Vượt qua ngưỡng cacbon có thể dẫn đến sự tuyệt chủng hàng loạt

Nghiên cứu cho thấy rằng lượng khí thải cacbon dioxit có thể kích hoạt một phản xạ trong chu trình cacbon, dẫn đến hậu quả tàn khốc.

Mở đầu

Trong não bộ, khi các neuron phát ra tín hiệu điện đến các neuron khác, quá trình này diễn ra theo phản ứng tất cả hoặc không gì cả. Tín hiệu chỉ xảy ra khi các điều kiện trong tế bào vượt qua một ngưỡng nhất định.

Hiện nay, một nhà nghiên cứu từ MIT đã quan sát được hiện tượng tương tự trong một hệ thống hoàn toàn khác biệt: chu trình cacbon của Trái Đất.

Daniel Rothman, giáo sư địa vật lý và đồng giám đốc Trung tâm Lorenz tại Khoa Khoa học Trái Đất, Khí quyển và Hành tinh của MIT, đã phát hiện rằng khi tốc độ cacbon dioxit đi vào đại dương vượt qua một ngưỡng nhất định – dù là do sự bùng phát đột ngột hay sự gia tăng chậm và liên tục – Trái Đất có thể phản ứng với một loạt phản hồi hóa học tăng cường, dẫn đến hiện tượng axit hóa đại dương cực đoan, khuếch đại đáng kể tác động của yếu tố kích hoạt ban đầu.

Phản xạ toàn cầu này gây ra sự thay đổi lớn trong lượng cacbon có trong các đại dương của Trái Đất, và các nhà địa chất có thể thấy bằng chứng về những thay đổi này trong các lớp trầm tích được bảo tồn qua hàng trăm triệu năm.

Rothman đã xem xét các hồ sơ địa chất này và quan sát rằng trong 540 triệu năm qua, trữ lượng cacbon trong đại dương đã thay đổi đột ngột và sau đó phục hồi, hàng chục lần, tương tự như sự bùng nổ tín hiệu đột ngột của một neuron. Sự kích thích của chu trình cacbon này xảy ra rõ ràng nhất vào khoảng thời gian của bốn trong số năm sự kiện tuyệt chủng hàng loạt trong lịch sử Trái Đất.

Các nhà khoa học đã quy các yếu tố kích hoạt khác nhau cho những sự kiện này, và họ đã cho rằng sự thay đổi trong cacbon đại dương sau đó là tỷ lệ thuận với yếu tố kích hoạt ban đầu – ví dụ, yếu tố kích hoạt nhỏ hơn sẽ dẫn đến ảnh hưởng môi trường nhỏ hơn.

Nhưng Rothman nói rằng không phải như vậy. Điều gì gây ra các sự kiện ban đầu không quan trọng; trong khoảng một nửa số biến động trong cơ sở dữ liệu của ông, một khi chúng đã được khởi động, tốc độ tăng cacbon là như nhau. Tốc độ đặc trưng này có khả năng là một thuộc tính của chu trình cacbon tự nó – chứ không phải của các yếu tố kích hoạt, vì các yếu tố khác nhau sẽ hoạt động với các tốc độ khác nhau.

Tất cả điều này có liên quan gì đến khí hậu hiện đại?

Ngày nay, các đại dương đang hấp thụ cacbon với tốc độ nhanh hơn khoảng một cấp độ so với trường hợp xấu nhất trong hồ sơ địa chất – sự kiện tuyệt chủng kỷ Permi. Nhưng con người mới chỉ đẩy cacbon dioxit vào bầu khí quyển trong vài trăm năm, trong khi các vụ phun trào núi lửa hoặc các rối loạn khác trong quá khứ phải mất hàng chục nghìn năm hoặc hơn để gây ra các rối loạn môi trường lớn. Liệu mức gia tăng cacbon hiện nay có quá ngắn để kích thích một sự gián đoạn lớn?

Theo Rothman, hôm nay chúng ta đang ở rìa của sự kích thích, và nếu điều này xảy ra, đỉnh điểm kết quả – như được chứng minh qua axit hóa đại dương, các loài chết hàng loạt, và hơn thế nữa – có khả năng sẽ giống với các thảm họa toàn cầu trong quá khứ.

Một khi chúng ta vượt qua ngưỡng, cách chúng ta đến đó không còn quan trọng, Rothman nói, người sẽ công bố kết quả của mình trong tuần này trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia. Một khi bạn vượt qua nó, bạn đang xử lý cách mà Trái Đất hoạt động, và nó sẽ tự điều chỉnh theo cách riêng của nó.

Phản hồi Cacbon

Năm 2017, Rothman đưa ra một dự đoán khắc nghiệt: Đến cuối thế kỷ này, hành tinh có khả năng đạt đến một ngưỡng quan trọng, dựa trên tốc độ mà con người đang bổ sung cacbon dioxit vào bầu khí quyển. Khi chúng ta vượt qua ngưỡng đó, chúng ta có khả năng sẽ khởi động một chuỗi hậu quả khốc liệt, có thể dẫn đến sự tuyệt chủng hàng loạt thứ sáu của Trái Đất.

Kể từ đó, Rothman đã tìm cách hiểu rõ hơn về dự đoán này và nói chung là cách chu trình cacbon phản ứng khi nó vượt qua một ngưỡng quan trọng. Trong bài báo mới, ông đã phát triển một mô hình toán học đơn giản để mô phỏng chu trình cacbon trong đại dương trên bề mặt Trái Đất và cách nó có thể phản ứng khi ngưỡng này bị vượt qua.

