Cácbon biển: Giả thuyết làm giàu sắt

Các nhà hải dương học Jim Bishop và Todd Wood thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, Bộ năng lượng đã tìm hiểu “số phận” của những phần tử cácbon có nguồn gốc từ những cụm sinh vật phù du ở vùng biển phía Nam, sử dụng dữ liệu từ những phao thăm dò cácbon trên toàn cầu trong hơn một năm. Nghiên cứu của họ cho thấy hầu hết cácbon từ cụm sinh vật phù du lớn không thể xuống sâu dưới đáy biển.

Phát hiện đáng ngạc nhiên này đi ngược lại Giả thuyết Sắt. Những người ủng hộ giả thuyết này tin rằng qua việc cung cấp sắt cho sinh vật phù du ở những khu vực hiếm sắt nhưng giàu các chất dinh dưỡng khác như nitơ, silicon, và photpho có thể làm chậm hoặc thậm chí đảo ngược hiện tượng ấm lên toàn cầu. Vùng biển phía Nam là một trong những khu vực như thế.

Bishop, thành viên của Đơn vị khoa học Trái Đất thuộc phòng thí nghiệm Bekerley đồng thời là giáo sư về cácbon, cho biết: “Thêm sắt vào biển chưa hề được chứng minh là một kế hoạch tốt cho việc chứa cácbon. Điều quan trọng là cácbon có xuống sâu vào lòng biển hay không, và một lượng cácbon lớn trong những cụm sinh vật phù du có vẻ như chìm xuống không đủ nhanh và đủ sâu”.

Nguyên nhân cho hiện tượng này rất phức tạp, chủ yếu là do tập tính ăn theo mùa của sinh vật phù du, tác động của mùa đông Nam Cực đối với sự phát triển của thực vật và động vật, và sự pha trộn của tầng nước bề mặt và tầng nước sâu do những cơn bão mùa đông. Thực vật phù du phát triển mạnh vào mùa xuân là dấu hiệu cho thấy hầu hết động vật phù du, cần thiết cho quá trình lắng đọng trầm tích cácbon, bị bỏ đói trong mùa đông.

Những phao thăm dò cácbon tham gia vào nghiên cứu được bắt đầu vào tháng 1, 2002, nằm trong chương trình thí nghiệm sắt vùng biển phía Nam (SOFeX), một chương trình hợp tác giữa các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm biển Moss Landing và Học viện nghiên cứu biển vịnh Monterey. SOFeX được thực hiện để kiểm tra Giả thuyết Iron trong vùng biển giữa New Zealand và Nam Cực trong mùa hè tại Nam Cực. Những phao thăm dò cácbon của Phòng thí nghiệm Berkeley đầu tiên được dự định để kiểm soát những thí nghiệm làm giàu cácbon trong 60 ngày, nhưng các thiết bị này tiếp tục báo cáo qua mùa thu và mùa đông Nam Cực năm sau.

Bishop cho biết: “Chúng tôi đã không thể thực hiện được những quan sát đáng ngạc nhiên này nếu phao thăm dò cácbon không ghi chép dữ liệu 24 giờ một ngày, 7 ngày 1 tuần, ở độ sâu trên 800 mét, trong hơn 1 năm sau khi thí nghiệm ban đầu đã kết thúc”.

Ông giải thích rằng “những dự đoán về những dao động sinh vật học – sự tuần hoàn cácbon của đời sống biển - chủ yếu dựa trên những ước lượng và quan sát từ tàu nghiên cứu, với khoảng thời gian giữa hai đợt nghiên cứu cách nhau rất xa. Chi phí, chứ chưa nói đến môi trường, khiến những quan sát từ tàu nghiên cứu trở thành một điều không thể. Thật may mắn rằng những phao thăm dò cácbon chỉ mất khoảng 1 ngày sử dụng tàu nghiên cứu”.

