Ngày: 16.08.2021

Nguồn: Đại học Princeton

Tóm tắt: Khi Bắc Băng Dương ấm lên và băng biển co lại, liệu bề mặt biển mới hiện ra có chứng kiến sự bùng nổ của quần thể sinh vật phù du và một hệ sinh thái đang phát triển ở vùng biển mở ở Bắc Băng Dương này không? Theo một nhóm các nhà khoa học từng xem xét lịch sử và tỷ lệ cung cấp ni tơ, một chất dinh dưỡng quan trọng, thì câu trả lời là không có khả năng xảy ra. Sự phân tầng của các vùng nước mở ở Bắc cực, đặc biệt là ở các khu vực nước đến từ Thái Bình dương thông qua eo biển Bering, sẽ ngăn cản các sinh vật phù du trên bề mặt nhận đủ ni tơ để phát triển dồi dào.

_______________________________________________________________

Khi Bắc cực, Bắc băng dương, và các vùng xung quanh cực Bắc ấm lên nhanh chóng, các nhà khoa học chạy đua để tìm hiểu tác động của quá trình ấm lên đối với các hệ sinh thái ở Bắc cực. Khi băng biển co lại, càng nhiều ánh sáng chiếu lên bề mặt của Bắc băng dương. Một số nhà khoa học đã dự đoán việc này sẽ dẫn đến sự phát triển của sinh vật phù du, do đó sẽ giúp ích cho cá và các loài động vật khác.

Quá trình này không diễn ra nhanh như vậy, theo lời của nhóm các nhà khoa học do trường Đại học Princeton và Viện Hóa học Max Planck.

Nhóm các nhà khoa học nhấn mạnh đến chất ni tơ, một chất dinh dưỡng quan trọng. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các sinh vật phù du hóa thạch để nghiên cứu lịch sử các nguồn và tỷ lệ cung cấp ni tơ cho vùng biển mở ở phía tây và trung tâm Bắc băng dương. Nghiên cứu này, được trình bày chi tiết trong một bài báo phát hành trên tạp chí Nature Geoscience, cho thấy dưới chế độ ấm lên toàn cầu, những vùng nước mở của Bắc cực sẽ bị hạn chế mạnh nồng độ nitơ, có khả năng ngăn cản sự sản sinh của chất này.

Tác giả chính Jesse Farmer, một cộng sự nghiên cứu sau tiến sĩ tại Khoa Khoa học Địa chất tại Đại học Princeton, đồng thời cũng là là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Hóa học Max Planck ở Mainz, Đức, cho biết: "Khi quan sát Bắc Băng Dương từ không gian, thật khó để thấy bề mặt nước, vì phần lớn Bắc Băng Dương bị bao phủ bởi một lớp băng biển. Lớp băng biển này được mở rộng tự nhiên trong mùa đông và co lại vào mùa hè. Tuy nhiên, trong vài thập kỷ gần đây, hiện tượng ấm lên toàn cầu đã khiến độ bao phủ của băng biển chỉ bằng một nửa so với năm 1979.

Khi băng biển tan, các sinh vật phù du quang hợp có vai trò cơ sở cấu thành mạng lưới thức ăn ở Bắc cực sẽ được hưởng lợi từ lượng ánh sáng nhiều hơn. "Nhưng chúng vẫn có một bất lợi," bà Julie Granger, tác giả đóng góp cho nghiên cứu, phó giáo sư khoa học biển tại Đại học Connectinut, cho biết. "Những sinh vật phù du này cũng cần chất dinh dưỡng để phát triển, và các chất dinh dưỡng dồi dào chỉ nằm ở vùng Bắc băng dương ngoài tầm với của chúng." Sinh vật phù du có thu được các chất dinh dưỡng này hay không phụ thuộc vào mức độ "phân tầng" hoặc tách thành các lớp khác nhau của phần đại dương phía trên. Hai trăm mét (tương đương 600 feet) nước biển trên cùng của đại dương bao gồm các lớp nước riêng biệt với mật độ khác nhau, được xác định bởi nhiệt độ và độ mặn của chúng. 

