Phần lớn bề mặt đại dương sẽ thay đổi màu sắc vào cuối thế kỷ 21

Những thay đổi do biến đổi khí hậu ở các cộng đồng sinh vật phù du sẽ làm nổi bật các vùng xanh dương và xanh lá cây trên đại dương.

Biến đổi khí hậu đang gây ra những thay đổi đáng kể đối với sinh vật phù du ở các đại dương trên thế giới, và một nghiên cứu mới từ MIT chỉ ra rằng trong những thập kỷ tới, những thay đổi này sẽ ảnh hưởng đến màu sắc của đại dương, làm đậm hơn các vùng màu xanh dương và xanh lá cây. Các vệ tinh sẽ có thể phát hiện ra những thay đổi về màu sắc này, cung cấp cảnh báo sớm về những thay đổi trên diện rộng đối với hệ sinh thái biển.

Mô hình toàn cầu và những tác động đến màu sắc đại dương

Trong báo cáo đăng trên tạp chí Nature communications, các nhà nghiên cứu cho biết họ đã phát triển một mô hình toàn cầu để mô phỏng sự phát triển và tương tác của các loài sinh vật phù du khác nhau, hay còn gọi là tảo, và cách các loài ở các vùng khác nhau sẽ thay đổi khi nhiệt độ tăng trên toàn cầu. Các nhà nghiên cứu cũng đã mô phỏng cách sinh vật phù du hấp thụ và phản xạ ánh sáng, và cách màu sắc của đại dương thay đổi khi hiện tượng nóng lên toàn cầu ảnh hưởng đến thành phần của các cộng đồng sinh vật phù du.

Các nhà nghiên cứu đã chạy mô hình đến cuối thế kỷ 21 và phát hiện ra rằng, đến năm 2100, hơn 50% diện tích đại dương trên thế giới sẽ thay đổi màu sắc do biến đổi khí hậu.

Nghiên cứu chỉ ra rằng các vùng màu xanh dương, như vùng cận nhiệt đới, sẽ càng xanh dương hơn, phản ánh ít sinh vật phù du hơn – và ít sự sống nói chung – so với hiện nay. Một số khu vực hiện có màu xanh lá cây, như gần các cực, có thể sẽ chuyển sang xanh lá cây đậm hơn, do nhiệt độ ấm hơn thúc đẩy sự bùng nổ lớn của nhiều loại sinh vật phù du đa dạng hơn.

Những thay đổi ảnh hưởng đến hệ sinh thái

Mô hình cho thấy những thay đổi này sẽ không quá rõ rệt với mắt thường, và đại dương vẫn sẽ có các vùng màu xanh dương ở cận nhiệt đới và vùng xanh lá gần xích đạo và các cực, Stephanie Dutkiewicz, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà khoa học nghiên cứu chính tại Khoa khoa học trái đất, khí quyển và hành tinh MIT và Chương trình khoa học và chính sách biến đổi toàn cầu, cho biết. Mô hình màu cơ bản vẫn sẽ tồn tại. Nhưng sự thay đổi sẽ đủ lớn để ảnh hưởng đến phần còn lại của chuỗi thức ăn mà sinh vật phù du hỗ trợ.

Các tác giả khác của nghiên cứu bao gồm Oliver Jahn từ MIT, Anna Hickman từ Đại Học Southampton, Stephanie Henson từ Trung Tâm Đại Dương Học Southampton, Claudie Beaulieu từ Đại Học California tại Santa Cruz, và Erwan Monier, trước đây là nhà khoa học nghiên cứu chính tại Trung Tâm Khoa Học Biến Đổi Toàn Cầu MIT và hiện là phó giáo sư tại Đại Học California tại Davis, thuộc Khoa Tài Nguyên Đất, Không Khí và Nước.

Hàm lượng Chlorophyll và màu sắc của đại dương

Màu sắc của đại dương phụ thuộc vào cách ánh sáng mặt trời tương tác với bất cứ thứ gì trong nước. Phân tử nước hấp thụ gần như toàn bộ ánh sáng, ngoại trừ phần màu xanh của quang phổ, phần ánh sáng này sẽ được phản xạ trở lại. Do đó, các vùng biển trống trải thường có màu xanh dương đậm khi nhìn từ không gian. Nếu có bất kỳ sinh vật nào trong đại dương, chúng sẽ hấp thụ và phản xạ các bước sóng ánh sáng khác nhau, tùy thuộc vào tính chất riêng của chúng.

Ví dụ, sinh vật phù du chứa chlorophyll, một sắc tố hấp thụ phần lớn ánh sáng xanh dương để tạo ra carbon cho quá trình quang hợp, và ít hấp thụ ánh sáng xanh lá hơn. Do đó, ánh sáng xanh lá được phản xạ nhiều hơn ra khỏi đại dương, tạo nên sắc xanh lá đặc trưng cho các vùng giàu tảo.

Đo lường màu sắc đại dương bằng vệ tinh

Kể từ cuối những năm 1990, các vệ tinh đã đo lường liên tục màu sắc của đại dương. Các nhà khoa học đã sử dụng các dữ liệu này để ước tính lượng chlorophyll, và theo đó, lượng sinh vật phù du trong một khu vực đại dương nhất định. Tuy nhiên, Dutkiewicz cho rằng chlorophyll không nhất thiết phản ánh chính xác tín hiệu nhạy cảm của biến đổi khí hậu. Bất kỳ sự biến động đáng kể nào về lượng chlorophyll đều có thể do hiện tượng ấm lên toàn cầu, nhưng cũng có thể do biến đổi tự nhiên – các biến động theo chu kỳ bình thường của chlorophyll do các hiện tượng thời tiết tự nhiên gây ra.

