Axit hoá các đại dương

Cách đây 50 năm, vao năm 1956, Roger Revelle và Hans Suess - các nhà địa hoá ở Viện Hải Dương học Scripps ở California - đã muốn đo lượng đioxit cacbon hay khí cacbonic có trong không khí và trong các đại dương nhằm đánh giá tác động của sản xuất công nghiệp đối với khí hậu trong 50 năm tới. Nói cách khác, họ muốn đánh giá mức độ trầm trọng của tình hình vào năm … 2006. Và năm đó đã đến rồi! Vào năm 1956 thì các phép đo như vậy hình như vô bổ vì có ai nghĩ rằng đioxit cacbon, phát ra từ các ống khói nhà máy lại tích đọng trong khí quyển. Một số nhà khoa học cho là khí đó được các đại dương và cây cối hấp thụ… Người ta đã tiến hành lắp đặt các thiết bị đo nồng độ đioxit cacbon ở những nơi xa nguồn khí, xa bất kỳ hoạt động công nghiệp nào và bất cứ rừng cây nào nhằm tránh những biến động số liệu một cách bất thường. Địa điểm đó là cực Nam . Một địa điểm khác là trạm khí tượng ở đỉnh núi Mauna Loaở Hawai. Từ năm 1958 tại Mauna Loa, lượng đioxit cacbon trong khí quyển được đo liên tục. Ngược với Nam cực, nồng độ khí này ở Hawai tăng giảm theo mùa nhưng vào cuối năm nó luôn cao hơn trị số 12 tháng trước đó. Và R. Revelle nói có lý: một phần đioxit cacbon được giải phóng trong khí quyển đã đọng lại ở đây. Ngoài ra, các tính toán của ông tiên đoán một phần quan trọng đioxit cacbon chắc đọng lại trong đại dương. Các tính toán đó có đúng không? Đúng như vậy và ông còn cho biết khí này sẽ làm thay đổi nước biển xét về mặt hoá học. Trái với những khía cạnh khác của thay đổi khí hậu, người ta đã xác nhận có chuyện hoà tan đioxit cacbon trong nước dẫn đên axit hoá các đại dương nhưng hậu quả của nó thì mới bắt đầu được nhận ra.

Các nhà địa vật lý còn có những số liệu cổ hơn nhờ vào việc khảo sát các lõi khoan băng. Các số liệu lưu trữ tự nhiên này cho thấy nồng độ đioxit cacbon hầu như giữ nguyên trong nhiều thiên niên kỷ trước khi đột ngột tăng lên trong cuộc cách mạng công nghiệp đầu thế kỷ thứ 19. Hiện nay, nồng độ của nó trong khí quyển đã cao gấp 30 lần so với cách đây vài trăm năm và sẽ còn tăng gấp đôi, thậm chí gấp 3 lần vào cuối thế kỷ 21.

Một hiện tượng khác thường

Khí đioxit cacbon chủ yếu bắt nguồn từ việc đốt cháy các năng lượng hoá thạch: than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên. Trái với các cơ thể sống, các nhiên liệu hoá thạch chiếm rất ít (thậm chí là không) cacbon phóng xạ, đồng vị cacbon mà nhân có chứa 8 neutron thay vì 6 như thông thường. Hơn nữa các nhiên liệu này còn có mối liên hệ đặc thù giữa hai chất đồng vị cacbon ổn định (cacbon 12 và 13). Khi đốt cháy, các nhiên liệu này để lại chữ ký đồng vị điển hình trong khí quyển. Vậy là nguồn gốc đioxit cacbon là rõ ràng. Khoảng 40% khí này bắt nguồn từ đốt cháy các năng lượng hoá thạch đọng lại trong khí quyển, phần còn lại được thảm thực vật của trái đất và các đại dương hấp thụ với tỷ lệ ngang nhau. Hiện nay, cacbon hoà tan trong nước chiếm tỷ lệ thấp bởi đại dương mênh mông là bể chứa cho nguyên tố này. Bởi vậy, việc phát hiện và tính toán hàm lượng cacbon hấp thụ đòi hỏi những phép đo rất chính xác (cỡ phần ngàn). Do nồng độ cacbon thay đổi nhiều tuỳ vào địa điểm nên nó phải được lập bản đồ trên thế giới. Các nhà hải dương học đã thực hiện các phép đo này vào cuối thập niên 90 (thế kỷ trước) trong khuôn khổ hai đánh giá toàn cầu có tên JGOFS (Joint Global Ocean Flux Survey - ghi chép các dòng chảy đại dương trên toàn cầu) và WOCE (World Ocean Circulation Experiment – khảo sát toàn cầu đại dương thế giới). Tuy nhiên, các khảo sát này không có phân biệt đioxit cacbon được giải phóng trong khí quyển do hoạt động của con người. Năm 1996, Nicolas Grunber thuộc đại học California và hai đồng sự của mình đã đưa ra một cách để vượt qua khó khăn đó. Sau 8 năm, áp dụng phương pháp của mình với số liệu của JGOFS và WOCE, họ đã đưa ra giả thuyêt đại dương đã hấp thụ hơn 1/2 cacbon hoá thạch giải phóng trong khí quyển từ đầu cách mạng công nghiệp. Để đánh giá sự hoà tan của cacbon trong đại dương , còn phải đo đều đặn nồng độ của nó ở cùng một địa điểm của đại dương. Điều đó đòi hỏi phân biệt cacbon hoá thạch với các nguồn khác từ biển. Muốn vậy thì các phép đo phải cách nhau ít nhất 12 năm. Năm ngoái, một nhóm gồm tới 31 người đã tiến hành lấy mẫu các thuộc tính hoá lý của miên Tây phía Nam Đại Tây dương và kết luận: biển hấp thụ đioxit cacbon khí quyển. Các nhà hải dương học khác cũng có kết quả tương tự ở Thái Bình dương và ấn Độ dương. Thế thì hậu quả của việc hấp thụ đioxit cacbon với môi trường biển sẽ như thế nào?

