Đại dương hấp thụ carbon bằng hai "máy bơm" chính: bơm hoà tan, khi CO₂ tan vào nước lạnh rồi chìm xuống sâu theo dòng hải lưu, và bơm sinh học, khi thực vật phù du quang hợp biến CO₂ thành chất hữu cơ rồi một phần chìm xuống tầng sâu. Theo Dự án Carbon Toàn cầu và IPCC, mỗi năm đại dương nhận khoảng một phần tư lượng CO₂ con người thải ra. Đại dương hiện chứa khoảng 38.000 tỷ tấn carbon, gấp khoảng 50 lần khí quyển.
Nhờ lượng hấp thụ đó, Trái Đất ấm lên chậm hơn đáng kể so với trường hợp toàn bộ CO₂ ở lại trong không khí. Nhưng cái máy bơm ấy không miễn phí và cũng không vô hạn.
Đại dương là kho carbon lớn nhất bề mặt Trái Đất
Nếu không tính đá và trầm tích địa chất, carbon trên hành tinh được cất ở ba nơi chính: khí quyển, đất liền (cây cối, đất) và đại dương. Phần lớn carbon trong đại dương không nằm trong sinh vật mà ở dạng carbon vô cơ hoà tan, chủ yếu là ion bicacbonat, phân bố khắp cột nước sâu trung bình gần 4 km.
| Kho carbon | Lượng ước tính (tỷ tấn carbon, khoảng) | Ghi chú |
|---|---|---|
| Khí quyển | khoảng 870–900 | tăng hơn 50% so với thời tiền công nghiệp |
| Thực vật trên cạn | khoảng 450–650 | ước tính dao động rộng |
| Đất | khoảng 1.500–2.400 | chưa kể băng vĩnh cửu |
| Đại dương (vô cơ hoà tan) | khoảng 37.000–38.000 | phần lớn ở tầng trung gian và tầng sâu |
| Sinh vật biển | chỉ khoảng 3 | nhỏ nhưng quay vòng cực nhanh |
Các con số làm tròn theo tổng hợp chu trình carbon trong báo cáo IPCC AR6 và các ước tính đi kèm. Dòng cuối là điều thú vị nhất: toàn bộ sinh vật biển chỉ giữ vài tỷ tấn carbon, nhưng chúng quay vòng lượng carbon ấy cực nhanh, chỉ trong vài ngày đến vài tuần.
Bơm hoà tan: nước lạnh nuốt CO₂ rồi chìm
Khí tan trong nước lạnh tốt hơn trong nước ấm, giống như lon nước ngọt để lạnh giữ ga lâu hơn. Ở vùng cực Bắc Đại Tây Dương và quanh Nam Cực, nước mặt nguội đi, hấp thụ thêm CO₂, đồng thời trở nên đặc hơn và chìm xuống. Nước chìm mang theo CO₂ vào tầng sâu, nơi nó có thể ở lại hàng trăm đến hơn một nghìn năm trước khi trồi lên lại theo vòng tuần hoàn đại dương.
Theo nhiều nghiên cứu, Nam Đại Dương quanh Nam Cực tuy chỉ chiếm một phần nhỏ diện tích nhưng đảm nhận khoảng 40% lượng CO₂ do con người thải mà đại dương hấp thụ. Đây cũng là vùng khó đo nhất vì sóng gió, băng và xa đất liền.
Vùng hấp thụ và vùng nhả
Không phải chỗ nào trên biển cũng hút CO₂. Vùng nước trồi xích đạo Thái Bình Dương mang nước sâu giàu CO₂ lên mặt, nên nhả CO₂ ra khí quyển. Vùng vĩ độ trung bình và cao thường hấp thụ. Lượng hấp thụ ròng của cả đại dương là kết quả cộng trừ của những vùng này.
Bơm sinh học: phù du biến khí thành "mưa" hữu cơ
Thực vật phù du, những tảo đơn bào nhỏ hơn đầu kim, quang hợp ở lớp nước có ánh sáng trên cùng. Theo các ước tính phổ biến, chúng tạo ra khoảng một nửa sản lượng sơ cấp của cả hành tinh, cỡ 50 tỷ tấn carbon mỗi năm. Phần lớn lượng này bị ăn và hô hấp ngay ở lớp mặt, trả CO₂ lại nước. Chỉ một phần, thường được ước tính khoảng 5–12 tỷ tấn carbon mỗi năm, thoát khỏi lớp mặt để xuống tầng sâu hơn.
Carbon xuống sâu bằng mấy con đường:
- Hạt chìm: xác tảo, phân động vật phù du, các mảng nhầy kết dính. Hiện tượng "tuyết biển" thuộc nhóm này, đã có bài riêng ở mảng khác trong hệ nên ở đây không đi sâu.