Ông Farmer cho biết: "Khi phần biển phía trên được phân tầng mạnh mẽ, với lớp nước nhẹ nổi lên trên lớp nước sâu nặng và sâu hơn, việc cung cấp chất dinh dưỡng cho bề mặt trên nhận được ánh nắng diễn ra chậm chạp."

Nghiên cứu mới do các nhà khoa học từ Đại học Princeton dẫn đầu cho thấy nguồn cung cấp nitơ cho Bắc Cực đã thay đổi như thế nào kể từ kỷ băng hà cuối cùng, cho thấy lịch sử phân tầng của Bắc Băng Dương. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các lõi trầm tích từ phía tây và trung tâm Bắc Băng Dương để đo thành phần đồng vị của nitơ hữu cơ bị mắc kẹt trong hóa thạch đá vôi của trùng lỗ (sinh vật phù du phát triển ở vùng nước mặt, sau đó chết và chìm xuống đáy biển). Các phép đo của họ cho thấy tỷ lệ nitơ có nguồn gốc từ Đại Tây Dương và Thái Bình Dương thay đổi như thế nào theo thời gian, đồng thời theo dõi những thay đổi về mức độ giới hạn nitơ của sinh vật phù du trên bề mặt. Bà Ona Underwood thuộc khóa 2021 là thành viên chính của nhóm nghiên cứu, phân tích các lõi trầm tích phía tây Bắc Băng Dương cho dự án cấp cơ sở của cô.

[Ona Underwood thuộc khóa 2021 đang phân tích mẫu lõi trầm tích phía tây Bắc băng dương]

Nơi hai đại dương giáp ranh: Nước biển Thái bình dương nổi lên trên bề mặt nước mặn và nặng hơn của Đại tây dương.

Bắc Băng Dương là nơi gặp gỡ của hai đại dương: Thái Bình Dương và Đại Tây Dương. Ở phía tây Bắc Cực, nước biển Thái Bình Dương chảy theo hướng bắc qua eo biển nông Bering ngăn cách Alaska với Siberia. Đến Bắc Băng Dương, nước biển Thái Bình Dương tương đối trong lành chảy qua phần nước mặn hơn từ Đại Tây Dương. Kết quả là, cột nước phía trên của phía tây Bắc Cực chủ yếu là nitơ có nguồn gốc từ Thái Bình Dương và bị phân tầng mạnh mẽ.

Tuy nhiên, hiện tượng này không phải luôn xảy ra như vậy. Ông Daniel Sigman, Giáo sư Khoa học Địa chất và Địa vật lý tại Dusenbury của Princeton và là một trong những cố vấn nghiên cứu của Farmer cho biết: "Trong thời kỳ băng hà cuối cùng, khi sự phát triển của các tảng băng làm suy giảm mực nước biển toàn cầu, eo biển Bering không tồn tại." Vào thời điểm đó, eo biển Bering được thay thế bằng Cầu đất Bering, một đường nối đất liền giữa châu Á và Bắc Mỹ, cho phép con người di cư vào châu Mỹ. Nếu không có eo biển Bering, Bắc Cực sẽ chỉ có nước ở Đại Tây Dương, và dữ liệu về nitơ xác nhận điều này.

Khi kỷ băng hà kết thúc cách đây 11.500 năm, khi các tảng băng tan chảy và mực nước biển dâng cao, dữ liệu cho thấy sự xuất hiện đột ngột của nitơ có nguồn gốc Thái Bình Dương ở lưu vực rộng mở phía tây Bắc Cực, một bằng chứng ấn tượng về sự mở rộng ra của eo biển Bering.

"Chúng tôi đã hy vọng thấy tín hiệu này trong dữ liệu, nhưng không đến nỗi rõ ràng như vậy!" Sigman nói.

