Axit hoá đại dương là gì: pH giảm 0,1 và sinh vật có vỏ gặp khó ra sao

Axit hoá đại dương là việc nước biển dần bớt kiềm đi khi hấp thụ khí CO₂ mà con người thải vào khí quyển. Theo IPCC, độ pH trung bình của nước mặt đại dương đã giảm khoảng 0,1 đơn vị kể từ thời tiền công nghiệp, từ khoảng 8,2 xuống khoảng 8,1. Con số trông nhỏ, nhưng vì thang pH là thang logarit, mức giảm đó tương ứng với nồng độ ion hydro tăng khoảng 30%.

Nước biển vẫn có tính kiềm, chưa hề "thành axit". Chữ "axit hoá" chỉ hướng thay đổi, không phải trạng thái. Điều đáng quan tâm là tốc độ: theo các bằng chứng địa chất, mức thay đổi hiện nay nhanh hơn rất nhiều so với những biến động tự nhiên trong hàng trăm nghìn năm qua.

Chuyện gì xảy ra khi CO₂ tan vào biển

Đại dương và khí quyển luôn trao đổi khí ở mặt nước. Khi lượng CO₂ trong không khí tăng, biển hấp thụ thêm. Theo Dự án Carbon Toàn cầu và đánh giá của IPCC, đại dương đã nhận khoảng một phần tư lượng CO₂ con người thải ra mỗi năm trong vài thập kỷ gần đây. Nhờ vậy khí quyển ấm lên chậm hơn, nhưng cái giá được trả bằng hoá học của nước biển.

Chuỗi phản ứng gồm ba bước chính:

1. CO₂ tan vào nước và kết hợp với nước tạo axit cacbonic (H₂CO₃).
2. Axit cacbonic phân li thành ion hydro (H⁺) và ion bicacbonat (HCO₃⁻). Lượng H⁺ tăng thì pH giảm.
3. Ion H⁺ "bắt" ion cacbonat (CO₃²⁻) có sẵn trong nước để tạo thêm bicacbonat. Kết quả là lượng ion cacbonat tự do giảm xuống.

Bước thứ ba mới là điều khiến các nhà sinh học biển lo nhất. Ion cacbonat là "gạch" mà rất nhiều sinh vật dùng để xây vỏ và bộ xương bằng canxi cacbonat (CaCO₃).

Độ bão hoà aragonit và canxit

Canxi cacbonat trong sinh vật biển tồn tại chủ yếu ở hai dạng tinh thể: aragonit (san hô, nhiều loài ốc, ốc bay pteropod) và canxit (trùng lỗ, tảo vôi coccolithophore, nhiều loài hai mảnh vỏ có lớp canxit). Aragonit dễ tan hơn canxit.

Các nhà hải dương học dùng một chỉ số gọi là độ bão hoà (ký hiệu Ω). Khi Ω lớn hơn 1, nước "thừa" cacbonat, vỏ khó tan. Khi Ω nhỏ hơn 1, nước có xu hướng hoà tan vỏ. Ở biển nhiệt đới, nước mặt vẫn bão hoà aragonit khá cao. Vùng nước lạnh ở cực và nước sâu thì gần ngưỡng hơn, vì CO₂ tan nhiều hơn trong nước lạnh và nước sâu tích nhiều CO₂ từ phân huỷ chất hữu cơ.

Con số: đo pH đại dương bằng cách nào

Những chuỗi đo dài nhất nằm ở giữa đại dương, xa ảnh hưởng của sông và bờ biển:

• Trạm ALOHA ở bắc Hawaii, đo đều từ năm 1988 trong chương trình HOT (Hawaii Ocean Time-series).
• Trạm BATS gần Bermuda, Đại Tây Dương, bắt đầu cùng năm 1988.
• Trạm ESTOC gần quần đảo Canary và một số trạm khác ở Thái Bình Dương, Đại Tây Dương.

Đặt cạnh đường cong CO₂ đo ở Mauna Loa, đồ thị pH ở ALOHA đi xuống gần như đối xứng với đường CO₂ đi lên. Theo IPCC, pH nước mặt đại dương mở đã giảm khoảng 0,017–0,027 đơn vị mỗi thập kỷ kể từ cuối thập niên 1980. Ngày nay còn có cảm biến pH gắn trên phao trôi tự động (phao BGC-Argo) và trên tàu buôn chạy tuyến cố định.

Các con số pH trong bảng là giá trị trung bình làm tròn để dễ hình dung. Ở từng vùng, pH dao động theo mùa, theo ngày đêm, theo nhiệt độ và sinh vật quang hợp, có khi lệch nhiều hơn mức thay đổi dài hạn. Vì vậy chỉ chuỗi đo kéo dài nhiều năm mới tách được xu hướng.

Sinh vật nào chịu tác động

Ốc bay pteropod: "khoai tây chiên của biển"

Pteropod là những con ốc nhỏ cỡ hạt đậu hoặc nhỏ hơn, bơi lơ lửng bằng hai "cánh". Chúng là thức ăn quan trọng của cá hồi, cá trích, chim biển và cả cá voi ở vùng nước lạnh. Vỏ pteropod làm bằng aragonit, mỏng và dễ tan. Nghiên cứu ở dòng hải lưu California do Nina Bednaršek và cộng sự công bố năm 2014 ghi nhận vỏ pteropod bị ăn mòn rõ ở vùng nước trồi giàu CO₂, và ước tính tỷ lệ cá thể bị tổn thương nặng đã tăng so với thời tiền công nghiệp.