Một sự kiện El Niño hay La Niña sẽ gây ra sự thay đổi lớn về lượng chlorophyll vì chúng thay đổi lượng dinh dưỡng đi vào hệ thống, Dutkiewicz giải thích. Do những thay đổi tự nhiên lớn này xảy ra vài năm một lần, rất khó để nhận biết nếu các thay đổi là do biến đổi khí hậu, nếu chỉ nhìn vào lượng chlorophyll.

Mô hình hóa ánh sáng đại dương

Thay vì dựa vào các ước tính của chlorophyll, nhóm nghiên cứu tự hỏi liệu họ có thể thấy tín hiệu rõ ràng về tác động của biến đổi khí hậu đến sinh vật phù du bằng cách chỉ xem xét các phép đo ánh sáng phản xạ từ vệ tinh hay không.

Nhóm đã điều chỉnh một mô hình máy tính mà họ đã sử dụng trước đây để dự đoán các thay đổi của sinh vật phù du khi nhiệt độ tăng và đại dương bị axit hóa. Mô hình này lấy thông tin về sinh vật phù du, như chúng tiêu thụ gì và phát triển như thế nào, và đưa thông tin này vào một mô hình vật lý mô phỏng dòng chảy và sự hòa trộn của đại dương.

Lần này, các nhà nghiên cứu đã thêm vào mô hình một yếu tố mới, chưa từng được đưa vào các kỹ thuật mô hình hóa đại dương khác: khả năng ước tính các bước sóng ánh sáng cụ thể được hấp thụ và phản xạ bởi đại dương, tùy theo lượng và loại sinh vật trong một khu vực nhất định.

Ánh sáng mặt trời sẽ đi vào đại dương, và bất cứ thứ gì trong đại dương sẽ hấp thụ nó, như chlorophyll, Dutkiewicz nói. Các thành phần khác cũng sẽ hấp thụ hoặc tán xạ ánh sáng, như thứ gì đó có vỏ cứng. Do đó, quá trình ánh sáng phản xạ trở lại từ đại dương để tạo nên màu sắc của nó là rất phức tạp.

Khi nhóm so sánh kết quả của mô hình với các phép đo thực tế về ánh sáng phản xạ mà các vệ tinh đã ghi lại trong quá khứ, họ phát hiện rằng hai kết quả này tương đồng đủ để mô hình có thể được sử dụng để dự đoán màu sắc của đại dương khi điều kiện môi trường thay đổi trong tương lai.

Điều hay ở mô hình này là chúng tôi có thể sử dụng nó như một phòng thí nghiệm, một nơi để thử nghiệm và xem hành tinh của chúng ta sẽ thay đổi như thế nào, Dutkiewicz nói.

Tín hiệu trong các vùng xanh dương và xanh lá

Khi các nhà nghiên cứu tăng nhiệt độ toàn cầu trong mô hình lên 3 độ C vào năm 2100 – điều mà hầu hết các nhà khoa học dự đoán sẽ xảy ra trong kịch bản không có biện pháp giảm khí thải nhà kính – họ phát hiện ra rằng các bước sóng ánh sáng trong vùng bước sóng xanh dương/ xanh lá có phản ứng nhanh nhất.

Dutkiewicz cũng quan sát thấy rằng vùng bước sóng xanh dương/xanh lá thể hiện một tín hiệu rõ ràng, hay sự thay đổi, do chính biến đổi khí hậu gây ra, diễn ra sớm hơn so với khi các nhà khoa học trước đây đã xem xét chlorophyll, họ dự đoán sẽ có một sự thay đổi do khí hậu vào năm 2055.

Chlorophyll đang thay đổi, nhưng bạn không thể thực sự nhìn thấy nó do sự biến đổi tự nhiên quá lớn của nó, Dutkiewicz nói. Nhưng bạn có thể thấy một sự thay đổi đáng kể, liên quan đến khí hậu, trong một số vùng bước sóng này, trong tín hiệu được truyền đến các vệ tinh. Vì vậy, đó là nơi chúng ta nên nhìn vào các phép đo vệ tinh để thấy tín hiệu thực sự của sự thay đổi.

Theo mô hình của họ, biến đổi khí hậu đã và đang thay đổi thành phần của sinh vật phù du, và theo đó, màu sắc của các đại dương. Đến cuối thế kỷ này, hành tinh xanh của chúng ta có thể trông khác biệt rõ rệt.

Sẽ có sự khác biệt đáng chú ý về màu sắc của 50% đại dương vào cuối thế kỷ 21, Dutkiewicz cho biết. Điều này có thể khá nghiêm trọng. Các loại sinh vật phù du khác nhau hấp thụ ánh sáng khác nhau, và nếu biến đổi khí hậu làm thay đổi từ một cộng đồng sinh vật phù du sang một loại khác, điều đó cũng sẽ thay đổi các chuỗi thức ăn mà chúng có thể hỗ trợ.