Thư viện trầm tích Lamont-Doherty: Câu chuyện khí hậu Trái đất trong quá khứ

Từ những lõi trầm tích bùn, các nhà khoa học có thể khám phá những gì đã xảy ra trong quá khứ, cũng như tiên đoán về những gì sẽ xảy đến trong tương lai.

Các sinh viên xem xét trầm tích bùn được thu thập. Ảnh: Lamont-Doherty

Ẩn mình giữa những ngọn đồi nhấp nhô ở Palisades (New York), có một thư viện khác thường: Kho lưu trữ Lõi Lamont-Doherty. Thay vì hàng dài những kệ sách, nơi đây có hơn 50.000 khay màu trắng, mỗi khay dài hơn 2 mét. Và thay vì sách, những chiếc khay đó đựng các khối trầm tích hình trụ màu trắng như phấn.

“Đây là thư viện bùn”, bà Nichole Anest, giám tuyển kho, người vẫn khiêm nhường nhận mình là “thủ thư bùn”, cho biết.

Các nhà khoa học gọi những phần bùn này là lõi trầm tích đại dương. Chúng rất đặc biệt, bởi chúng chứa đựng lịch sử Trái đất, được viết bằng ngôn ngữ của khoáng chất và sinh vật li ti.

Theo bà Anest, quan trọng nhất, những khay này là “xương sống của khoa học khí hậu”. Từ thư viện này, bà đã gửi khoảng 4.000 mẫu trầm tích cho các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới mỗi năm. Những mẫu đó chứa thông tin quan trọng giúp các nhà khoa học ghép lại thành câu chuyện hoàn chỉnh về bức tranh khí hậu Trái đất từ ​​hàng trăm nghìn năm trước: khi vị trí của hành tinh chúng ta trong không gian thay đổi thì nhiệt độ sẽ khác biệt như thế nào và sự biến chuyển của khí nhà kính ảnh hưởng đến khí hậu ra sao.

“Trong vòng đời ngắn ngủi của con người, ta không thể có được bức tranh toàn cảnh về sự biến đổi của hành tinh”, bà Anest nói. Nhưng bằng cách đọc những “cuốn sách” kỳ lạ này, các nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn đâu là những hiện tượng bất thường và đâu là những hiện tượng bình thường đối với hành tinh của chúng ta, ở quy mô hàng nghìn, thậm chí hàng triệu năm. Không chỉ vậy, việc nhìn lại lịch sử Trái đất cũng giúp dự đoán tương lai có thể xảy đến: Nó giúp các nhà khoa học xây dựng các mô hình máy tính dự đoán thế giới sẽ trông như thế nào mai sau.

Bùn dưới đáy đại dương được tạo thành từ các mảnh vụn ở khắp nơi trên thế giới: Bụi từ đất liền có thể lướt theo ngọn sóng trước khi chìm xuống độ sâu của đại dương. Dòng hải lưu và thậm chí cả tảng băng trôi có thể mang trầm tích đi khắp nơi, sau đó thả chúng xuống tầng bên dưới. Những sinh vật biển nhỏ bé được gọi là trùng lỗ (foraminifera) nổi trên bề mặt đại dương, chúng tạo ra lớp vỏ được làm từ calcium carbonate (CaCO3) hoặc các hạt trầm tích gắn kết lại. Khi những sinh vật này chết đi, chúng chìm xuống đáy biển, trộn lẫn với các vật chất khác ở đó.

Tất cả các trầm tích này tích tụ chậm rãi theo thời gian: thường khoảng 2 cm sau mỗi 1.000 năm. Nhưng khi điều kiện trên bề mặt đại dương hoặc trên đất liền thay đổi thì trầm tích cũng thay đổi. “Mỗi lớp bùn tựa như một trang trong cuốn sách lịch sử Trái đất”, bà Anest phân tích.

Một khay đựng lõi trầm tích trong thư viện, mỗi centimet lõi có thể tượng trưng cho hàng trăm năm lịch sử. Ảnh: Byrd Pinkerton/Vox

Thực chất, các lớp trầm tích tương tự cũng được hình thành trên đất liền, nhưng chúng tạo nên một hồ sơ lịch sử mơ hồ hơn. “Trên đất liền, tất cả các lớp đó đã bị nghiền nát. Các lớp trầm tích liên tục bị xáo trộn do xói mòn và ảnh hưởng thời tiết, hoặc sự hình thành của núi”, bà Suzanne O’Connell, giáo sư khoa học địa chất tại Đại học Wesleyan, người chuyên nghiên cứu về lõi trầm tích đại dương, chia sẻ vào năm 2021. “Ở đại dương, chưa có ai tác động đến chúng cả.”