Giả thuyết Sắt, khoa học và dự đoán

Những năm 1980, nhà hải dương học John Martin thuộc Phòng thí nghiệm biển Moss Landing, mất năm 1993, đưa ra giả thuyết rằng thêm sắt vào những khu vực biển giàu dinh dưỡng nhưng hiếm sắt (gọi là khu vực giàu dinh dưỡng, thấp chlorophyl, hoặc HNLC) có thể kích thích sự tăng trưởng của thực vật phù du – một giả thuyết khoa học chưa hề được chứng minh.

Tiếp đó Martin cho rằng sự làm giàu sắt trong biển có thể thay đổi khí hậu. Ông phát biểu năm 1988: “Đưa cho tôi một nửa tàu chở sắt và tôi sẽ cho bạn ‘kỷ băng hà’”.

Khi kiểm tra Giả thuyết Iron, các nhà nghiên cứu của SOFeX nhận thấy rằng vấn đề không đơn giản như vậy, và câu hỏi đặt ra không phải là liệu sự phát triển của sinh vật phù du có thể được kích thích hay không, mà là liệu cácbon mà chúng giữ lại có được đẩy xuống tầng nước sâu hay không.

Tàu nghiên cứu SOFeX làm giàu sắt ở hai khu vực biển, một tại 55 vĩ độ Nam và một tại 66 vĩ độ Nam. Thiết bị thăm dò cácbon được triển khai tại cả hai khu vực trên, một thiết bị thăm dò cácbon thứ 3 hoạt động tại một khu vực bên ngoài vùng làm giàu sắt. Các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley Todd Wood, Christopher Guay, và Phoebe Lam là thành viên của đoàn nghiên cứu lúc đó, trong khi Bishop kiểm soát và liên lạc với thiết bị thăm dò cácbon từ Berkeley qua một máy tính kết nối với vệ tinh.

Một câu hỏi đặt ra liệu vùng nước biển hiếm silicat tại vĩ độ 55 có cho phép động vật phù du, biết đến với tên gọi diatoms, hình thành xương silicon hay không. Nếu những diatom lớn không thể phát triển trong khu vực HNLC này, các nhà nghiên cứu của SOFeX cho rằng việc lắng đọng cácbon sẽ không xảy ra. Một phần vì lý do này, hầu hết nỗ lực của tàu nghiên cứu tập trung vào khu vực vĩ độ 66, nơi silicon không phải là một yếu tố hạn chế.

Trái ngược với dự đoán, khu vực biển tại vĩ độ 55 xuất hiện quần thể sinh vật phù du lớn. Phao thăm dò cácbon quần thể này, với tên gọi North Patch, trong suốt mùa hè Nam Cực, đo phần tử cácbon, bao gồm cả chất thải từ động vật phù du và các tập hợp khác, chìm xuống bên dưới quần thể và mang theo 10 đến 20% cácbon khỏi tầng bề mặt – ít nhất ở độ sâu thấp hơn 100 mét. Những kết quả ban đầu của thí nghiệm SOFeX, được công bố trên tạp chí Science tháng 4 năm 2004, có vẻ như ủng hộ cho Giả thuyết Iron. 

Tuy nhiên những phao thăm dò cácbon không dừng lại sau 60 ngày. Hai phao thăm dò cácbon hoạt động trong hơn 14 tháng, lặn xuống, ghi chép, và trồi lên để báo cáo dữ liệu trong khu vực biển nhiều bão nhất trên thế giới, di chuyển gần đến Nam Mỹ trước khi ngừng hoạt động. Phao thăm dò cácbon được triển khai tại vĩ độ 66 cũng hoạt động trong vòng 18 tháng, sử dụng hầu hết mùa động đầu tiên của nó ghi chép dữ liệu ở độ sâu 800 mét và trồi lên hàng tuần để báo cáo. Những dữ liệu thu thập được vẫn chờ để phân tích.

Quay trở lại Vùng biển phía Nam

Năm 2007, Bishop và Lam (hiện thuộc Học viện hải dương học Woods Hole) công bố những kết quả đo đạc từ thiết bị trên tàu nghiên cứu được sử dụng trong SOFeX, cho thấy bức tranh lạc quan của quần thể sinh vật phù du đưa cácbon sâu xuống lòng biển không hề đơn giản như những suy nghĩ ban đầu. Cácbon xuống dưới sâu phụ thuộc một phần vào kích thước và khối lượng của phần tử; và quan trọng hơn có vẻ như có ít vật chất hạt xuống đến độ sâu nơi sinh khối là lớn nhất.

