệu khác “sạch” hơn, nghĩa là tôn trọng môi trường hơn. Trực tiếp hay gián tiếp, hầu như tất cả các nguồn này đều bắt nguồn từ năng lượng Mặt trời. Ngược lại với dầu, than và khí tự nhiên, những nguồn mới này chúng phải tái sinh được: ở thang đời người, việc sử dụng chúng không được dẫn đến sự suy giảm rõ rệt hay biến mất các nguồn tài nguyên thiên nhiên, do nó dựa trên một nguồn gần như không bao giờ cạn kiệt, đó là năng lượng Mặt trời21 . Chúng ta đã thấy rằng Mặt trời cung cấp cho ❖ 20 Khả năng phá hủy này là do than đá chứa lưu huỳnh. Khi lưu huỳnh được giải phóng vào khí quyển, nó kết hợp với hơi nước để tạo thành axit sulfuric. Khử lưu huỳnh trong khói là việc rất khó khăn và tốn kém. Cái giá phải trả sẽ quá đắt nên than đá chưa thể thay thế antraxit vốn chứa rất ít lưu huỳnh. 21 Chắc chắn, Mặt trời rồi cũng sẽ cạn kiệt lượng hyđro của nó trong khoảng 4,5 tỉ năm nữa và sẽ tắt sau khoảng 5 tỉ năm nữa. Con cháu chút chít của chúng ta sẽ phải đi tìm một nguồn năng lượng mới, nghĩa là một Mặt trời mới. 70 những con đường của ánh sáng chúng ta lượng năng lượng lớn hơn lượng mà chúng ta sử dụng khoảng 10.000 lần. Như vậy con người chỉ cần giữ lại 0,01% trong số đó là có thể thỏa mãn được tất cả các nhu cầu về năng lượng. Tuy nhiên, năng lượng Mặt trời vẫn là người cha nghèo của các nguồn năng lượng khác hiện đang được khai thác. Tại Pháp, năm 2002, năng lượng Mặt trời chỉ chiếm 0,01% trong tổng năng lượng tiêu thụ, thấp hơn rất nhiều so với các nguồn năng lượng sạch và tái sinh được khác như nhiên liệu sinh học (biogaz), củi, hay thủy điện. Năng lượng Mặt trời có thể được khai thác theo hai cách: hoặc dưới dạng nhiệt, nhờ các tấm thu ánh nắng Mặt trời, hoặc được chuyển hóa thành điện bằng pin quang điện. Cho tới nay, cách đầu tiên hiệu quả hơn và dễ thực hiện hơn. Tại các vùng có nhiều nắng, trời thường không có mây, một số nhà đã được trang bị bình nước nóng dùng năng lượng Mặt trời. Chúng phát ra các tia hồng ngoại, các tia này bị nhốt trong lồng kính giống như hiệu ứng nhà kính. Nhiệt bị cầm tù như vậy được truyền cho nước trong bình, và nước có thể nóng lên tới 60 độ, sau đó nước này được dùng cho các nhu cầu sinh hoạt của gia đình như tắm, giặt, sưởi hay thậm chí chạy máy điều hòa nhiệt độ. Nhưng có một nhược điểm khi sử dụng năng lượng Mặt trời, đó là không phải ngày nào trời cũng nắng. Việc một vùng có nắng nhiều hay không phụ thuộc rất nhiều vào vĩ độ của nó: các vùng ở phía Bắc nhận được ít nhiệt hơn các vùng nhiệt đới. Ngay trên nước Pháp, số ngày trời nắng trong một năm ở Côte d’Azur gần gấp đôi số ngày nắng ở Paris! Khi trời không có nắng, cần phải sử dụng một nguồn năng lượng khác như điện, khí hay các nhiên liệu hóa thạch khác. Nhưng, nếu tính chi phí cho các năng lượng bổ sung này, thì tại các vùng nhiều nắng, số tiền phải trả cho năng lượng có thể giảm xuống một nửa, thậm chí nhiều hơn. Để khắc phục những ngày không có nắng, cần phải có cách tích trữ năng lượng Mặt trời. Nước là một phương tiện tốt để làm điều đó. Người ta còn sử dụng một số loại muối có khả năng giữ nhiệt tốt hơn nước hàng trăm lần. Để tận dụng năng lượng Mặt trời trong những vùng nhiều nắng, kiến trúc sinh khí hậu có từ thời Cesar đã được yêu chuộng trở lại. Người ta chú ý nhiều hơn đến hướng của các phòng khác nhau trong nhà tùy theo vị trí của Mặt trời ở các thời điểm khác nhau trong ngày, cũng như tới khả năng cách nhiệt. Người ta lắp các cửa kính kép, cánh trập...