Các nhà khoa học biết rằng khi cacbon dioxit từ khí quyển hòa tan vào nước biển, nó không chỉ làm cho các đại dương trở nên axit hơn mà còn làm giảm nồng độ ion cacbonat. Khi nồng độ ion cacbonat giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, các vỏ làm từ cacbonat canxi sẽ hòa tan. Các sinh vật làm ra chúng sẽ gặp khó khăn trong những điều kiện khắc nghiệt như vậy.

Các vỏ, ngoài việc bảo vệ sinh vật biển, còn cung cấp hiệu ứng neo, làm cho các sinh vật chìm xuống đáy đại dương cùng với cacbon hữu cơ phân rã, loại bỏ hiệu quả cacbon dioxit khỏi đại dương trên bề mặt. Nhưng trong một thế giới với lượng cacbon dioxit ngày càng tăng, sự suy giảm sinh vật có khả năng tạo vỏ sẽ đồng nghĩa với việc ít cacbon dioxit bị loại bỏ hơn.

Đây là một phản hồi tích cực, Rothman nói. Càng nhiều cacbon dioxit dẫn đến càng nhiều cacbon dioxit. Câu hỏi từ quan điểm toán học là liệu phản hồi như vậy có đủ để khiến hệ thống mất ổn định không?

Một sự gia tăng không thể ngăn cản

Rothman đã ghi lại phản hồi tích cực này trong mô hình mới của mình, bao gồm hai phương trình vi phân mô tả các tương tác giữa các thành phần hóa học khác nhau trong đại dương trên bề mặt. Ông sau đó quan sát cách mô hình phản ứng khi ông bổ sung thêm cacbon dioxit vào hệ thống, với các tốc độ và lượng khác nhau.

Ông nhận thấy rằng bất kể tốc độ bổ sung cacbon dioxit vào một hệ thống ổn định như thế nào, chu trình cacbon trong đại dương trên bề mặt vẫn duy trì ổn định. Đối với những nhiễu loạn nhẹ, chu trình cacbon sẽ mất cân bằng tạm thời và trải qua một giai đoạn axit hóa đại dương nhẹ, nhưng luôn quay trở lại trạng thái ban đầu thay vì dao động sang một trạng thái cân bằng mới.

Khi ông đưa vào cacbon dioxit với tốc độ lớn hơn, ông nhận thấy rằng một khi các mức vượt qua một ngưỡng quan trọng, chu trình cacbon phản ứng với một loạt các phản hồi tích cực làm khuếch đại yếu tố kích hoạt ban đầu, khiến toàn bộ hệ thống bùng phát dưới dạng axit hóa đại dương nghiêm trọng. Hệ thống cuối cùng đã quay trở lại trạng thái cân bằng sau hàng chục ngàn năm trong các đại dương ngày nay – một dấu hiệu cho thấy, mặc dù có phản ứng dữ dội, chu trình cacbon sẽ trở lại trạng thái ổn định.

Mô hình này phù hợp với hồ sơ địa chất, Rothman nhận thấy. Tốc độ đặc trưng do nửa dữ liệu của ông thể hiện là kết quả từ những kích thích ở mức cao nhưng vẫn gần ngưỡng. Các rối loạn môi trường liên quan đến tuyệt chủng hàng loạt là những ngoại lệ – chúng thể hiện những kích thích vượt xa ngưỡng. Ít nhất ba trong số các trường hợp này có thể liên quan đến hiện tượng núi lửa hoạt động mạnh kéo dài.

Khi bạn vượt qua một ngưỡng, bạn nhận được một cú đá tự do từ hệ thống tự phản ứng, Rothman giải thích. Hệ thống đang trong một sự tăng trưởng không thể ngăn cản. Đây là bản chất của sự kích thích, và cách mà một neuron hoạt động.

Mặc dù cacbon đang đi vào các đại dương ngày nay với tốc độ chưa từng có, điều này diễn ra trong một khoảng thời gian ngắn theo địa chất. Mô hình của Rothman dự đoán rằng hai yếu tố này sẽ triệt tiêu lẫn nhau: Tốc độ nhanh hơn đưa chúng ta đến gần ngưỡng, nhưng thời gian ngắn hơn lại kéo chúng ta ra xa. Liên quan đến ngưỡng, thế giới hiện đại gần như ở cùng vị trí với thời kỳ kéo dài của hiện tượng núi lửa hoạt động mạnh.

Nói cách khác, nếu lượng khí thải do con người gây ra hôm nay vượt qua ngưỡng và tiếp tục, như Rothman dự đoán rằng sẽ xảy ra sớm, hậu quả có thể nghiêm trọng như những gì Trái Đất đã trải qua trong các sự kiện tuyệt chủng hàng loạt trước đây.

Rất khó để biết mọi thứ sẽ diễn ra như thế nào với những gì đang xảy ra hôm nay, Rothman nói. Nhưng chúng ta có lẽ đang đến gần một ngưỡng quan trọng. Bất kỳ sự gia tăng nào sẽ đạt đến đỉnh điểm sau khoảng 10.000 năm. Hy vọng rằng điều đó sẽ cho chúng ta thời gian để tìm ra giải pháp.

Chúng ta đã biết rằng các hành động thải CO2 của chúng ta sẽ có hậu quả trong nhiều thiên niên kỷ, Timothy Lenton, giáo sư về biến đổi khí hậu và khoa học hệ thống Trái Đất tại Đại học Exeter, nói. Nghiên cứu này cho thấy những hậu quả đó có thể kịch tính hơn nhiều so với những gì chúng ta từng kỳ vọng. Nếu chúng ta đẩy hệ thống Trái Đất đi quá xa, nó sẽ tự điều chỉnh và tự phản ứng – một khi đã qua điểm đó, chúng ta không còn có thể can thiệp vào nó được nữa.