Bishop cho biết: “Bài báo này bị chỉ trích rằng dựa trên những quan sát hạn chế từ tàu nghiên cứu. Do đó Todd Wood và tôi quay sang dữ liệu quan sát không ngừng của thiết bị thăm dò cácbon”.

Ghi chép của Thiết bị thăm dò cácbon trong màu hè Nam Cực và màu thu 2002 cũng như mùa đông và mùa xuân 2003 (thời gian này dài hơn nhiều trong trường hợp phao thăm dò tại vĩ độ 66) không chỉ khẳng định những quan sát từ tàu nghiên cứu một cách hết sức chi tiết, mà còn mở ra bức tranh phức tạp của đời sống sinh vật vùng biển phía Nam.

Thiết bị thăm dò cácbon tại vĩ độ 66 ghi chép những dữ liệu chưa hề được quan sát thấy hoặc được báo cáo. Trong suốt quá trình thí nghiệm SOFeX, phao thăm dò này đã ghi lại quá trình chuyển đổi của quần thể sinh vật phù du. Nồng độ hạt cácbon giảm đáng kể khi bóng tối kéo dài liên tục và băng biển hình thành, rồi tăng lên không đáng kể khi ánh sáng quay trở lại và băng biển tan. Lắng đọng trầm tích mạnh – lắng đọng của một lượng lớn phần tử cácbon xuống tầng nước biển sâu – không hề được quan sát thấy.

Dữ liệu từ những phao hoạt động lùi lên phía Bắc tại vĩ độ 55 đưa ra một bức tranh toàn cảnh đáng ngạc nhiên. Thiết bị dò tìm được triển khai ở khu vực được làm giàu cácbon, gọi là 55A, cho thấy sự xuất hiện của quần thể sinh vật phù du ngay sau khi sắt được làm giàu, với lắng đọng trầm tích ở độ sâu 100 mét. Đặc biệt, tại khu vực này xuất hiện một quần thể tương tự mùa xuân năm sau – rất lâu sau khi lượng sắt thêm vào đã biến mất – với lắng đọng trầm tích tương tự xuống độ sâu 100 mét. Trong khi thiết bị thăm dò ở khu vực không được làm giàu sắt, gọi là 55C, không hề phát hiện quần thể nào hình thành, thì một điều hết sức ngạc nhiên được nhận thấy: một “cơn mưa” các phần tử hạt cácbon hữu cơ ở độ sâu 800 mét. Thiết bị thăm dò cácbon 55C đã đo thấy lắng đọng trầm tích ở khu vực không có quần thế sinh vật phù du lớn hơn nhiều so với khu vực 55A.

Giải thích cho kết quả trái ngược này, các nhà nghiên cứu đã cân nhắc một số ý tưởng. Có thể dòng chảy mạnh đã chia cắt quần thể sinh vật phù du khỏi lắng đọng trầm tích; hoặc có những phần tử cácbon hữu cơ lớn hơn mà phao thăm dò cácbon không nhận thấy; hoặc sự khác biệt trong pha trộn giữa lớp nước bề mặt và lớp nước sâu trong những cơn bão mùa đông đưa sắt bị cô lập quay trở lại bề mặt. Hai giả thuyết đầu tiên đã bị loại trừ, và giả thuyết thứ 3, nếu đúng, cũng cho thấy rằng những quần thể sinh vật phù du được kích thích vẫn dẫn đến sự giảm lắng đọng trầm tích ở độ sâu kilomet.