để hạn chế sự mất nhiệt. Kiến trúc sinh khí hậu sinh cũng chống nóng bằng việc lắp đặt các hệ thống che nắng ban ngày và thông hơi vào ban đêm. Loại bảo vệ này đặc biệt hữu dụng ở những xứ nóng, vì nó làm giảm đáng kể các nhu cầu và do đó giảm chi phí cho điều Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 71 hòa không khí. Trên thực tế, làm giảm một độ trong nhà phải mất gấp ba lần năng lượng để sưởi ấm thêm một độ cho ngôi nhà đó! Ở thang lớn hơn, người ta đã xây dựng các nhà máy điện Mặt trời khổng lồ được lắp các gương lớn có thể phủ một diện tích hàng chục nghìn kilomét vuông. Nguyên lý rất đơn giản: các gương làm hội tụ ánh sáng Mặt trời vào vùng tiêu điểm, làm nóng một chất lỏng lên tới từ 100 đến 300 độ. Ở Pháp, nhà máy điện Mặt trời Thémis đặt tại Targasonne, phía Đông dãy Pyrénées, là một ví dụ điển hình. Ánh nắng Mặt trời được tập trung làm nóng một chất lỏng chứa muối hòa tan có thể giữ nhiệt trong vòng năm giờ hoặc truyền nhiệt sang một máy phát dùng hơi nước để làm dẫn động các tuabin và nhờ đó sinh ra điện. Nhưng nhà máy này không sinh lợi: điện của nhà máy Thémis đắt gấp 50 lần điện sinh bởi các nguồn năng lượng thông thường như hạt nhân hay khí đốt. Vì thế Thémis đã phải rung chuông báo tử năm 1986. Trong một thời gian, nhà máy điện này đã được chuyển đổi thành đài thiên văn và các gương khổng lồ của nó đã được các nhà vật lý thiên văn hướng đến các thiên thể khác ngoài Mặt trời. Các nhà máy điện Mặt trời khác hoạt động rải rác trên thế giới, chẳng hạn ở Tây Ban Nha, Italia hay Mỹ (California). Điện của nhà máy điện California rẻ hơn điện của Thémis mười lần, chủ yếu bởi vì nó không sử dụng thiết bị tích trữ năng lượng Mặt trời: khi trời không có nắng, nhà máy này chạy bằng khí đốt. Biến năng lượng Mặt trời thành điện Một cách khác để lợi dụng năng lượng Mặt trời là chuyển hóa nó thành điện nhờ pin quang điện. Người ta gọi đó là năng lượng quang điện. Nguyên lý của pin quang điện đã được nhà vật lý người Pháp Antoine Becquerel (1788-1878) phát hiện ra năm 1839. Berquerel đã nhận thấy rằng nếu chiếu sáng một cốc nước chứa một dung dịch axit và đưa vào đó một cặp điện cực, thì một dòng điện sẽ được tạo ra. Năm 1877, người ta đã chứng tỏ rằng hiện tượng tương tự cũng xảy ra trong một chất rắn: pin selen được chiếu sáng cũng sinh ra một dòng điện. Nhưng hiệu quả của sự chuyển hóa quang năng thành điện năng của pin quang điện selen rất thấp. Mãi đến những năm 1950, với sự lên ngôi của pin quang điện silic, thì tỉ lệ chuyển hóa mới trở nên chấp nhận được: khoảng 6%. Pin quang điện silic đã tiếp tục được hoàn thiện nhờ các đầu tư vào nghiên cứu và phát triển hai công nghiệp khác nhau: thứ nhất là công