Cách đây tròn 50 năm, năm 1956, hai nhà địa hóa tại Viện Hải dương học California, Roger Revell và Hans Suess, đã muốn đo lượng điôxít cácbon có trong không khí và đại dương để đánh giá tác động của nó đối với khí hậu trong 50 năm sau. Nói cách khác, họ muốn đánh giá mức độ trầm trọng của tình hình vào năm 2006! Vào lúc đó, những phép đo như thế thật vô ích bởi lẽ người ta không nghĩ tới chuyện điôxit cácbon thoát ra từ các ống khói lại tích đọng trong khí quyển. Có một số nhà khoa học cho là đại dương và cây xanh hấp thụ nó. Người ta đã đặt các thiết bị đo nồng độ điôxit cácbon ở nơi xa nguồn phát ra nó để tránh sự biến đổi số liệu một cách bấp bênh. Địa điểm đầu tiên là cực Nam – xa hẳn mọi hoạt động công nghiệp và cây cối. Địa điểm thứ hai là trạm khí tượng trên đỉnh núi Mauna Loa ở Haoai. Tại đây, lượng điôxit cácbon được đo liên tục từ năm 1958. Trái với cái gì diễn ra ở Nam cực, nồng độ khí này ở Haoai tăng giảm theo mùa nhưng vào cuối từng năm một đều cao hơn 12 tháng trước đó. Như vậy, một phần điôxit cácbon trong khí quyển đã đọng lại ở thiết bị đo. Người ta cho rằng một phần quan trọng điôxit cácbon chắc nằm trong các đại dương.
Có đúng vậy không? Quả là như vậy bởi R. Revelle biết khí này làm thay đổi thành phần nước biển. Khác với các mặt khác trong thay đổi khí hậu, việc hòa tan điôxit cácbon trong nước – axit hóa đại dương – được xác nhận nhưng hậu quả của nó thì mới bắt đầu được nhận thức. Người ta chưa biết ảnh hưởng của tình trạng axit hóa đó đối với hệ sinh thái biển sẽ như thế nào. Các nhà địa vật lý còn có những số liệu cũ hơn nhờ vào khảo sát không khí trong các lõi khoan băng. Các số liệu đó cho thấy nồng độ điôxit cácbon hầu như ổn định trong nhiều thiên niên kỷ trước khi đột nhiên tăng trong cuộc cách mạng công nghiệp đầu thế kỷ 19. Hiện nay thì nồng độ khí này trong khí quyển đã cao hơn 30 lần so với cách đây vài trăm năm và đến cuối thế kỷ 21 nó còn tăng gấp đôi, thậm chí gấp 3 lần so với hiện nay.
Một hiện tượng khác thường
Cái cácbon “mới này” bắt nguồn chủ yếu từ các năng lượng hóa thạch: than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên (sản xuất xi măng, cháy rừng nhiệt đới cũng đóng góp vào). Trái với các sinh vật, các nhiên liệu hóa thạch chứa đựng ít (hoặc không có) cácbon phóng xạ, chất đồng vị 14 trong cácbon mà hạt nhân chứa 8 neutron thay vì 6 neutron như thông thường. Ngoài ra các nhiên liệu này lại có mối liên hệ đặc thù giữa hai chất đồng vị vững chắc trong cácbon (cácbon 12 và cácbon 13). Khi đốt cháy, các nhiên liệu này để lại chữ ký đồng vị điển hình trong khí quyển: do vậy không có sự nhập nhằng nào về nguồn gốc điôxit cácbon.
Chừng 40% điôxit cácbon xuất phát từ đốt nhiên liệu hóa thạch đọng lại trong khí quyển, số còn lại được thảm thực vật trái đất và đại dương hấp thụ với tỷ lệ ngang nhau. Hiện nay, cácbon hòa tan trong nước còn chiếm tỷ lệ thấp vì đại dương là một kho dự trữ tự nhiên to lớn của nguyên tố này. Chính vì vậy, việc phát hiện và lượng hóa cácbon được hấp thụ đòi hỏi những phép đo cực kỳ chính xác. Do nồng độ cácbon thay đổi mạnh theo địa điểm, cho nên nó phải được lập bản đồ trên toàn thế giới. Các nhà nghiên cứu hải dương đã thực hiện các phép đo này vào cuối thập niên 80 và thập niên 90 trong khuôn khổ hai đánh giá toàn cầu có tên JGOFS (Joint Global Ocean Flux Survey - Số liệu dòng chảy đại dương ở quy mô toàn cầu) và WOCE (World Ocean Circulation Experiment - Khảo sát tuần hoàn đại dương thế giới).