Giả thuyết thứ 4, cân nhắc điều kiện ánh sáng thúc đẩy hoặc hạn chế sự phát triển của những thực vật cực nhỏ, có tính thuyết phục nhất. Vĩ độ 55 độ Nam đủ xa về phía Bắc để ánh sáng đến được bề mặt nước quanh nắm (mặc dù trong mùa đông ánh sáng giảm đi rất nhiều). Nhưng việc pha trộn giữa lớp nước bề mặt và lớp nước sâu có thể đưa sinh vật phù du xuống quá sâu để có thể phát triển – không có áng sáng, dưới độ sâu khi tăng trưởng đủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của cộng đồng động thực vật. Vĩ độ nơi phao thăm dò hoạt động đặc biệt nhiều bão, vào màu động lớp nước biển pha trộn có thể đạt tới độ sâu 400 hoặc 500 mét.

Để tồn tại qua mùa đông, động vật phù du phải nằm dưới sâu, nơi quá tối để thực vật phù du có thể sống sót. Bão và pha trộn nước sâu đảm bảo cho sự sinht ồn cho động vật phù du. Bishop cho biết: “Việc pha trộn tầng nước là xe chở đồ ăn xuống dưới sâu. Câu hỏi đặt ra là xe chở đồ ăn này đầy hay không có gì”.

Khi pha trộn tầng nước dưới một mức độ nhất định, thực vật phù do không có ánh sáng và không thể phát triển, xe chở đồ ăn trống rỗng và sinh vật phù du bị bỏ đói. Khi sự pha trộn này ngừng lại vào mùa xuân, thực vật phù du bắt đầu quay trở lại, nhưng không còn đủ sinh vật phù du còn tồn tại để tiếp tục phát triển và hình thành quần thế, và do đó lượng phần tử cacbon lắng đọng cũng ít hơn.

Sự pha trộn tầng nước liên tục có thể khiến động vật phù du bị “đói”, nhưng nếu quá trình này bị gián đoạn, có thêm nhiều thực vật phù du phát triển trong mùa đông để cung cấp cho động vật phù du vào mùa đông. Mùa đông tại khu vực của thiết bị thăm dò 55C, bão không liên tục và sự pha trộn tầng nước xảy ra dưới 400 mét. Khi thực vật phù du bắt đầu phát triển vào mùa xuân, những động vật phù du đã sẵn sàng để “ăn cỏ”, với sự lắng đọng trầm tích cácbon tăng.

Bishop cho biết những quan sát này dẫn đến một bài học quan trọng: “Sắt không phải là yếu tố duy nhất quyết định sự phát triển của thực vật phù du ở những khu vực HNLC. Ánh sáng, sự pha trộn tầng nước, và động vật phù du bị “bỏ đói” là những yếu tố cũng quan trọng không kém."

Giả thuyết Sắt không sai, nhưng thiếu thực tế hơn những suy nghĩ ban đầu. Để đạt được sự lắng đọng trầm tích cácbon mong muốn cần đến “cống thức” đúng của sắt và các dinh dưỡng khác để phát triển đúng loại thực vật phù du. Bishop nhận định: “Bạn có thể trồng rất nhiều giá Brussels, nhưng trẻ con không ăn. Điều tương tự xảy ra trong trường hợp của thực vật và động vật phù du. Cộng đồng động vật phù du quyết định sự lắng đọng trầm tích cácbon”.

Nghiên cứu mới đưa ra một bài học quan trọng khác: hai phao thăm dò cácbon hoạt động dưới điều kiện tương tự có những khác biệt không lớn về điều kiện biển dẫn đến những phản ứng sinh vật học hoàn toàn riêng biệt. Sử dụng thiết bị thăm dò cácbon có thể đem lại những dữ liệu cần thiết về sự dao động sinh vật học của biển với chi phí thấp hơn nhiều so với sử dụng tàu nghiên cứu, đồng thời trả lời được những câu hỏi trước đó chưa có câu trả lời – ví dụ như lượng cácbon con người tạo ra mà biển có thể hấp thụ, bao lâu chúng ta còn có thể dựa vào biển để giải quyết “sản phẩm thừa” của chúng ta – và quan trọng nhất sự phản ứng của những dao động sinh vật học đối với sự thay đổi điều kiện biển.

Tham khảo:
James K. B. Bishop and Todd J. Wood. Year-round observations of carbon biomass and flux variability in the Southern Ocean. Global Biogeochemical Cycles, DOI: 10.1029/2008GB003206