- Di cư thẳng đứng hằng ngày: nhiều loài động vật phù du, tôm nhỏ, cá đèn lồng ban đêm bơi lên mặt ăn, ban ngày lặn xuống vài trăm mét trốn kẻ thù. Chúng thở ra và thải phân ở dưới sâu, mang carbon xuống theo. Đây được coi là cuộc di cư lớn nhất hành tinh tính theo sinh khối.
- Trộn nước: mùa đông, gió và nước nguội làm lớp mặt trộn sâu, kéo theo carbon hữu cơ hoà tan xuống dưới.
Càng xuống sâu, vi khuẩn càng phân huỷ chất hữu cơ, trả lại CO₂ vào nước. Phần carbon được trả lại ở độ sâu vài trăm mét có thể quay lên mặt sau vài chục năm. Phần xuống tới dưới khoảng 1.000 m thì bị giữ hàng thế kỷ. Chỉ một tỷ lệ rất nhỏ, theo các ước tính chưa tới vài phần trăm lượng xuất khỏi lớp mặt, tới được đáy và bị chôn trong trầm tích hàng nghìn đến hàng triệu năm.
Nếu không có bơm sinh học thì sao
Các mô hình chu trình carbon thường ước tính rằng nếu bơm sinh học ngừng hoàn toàn, nồng độ CO₂ khí quyển có thể cao hơn hiện nay cỡ 200 ppm hoặc hơn. Đây là thí nghiệm tưởng tượng, không phải dự báo, nhưng cho thấy những sinh vật tí hon ở mặt biển quan trọng tới mức nào đối với khí hậu.
Bơm cacbonat và bơm vi sinh
Hai cơ chế ít được nhắc hơn nhưng cũng góp phần:
- Bơm cacbonat (bơm đối): tảo vôi, trùng lỗ, ốc bay xây vỏ bằng canxi cacbonat. Vỏ chìm xuống mang carbon theo, nhưng phản ứng tạo vỏ lại giải phóng CO₂ ở mặt nước. Vì vậy cơ chế này có tác dụng ngược phần nào với bơm sinh học.
- Bơm carbon vi sinh: vi khuẩn biến một phần chất hữu cơ thành những phân tử "khó tiêu" mà chính vi khuẩn khác cũng hầu như không phân huỷ được. Chúng tồn tại trong nước biển hàng nghìn năm. Ý tưởng này được nhóm của nhà vi sinh học Jiao Nianzhi hệ thống hoá trong một bài tổng quan năm 2010 và vẫn đang được nghiên cứu.
Cá voi cũng có vai trò nhỏ mà thú vị: chúng ăn ở dưới sâu, thải phân giàu sắt và nitơ ở mặt nước, bón cho phù du. Xác cá voi chìm xuống đáy mang theo hàng tấn carbon. Mức đóng góp của cơ chế này vào chu trình toàn cầu còn được tranh luận.
Máy bơm có yếu đi không
Theo IPCC AR6, lượng CO₂ đại dương hấp thụ tính theo tấn đã tăng trong vài thập kỷ qua, vì CO₂ khí quyển tăng. Nhưng tỷ lệ phần trăm đại dương và đất liền hấp thụ được dự báo sẽ giảm dần trong các kịch bản phát thải cao. Có ba lý do:
- Nước ấm giữ CO₂ kém hơn.
- Hoá học thay đổi: khi nước biển đã hấp thụ nhiều CO₂ (quá trình axit hoá), khả năng "đệm" của nó giảm, mỗi phần CO₂ thêm vào khó tan hơn.
- Phân tầng mạnh hơn: lớp mặt ấm nhẹ, khó trộn với lớp dưới, làm chậm cả việc đưa carbon xuống lẫn đưa dinh dưỡng lên nuôi phù du.
Phù du phản ứng thế nào với biển ấm vẫn là câu hỏi chưa có lời đáp gọn. Một số vùng có thể tăng năng suất, nhiều vùng nhiệt đới có thể giảm. IPCC đánh giá mức tin cậy về xu hướng sản lượng sơ cấp toàn cầu trong tương lai là thấp.