Thêm vào axit cacbonic

Hãy trở lại khái niệm đơn giản để hiểu tác động của các thay đổi môi trường biển. Đioxit cacbon (CO ₂) tác động với nước để cho axit cacbonic (H ₂CO ₂). Axit này giải phóng H ⁺giống như các axit khác nhưng có cả HCO ₃^-và ở mức độ thấp CO ₃^2-. Một lượng nhỏ axit cacbonic và đioxit cacbon hoà tan chứ không phân ly. Do vậy việc trộn lẫn phân tử cacbonic trong nước trở nên phức tạp. Quá trình hoà tan và phân ly đioxit cacbon dẫn đến tăng nồng độ H ^+,được định lượng bằng pH. Việc giảm một đơn vị pH tương đương với tăng nồng độ H ⁺lên 10 lần: nước chua nhiều hơn, còn ngược lại, nước sẽ kiềm. Nước tinh khiết thì độ pH bằng 7. Độ pH của nước biển – chưa tính đến tác động của con người – dao động giữa 8 và 8,3: đại dương vốn là kiềm tính. Thay đổi độ pH, dù rất nhỏ, cũng có hại đối với sự sống trên biển, nhất là đối với các cơ thể vôi, những cơ thế sử dụng cacbonat hoà tan trong nước để sản sinh ra CaCO ₃ở vỏ của chúng (hay các bộ phận cứng của cơ thể).

Việc giảm độ pH và do đó dẫn đến giảm nồng độ ion cacbonat – chắc sẽ giảm 1/2 từ nay đến cuối thế kỷ – sẽ hạn chế việc tạo ra CaCO ₃của các cơ thể vôi, chúng sẽ rất khó phát triển. Một trong những dạng sống phong phú nhất sẽ bị chao đảo do axit hoá các đại dương là loại thực vật nổi, các tảo cầu đá, được bao bọc bởi các tấm CaCO _{3 ­} trôi nổi gần mặt nước (nơi ánh sáng mặt trời thúc đẩy quang hợp). _­Các loại sinh vật nổi khác, bộ trùng lỗ và bộ chân cánh (các con ốc biển nhỏ) cũng bị ảnh hưởng. Các tạo vật nhỏ này là cơ sở thức ăn của nhiều loại cá và động vật có vú ở biển - đó là cá voi. San hô cũng chịu ảnh hưởng của của việc axit hoá nước biển. Mặc dù có dáng thực vật, nhưng các tập đoàn động vật nhỏ này cũng lại được nuôi sống bằng các loại sinh vật nổi bằng cách lọc nước biển, chúng sản sinh ra các bộ khung bằng CaCO _{3 ­}và tích tụ qua thời gian thành các bãi ngầm san hô - một trong số các hệ sinh thái sinh lợi nhất và đa dạng nhất của đại dương. Màu của các san hô nhiệt đới là do sự hiện diện của tảo cộng sinh sống bên trong tế bào san hô. Do sức ép môi trường, các tảo này phải rời bỏ vật chủ của mình: bộ khung trắng của CaCO _{3 ­}ở san hô không được che chở nữa. Nhiệt độ cao là nguyên nhân “tẩy trắng” này nhưng mà axit hoá các đại dương cũng đưa đến hậu quả tương tự. Ngoài ra, bộ khung CaCO _{3 ­}của san hô và của các cơ thể vôi khác cũng bị phân huỷ dưới tác động của axit hoá các đại dương. Ta hãy nhúng một viên phấn (CaCO _{3 ­}) vào một cốc dấm (độ chua thấp) ta thấy ngay viên phấn bị tan ra ngay lập tức. CaCO _{3 ­}trong san hô và trong vỏ các động vật biển tồn tại dưới hai dạng khoáng: canxit và aragonit. Một số sinh vật tiết canxit mage dễ hoà tan hơn canxit. Như vậy, san hô và bộ chân cánh – tiết ra bộ khung aragonit và tảo san hô - sản sinh ra canxit mage, đặc biệt bị đe doạ do axit hoá các đại dương.

