Các nhà khoa học từ lâu đã biết có điều gì đó kỳ lạ đang xảy ra trong khí quyển Trái đất. Trong khi khí nhà kính, trong đó có khí carbon dioxide (CO₂) đang làm ấm bề ​​mặt Trái đất và tầng khí quyển thấp hơn thì ở tầng khí quyển cao hơn thực tế lại đang lạnh đi.

Ở gần bề mặt Trái đất, khí CO₂ giữ lại nhiệt lượng, mà lẽ ra sẽ thoát ra ngoài không gian. Đây là lý do chính khiến khí nhà kính góp phần gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu. Nhưng ở độ cao hơn trong khí quyển, đặc biệt là ở tầng bình lưu, khí CO₂ lại hoạt động rất khác.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Columbia cuối cùng đã hiểu được nguyên do đằng sau hiệu ứng bất thường này. Nghiên cứu của họ giải thích đặc tính của khí CO₂ khác nhau tùy thuộc vị trí của nó trong khí quyển và cách nó tương tác với ánh sáng hồng ngoại.

Tầng bình lưu mở rộng từ khoảng 11 - 50 km phía trên Trái đất. Ở tầng này, các phân tử CO₂ hấp thụ năng lượng hồng ngoại đến từ bên dưới, sau đó giải phóng một phần năng lượng đó vào không gian. Về cơ bản, khí này hoạt động gần giống như bộ tản nhiệt làm mát.

Khi lượng khí CO₂ tích tụ trong khí quyển ngày càng nhiều, tầng bình lưu càng có khả năng giải phóng nhiệt vào không gian tốt hơn, khiến nó lạnh đi. Các nhà khoa học đã dự đoán hiệu ứng này từ nhiều thập kỷ trước.

Các mô hình khí hậu được phát triển vào những năm 1960 bởi nhà khí hậu học Syukuro Manabe, đã đoạt giải Nobel, chỉ ra rằng việc tăng lượng CO₂ sẽ làm tầng khí quyển thấp hơn ấm đi, trong khi tầng bình lưu lại mát hơn.

Mặc dù các nhà khoa học hiểu được ý tưởng cơ bản, nhưng cơ chế chi tiết đằng sau quá trình làm mát ở tầng bình lưu vẫn chưa được làm rõ cho đến nay. Nhóm nghiên cứu đã phát triển các mô hình toán học mới để giải thích rõ hơn quá trình này.

Họ phát hiện quá trình làm mát phụ thuộc rất nhiều vào cách khí CO₂ tương tác với các bước sóng khác nhau của ánh sáng hồng ngoại. Đáng lưu ý, không phải tất cả ánh sáng hồng ngoại đều hoạt động giống nhau.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy, một số bước sóng nhất định nằm trong cái mà họ mô tả là “vùng Goldilocks”, nơi CO₂ đặc biệt hiệu quả trong việc giải phóng nhiệt vào không gian. Khi nồng độ CO₂ tăng lên, vùng hiệu quả cao này mở rộng, làm tăng sự làm mát trong tầng bình lưu.

Các nhà nghiên cứu cũng xem xét vai trò của ozone và hơi nước. Mặc dù các chất này có thể góp phần làm mát phía trên tầng khí quyển, nhưng tác động của chúng nhỏ hơn nhiều so với khí CO₂.

Nghiên cứu này cũng giúp giải thích tại sao hiện tượng ấm lên gần bề mặt Trái đất lại mạnh hơn, cùng lúc với việc tầng bình lưu mát đi. Khi tầng bình lưu mất nhiệt và trở nên lạnh hơn, nó phát ra ít năng lượng hồng ngoại hơn.

Điều đó có nghĩa là ít nhiệt thoát ra khỏi hoàn toàn Trái đất, cho phép nhiệt lượng bị giữ lại nhiều trong tầng khí quyển thấp hơn. Nói cách khác, CO₂ làm mát tầng khí quyển phía trên, đồng thời gián tiếp làm tăng sự nóng lên ở gần mặt đất.

Theo các nhà nghiên cứu, công trình này quan trọng không phải vì nó chứng minh lại hiện tượng biến đổi khí hậu, mà nó giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cách thức khí quyển phản ứng với khí nhà kính. Nghiên cứu này được đăng trên tạp chí Nature Geoscience.