Tuy nhiên, các khảo sát này không có phân biệt điôxit cácbon tự nhiên với điôxit cácbon được thải ra trong khí quyển do hoạt động của con người. Năm 1996, Nicolas Gruber, trường Đại học California và hai cộng sự của ông đã hoàn chỉnh một kỹ thuật để tránh khó khăn này. Sau 8 năm, bằng cách thích ứng phương pháp của mình với các khảo sát của JGOFS và WOCE, họ đã đưa ra giả thuyết đại dương đã hấp thụ hơn 1/2 cácbon hóa thạch phát tán trong khí quyển từ đầu cuộc cách mạng công nghiệp đến nay.
Muốn đánh giá mức độ hòa tan cácbon trong đại dương, ta có thể thường xuyên đo nồng độ cácbon ở một vùng của đại dương. Điều đó đòi hỏi phân biệt cácbon hóa thạch với các nguồn khác ở biển. Năm ngoái đây, cùng với Rik WanninKhof, thuộc phòng thí nghiệm khí tượng và hải dương học chuyên về Đại Tây Dương và một nhóm gồm 31 người, người ta đã lấy mẫu các thuộc tính lý, hóa của miền Tây của Nam Đại Tây dương. Scott Doney - tác giả bài viết này, đã xác định các đặc trưng hóa học của vùng biển Đại tây dương này vào năm 1989. Khi đối chiếu kết quả, người ta thấy ở độ sâu hàng trăm mét, Đại Tây dương tích đọng nhiều cácbon so với trước đây: biển hấp thụ điôxit cácbon khí quyển. Các nhà nghiên cứu hải dương cũng có kết quả tương tự ở Thái Bình dương và Ấn Độ dương. Nhưng hậu quả của sự hấp thụ điôxit cácbon này đối với môi trường biển như thế nào?
Nhiều axít cácbonic hơn
Ta hãy trở lại vài khái niệm đơn giản về hóa học để hiểu hậu quả của các thay đổi môi trường đại dương. Điôxit cácbon (CO2) tác động với nước để cho axit cácbonic (H2CO2), axit trong nước uống có chứa khí cacbonic. Axit này giải phóng các ion hyđrô (H+), cũng như mọi axit, nhưng có cả các ion bicacbonat (HCO3-) và, ở mức độ thấp hơn, có cả các ion cacbonat (CO32-). Một lượng nhỏ axit cacbonic và đioxit cacbon ở dạng dung dịch không có phân ly. Do vậy mà sự pha trộn các phân tử cacbon trong nước rất phức tạp.
Quá trình hòa tan và phân ly điôxit cabon dẫn đến làm tăng nồng độ ion hyđro, được định lượng bằng độ pH nước bề mặt 0,1 so với trị số của nó thời tiền công nghiệp: biển chứa nhiều axit hơn. Trừ phi nhanh chóng giảm sử dụng nhiên liệu khoáng, độ pH của đại dương chắc giảm xuống được 0,3 từ nay đến năm 2100. Nếu duy trì được nhịp độ đó, độ pH của các đại dương từ nay đến vài thế kỷ sau sẽ tương đương với mức thấp nhất chưa từng đạt tới từ 300 triệu năm nay.
Thay đổi độ pH, cho dù nhỏ nhất đi nữa, cũng độc hại đối với một số dạng sống trên biển, nhất là đối với các sinh vật có vôi sử dụng cácbonat hòa tan trong nước để sản xuất ra cácbonat canxi (CaCO3) trên vỏ cứng. Nếu như một phần khí cácbonic đưa các đại dương hấp thụ hòa tan thành ion cácbonat thì các ion đó chắc tích lại ngày một nhiều. Tuy nhiên, không phải thế vì các ion hydro cũng tăng lên và tác động tới các ion cácbonat để sinh ra các ion biocácbonat. Rốt cuộc, nồng độ ion cácbonat giảm xuống khi độ pH của nước giảm xuống. Một trong số các dạng sống phong phú nhất, sẽ bị chao đảo do axít hóa các đại dương là một loại thực vật nổi trôi gần mặt nước (nơi ánh sáng mặt trời giúp cho sự quang hợp). Các loại sinh vật nổi khác, bộ trùng lỗ và bộ chân cánh (các con ốc sên biển), bị ảnh hưởng. Các loài nhỏ xíu này là nguồn thức ăn của rất nhiều loài cá và động vật có vú ở biển, như cá voi.
