Đo nhiệt độ đại dương bằng âm thanh động đất

Năm 1991, các nhà khoa học đã hạ những chiếc loa siêu trầm xuống biển ở đảo Heard, một hòn đảo núi lửa phủ đầy tuyết ở Ấn Độ Dương. Các loa này phát ra âm thanh tần số thấp, giống như âm thanh của cá voi, truyền đi khắp đại dương. Các tín hiệu âm thanh được thu lại sau đó bởi các máy thu ngoài khơi bờ biển California và Bermuda khi đó chứa một phần thông tin quan trọng về vùng nước mà chúng đã đi qua: nhiệt độ. Đó là một cách làm đầy hứa hẹn để theo dõi sự ấm lên của các đại dương, nhưng các nhà khoa học lo ngại việc truyền âm như vậy có thể ảnh hưởng đến sinh vật biển, và phương pháp này đã sớm bị loại bỏ. Giờ đây, phương pháp này đã trở lại - nhưng lần này âm thanh không phải nhân tạo mà do chính Trái đất tạo ra.

Một nhóm các nhà địa chấn học và hải dương học đã chỉ ra rằng các trận động đất nhỏ liên tục xảy ra ở cùng một vị trí dưới đáy đại dương có thể thay thế cho các loa siêu trầm. Các trận động đất tạo ra các tín hiệu âm thanh đáng tin cậy để đo nhiệt độ đại dương, kể cả ở độ sâu dưới 2.000 mét, nằm ngoài tầm với của các kỹ thuật khác. Nếu được xác thực, phương pháp này có thể mở ra một hệ thống quan sát đại dương hoàn toàn mới để tìm hiểu sự thay đổi khí hậu trong quá khứ và tương lai, Frederik Simons, nhà địa vật lý tại Đại học Princeton, nói. “Có một kho tàng dữ liệu tiềm năng đang chờ được phân tích.”

Các đại dương hấp thụ hơn 90% năng lượng do nóng lên toàn cầu giữ lại, và bất kỳ sự thay đổi nào về tốc độ hấp thụ nhiệt của đại dương sẽ có tác động lớn đến tốc độ ấm lên của bầu khí quyển. Hai thập kỷ trước, hệ thống phao quan sát đại dương Argo bắt đầu theo dõi sự ấm lên của đại dương ở độ sâu khoảng 2.000 mét. Nhưng hệ thống phao này, hiện nay gồm 4.000 chiếc, không thể thăm dò khối đại dương ở sâu hơn.

“Cho đến nay, việc không thể xác định được điều gì đang diễn ra ở vùng nước sâu là một trở ngại lớn đối với việc hiểu đại dương và khí hậu," Carl Wunsch, nhà hải dương học đã nghỉ hưu từ Viện Công nghệ Massachusetts, cho biết.

Năm 1979, Wunsch và Walter Munk, nhà hải dương học ở Viện Hải dương học Scripps, lần đầu tiên đề xuất sử dụng sóng âm thanh để đo nhiệt và cấu trúc của đại dương. Âm thanh truyền đi nhanh hơn khi nước nóng hơn hoặc đặc hơn, làm cho thời gian di chuyển của âm thanh trở thành một thước đo đáng tin cậy về nhiệt độ và độ đặc của nước nếu nguồn âm và bộ thu luôn đặt ở những vị trí cố định.

Bên cạnh việc thăm dò toàn bộ chiều rộng của đại dương, sóng âm thanh còn cho thấy tình trạng nước từ vùng nước nông cho đến vùng biển thẳm. Do đó, chúng có thể phát hiện các biến động nhiệt độ ở quy mô rất nhỏ, như sự thay đổi chỉ vài phần nghìn của 1 độ C trên toàn lưu vực mỗi năm.

“Điều đó giúp việc trích xuất tín hiệu ấm lên toàn cầu dễ dàng hơn nhiều," Jörn Callies, nhà hải dương học tại Viện Công nghệ California (Caltech) và đồng tác giả của nghiên cứu mới cho biết.

Sau thử nghiệm năm 1991 tại Đảo Heard, Munk đã giành được tài trợ của Bộ Quốc phòng Mỹ cho dự án tiếp theo ở Thái Bình Dương, được gọi là Đo nhiệt độ âm học của Khí hậu Đại dương (ATOC). Nhưng dự án này gây nhiều tranh cãi, do những chiếc loa cỡ lớn được đặt ngoài khơi bờ biển Hawaii và California - lãnh thổ chính của cá voi. “Phần lớn trong ngân sách 35 triệu USD của dự án này dành để nghiên cứu về tác động của âm thanh đối với động vật có vú ở biển," Brian Dushaw, nhà hải dương học từng làm việc trong dự án ATOC và đã nghỉ hưu, cho biết.

