London của Anh và Calgary của Canada có vĩ độ tương tự nhau nhưng thời tiết mùa đông lại khá khác biệt. Mùa đông ở London, nơi có khí hậu hải dương, tương đối ôn hòa, còn tại Calgary nằm giữa lục địa, những ngày nhiệt độ xuống dưới âm 20℃ không phải hiếm. Sự phân bố của lục địa và đại dương cùng các hình thái hoàn lưu khí quyển như gió Tây đóng vai trò lớn trong sự khác biệt này; dòng chảy khổng lồ vận chuyển nhiệt qua đại dương trong thời gian dài cũng là một trong những yếu tố góp phần tạo nên điều đó.
Nước biển càng lạnh hoặc càng mặn thì càng nặng. Khi khối nước trở nên nặng hơn chìm xuống sâu và nước từ nơi khác tràn đến lấp chỗ trống, một dòng chảy đi vòng quanh các đại dương trên toàn thế giới hình thành. Dòng chảy này được gọi là “hoàn lưu nhiệt muối (Thermohaline Circulation)”, một tên gọi ghép từ “thermo” nghĩa là nhiệt và “haline” nghĩa là độ mặn.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu hoàn lưu nhiệt muối là gì, nước biển di chuyển theo những tuyến đường nào, dòng chảy này ảnh hưởng ra sao đến khí hậu Trái Đất và vì sao các nhà khoa học hiện đang theo dõi nó.
Tìm hiểu về hoàn lưu nhiệt muối
Đại dương chuyển động nhờ nhiệt độ và muối
Có thể chia dòng chảy trong đại dương thành hai loại chính. Một là các hải lưu bề mặt hình thành khi gió đẩy mặt nước, hai là các dòng chảy dưới biển sâu hình thành do chênh lệch mật độ nước biển. Hoàn lưu nhiệt muối chính là loại dòng chảy thứ hai này.
Mật độ nước biển chủ yếu do hai yếu tố quyết định.
- Nhiệt độ nước (Temperature): Khi các điều kiện khác như nhau, nước biển càng lạnh thì thể tích càng giảm và mật độ càng tăng.
- Độ mặn (Salinity): Càng có nhiều muối hòa tan trong nước, nước biển càng nặng.
Nước lạnh và mặn nặng hơn nước xung quanh nên chìm xuống, còn nước ấm và ít mặn hơn ở lại phía trên. Nguyên lý đơn giản này trở thành động lực làm chuyển động vùng biển sâu hàng nghìn mét. Trong khi các hải lưu bề mặt có thể di chuyển hàng chục kilômét mỗi ngày, dòng chảy dưới biển sâu lại chuyển động rất chậm.
Bạn cũng có thể dễ dàng quan sát nguyên lý này tại nhà. Nếu nhẹ nhàng đổ nước muối lạnh pha phẩm màu vào một vật chứa trong suốt đựng nước hơi ấm, nước màu sẽ trượt xuống đáy và tạo thành lớp mà không hòa lẫn. Trong đại dương, hiện tượng này diễn ra trên quy mô toàn bộ đại dương.
Hành trình vòng quanh Trái Đất của nước biển
Nhà hải dương học người Mỹ Wallace Broecker đã phổ biến rộng rãi dòng chảy này vào thập niên 1980 bằng một sơ đồ mang tên “Băng chuyền đại dương khổng lồ (Great Ocean Conveyor)”. Lần theo hành trình đó, chúng ta sẽ thấy các chặng như sau.
(1) Chìm xuống ở Bắc Đại Tây Dương
Nước ấm theo dòng Gulf Stream và dòng Bắc Đại Tây Dương nối tiếp nó di chuyển lên phía bắc, rồi nguội đi khi gặp gió mùa đông lạnh gần Greenland và Iceland. Khối nước đã mặn hơn do bốc hơi lại tiếp tục lạnh đi nên trở nên nặng, chìm xuống sâu và trở thành nước sâu Bắc Đại Tây Dương.
(2) Được bổ sung ở vùng biển Nam Cực
Quanh Nam Cực, khi nước biển đóng băng, muối bị đẩy ra ngoài băng khiến nước xung quanh mặn hơn. Khối nước này trở thành nước đáy Nam Cực nặng nhất và lan tỏa dọc theo đáy sâu nhất của đại dương.
