Trái Đất đã nguội lạnh 60 triệu năm mà không ai biết CO₂ đi đâu — nay đã có câu trả lời

Trong 60 triệu năm, khí quyển Trái Đất dần mất đi carbon dioxide và hành tinh nguội lạnh dần. Các nhà khoa học đã biết điều này. Điều họ không thể giải thích được là CO₂ thực sự đã đi đâu. “Chúng tôi thực sự chưa hiểu biết đầy đủ về nơi lượng carbon đó đi đến,” Ros Rickaby từ Đại học Oxford, tác giả chính của nghiên cứu mới, cho biết. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra câu trả lời: lượng carbon đó bị chôn vùi dưới đáy biển — được đặt ở đó bởi một chuỗi phản ứng hóa học đại dương vận hành theo mực nước biển và quá trình tái chế phốt pho, hoạt động như một bộ điều nhiệt hành tinh chậm trong suốt Đại Tân sinh.

Nghiên cứu, được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, tái thiết 60 triệu năm bằng chứng địa chất: mực nước biển cổ xưa, nồng độ oxy trong đại dương, khả năng cung cấp phốt phát và tốc độ chôn vùi carbon hữu cơ trong trầm tích thềm lục địa. Điều nổi lên là một vòng phản hồi chưa từng được ghi lại, kết nối bốn hệ thống từng được nghiên cứu riêng lẻ nhưng chưa bao giờ được ghép thành một cơ chế duy nhất.

Cơ chế hoạt động của chuỗi phản ứng

Bộ điều nhiệt bắt đầu từ mực nước biển. Khi biển dâng cao khoảng 10 đến 40 mét so với mức hiện tại — phạm vi mà nhóm nghiên cứu xác định là “điểm ngọt” của hệ thống — điều đặc biệt xảy ra trên các thềm lục địa. Nồng độ oxy trong những vùng nước nông đó giảm xuống dưới ngưỡng tới hạn khi chất hữu cơ phân hủy, tạo ra các vùng nước thiếu oxy ngay tại nơi trầm tích thềm giàu carbon tiếp xúc nhiều nhất.

Những điều kiện thiếu oxy đó tác động cụ thể lên phốt pho. Phốt phát thường gắn kết với các hạt trầm tích khi có oxy; khi loại bỏ oxy, phốt phát được giải phóng trở lại vào cột nước. Phốt pho được tái chế này nuôi dưỡng sự bùng phát của tảo biển và các sinh vật phù du khác, có tăng trưởng hút carbon từ nước bề mặt. Khi những sinh vật này chết và chìm xuống, chúng mang theo carbon. Trên đáy biển, trong điều kiện thiếu oxy đã kích hoạt sự giải phóng phốt pho, carbon hữu cơ bị chôn vùi thay vì bị phân hủy — và nó tồn tại trong hàng triệu năm.

Kết quả là một vòng tự khuếch đại: mực nước biển thiết lập giai đoạn, oxy thấp giải phóng phốt pho, phốt pho thúc đẩy năng suất biển, năng suất chôn vùi carbon, carbon bị chôn vùi làm giảm CO₂ khí quyển. Xung lực kéo dài chừng nào điều kiện mực nước biển phù hợp còn duy trì — và có thể kéo dài hàng triệu năm trước khi hệ thống tái cân bằng.

“Đồng tác giả của chúng tôi, Christian Bjerrum, đã nghiên cứu mối liên hệ giữa mực nước biển, oxy đại dương và phốt phát bằng mô hình máy tính hai thập kỷ trước,” Zunli Lu từ Đại học Syracuse cho biết. “Chúng tôi cuối cùng đã ghép các hồ sơ địa chất cần thiết để kiểm tra giả thuyết này.”

Khi bộ điều nhiệt ngừng hoạt động

Hồ sơ của nhóm cho thấy cơ chế này không vận hành liên tục. Trong kỷ Eocene, từ khoảng 56 đến 34 triệu năm trước, mực nước biển dâng đủ cao để vượt qua điểm ngọt. Khi điều đó xảy ra, các vùng thiếu oxy không còn chồng lấp với trầm tích thềm lục địa giàu chất hữu cơ — hai điều kiện làm cho phản hồi hoạt động. Xung lực chôn vùi carbon yếu đi. CO₂ ở lại trong khí quyển thay vì bị rút ra. Kỷ Eocene là một giai đoạn ấm theo tiêu chuẩn địa chất: đủ ấm để rừng nhiệt đới mọc ở khu vực ngày nay là bang Wyoming, và cá sấu sống trên vòng Bắc Cực.

Sự trở lại của hệ thống — gắn liền với những thay đổi mực nước biển liên quan đến quá trình băng hóa Nam Cực — trùng với quá trình làm lạnh kéo dài đặc trưng cho 34 triệu năm cuối của lịch sử Trái Đất.

