MIT: Vượt qua “ngưỡng carbon” có thể dẫn đến tuyệt chủng hàng loạt

Trong não, các tế bào thần kinh phát ra các tín hiệu điện đến các tế bào bên cạnh thông qua một loại phản ứng "có hoặc không". Tín hiệu chỉ xảy ra một khi các điều kiện trong tế bào vi phạm một ngưỡng nhất định.

Một nhà nghiên cứu của MIT đã quan sát thấy hiện tượng tương tự trong một hệ thống hoàn toàn khác: chu trình carbon Trái đất.

Daniel Rothman, giáo sư địa vật lý và đồng giám đốc Trung tâm Lorenz thuộc khoa Khoa học Trái đất, Khí quyển và Hành tinh của MIT, đã phát hiện ra rằng khi tỉ lệ carbon dioxide trong đại dương vượt qua một ngưỡng nhất định - cho dù bằng cách nào hay trong thời gian bao lâu - Trái đất có thể phản ứng bằng một loạt các phản hồi hóa học, dẫn đến axit hóa cực đại đại dương, làm khuếch đại các tác động ban đầu của carbon.

Phản xạ toàn cầu này gây ra những thay đổi lớn về lượng carbon có trong các đại dương của Trái đất, và các nhà địa chất có thể thấy bằng chứng về những thay đổi này đã từng xảy ra trước đây trong các lớp trầm tích được bảo tồn trong hàng trăm triệu năm.

Rothman đã xem qua các hồ sơ địa chất này và quan sát thấy rằng trong hơn 540 triệu năm qua, mức carbon đại dương thay đổi đột ngột, sau đó phục hồi, hàng chục lần. Quá trình này tương tự như các phản hồi của một tế bào thần kinh. Sự "kích thích" này của chu trình carbon trùng hợp với thời điểm của 4 trong số 5 vụ tuyệt chủng hàng loạt trong lịch sử Trái đất.

Các nhà khoa học đã từng xác định các tác nhân khác nhau cho các sự kiện này, và họ cho rằng những thay đổi trong carbon đại dương sẽ tỷ lệ thuận với mức "châm ngòi" ban đầu - ví dụ, mức carbon châm ngòi càng nhỏ, bụi phóng xạ môi trường trong thảm họa càng nhỏ.

Nhưng Rothman nói rằng sự việc không diễn ra như vậy. Không quan trọng điều gì châm ngòi phản xạ của Trái đất, một khi có phản xạ, tốc độ tăng carbon về cơ bản là như nhau. Mức độ nghiêm trọng có khả năng là một đặc tính của chính chu trình carbon, chứ không được quy định bởi các yếu tố kích hoạt.

Tất cả những điều này có liên quan gì đến khí hậu hiện đại của chúng ta? Ngày nay, các đại dương đang hấp thụ carbon với cường độ nhanh hơn cả trường hợp xấu nhất từng có trong hồ sơ địa chất - sự tuyệt chủng cuối kỷ Permi. Con người mới chỉ bơm khí carbon dioxide vào khí quyển trong vài trăm năm, trong khi các vụ phun trào núi lửa hoặc các xáo trộn tự nhiên khác cần hàng chục ngàn năm để gây ra sự gián đoạn môi trường trong quá khứ. Liệu sự gia tăng hiện nay của carbon là quá ngắn để kích thích một sự gián đoạn môi trường lớn?

Theo Rothman, ngày nay chúng ta đang "ở giai đoạn tiền kích thích". Nếu carbon tích tụ đến mức phản xạ toàn cầu xảy ra, sự tăng carbon đột biến (bằng chứng lịch sử là quá trình axit hóa đại dương, các loài chết, v.v...) có thể tương tự như những thảm họa toàn cầu trong quá khứ.

"Khi đã vượt qua ngưỡng carbon, quá trình đi đến ngưỡng có thể không còn có nghĩa lý gì", theo Rothman, nhà khoa học vừa công bố kết quả của mình trong tuần này trong Kỷ yếu của Viện hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ. "Một khi vượt qua ngưỡng, chúng ta sẽ phải đối mặt với cách Trái đất tự vận hành theo cách của nó".

Năm 2017, Rothman đã đưa ra một dự đoán khủng khiếp: vào cuối thế kỷ này, hành tinh có khả năng đạt đến ngưỡng carbon tới hạn, với tốc độ bổ sung carbon dioxide vào khí quyển nhanh chóng của con người. Khi vượt qua ngưỡng đó, chúng ta có khả năng sẽ phải đối mặt hàng loạt hậu quả, và có khả năng đỉnh điểm sẽ là cuộc tuyệt chủng hàng loạt thứ 6 của Trái đất.