nghiệp vi điện tử, siclic là cơ sở của các tranzito được sử dụng trong tất cả các sản phẩm điện tử trong cuộc sống hiện đại (dàn stéréo, đầu đọc đĩa compact hay TV...); 72 những con đường của ánh sáng thứ hai là công nghiệp vệ tinh, pin quang điện cung cấp năng lượng cho rất nhiều vệ tinh đang ở trên quỹ đạo xung quanh Trái đất, vì trong không gian có rất nhiều ánh sáng. Pin quang điện trên thị trường hiện có hiệu suất khoảng từ 12%-17%; một số mô hình trong phòng thí nghiệm thậm chí còn đạt 25%. Giá silic đã liên tục giảm: cứ bảy năm lại giảm xuống mười lần. Nhưng nó vẫn còn cao, điều này có nghĩa là điện của các pin quang điện vẫn còn quá đắt: cao hơn mười lần điện của các năng lượng hóa thạch hay hạt nhân. Ngay cả khi chi phí cho việc lắp đặt các tấm pin Mặt trời có nguồn gốc silic rẻ hơn so với chi phí cho hệ thống dây điện, thì chi phí vẫn còn quá lớn đối với các nước đang phát triển nơi có nhu cầu thuộc loại cấp bách nhất. Vì vậy, đặt ra vấn đề tích trữ: cần phải có rất nhiều trạm để không làm ngắt quãng nguồn cung cấp năng lượng cho nhu cầu ban đêm, khi không còn nắng. Điều này làm cho giá năng lượng Mặt trời thêm cao. Vì vậy đặt ra một vấn đề khác: cần phải có một diện tích lớn, thậm chí rất lớn các tấm pin Mặt trời để thu năng lượng cần thiết. Chẳng hạn, để đáp ứng nhu cầu chỉ của riêng nước Mỹ thôi (chưa tính đến dự trữ), thì cũng cần các tấm pin Mặt trời bao phủ một diện tích cỡ 37450 km2, tức khoảng 0,4% diện tích của nước này, hay một phần mười lăm diện tích của nước Pháp. Để thỏa mãn các nhu cầu của nước Pháp, phải cần khoảng từ 4000 đến 5000 km2 tấm pin Mặt trời, tức gần một nửa diện tích xây dựng của đất nước hình lục lăng này! Nếu tính cả các nhu cầu dự trữ, thì phải cần 3% điện tích của nước Pháp mới đủ chỗ cho các tấm pin Mặt trời! Một việc không dễ thực hiện... Để thu nhận ánh sáng Mặt trời hiệu quả nhất và như vậy giảm được diện tích cần thiết cho các tấm pin Mặt trời, vào cuối những năm 1960, NASA đã nghĩ ra cách đưa các nhà máy điện Mặt trời lên quỹ đạo quanh Trái đất. Trong không gian, các nhà máy điện này có thể bắt bức xạ Mặt trời không bị khí quyển Trái đất hấp thụ. Chỉnh hướng chính xác của các tấm pin Mặt trời là người ta có thể thu nhận được trung bình gấp tám lần năng lượng Mặt trời trên mét vuông so với trên mặt đất. Năng lượng này sau đó sẽ được truyền về Trái đất với hiệu suất khoảng 50% thông qua một chùm vi sóng (loại sóng mà lò vi sóng của chúng ta phát ra). Để làm được điều này, các nhà máy điện Mặt trời không gian phải được đặt lên quỹ đạo địa tĩnh cách mặt đất 36000 km. Khi đi chuyển động một vòng xung quanh Trái đất hết đúng một ngày, chúng sẽ luôn luôn nằm bên trên trạm tiếp nhận ở mặt đất, bất chấp chuyển động quay của hành tinh chúng ta. Chắc chắn, năng lượng của chùm sẽ không được hướng chính xác vào tiêu điểm, mà sẽ phân bố trên một diện tích vài cây số vuông của các Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 73 nhà máy tiếp nhận, nhờ đó làm giảm cường độ của chùm xuống giá trị tương đối yếu khoảng 100 W/m2. Điều này sẽ cho phép tránh