Ý tưởng tăng bơm carbon: từ "nửa tàu sắt" tới hôm nay
Cuối thập niên 1980, nhà hải dương học John Martin đưa ra giả thuyết sắt: ở nhiều vùng biển rộng như Nam Đại Dương, phù du thiếu sắt chứ không thiếu đạm, lân. Ông được cho là đã nói đùa rằng chỉ cần nửa tàu chở sắt, ông có thể đem lại một kỷ băng hà. Từ năm 1993 đến những năm 2000, hơn chục thí nghiệm rải sắt ngoài biển đã được tiến hành.
| Mốc | Thí nghiệm / sự kiện | Kết quả chính |
|---|---|---|
| 1993 | IronEx I, xích đạo Thái Bình Dương | Phù du tăng rõ, xác nhận giả thuyết sắt ở quy mô nhỏ |
| 1995 | IronEx II | Tảo nở hoa mạnh hơn, CO₂ ở mặt nước giảm |
| Những năm 2000 | Các thí nghiệm ở Nam Đại Dương và Bắc Thái Bình Dương | Tảo nở hoa nhưng lượng carbon chìm xuống sâu thường ít, khó đo |
| 2008 | Công ước London (về đổ thải ra biển) thông qua nghị quyết hạn chế bón biển ngoài mục đích nghiên cứu chính đáng | Các dự án thương mại gần như dừng |
Bài học từ các thí nghiệm: làm tảo nở hoa thì dễ, nhưng bảo đảm carbon thật sự xuống sâu và ở lại lâu thì khó, đồng thời có rủi ro như thiếu oxy và tảo độc. Những năm gần đây giới khoa học bàn thêm các cách khác như tăng độ kiềm đại dương, nuôi rong biển quy mô lớn. Các nhóm nghiên cứu nhấn mạnh rằng những cách này còn ở giai đoạn thử nghiệm, cần đo đạc chặt chẽ, và không thay thế được việc giảm phát thải.
Góc nhìn hôm nay: đọc con số và tìm hiểu thêm
- Báo cáo Ngân sách Carbon Toàn cầu (Global Carbon Budget) ra hằng năm, có bảng số lượng hấp thụ của đại dương và đất liền, kèm khoảng sai số.
- Cơ sở dữ liệu SOCAT tập hợp hàng chục triệu phép đo CO₂ ở mặt biển từ tàu nghiên cứu và tàu buôn, công khai cho mọi người.
- Chương trình EXPORTS của NASA nghiên cứu số phận carbon từ lớp mặt xuống sâu, có tài liệu dễ hiểu cho công chúng.
- Báo cáo IPCC AR6, tập Nhóm Công tác I, chương 5 về chu trình carbon.
Điều nên mang về: biển không phải cái thùng chứa thụ động. Lượng carbon nó nhận mỗi năm phụ thuộc vào nhiệt độ nước, dòng hải lưu và đời sống của vô số sinh vật nhỏ bé. Giữ cho các hệ sinh thái biển khoẻ mạnh vì vậy cũng là giữ cho một phần của hệ thống khí hậu vận hành.
Câu hỏi thường gặp
Đại dương hấp thụ bao nhiêu CO₂?
Theo Dự án Carbon Toàn cầu và IPCC, đại dương hấp thụ khoảng một phần tư lượng CO₂ con người thải ra mỗi năm, tức cỡ 2,5–3 tỷ tấn carbon mỗi năm trong những năm gần đây. Đất liền hấp thụ thêm khoảng một phần tư nữa, phần còn lại tích tụ trong khí quyển.
Bơm sinh học đại dương là gì?
Là quá trình thực vật phù du quang hợp, biến CO₂ thành chất hữu cơ, rồi một phần chất hữu cơ đó chìm xuống tầng sâu dưới dạng xác, phân hoặc được sinh vật di cư mang xuống. Carbon xuống càng sâu thì càng bị giữ lâu, từ vài chục năm tới hàng thế kỷ.
Bơm hoà tan khác bơm sinh học thế nào?
Bơm hoà tan là quá trình vật lý: CO₂ tan vào nước lạnh rồi chìm theo dòng nước đặc ở vùng cực. Bơm sinh học dựa vào sinh vật biến CO₂ thành chất hữu cơ. Hai bơm cùng đưa carbon từ mặt xuống sâu nhưng bằng cơ chế khác nhau.
Đại dương có hấp thụ CO₂ mãi được không?
Không theo cùng một tỷ lệ. Khi nước ấm lên, axit hoá tăng và phân tầng mạnh hơn, khả năng hấp thụ tính theo phần trăm phát thải được IPCC dự báo sẽ giảm trong các kịch bản phát thải cao. Đại dương vẫn hấp thụ, nhưng phần CO₂ ở lại khí quyển sẽ nhiều hơn.
Rải sắt xuống biển có giúp giảm CO₂ không?
Các thí nghiệm từ năm 1993 cho thấy rải sắt làm tảo nở hoa, nhưng lượng carbon thật sự chìm xuống sâu và ở lại lâu thường nhỏ và khó đo. Phương pháp này còn có rủi ro sinh thái và bị hạn chế theo Công ước London ngoài mục đích nghiên cứu.