San hô cũng chịu ảnh hưởng khi nước biển bị axít hóa. Mặc dù có vẻ bề ngoài thực vật nhưng đó lại là các tập đoàn động vật nhỏ, gắn kết với hải quỳ, sống nhờ có các sinh vật nổi. Nó tạo ra một bộ xương bằng cácbonat canxi và tích tụ lại qua thời gian tạo nên các bãi ngầm san hô - một trong số các hệ sinh thái có lợi nhất và phong phí nhất của đại dương. Các tảo san hô cũng góp phần vào vôi hóa các bãi ngầm. Càng ở sâu, sân hô nước ngọt che phủ các bờ lục địa và địa hình dưới biển, hình thành các nơi cư trú cho nhiều loài cá.
Mầu của san hô nhiệt đới do sự hiện diện của các loài tảo cộng sinh sống bên trong các bên trong các tế bào san hô. Do sức ép môi trường, các tảo này rời bỏ vật chủ: bộ xương trắng cácbonat canxi của san hô không được bảo vệ nữa. Nhiệt độ cao gây nên sự “bạc trắng” này, và axít hóa đại dương cũng có hậu quả tương tự. Ngoài ra, bộ xương cácbonat canxi của san hô và các sinh vật chứa vôi khác tự phân rã do tác động của axít hóa đại dương.
San hô có nguy cơ tiêu tan
Độ tan của cácbonat canxi tùy thuộc vào nồng độ ion cacbonat của dung dịch (và trực tiếp là độ pH) nhưng nó cũng thay đổi tùy theo các thông số khác như nhiệt độ và áp suất. Trong điều kiện bình thường, phần lớn nước lạnh dưới sâu đều có đủ độ axít để hòa tan vỏ cứng cacbonat canxi. Nước như vậy gọi là dưới bão hòa. Ngược lại, nước nóng bề mặt gọi là rên bão hòa canxit và aragonit: hai dạng khoáng này hầu như không tan ở đây. Sự chuyển tiếp giữa vùng dưới bão hòa và vùng trên bão hòa được gọi là giới hạn bão hòa: dưới giới hạn này, các dạng khoáng nói trên tự hòa tan. Do hòa tan khí cácbonic khí quyển trong các đại dương nên giới hạn bão hòa aragonit và canxit gần với bề mặt từ 50 đến 200 mét so với dưới độ sâu của chúng đầu thế kỷ 19. Các khảo sát mới đây cho thấy hiện tượng này sẽ trầm trọng trong các thấp niên tới đây.
Các đại dương càng nhiễm axit thị độ dày của lớp nước có con sò, ốc sẽ giảm xuống và chỉ có một phần ngày một hẹp trên các đại dương che chở cho các sinh vật tiết ra cácbonat canxi. Từ lâu người ta cho rằng axít hóa các đại dương chắc ít có hậu quả vì nước bề mặt vẫn trên bão hòa, ít ra đối với canxit, dạng ít hòa tan nhất của cacbonat canxi. Tuy nhiên, cuối thập niên 90, người ta thấy các sinh vật có vôi cũng tác động, cho dù ở nước trên bão hòa. Do nước lạnh ít bão hòa hơn nước nóng đối với các dạng cacbonat canxi khác nhau nên các hệ sinh thái vĩ độ cao và nước sâu sẽ chịu tác động đầu tiên trước tình trạng axít hóa các đại dương. Nước ở địa cực có lẽ là dưới bão hòa aragonit trước cuối thế kỷ này và bộ chân cánh có thể biến mất hoặc di cư đến các vĩ độ thấp hơn, nơi có nước ấm, giả thiết nó thích nghi với môi trường mới. Ngoài ra, động vật nổi và thực vật nổi có vôi ở vĩ độ cao chắc cũng chịu chung số phận nhưng về lâu về dài. San hô nước cũng chịu ảnh hưởng, nhất là ở vùng Tây của Bắc Đại Tây dương, nơi đây nước có chứa nồng độ cao cacbon bắt nguồn từ việc đốt các năng lượng hóa thạch. Tương lai của các bãi ngầm san hô còn đen tối hơn. Đối với các hệ sinh thái quý giá này, việc axít hóa các đại dương chỉ là một sức ép môi trường trong số các sức ép khác như nóng lên do hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm cục bộ, đánh cá và phá hủy nơi cư ngụ của san hô.
Điôxit cácbon bắt nguồn từ đốt cháy các năng lượng hóa thạch hòa tan vào các đại dương xem như là chuyện khó tránh và có nguy cơ làm thay đổi sâu sắc hệ sinh thái biển.
Thanh Hà, Pour la Science, 5/2006