Trái đất đã từng giữ ấm bằng cách nào?

Loài người vẫn luôn lo lắng về khí nhà kính, nhưng trong khoảng thời gian từ 1,8 tỉ đến 800 năm trước, các cư dân siêu nhỏ trong đại dương lại thực sự cần đến loại khí này. Khi đó, mặt trời tối hơn khoảng 10 – 15% so với hiện nay, quá yếu để làm ấm Trái đất. Trái đất cần đến sự kết hợp mạnh mẽ của các loại khí giữ nhiệt để giữ cho các đại dương ở thể lỏng và có thể sống được.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học nghiên cứu khí quyển đã coi khí mê-tan đóng vai trò chủ đạo trong vấn đề này. Quan điểm về khí mê-tan – với khả năng giữ nhiệt lớn hơn CO2 gấp 34 lần – có thể giữ vị trí thống trị tối cao trong gần 3,5 tỉ năm đầu tiên của lịch sử Trái đất, khi đó lúc mới đầu chưa có khí ô-xy và sau đó chỉ chỉ có ít hơn 1 luồng không khí nhỏ khí ô-xy. (Ngày nay, khí ô-xy chiếm tới 1/5 của không khí mà chúng ta hít thở, và ô-xy đã đánh bại mê-tan trong 1 vài năm)

Theo Stephanie Olson – nghiên cứu sinh tại Đại học California (UC), Riverside, và là 1 thành viên của nhóm nghiên cứu Alternative Earths – cho biết “Một sự tính toán phù hợp về chu trình sinh địa hóa trong các đại dương đã tiết lộ rằng khí mê-tan có 1 kẻ thù còn mạnh hơn rất nhiều so với khí ô-xy. Bạn không thể lấy được 1 lượng đáng kể khí mê-tan ra khỏi đại dương nếu ở đó có sunfat”.

Sunfat không phải là 1 nhân tố cho đến khi ô-xy xuất hiện trong bầu khí quyển và kích hoạt quá trình phong hóa đá trên đất liền do ô-xy hóa. Sự phân hủy các chất khoáng như pirit, tạo ra sunfat, sau đó chảy xuống sông và ra tới các đại dương. Ít ô-xy có nghĩa là sẽ ít sunfat, tuy nhiên, ngay cả 1% của lượng sunfat như hiện nay cũng đủ để tiêu diệt hết khí mê-tan.

Olson và các đồng tác giả ở nhóm nghiên cứu Alternative Earths của bà – Chris Reinhard, giáo sư dự khuyết về khoa học khí quyển và trái đất tại Đại học Kỹ thuật Georgia – và Timothy Lyons, một vị giáo sư nổi tiếng về sinh địa hóa tại trường UC – khẳng định rằng, trong 1 tỷ năm lượng sunfat trong đại dương đã hạn chế lượng khí mê-tan trong khí quyển, chỉ có khoảng 1 – 10 phần/1 triệu – một tỷ lệ rất nhỏ so với con số 300 phần/1 triệu rất dồi dào do các mô hình trước đó đánh giá.

Olsson cho biết, lỗ hổng chết người của các mô hình khí hậu trước đây và các dự đoán của họ về thành phần khí quyển là họ đã bỏ qua những gì xảy ra trong lòng đại dương, nơi bắt nguồn của hầu hết khí mê-tan nhờ các vi khuẩn chuyên phân hủy các chất hữu cơ.

Sunfat trong nước biển là 1 vấn đề đối với mê-tan vì 2 lý do: Sulfat trực tiếp phân hủy mê-tan, làm hạn chế lượng khí mê-tan có thể thoát ra khỏi đại dương và tích tụ trong bầu khí quyển. Sunfat cũng hạn chế việc sản xuất khí mê-tan. Bằng cách giảm lượng sunfat, sinh vật sống có thể lấy được nhiều năng lượng hơn so với việc tạo ra khí mê-tan, vì vậy việc tiêu thụ sunfat chiếm ưu thế hơn tạo ra khí mê-tan trong gần như tất cả các môi trường biển.

Mô hình được sử dụng trong nghiên cứu này đã tính lượng sunfat giảm xuống, lượng khí mê-tan tạo thành, và 1 mảng rộng của các chu trình sinh địa hóa khác trong đại dương ở thời điểm 1,8 tỉ đến 800 triệu năm trước. Mô hình này đã chia đại dương thành gần 15.000 khu vực theo 3 chiều và tính toán chu kỳ cho từng khu vực. Đây là mô hình có độ phân giải cao nhất áp dụng cho Trái đất cổ đại từ trước đến nay. So sánh với các mô hình sinh hóa khác chia toàn bộ đại dương vào 1 mạng lưới không gian 2 chiều bao gồm không quá 5 khu vực.

Reinhard đã mô tả số phận của khí ô-xy trong khi chạy mô hình này đã tiết lộ mối quan hệ chết người của sunfat và khí mê-tan.

Dựa trên những bằng chứng độc lập mới được công bố bởi nhóm nghiên cứu Alternative Earths trên tạp chí Science and Geology, Reinhard lưu ý rằng, khí ô-xy còn giáng cho mê-tan thêm 1 đòn nữa. Những bài báo này mô tả các dấu hiệu địa hóa trong các bản ghi chép về đá, các bản ghi này cho thấy nồng độ khí ô-xy cực kỳ thấp trong không khí, có lẽ còn chưa đạt 1% của nồng độ hiện nay, và kéo dài cho đến khoảng 800 triệu năm trước – khi nồng độ này bỗng tăng vọt lên 1 cách đáng kể.

Dường như, lượng khí ô-xy ít là một điều tốt đối với khí mê-tan, vì chúng là các khí không tương thích. Tuy nhiên, với lượng ô-xy quá thấp như vậy thì cũng sẽ nảy sinh vấn đề khác.

Reinhard cho biết: “Ô-xy tự do (O2) trong không khí sẽ tạo thành 1 lớp bảo vệ bằng ô-zôn (O3), và lớp ô-zôn này có thể bảo vệ mê-tan khỏi bị phân hủy quang hóa.” Khi các nhà nghiên cứu chạy mô hình với lượng ô-xy thấp như ước tính, thì tấm chắn ô-zôn không bao giờ hình thành, và phó thác lượng khí mê-tan ít ỏi thoát ra từ đại dương cho quá trình phân hủy quang hóa định đoạt.

Lyons cho rằng với lượng mê-tan bị suy giảm, các nhà khoa học phải đối mặt với việc tìm ra một nguyên nhân mới tạo ra hỗn hợp các khí nhà kính để giải thích cho câu chuyện về trái đất. Biết được đúng các loại khí giữ nhiệt khác, chẳng hạn như hơi nước, NO, CO2 sẽ hỗ trợ chúng ta xem xét khả năng có thể sinh sống của hàng trăm tỷ các hành tinh khác giống Trái đất ở trong thiên hà.

Lyons cho biết: “Nếu chúng ta phát hiện khí mê-tan trên 1 ngoại hành tinh, đó có thể là 1 trong những khả năng tốt nhất về dấu hiệu sinh học, và khí mê-tan chiếm ưu thế trong cuộc săn tìm sự sống trên sao Hỏa”.

Anh Thư (Theo Sciencedaily)