cho chùm biến thành các tia điện chết người đối với những người sống trên Trái đất trong trường hợp mất kiểm soát chùm!... Nhưng ý muốn chính trị đã không song hành: gần 40 năm sau, các nhà máy điện Mặt trời trên quỹ đạo vẫn chỉ là dự án. Gió thổi Ngoài việc mang đến nguồn ánh sáng dồi dào để những người sống trên Trái đất thiếu năng lượng có thể trực tiếp chuyển hóa nó thành nhiệt hay điện, Mặt trời còn gián tiếp tạo ra các nguồn năng lượng tái sinh khác, những năng lượng không cạn kiệt ở thang thời gian của nhân loại. Một trong số những năng lượng này đã thu hút rất nhiều chú ý trong những năm gần đây là năng lượng gió. Xét cho cùng, chính Mặt trời là nguyên nhân gây ra gió vì nó làm nóng không đồng đều các vùng thấp và vùng cao, tạo ra những chênh lệch về áp suất giữa các vùng khác nhau của địa cầu. Vì tự nhiên không thích những chênh lệch áp suất khí quyển như thế, nên nó làm giảm bớt những chênh lệch này bằng cách dịch chuyển các khối khí của các vùng áp suất cao sang các vùng có áp suất thấp, tạo ra gió nhẹ làm mát chúng ta trong những ngày hè nóng nực, hoặc các trận bão lốc khủng khiếp vốn là nỗi ám ảnh của các thủy thủ. Con người đã biết khai thác gió tự nhiên này từ rất lâu rồi. Bằng cách giữ gió bằng vải căng trên cột buồm, con người đã có thể đi trên nước nhanh hơn và xa hơn so với đi bằng sức chèo của tay, và có thể vượt cả đại dương để khám phá những lục địa chưa biết. Trên đất liền, bằng cách khai thác động năng của gió do chuyển động quay của cánh quạt và bằng cách chuyển hóa nó thành cơ năng thông qua các bánh răng nối với cánh quạt, người xưa đã biết dùng năng lượng gió để xay bột hoặc kéo nước từ giếng lên. Các công cụ này chính là tổ tiên xa xưa của cối xay gió. Ngày nay, cối xay gió được thay bằng các động cơ gió, hay còn gọi là các “máy phát gió”, có mục đích biến động năng của gió thành điện bằng cách nối cánh của chúng với rotor, bản thân rotor này cũng được nối thông qua một hệ bánh răng với một máy phát điện gọi là “máy phát điện xoay chiều”. Công suất điện – năng lượng cung cấp trên một đơn vị thời gian - của một động cơ gió phụ thuộc vào vận tốc gió. Gió thổi càng mạnh, các cánh quạt quay càng nhanh và công suất cung cấp càng lớn. Công suất này thay đổi theo lập phương của vận tốc gió. Nếu gió thổi mạnh hơn gấp hai lần, thì công suất 74 những con đường của ánh sáng tăng lên tám lần. Đến lượt mình, vận tốc gió phụ thuộc vào độ cao. Ở độ cao 50 mét, gió thổi nhanh hơn trên mặt đất từ 25%-35%, tạo ra công suất cao gấp đôi. Đó là một trong những lý do khiến các động cơ gió hiện đại được đặt trên cao: cánh của chúng có thể nằm trên cao khoảng 100 m so với mặt đất để cho phép chúng bắt được gió mạnh hơn. Nhưng cao cũng đồng nghĩa với nặng: một động cơ gió cao 85 m nặng tới 300 tấn! Các động cơ gió vì thế phải được đặt trên nền chắc. Để một động cơ gió có thể hoạt động, vận tốc gió phải ít nhất là 7 m/s, tức 25 km/h. Động cơ gió đạt đến công suất tối đa khi gió thổi từ 14-20 m/s, tức 50-70km/h. Công suất của chỉ một động cơ gió 1,5 MW, là đủ để thỏa mãn nhu cầu năng