“Kết quả của chúng tôi cho thấy việc tăng cường chôn vùi carbon hữu cơ trong trầm tích biển đóng vai trò quan trọng hơn nhiều so với trước đây,” Rickaby cho biết.

Những gì cơ chế này không thể làm

Bộ điều nhiệt hoạt động theo thang thời gian hàng triệu năm. Mỗi chu kỳ — từ kích hoạt mực nước biển đến giải phóng phốt pho đến chôn vùi carbon đến giảm CO₂ đo được — mất hàng trăm nghìn năm để hoàn thành. Lượng CO₂ mà nhân loại đã thêm vào khí quyển kể từ công nghiệp hóa đã tích lũy trong khoảng 200 năm. Cơ chế địa chất không thể phản ứng với tốc độ đó.

Ngoài ra còn có sự không tương thích về cấu trúc: các vùng thiếu oxy tối thiểu ngày nay nằm sâu hơn so với thời kỳ vận hành đỉnh cao của Đại Tân sinh. Các thềm lục địa hiện đại hẹp hơn và rìa thiếu oxy của chúng được định vị kém hơn để tương tác với trầm tích giàu chất hữu cơ. Những điều kiện làm cho bộ điều nhiệt hoạt động hiệu quả trong 60 triệu năm hiện không còn phù hợp.

Các nhà nghiên cứu nói rõ về giới hạn này. Hệ thống đã ổn định khí hậu có hàng nghìn năm để điều chỉnh; nó không được thiết kế — và không thể vận hành — như một bồn lưu giữ carbon nhanh chóng.

Những câu hỏi thường gặp về bộ điều nhiệt CO₂ của Trái Đất

Vùng thiếu oxy tối thiểu là gì? Đó là lớp nước đại dương, thường ở độ sâu từ 100 đến 1.000 mét, nơi nồng độ oxy hòa tan giảm mạnh khi vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ tiêu thụ phần lớn oxy có sẵn trước khi tuần hoàn nước có thể bổ sung lại. Trong các vùng này, các phản ứng hóa học thông thường thay đổi: phốt pho vốn sẽ gắn kết với trầm tích được giải phóng trở lại vào cột nước.

Điều này khác gì so với việc đại dương hấp thụ CO₂ trực tiếp? Hấp thụ đại dương trực tiếp hòa tan CO₂ ở bề mặt và lưu giữ trong dung dịch — nó không loại bỏ carbon vĩnh viễn và có thể đảo ngược khi nhiệt độ đại dương thay đổi. Cơ chế được mô tả trong nghiên cứu này chôn vùi carbon hữu cơ vật lý trong trầm tích đáy biển, khóa nó ra khỏi khí quyển trong thang thời gian địa chất — hàng triệu năm thay vì hàng thế kỷ.

Quá trình này có từng thất bại không? Ví dụ kỷ Eocene cho thấy nó có thể suy yếu. Khi mực nước biển quá cao — vượt quá điểm ngọt — vòng phản hồi vỡ vì các vùng thiếu oxy không còn đến được các lớp trầm tích phong phú nhất. CO₂ ở mức cao. Hành tinh ấm lên. Cơ chế khởi động lại chỉ khi mực nước biển trở về phạm vi phù hợp.

Quá trình này có thể được kích hoạt nhân tạo để bù đắp CO₂ hiện đại không? Nghiên cứu không đề cập đến địa kỹ thuật. Phản hồi phụ thuộc vào mực nước biển, vị trí của các vùng thiếu oxy tối thiểu và phân phối trầm tích thềm lục địa — các biến số hoạt động ở các quy mô mà không có công nghệ nào của con người hiện có thể kiểm soát.

Những gì tiếp theo

Nghiên cứu mở ra hướng điều tra trực tiếp về một trong những câu đố cũ hơn của cổ khí hậu học: tại sao sự giảm carbon của Trái Đất trong Đại Tân sinh không diễn ra trơn tru. Hồ sơ địa chất cho thấy các xung lực làm lạnh xen kẽ bởi các giai đoạn ấm hơn — một mô hình mà mô hình bộ điều nhiệt nay giải thích theo nghĩa mực nước biển dịch chuyển đưa hệ thống vào và ra khỏi phạm vi hiệu quả của nó.

Đối với khoa học khí hậu ngày nay, phát hiện cũng bổ sung tính đặc thù vào điều làm cho các giai đoạn ấm trong quá khứ khác với hiện tại. Kỷ Eocene ấm vì bộ điều nhiệt bị tắt. Sự ấm lên hiện tại đang xảy ra mặc dù bộ điều nhiệt đang ở trong phạm vi cấu trúc của nó — bởi vì tốc độ thêm CO₂ đơn giản là đã vượt qua mọi phản ứng địa chất.

Tài liệu tham khảo: Rickaby et al., “Shelf-invading low-oxygen waters control Cenozoic organic carbon burial rates”, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026. DOI: 10.1073/pnas.2526409123

Thẻ: climate, carbon burial, Cenozoic era, ocean chemistry, phosphorus, PNAS