Đó là lý do tại sao, trong khoảng nửa thế kỷ qua, đã có nhiều con tàu bủa ra khắp thế giới, hạ các máy khoan và các thiết bị khác xuống lòng đại dương để khai thác những ghi chép lịch sử này từ đáy biển. Đó là một quá trình mà bà Rebecca Robinson, giáo sư hải dương học tại Đại học Rhode Island, cho rằng vô cùng phức tạp.

Nhưng các nhà nghiên cứu đã thực hiện quá trình phức tạp này rất nhiều lần. Chỉ riêng Kho lưu trữ Lõi Lamont-Doherty đã chứa gần 20.000 lõi. Hầu hết đã trải qua quá trình trầm tích kéo dài hàng trăm ngàn năm. (Kho lưu trữ Lõi Lamont-Doherty chỉ là một trong số nhiều thư viện lưu trữ trầm tích trên khắp thế giới. Một số có mẫu có niên đại xa hơn nhiều – ở quy mô hàng triệu hoặc hàng chục triệu năm.)

Hàng ngàn năm lịch sử trong 2cm lõi trầm tích

Để minh họa cách các nhà nghiên cứu “đọc” lịch sử trong những lõi này, bà Anest lấy ra một lõi được thu thập từ Đông Bắc Đại Tây Dương.Nó đầy những lỗ nhỏ. Giống như những trang giấy quăn góc của một cuốn sách được nhiều người yêu thích, những vết khoét này cho thấy các nhà khoa học đã nhiều lần tìm tòi hòng hiểu thấu nội dung của nó (mỗi vết khoét là một mẫu mà một nhà khoa học đã lấy để nghiên cứu). Bà Anest cho biết phần lõi này được nghiên cứu kỹ lưỡng vì nó dễ đọc hơn các lõi khác một chút. Cứ 4 cm của lõi tượng trưng cho 1.000 năm lịch sử. (Thông thường, gần 2 cm của các lõi trầm tích tượng trưng cho 1.000 năm.) Nói cách khác, lõi này giống một bức tranh có độ phân giải cao hơn, với nhiều chi tiết. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nó để hiểu những thay đổi về khí hậu giữa các kỷ băng hà. 

Làm thế nào để họ tái hiện bức tranh lịch sử chỉ qua những mảnh vụn? Nếu các lớp trong lớp bùn này giống như những trang sách, thì những sinh vật trùng lỗ nhỏ bé và các trầm tích khác trong đó giống như những dòng chữ mà các nhà khoa học có thể soi tỏ. Có hàng nghìn loài trùng lỗ, nhiều loài có đặc điểm rất đặc biệt. Ví dụ, một số phản ứng tốt hơn với nhiệt độ ấm hơn hoặc mát hơn, vì vậy các loài trùng lỗ có thể cho các nhà nghiên cứu biết điều gì đó về khí hậu vào thời điểm nhất định.

Thành phần vỏ calcium carbonate của trùng lỗ cũng rất đáng chú ý. Chúng luôn hình thành vỏ từ calcium, carbon và oxygen – nhưng bản chất của các chất có trong nước biển xung quanh chúng có thể thay đổi theo thời gian. Ví dụ, oxygen có thể có nhiều dạng khác nhau. Khi có nhiều sông băng hơn xung quanh, thì khu vực đó có xu hướng chứa nhiều loại oxygen nặng hơn.

Oxygen nặng chiếm phần lớn trong đại dương vào thời kỳ băng hà vì nước có dạng oxygen nhẹ hơn dễ bay hơi hơn. Khi Trái đất lạnh hơn, lượng nước bốc hơi đó biến thành tuyết và bị mắc kẹt trong các sông băng, để lại nhiều oxygen nặng hơn trong nước. Khi các sông băng tan chảy trở lại, dạng oxygen nhẹ hơn đó sẽ được giải phóng trở lại đại dương. Và tất cả những thay đổi này đều được ghi lại trong vỏ của trùng lỗ.