lượng của khoảng 600 hộ gia đình. Năng lượng gió chỉ đắt hơn năng lượng hóa thạch hay hạt nhân khoảng hai đến ba lần, và rẻ hơn năng lượng pin Mặt trời từ ba đến bốn lần. Ngoại trừ những ý kiến phản đối do vấn đề thẩm mỹ (một số người cho rằng các cánh đồng đặt động cơ gió sẽ phá vỡ cảnh quan) và tiếng ồn mà chúng gây ra, năng lượng gió không có những tác động nghiêm trọng lên môi trường. Vậy phải chăng đây là giải pháp thần diệu để giải quyết các vấn đề năng lượng của chúng ta? Hiện nay, câu trả lời là không, vì có một chốt chặn lớn: đó là gió không ổn định, nó thổi theo từng đợt. Ở một thời điểm nào đó, có thể không có gió, nhưng ở một thời điểm khác gió lại thổi rất mạnh. Bạn nói rằng trong cái rủi cũng có cái may, rằng chí ít thì gió mạnh cũng đủ để sản sinh ra nhiều điện hơn. Bạn nhầm! Khi gió thổi mạnh, các cánh quạt quay quá nhanh và dễ bị gãy. Vì vậy cần phải hãm bớt để giảm tốc độ quay của chúng, điều này làm giảm đáng kể năng lượng điện cung cấp. Vì vận tốc gió giữa ngày và đêm22 , giữa ngày này và ngày khác là khác nhau tùy theo những thay đổi của thời tiết, nên cũng giống như đối với năng lượng Mặt trời, cần phải xây dựng các thiết bị tích trữ, hoặc các nguồn điện khác trong trường hợp không có gió. Công suất hiện nay của các động cơ gió còn rất thấp nên lượng năng lượng tích trữ phải rất lớn. Các phương tiện tích trữ truyền thống như ắc quy không đủ, vì chúng quá cồng kềnh và tốn kém. Vì vậy, cho tới nay, năng lượng gió vẫn chỉ là một nguồn năng lượng bổ sung mà thôi. Nó chỉ có thể chiếm một vị trí trung tâm nếu các động cơ gió trở nên hiệu quả hơn đồng thời giải quyết được vấn đề tích trữ. Đan Mạch, nước tiêu thụ năng lượng gió hàng đầu thế giới, mới chỉ sản xuất chưa đến 20% năng lượng của mình nhờ gió. ❖ 22 Trong cùng một ngày, vận tốc gió khá ổn định ở độ cao từ 30-70 mét; nhưng ở độ cao trên 70 mét, vận tốc gió vào ban đêm cao hơn vào ban ngày, và ở dưới 30 mét, vận tốc gió vào ban ngày cao hơn vào ban đêm. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 75 Sức nước Mặt trời gián tiếp là nguồn gốc của một nguồn năng lượng tái sinh khác, đó là năng lượng do sức nước. Thực tế, Mặt trời của chúng ta làm cho nước của các đại dương bốc hơi, hơi nước bị gió đẩy lên cao, rồi sau đó rơi xuống dưới dạng mưa vào sông suối. Đến lượt mình sông suối cung cấp nước cho các hồ, cho phép con người xây đập và sử dụng chuyển động của nước để dẫn động các tuabin và máy phát điện xoay chiều tạo ra điện. Cũng giống như đối với gió, ý tưởng khai thác các dòng nước để tạo ra điện có từ rất sớm. Những cối xay gió đầu tiên đã xuất hiện ở Trung Quốc và ở phương Tây từ thế kỷ IV-III trước CN. Ban đầu được trang bị các bánh xe lớn đặt thẳng đứng có gắn các gàu múc để đưa nước lên cao, sau đó chúng được hoàn thiện dần theo thời gian. Phát minh ra bánh răng ở thời La Mã và trục cam vào thời Trung Cổ để nối bánh xe được dòng nước làm cho chuyển động với các thớt của cối xay gió đã cho phép không chỉ xay hạt, mà còn cả bơm, khoan và trục hàng. Cối xay chạy bằng sức nước đã nhanh chóng phát