Bí mật quân sự cũng là một rào cản. Để nghe các tín hiệu, dự án ATOC dựa vào các thiết bị thủy âm Hải quân thường được sử dụng để phát hiện tàu ngầm. Các nhà khoa học thậm chí không thể công bố vị trí của các máy thu, Wunsch nói. “Chúng tôi đã không nói với Hải quân rằng nếu công bố tín hiệu, thì đằng nào từ đó cũng có thể xác định được vị trí của các máy thu," Wunsch cho biết thêm. Nguồn âm thanh từ Hawaii, ngoài khơi Kauai, hoạt động cho đến năm 2006, cung cấp dữ liệu về sự nóng lên của đại dương trong 10 năm. Nhưng lúc đó, các nhà hải dương học đã bỏ lại phương pháp đo nhiệt âm học và đang dựa vào hệ thống phao Argo, Dushaw nói.

Đó là cho đến một năm trước, khi Wenbo Wu, nhà địa chấn học ở Caltech, nhận ra rằng các trận động đất lặp lại trên các đứt gãy từ từ len lỏi dưới đáy biển có thể cung cấp một nguồn âm thanh thay thế cho các loa nhân tạo. Khi động đất làm rung chuyển đáy đại dương, một phần năng lượng được chuyển hóa thành sóng âm. Wu và các đồng tác giả của ông chỉ cần tìm nguồn động đất thích hợp.

Cuộc tìm kiếm địa điểm phù hợp đưa họ quay trở lại Ấn Độ Dương. Trong hồ sơ động đất, họ đã xác định được hơn 4.000 trận động đất từ các đứt gãy ở đáy đại dương phía tây Sumatra ở Indonesia từ năm 2004 đến năm 2016, nhiều trong số đó có cường độ từ 3,5 đến 5 độ Richter.

Nhóm nghiên cứu đã xác định được các mảng đứt gãy nhỏ cách nhau chỉ hơn 100 mét, liên tục gây động đất, Sidao Ni, đồng tác giả nghiên cứu và nhà địa chấn học ở Viện Đo đạc và Địa vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cho biết. Kết quả là các sóng âm thanh truyền qua đại dương đến tận Diego Garcia, một đảo san hô hẻo lánh ở phía nam Ấn Độ. Ở đây, sóng âm thanh đổ bộ vào đất liền và trở lại thành sóng địa chấn, thu được trên máy đo địa chấn của hòn đảo.

Quy đổi thời gian di chuyển của sóng âm thành nhiệt độ, Wu và các đồng nghiệp của ông nhận thấy rằng đông Ấn Độ Dương ấm lên 0,044 độ C trong thập kỷ qua. Các biến động mực nước hằng năm nhất quán với kết quả từ hệ thống Argo, nhưng biến động nhiệt độ gần gấp đôi những gì các phao Argo phát hiện. Khoảng 40% phép đo nhiệt của hệ thống phao Argo đến từ vùng nước nông (dưới 2.000 mét), cho thấy một số quá trình ấm lên đang tiến sâu hơn vào đại dương, ngoài tầm với của Argo.

Susan Wijffels, nhà lãnh đạo của Argo tại Viện Hải dương học Woods Hole, nhận định công việc này “khá phi thường và rất hứa hẹn”. Nếu được mở rộng ra toàn cầu, nó có thể dùng để đối chiếu và kiểm tra các phép đo của Argo, đặc biệt là khi sản xuất một loại phao Argo mới có thể hạ xuống 6.000 mét. Hiện mới chỉ có vài chục chiếc phao Argo loại này được đưa vào hoạt động. Điều hấp dẫn hơn nữa là khả năng theo dõi xu hướng ấm lên toàn cầu trong quá khứ, trước khi có Argo, bằng cách tìm các sóng âm trong quá khứ giống với hiện nay đã từng được ghi lại trong các hồ sơ địa chấn cũ. “Thật là một món quà cho cộng đồng khí hậu,” Wijffels nói.

Nhóm nghiên cứu cho rằng nếu dùng các thiết bị thủy âm, họ có thể thu được các âm thanh do động đất tạo ra một cách rõ ràng hơn so với các máy đo địa chấn trên đất liền. Điều này sẽ cho phép họ đo nhiệt độ đại dương từ cả các trận động đất yếu hơn. Và bằng cách sử dụng mạng lưới thiết bị thủy âm toàn cầu thuộc Hiệp ước Cấm thử nghiệm hạt nhân toàn diện, họ sẽ có thể thu tín hiệu từ khắp các đại dương trên thế giới.

Ngoài ra, các thiết bị thủy âm dưới biển băng ở Bắc Cực có thể đo nhiệt độ nước ở nơi mà Argo không thể tiếp cận. Thậm chí, có thể sử dụng tiếng động của băng sụp đổ hay các trận động đất băng ở Greenland gần đó làm nguồn âm thanh. “Đó là dữ liệu,” Dushaw nói.