[Mẫu trùng lỗ hóa thạch này - loài sinh vật phù du sống ở tầng nước mặt, sau đó chết đi và chìm xuống đáy biển - đã được phóng đại lên 30 lần. Các nhà nghiên cứu đã đo tỷ lệ đồng vị nitơ của các chất hữu cơ vi lượng bị mắc kẹt trong thành của những hóa thạch này để nghiên cứu xem Bắc Băng Dương đã thay đổi như thế nào theo thời gian.]

Đây chỉ là điều đầu tiên trong số những điều ngạc nhiên. Ông Farmer cũng nhận ra rằng, khi phân tích dữ liệu trước khi eo biển Bering mở ra, Bắc Cực chưa được phân tầng mạnh mẽ như ngày nay. Chỉ khi eo biển Bering mở, phía tây Bắc Cực mới trở nên phân tầng mạnh mẽ, thể hiện qua sự giới hạn nitơ của sinh vật phù du ở vùng nước bề mặt.

Đi về phía đông ra khỏi eo biển Bering, nước có nguồn gốc từ Thái Bình Dương bị loãng đi, do đó vùng trung tâm và phía đông Bắc Cực hiện đại bị chi phối bởi nước Đại Tây Dương và sự phân tầng tương đối yếu. Tại đây, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng giới hạn nitơ và sự phân tầng mật độ thay đổi theo khí hậu. Như ở phía tây Bắc Cực, sự phân tầng yếu trong kỷ băng hà cuối cùng, khi khí hậu lạnh hơn. Sau kỷ băng hà, sự phân tầng ở trung tâm Bắc Cực được tăng cường, đạt đến đỉnh điểm cách đây khoảng 10.000 đến 6.000 năm, thời kỳ nhiệt độ mùa hè Bắc Cực tự nhiên ấm hơn được gọi là "Cực đại nhiệt Holocen". Kể từ thời điểm đó, sự phân tầng ở trung tâm Bắc Cực đã suy yếu, cho phép lượng nitơ đủ sâu để tiếp cận vùng nước bề mặt trong tầm với của sinh vật phù du.

Hiện tượng ấm lên toàn cầu đang nhanh chóng đưa Bắc Cực trở lại khí hậu của Cực đại nhiệt Holocen. Khi quá trình ấm lên này tiếp tục, một số nhà khoa học đã dự đoán rằng việc giảm lượng băng bao phủ sẽ nâng cao năng suất của các sinh vật phù du ở Bắc Cực bằng cách tăng lượng ánh sáng mặt trời chiếu tới đại dương. Thông tin lịch sử mới được Farmer và các đồng nghiệp của ông thu thập được cho thấy rằng sự thay đổi như vậy khó có thể xảy ra đối với các vùng nước lưu vực mở ở phía tây và trung tâm Bắc Cực. Phía tây Bắc Cực sẽ vẫn bị phân tầng mạnh do dòng nước Thái Bình Dương liên tục chảy qua eo biển Bering, trong khi sự ấm lên sẽ tăng cường sự phân tầng ở trung tâm Bắc Cực. Các nhà nghiên cứu kết luận ở cả hai khu vực đại dương mở này, nguồn cung cấp nitơ chậm chạp có khả năng hạn chế sinh sản của quần thể sinh vật phù du.

Ông Farmer cho biết: "Sự gia tăng quần thể sinh vật phù du ở lưu vực mở của Bắc Cực có thể được coi là một lợi ích, chẳng hạn như gia tăng lượng đánh bắt cá. Nhưng với dữ liệu của chúng tôi, sự gia tăng này ở vùng biển mở ở Bắc Cực dường như không thể xảy ra. Niềm hy vọng tốt nhất trong tương lai có lẽ là ở vùng ven biển Bắc Cực."

**

- Nguồn chính (Primary source): Đại học Princeton

Link bài viết: https://www.princeton.edu/news/2021/08/16/arctic-oceans-deep-past-provides-clues-its-imminent-future

- Nguồn thứ hai (Secondary source): ScienceDaily

Link bài viết: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210816112055.htm