triển. Nhưng nó đã bị phát minh ra máy hơi nước vào thế kỷ XIX giáng cho một đòn chí mạng. Tuy nhiên, nước vẫn chưa cáo chung, và con người sẽ tìm ra một cách khác để khai thác sức mạnh của nó. Vào cuối những năm 1820, con người đã biến bánh xe thành tuabin và, 50 năm sau, con người đã gắn nó với một máy phát điện ở hạ lưu của một đập giữ nước hồ. Ngay khi các van được mở, nước chảy mạnh và làm cho các tuabin quay, cơ năng của nó được biến thành điện năng. Nhà máy thủy điện đã ra đời. Ngày nay, có khoảng 45000 đập rải rác trên địa cầu cung cấp khoảng một phần năm lượng điện tiêu thụ trên toàn thế giới, tức khoảng 2,4 triệu mêga oát. Tại Pháp, khoảng 15% điện là thủy điện. Trước khi năng lượng hạt nhân lên ngôi tại đất nước hình lục giác này, thủy điện chiếm tới 60%. Tại châu Âu, Mỹ, Canada, tiềm năng thủy điện đã được khai thác đến 70%. Nhưng trong hai nước đông dân nhất thế giới (một phần năm dân số thế giới là người Trung Quốc, và một phần sáu là người Ấn Độ), hai nước có tốc độ phát triển kinh tế rất cao đòi hỏi ngày càng nhiều năng lượng, khoảng hai phần ba tiềm năng thủy điện vẫn chưa được khai thác, và sản lượng thủy điện tại hai nước này phải tăng vọt trong những năm tới. Từ nay đến năm 2050, nhu cầu điện của Trung Quốc sẽ tăng lên khoảng 2,6 tỉ oát, điều này sẽ đòi hỏi phải xây dựng tương đương bốn nhà máy điện 300 mêga oát mỗi tuần trong 45 năm tới! Còn Ấn Độ, nhu cầu năng lượng của nước này còn tăng nhanh hơn Trung Quốc: hơn 100% từ năm 1980 đến năm 2001. Mặc dù vậy, gần một nửa người dân Ấn Độ vẫn chưa được sử dụng điện thường xuyên. 76 những con đường của ánh sáng Sức nước còn có thể được sử dụng theo một cách khác. Thủy triều, chuyển động của nước triều lên và xuống của các đại dương, cũng có thể sinh ra điện. Khi thủy triều lên, các tuabin kết nối với máy phát điện được dẫn động bởi nước từ biển dâng lên mặt đất, và khi thủy triều xuống, điều ngược lại xảy ra với tuabin quay theo chiều ngược lại. Đó chính là năng lượng từ sức thủy triều. Nhà máy điện sử dụng sức thủy triều đầu tiên trên thế giới được xây dựng tại Pháp năm 1966 trên cửa sông Rance. Thực tế, năng lượng sinh từ thủy triều bắt nguồn từ Mặt trăng hơn là từ Mặt trời. Năng lượng gây ra hiện tượng triều lên và xuống không phải là một năng lượng có bản chất ánh sáng, mà là một năng lượng có bản chất hấp dẫn. Thật vậy, chính Mặt trăng tác dụng lực hấp dẫn lên nước biển và gây ra chuyển động thủy triều. Trong hiện tượng này, Mặt trời đóng vai trò mờ nhạt hơn: khả năng làm chuyển động nước biển của nó chỉ bằng khoảng một nửa của Mặt trăng23 . Năng lượng xanh Thông qua quang hợp, cây chuyển hóa năng lượng sáng của Mặt trời thành năng lượng hóa học. Và, mặc dù hiệu suất quang hợp của cây thấp (lượng năng lượng hóa học sinh ra thấp hơn lượng năng lượng Mặt trời bị hấp thụ), nhưng vì thực vật chiếm 90% sinh vật sống nên nó tích trữ một lượng đáng kể năng lượng hóa học. Như vhúng ta đã thấy, để thỏa mãn các nhu cầu năng lượng của mình, con người đã khai thác dầu, khí đốt và các nhiên liệu hóa thạch dễ cháy khác không tái sinh