Kể từ đó, Rothman đã tìm cách hiểu rõ hơn cách mà chu trình carbon phản ứng một khi nó đã vượt qua ngưỡng tới hạn. Trong bài báo mới, ông đã phát triển một mô hình toán học đơn giản để biểu diễn chu trình carbon ở tầng trên của đại dương Trái đất và cách hành tinh phản ứng khi vượt qua ngưỡng này.

Các nhà khoa học biết rằng khi carbon dioxide từ khí quyển hòa tan trong nước biển, nó không chỉ làm cho đại dương có tính axit cao hơn mà còn làm giảm nồng độ của các ion carbonat. Khi nồng độ ion cacbonat giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, các loại vỏ sinh vật làm bằng canxi cacbonat sẽ bị hòa tan.

Vỏ, ngoài việc bảo vệ sinh vật biển, còn tạo ra "hiệu ứng cân bằng", tăng trọng lượng của các sinh vật và cho phép chúng chìm xuống đáy đại dương cùng với carbon hữu cơ có hại, loại bỏ carbon dioxide khỏi tầng trên đại dương một cách hiệu quả. Khi carbon dioxide ngày càng tăng, ít các sinh vật vôi hóa hơn và carbon dioxide càng ít bị loại bỏ hơn.

"Carbon dioxide kéo theo càng nhiều carbon dioxide hơn. Câu hỏi là một phản hồi như vậy có đủ để khiến hệ thống mất ổn định không?", Rothman nói.

Rothman đã thu được phản hồi này trong mô hình mới của mình, bao gồm hai phương trình vi phân mô tả sự tương tác giữa các thành phần hóa học khác nhau ở đại dương. Sau đó, ông quan sát cách mô hình phản ứng khi ông bơm thêm carbon dioxide vào hệ thống, với các mức độ và khối lượng khác nhau.

Rothman nhận thấy rằng thêm carbon dioxide, với bất kỳ mức độ nào, vào một hệ thống đã ổn định thì chu trình carbon ở đại dương vẫn ổn định. Để đối phó với những xáo trộn vừa phải, chu trình carbon sẽ bất ổn tạm thời và trải qua một thời gian ngắn axit hóa đại dương nhẹ, nhưng sẽ luôn trở về trạng thái ban đầu chứ không dao động ở trạng thái cân bằng mới.

Khi thêm carbon dioxide ở mức độ lớn hơn, ông phát hiện ra rằng một khi vượt qua ngưỡng tới hạn, chu trình carbon phản ứng với một loạt các phản hồi làm phóng đại lượng carbon, khiến toàn bộ hệ thống tăng vọt, gây axit hóa đại dương nghiêm trọng. Cuối cùng thì hệ thống cũng trở lại trạng thái cân bằng, với các đại dương ngày nay thì thời gian trở về cân bằng là sau hàng chục ngàn năm. Đây là một dấu hiệu cho thấy mặc dù có những phản ứng dữ dội, chu trình carbon sẽ tiếp tục trở về trạng thái ổn định.

Rothman thấy rằng kết quả này phù hợp với hồ sơ địa chất. "Khi bạn vượt qua một ngưỡng, bạn sẽ nhận phản ứng từ hệ thống", Rothman giải thích. "Khi đó hệ thống đã đi vào một sự gia tăng không thể cứu vãn được. Đây là tính dễ bị kích thích, và cũng giống cách thức hoạt động của một nơron".

Mặc dù carbon đang xâm nhập vào các đại dương ngày nay với một tốc độ chưa từng thấy, nhưng nó đang làm như vậy trong một thời gian ngắn về mặt địa chất. Mô hình của Rothman, dự đoán rằng hai hiệu ứng sẽ bị hủy: Tốc độ nhanh hơn đưa chúng ta đến gần ngưỡng hơn, nhưng thời lượng ngắn hơn sẽ đưa chúng ta đi. Trong chừng mực có liên quan, thế giới hiện đại ở cùng một nơi với thời kỳ núi lửa khổng lồ kéo dài hơn.

Nói cách khác, nếu ngày nay, khí thải do con người gây ra vượt qua ngưỡng và vẫn tiếp tục tăng, như Rothman dự đoán là sẽ sớm xảy ra, hậu quả có thể nghiêm trọng như những gì Trái đất đã trải qua trong những quá trình tuyệt chủng hàng loạt trước đó.

"Khó có thể nói trước được mọi thứ sẽ diễn ra như thế nào, nhưng rất có thể chúng ta đang gần đến một ngưỡng quan trọng", Rothman nói.

"Những hành động phát thải CO2 của chúng ta sẽ gây ra 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 cho biết. "Nghiên cứu này cho thấy những hậu quả đó có thể nghiêm trọng hơn nhiều so với dự kiến trước đây. Nếu chúng ta đẩy hệ thống Trái đất đi quá xa, nó sẽ phản ứng dữ dội theo cách của riêng nó - đến lúc đó chúng ta không thể làm được gì".

Nghiên cứu này được NASA và Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ hỗ trợ.