San hô có nguy cơ tiêu tan

Độ tan của CaCO _{3 ­}tuỳ thuộc vào nồng độ ion cacbonat trong dung dịch (mà trực tiếp là độ pH) nhưng nó cũng thay đổi theo các thông số khác như nhiệt độ và áp suất. Trong điều kiện bình thường phần lớn nước lạnh dưới sâu đều chua để hoà tan các vỏ có CaCO _{3 ­}. Nước này gọi là dưới bão hoà. Ngược lại, nước nóng bề mặt gọi là trên bão hoà canxit và aragonit: Các chất khoáng này không tan. Sự chuyển tiếp giữa vùng dưới bão hoà và vùng trên bão hoà được gọi là giới hạn bão hoà; trên giới hạn này, các chất khoáng này bị hoà tan.

Do hoà tan khí cacbonic, khí quyển trong các đại dương nên giới hạn bão hoà aragonit và canxit đã gần với bề mặt từ 50 đến 200 mét so với độ sâu của nó vào đầu thế kỷ 19. Các khảo sát gần đây còn cho thấy mức độ trầm trọng vào các thập niên sắp tới. Nước các đại dương trở nên chua hơn, độ dày của lớp nước nơi có các con sò, ốc sống sẽ giảm xuống, chỉ có một phần nhỏ đại dương che chở cho các cơ thể tiết ra CaCO _{3 ­}. Từ lâu, người ta nghĩ là axit hoá các đại dương không mấy ảnh hưởng vì nước bề mặt trên bão hoà, ít ra đối với canxit, dạng kém hoà tan nhất của CaCO _{3 .}Tuy nhiên, vào cuối thập niên 90 (thế kỷ trước), Christopher Langdon, nhà sinh học biển của trường đại học Miami , đã chỉ ra rằng các cơ thể vôi vẫn bị tác động ở nước trên bão hoà.

Vì nước lạnh ít hoà tan so với nước nóng đối với các dạng CaCO _{3 ­}nên các hệ sinh thái ở nơi vĩ độ cao và nước sâu là những nơi đầu tiên chịu ảnh hưởng của axit hoá các đại dương. Nước ở các địa cực có lẽ là dưới bão hoà aragonit trước cuối thế kỷ này và bộ chân cánh địa cực có lẽ bị triệt tiêu hay nó di cư đến các vĩ độ thấp hơn (nơi có nước nóng), giả định nó thích nghi được môi trường mới. Người ta còn chưa biết việc suy giảm bộ chân cánh đảo lộn hệ sinh thái biển như thế nào. Ngoài ra, động vật nổi và thực vật nổi có chứa vôi ở vĩ độ cao cũng chịu chung số phận, xét về lâu, về dài. San hô nước sâu cũng chịu ảnh hưởng, đặc biệt ở miền Tây của Bắc Đại Tây dương. Tương lại cũng thật ảm đạm đối với các bãi san hô. Với các hệ sinh thái quý báu này, axit hoá các đại dương cũng chỉ là sức ép môi trường trong số nhiều sức ép khác. Nhiều bãi san hô đã tàn tạ thì axit hoá đại dương lại bồi thêm cho nó đòn chí mạng. Cố nhiên là có những cơ thể khác lại tận dụng được cơ hội tích đọng đioxit cacbon trong nước biển.

Đánh giá như thế nào phản ứng của các hệ sinh thái đioxit cacbon trước tình trạng axit hoá này? Phần lớn các công trình nghiên cứu hiện nay đều là các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và chỉ liên quan đến một cơ thể. Nó chưa cho phép hiểu được hậu quả của việc đối mặt lâu dài trước độ pH thấp. Hơn nữa, thật khó ngoại suy các khảo sat trong phòng thí nghiệm với các hệ sinh thái biển. Nhưng hoà tan đioxit cacbon bắt nguồn từ đốt cháy các năng lương hoá thạch là điều chắc chắn và nó có nguy cơ làm thay đổi hệ sinh thái biển một cách sâu sắc.

Nguồn: T/c Khoa học và Tổ quốc, số 01/01/2007