được mà tự nhiên đã phải mất hàng trăm triệu năm để tạo ra từ sự chôn vùi và phân hủy xác thực vật. Nhưng, để giảm bớt các nhu cầu năng lượng hóa thạch, chúng ta cũng có khả năng sử dụng thực vật không hóa thạch tái sinh liên tục (với điều kiện là không được lạm dụng!). Năng lượng tái sinh thân thiện môi trường này được coi là “xanh”, cùng với củi, rơm hay các chất thải hữu cơ khác cung cấp năng lượng khi bị đốt cháy gọi là “chất đốt sinh học”. Con người đã sử dụng củi từ thời rất xa xưa để sưởi ấm, nấu ăn và thắp sáng. Tuy nhiên, mật độ năng lượng của gỗ thấp hơn của dầu ba lần. Mặt khác, càng khô thì gỗ sẽ cháy càng bén hơn và tỏa ra ít khói hơn. Vậy mà độ ẩm của gỗ dừng lại ở 15-20% sau 2 năm phơi khô tự nhiên. Từ đó sinh ra công nghiệp sản xuất than gỗ. Gỗ được sấy ở nhiệt độ hơn 200 độ, làm cho nước chứa trong ❖ 23 Xem thêm Trịnh Xuân Thuận, Hỗn độn và Hài hòa, sđd. Ánh sáng của sự sống: Mặt trời, năng lượng, bầu trời xanh và cầu vồng 77 đó bay hơi hết, và bị biến thành than gỗ có trọng lượng thấp hơn 30% trọng lượng ban đầu. Than gỗ có mật độ năng lượng lớn gấp đôi của gỗ và khi cháy thoát ra ít khói hơn rất nhiều. So với các nhiên liệu hóa thạch, gỗ và các chất đốt sinh học nhìn chung có ưu điểm là thải ra ít khí cacbonic, và như vậy đóng góp ít vào hiệu ứng nhà kính và sự ấm lên toàn cầu. Việc sử dụng chúng còn mang lại các ưu điểm khác: việc chặt tỉa rừng đều đặn để cung cấp gỗ cũng góp phần duy trì chúng. Gỗ ngày nay vẫn là một nguồn năng lượng không nhỏ trong nhiều nước trên thế giới. Nhưng nó không bao giờ đủ cho các nhu cầu của các nước công nghiệp. Năng lượng thực vật cũng có thể được sử dụng dưới dạng chất đốt sinh học cho xe ôtô và các loại máy có động cơ nổ khác. Chất đốt sinh học là cồn sinh ra từ sự lên men thực vật giàu đường, như mía, củ cải đường, lúa mì hay ngô. Tuy nhiên, etanol bắt nguồn từ quá trình này chỉ có thể được sử dụng trong các động cơ phù hợp với chúng, vì sự đốt cháy nó đòi hỏi lượng không khí lớn hơn gấp hai lần so với động cơ xăng. Trong động cơ bình thường, nó phải được sử dụng dưới dạng phái sinh hòa lẫn với xăng. Cây có dầu, như đậu tương, lạc, hướng dương hay cải dầu cũng có thể là nguồn cung cấp nhiên liệu sinh học. Người ta xay hạt của chúng rồi ép và lọc lấy dầu thực vật nguyên chất. Sau đó dầu này được xử lý bằng rượu (metanol) cho ra este (các phân tử sinh ra từ tác dụng của một rượu lên một axit hữu cơ) khi được trộn theo tỉ lệ từ 5-20% với gazole. Este có thể dùng làm nhiên liệu cho xe ôtô. Nhưng, bất chấp các ưu điểm sinh học không phải bàn cãi của chúng (ít thải khí cacbonic), nhiên liệu sinh học còn lâu mới có thể thay thế cho xăng: hiện chúng vẫn đắt hơn nhiên liệu phái sinh từ vàng đen hai lần. Năng lượng hạt nhân Không còn nghi ngờ gì nữa, các năng lượng tái sinh thân thiện môi trường hơn các năng lượng hóa thạch không tái sinh. Ngay cả khi các năng lượng được coi là sạch cũng không phải là không có ảnh hưởng lên môi trường. Thật vậy, nếu hoạt động của một nhà máy điện Mặt trời hay một nhà máy điện chạy bằng sức gió không phải là