(3) Nổi lên và quay trở lại
Nước sâu lan sang Ấn Độ Dương và Thái Bình Dương, dần hòa trộn và ấm lên, rồi trở lại mặt biển, chủ yếu tại những nơi có gió mạnh ở Nam Đại Dương. Khi khối nước này theo lớp bề mặt quay về Đại Tây Dương, vòng tuần hoàn tiếp diễn; một vòng như vậy được cho là mất khoảng 1,000 năm.
Hệ thống sưởi của đại dương điều hòa khí hậu
Hoàn lưu nhiệt muối đóng vai trò như một hệ thống sưởi khổng lồ, vận chuyển nhiệt từ gần xích đạo về phía các vùng cực. Phần di chuyển theo hướng bắc–nam qua Đại Tây Dương được gọi là hoàn lưu đảo lộn kinh tuyến Đại Tây Dương (Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC); nhờ nhiệt do dòng chảy này vận chuyển, Tây Âu có mùa đông ôn hòa hơn những khu vực khác cùng vĩ độ.
Dòng chảy này còn vận chuyển nhiều thứ ngoài nhiệt.
- Carbon dioxide (Carbon Dioxide): Nước chìm xuống mang theo carbon dioxide từ khí quyển xuống biển sâu và giữ lại đó trong thời gian dài.
- Oxy (Oxygen): Nước hấp thụ oxy ở mặt biển chìm xuống, cung cấp oxy cho các sinh vật dưới biển sâu.
- Chất dinh dưỡng (Nutrient): Ở những nơi nước sâu nổi trở lại, chất dinh dưỡng được đưa lên, khiến sinh vật phù du và cá trở nên dồi dào.
Vì vậy, nếu dòng chảy này suy yếu mạnh, ảnh hưởng có thể lan tới nhiều nơi. Các mô hình khí hậu dự báo rằng mùa đông quanh Bắc Đại Tây Dương có thể lạnh hơn, mực nước biển dọc bờ đông Hoa Kỳ có thể dâng cao hơn, và dải mây mưa nhiệt đới có thể dịch chuyển về phía nam, làm thay đổi lượng mưa theo từng mùa.
Băng chuyền chậm lại và nhiệm vụ của chúng ta
Trong quá khứ, dòng chảy này cũng từng biến động mạnh. Trong thời kỳ Younger Dryas bắt đầu cách đây khoảng 1 vạn 2,900 năm, Bắc bán cầu đang ấm lên bỗng lạnh trở lại; nước ngọt từ băng hà tan chảy đổ vào Bắc Đại Tây Dương, làm suy yếu lực khiến nước biển chìm xuống, được xem là nguyên nhân của hiện tượng này.
Ngày nay, sự nóng lên toàn cầu đang gây ra mối lo tương tự. Đó là vì khi đại dương ấm lên và dải băng Greenland tan chảy làm tăng lượng nước ngọt, nước ở Bắc Đại Tây Dương trở nên nhẹ hơn và khó chìm xuống. Vì vậy, từ năm 2004, Anh và Hoa Kỳ đã bố trí thiết bị quan trắc băng ngang Đại Tây Dương tại vĩ độ 26.5 độ Bắc và liên tục đo cường độ dòng chảy này. Quan trắc trong năm đầu tiên cho thấy trung bình dòng chảy này vận chuyển khoảng 1,870 vạn mét khối nước về phía bắc trong mỗi 1 giây, nhiều hơn mười lăm lần tổng lưu lượng của tất cả các con sông trên thế giới.
Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) đánh giá rằng khả năng AMOC suy yếu trong thế kỷ này là rất cao. Tuy nhiên, nó sẽ suy yếu nhanh đến đâu và có thể đột ngột dừng lại hay không vẫn là những vấn đề còn gây bất đồng giữa các nhà khoa học.
Hoàn lưu nhiệt muối chậm đến mức mắt thường không nhận thấy được, nhưng đó là tuyến đường lớn của đại dương, cùng lúc vận chuyển nhiệt, carbon và sự sống trên Trái Đất. Khi hiểu rằng dòng chảy dưới đáy biển xa xôi có liên hệ đến cả thời tiết mùa đông và cá trên bàn ăn của chúng ta, cách nhìn của chúng ta về tin tức khí hậu cũng sẽ thay đổi.
Hiểu nguyên lý khiến biển sâu chậm rãi hô hấp chính là bước đầu tiên để hiểu đúng về biến đổi khí hậu.