Hàu và trại giống ở bờ tây Bắc Mỹ

Đây là trường hợp đầu tiên khiến giới nuôi trồng chú ý. Khoảng năm 2007–2009, một số trại sản xuất hàu giống ở bang Oregon và Washington liên tiếp mất phần lớn ấu trùng. Các nhà khoa học tìm ra thủ phạm là nước biển trồi lên từ tầng sâu, vốn giàu CO₂ tự nhiên, nay cộng thêm phần CO₂ hấp thụ từ khí quyển. Ấu trùng hàu cần xây vỏ đầu tiên trong vài ngày, đúng lúc nhạy cảm nhất. Các trại sau đó lắp thiết bị đo hoá học nước liên tục và điều chỉnh nước nuôi, nên sản xuất phục hồi được.

San hô, tảo vôi và những nhóm khác

• San hô: axit hoá làm chậm tốc độ bồi đắp khung xương và làm khung yếu hơn trước sóng, sinh vật đục khoét. Chuyện tẩy trắng san hô do nắng nóng là một tác động khác, đã có bài riêng ở mảng khác trong hệ.
• Tảo vôi coccolithophore: phản ứng không đồng nhất, có dòng giảm khả năng tạo vảy vôi, có dòng gần như không đổi.
• Nhím biển, sao biển giai đoạn ấu trùng: nhiều thí nghiệm cho thấy ấu trùng phát triển chậm hơn trong nước có pH thấp.
• Cá: không xây vỏ vôi, nhưng một số thí nghiệm ghi nhận ảnh hưởng tới khứu giác, hành vi ở cá con. Mảng nghiên cứu này còn tranh cãi; một số kết quả gây chú ý trước đây đã không lặp lại được trong các thí nghiệm sau.

Không phải loài nào cũng thiệt. Một số tảo và cỏ biển có thể quang hợp tốt hơn khi CO₂ nhiều. Bức tranh chung là cấu trúc hệ sinh thái thay đổi, có kẻ thắng người thua, chứ không phải mọi thứ chết hết.

Nhìn từ quá khứ: biển đã từng bị axit hoá chưa

Trong lịch sử địa chất, đại dương từng trải qua những đợt CO₂ tăng mạnh. Ví dụ hay được nhắc là Cực đại Nhiệt Paleocen–Eocen (PETM), khoảng 56 triệu năm trước. Lõi trầm tích đáy biển từ thời đó có một lớp sét gần như mất hẳn vôi, khác hẳn lớp trầm tích vôi nằm trên và dưới nó, cho thấy nước sâu đã hoà tan cacbonat. Nhiều loài trùng lỗ sống ở đáy biển bị tuyệt chủng.

Điểm khác quan trọng: theo các ước tính, lượng carbon vào khí quyển thời PETM diễn ra trong hàng nghìn năm, còn tốc độ thải hiện nay nhanh hơn nhiều lần. Đại dương có cơ chế tự cân bằng, chủ yếu nhờ hoà tan trầm tích vôi dưới đáy và phong hoá đá trên lục địa, nhưng cơ chế ấy cần hàng nghìn đến hàng chục nghìn năm. Ở thang thời gian một đời người, pH đã giảm thì không hồi lại nhanh, kể cả khi lượng phát thải giảm.

Axit hoá khác nóng lên toàn cầu thế nào

Hai hiện tượng cùng xuất phát từ CO₂ nhưng là hai chuyện khác nhau, nhiều người hay gộp làm một.

Dòng thứ ba trong bảng là lý do các nhà hải dương học hay nhắc: những ý tưởng hạ nhiệt Trái Đất bằng cách phản xạ ánh nắng không giải quyết được axit hoá. Muốn chặn axit hoá thì phải giảm lượng CO₂ trong khí quyển.

Góc nhìn hôm nay: đọc số liệu và theo dõi thế nào

Nếu bạn muốn tự xem dữ liệu, có mấy nguồn công khai, miễn phí:

• Chương trình Axit hoá Đại dương của NOAA (Ocean Acidification Program) có bản đồ, chuỗi đo và tài liệu giáo dục.
• Dữ liệu trạm ALOHA của Đại học Hawaii, có thể tải về và vẽ lại đồ thị pH theo năm.
• Mạng Quan sát Axit hoá Đại dương Toàn cầu (GOA-ON) có bản đồ các điểm đo trên thế giới, kể cả châu Á.
• Báo cáo IPCC AR6, tập Nhóm Công tác I (2021) phần đại dương, và báo cáo đặc biệt về Đại dương và Băng quyển (SROCC, 2019).

Với người nuôi biển, bài học thực tế từ các trại hàu Bắc Mỹ là đo hoá học nước thường xuyên, nhất là ở giai đoạn ương ấu trùng. Ven bờ, pH còn chịu ảnh hưởng mạnh của nước thải giàu dinh dưỡng và tảo nở hoa, có khi lớn hơn cả tác động từ CO₂ khí quyển. Giữ nguồn nước ven bờ sạch vì vậy cũng là cách giảm áp lực cho sinh vật có vỏ.

Một điều nữa đáng mang về: khi đọc tin "biển đang thành axit", hãy nhớ nước biển vẫn có pH trên 8, tức là kiềm. Chuyện thật đáng lo không nằm ở chữ "axit" mà ở tốc độ thay đổi và ở lượng ion cacbonat giảm đi cho những sinh vật nhỏ bé đứng ở đáy chuỗi thức ăn.