nguồn gây ô nhiễm, thì ngược lại việc xây dựng chúng lại là một nguồn đổ ra chất thải. Bằng cách biến ánh sáng Mặt trời thành điện, nhà máy điện Mặt trời không thải vào khí quyển bất kỳ khí gây hiệu ứng nhà kính nào. Nhưng để xây dựng nó, cần phải vận chuyển bê tông, xi măng và các vật liệu xây dựng khác. Việc chế tạo những bộ phận điện tử và cơ học của 78 những con đường của ánh sáng các tấm pin năng lượng Mặt trời cũng đòi hỏi phải sử dụng một lượng năng lượng và nguyên liệu nhất định, và việc này chắc chắn đi kèm với chất thải. Theo quan điểm này, năng lượng hạt nhân sạch hơn năng lượng Mặt trời: khí cacbonic thải ra từ việc xây dựng một nhà máy điện hạt nhân thấp hơn (từ 5-15 lần) khí thải do công trường xây dựng một nhà máy điện Mặt trời, vì không giống như nhà máy điện Mặt trời, nhà máy điện hạt nhân không đòi hỏi phải lắp đặt hàng cây số vuông các tấm pin Mặt trời. Nhưng năng lượng hạt nhân không phải là không đặt ra những vấn đề về môi trường. Con người vẫn chưa biết bắt chước Mặt trời để thực hiện trên Trái đất các phản ứng hạt nhân xảy ra trong tâm Mặt trời. Như chúng ta đã biết, Mặt trời sinh ra năng lượng bằng cách tổng hợp cứ bốn hạt nhân hyđro (hay proton) thành một hạt nhân hêli. Nếu chúng ta có thể tạo ra năng lượng tổng hợp này trên Trái đất, thì nó sẽ là một nguồn năng lượng lý tưởng, vì việc sản xuất nó không gây ô nhiễm và lượng hyđro trong nước biển gần như là vô hạn. Nhưng tổng hợp các proton đòi hỏi phải có nhiệt độ trên 10 triệu độ. Vật chất bị nóng lên đến nhiệt độ ấy, nếu nó không bị cầm tù như trong các ngôi sao, thì sẽ vỡ tung và tan rã, và sự tổng hợp các hạt nhân sẽ không thể xảy ra. Mặt trời không vấp phải vấn đề này, vì khối lượng khổng lồ của nó sinh ra một lực hấp dẫn khổng lồ giam hãm một cách tự nhiên hyđro bị nóng lên ở tâm của nó. Các nhà khoa học đã miệt mài nghiên cứu cách giữ vật chất nóng trên 10 triệu độ để khai thác năng lượng từ sự tổng hợp các hạt nhân hyđro. Để có thể tái tạo nhiệt độ của Mặt trời trên Trái đất, các nhà khoa học Châu Âu, Nhật Bản, Canada và Nga đã hợp tác với nhau để xây dựng tại miền Nam nước Pháp một lò phản ứng tổng hợp nhiệt hạch khổng lồ có tên là ITER (Internatonal Thermonuclear Experimental Reactor). Con người đã sử dụng năng lượng hạt nhân. Nhưng năng lượng này không sinh ra từ sự tổng hợp các hạt nhân hyđro, mà từ sự phân chia của các hạt nhân (gọi tắt là sự phân hạch) urani. Thế nhưng sản xuất năng lượng từ phân hạch có một nhược điểm lớn: trong khi sự tổng hợp các hạt nhân là sạch, thì sự phân hạch lại để lại những chất thải phóng xạ có thể gây ung thư và dị tật gen. Việc lưu giữ các chất thải phóng xạ này cũng đặt ra vấn đề, vì tuổi thọ của chúng lên tới hàng triệu, thậm chí hàng tỉ năm. Không chỉ chúng ta bị ảnh hưởng bởi các tia độc hại của chúng, mà cả con cháu chút chít rất xa trong tương lai của chúng ta cũng sẽ bị ảnh hưởng. Mặt khác, việc làm chủ công nghệ điện hạt nhân cũng thật chưa đảm bảo chắc chắn như một số kỹ sư và nhà khoa học đánh lừa chúng ta: các vụ tai nạn xảy ra tại nhà máy điện hạt nhân Three