Nếu các lỗ trong một lõi cung cấp cho các nhà nghiên cứu manh mối về một khía cạnh nhất định của khí hậu, thì manh mối ở các lõi khác sẽ giúp họ có thêm những mảnh ghép, dần dà một bức tranh đầy đủ hơn sẽ thành hình. Sinh vật và khoáng chất trong bùn đã giúp họ hiểu được sự thay đổi của các dòng hải lưu cổ đại quanh thế giới hoặc suy luận ra sự hiện diện của các tảng băng trôi để nghiên cứu tính chất tuần hoàn của các kỷ băng hà .

“Tôi thích nhìn dưới kính hiển vi tất cả các khoáng chất”, Leila Tarabein, trợ lý nghiên cứu của bà Anest, chia sẻ, đồng thời nhiệt tình liệt kê ra một hộp trang sức gồm các lựa chọn bên trong mỗi lõi trầm tích. “Thạch anh màu cam sáng, hoặc thạch anh hồng, hay thạch anh trong suốt cổ điển.”

Kích thước của các hạt khoáng chất này mang lại nhiều thông tin, đặc biệt với những lõi có một số hạt khoáng chất tương đối lớn trong đó. “Lớn thường có nghĩa là 1 mm,” bà Tarabein giải thích.

Và bùn còn có thể chứa đựng những manh mối về điều kiện trên đất liền. Ví dụ, nếu một lục địa được bao phủ bởi rừng, phấn hoa từ cây cối có thể bay đến biển cả và đọng lại thành một lớp trầm tích. Nếu lục địa đó bị bao phủ bởi băng, các lớp trầm tích tiếp theo chứa ít phấn hoa hơn nhiều, những thay đổi về phấn hoa – đánh dấu sự vắng mặt của cây cối. Nếu sự thay đổi khí quyển làm gió bắt đầu thổi mạnh hơn trên đất liền, hoặc hạn hán làm đất khô cằn và bụi bặm, thì những thay đổi đó cũng sẽ được phản ánh trong các lớp bùn đại dương. Bà Anest cho tôi xem một lõi bùn hé lộ rằng cứ khoảng 20.000 năm một lần, sa mạc Sahara chuyển đổi từ sa mạc thành đồng cỏ do lượng mưa lớn.

Nếu bạn đã từng đọc các bài viết về sự biến chuyển của các dòng hải lưu lớn đã thay đổi khí hậu lịch sử ở châu Âu như thế nào hoặc nghe kể về tính chất định kỳ của các kỷ băng hà, thì những nghiên cứu đó một phần đến từ các thư viện chứa các lõi trầm tích bùn. Và hồ sơ về những thay đổi khí hậu trong quá khứ này giúp chúng ta dự đoán khí hậu có thể thay đổi như thế nào trong tương lai, cung cấp cho các mô hình những dữ liệu quan trọng.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn đang thiếu một mảnh ghép thực sự quan trọng để giải câu đố này. Họ cần thêm thông tin, từ những lõi mà họ chưa có – những lõi chưa được thêm vào thư viện bùn hiện có. Chẳng hạn, họ cần những trầm tích được hình thành từ thế Pliocene, khoảng thời gian khoảng 3 triệu năm trước, hay thế Miocene – hơn 10 triệu năm trước. Các nhà khoa học tin rằng đây là quãng thời gian mà Trái đất vô cùng ấm áp do lượng carbon dioxide trong khí quyển tăng lên. Dù họ đã tưởng tượng rất nhiều về điều kiện khí quyển trong những khoảng thời gian đó, nhưng họ vẫn không biết rõ về việc những điều kiện đó ảnh hưởng như thế nào đến các tảng băng trôi hoặc hệ thống thời tiết,

Hiện chỉ có hai tàu được trang bị đầy đủ để khoan lõi chất lượng cao, đủ để trả lời những câu hỏi này. Tuy nhiên, vào tháng ba năm nay, Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ đã thông báo rằng họ sẽ loại bỏ một trong số đó, tàu JOIDES Resolution, vào năm tới.

Các nhà quản lý giải thích rằng rất khó để xin ngân sách khoảng 70 triệu USD để tu bổ con tàu đã hơn 40 tuổi này. Nó dự kiến ​​ngừng hoạt động vào năm 2028. Hiện tại chưa có phương án thay thế nào. Việc mất đi Nghị quyết JOIDES Resolution sẽ ảnh hưởng đến những gì chúng ta có thể biết về thế giới của mình. 

Trong lúc tìm ra phương án thay thế, các nhà khoa học vẫn còn nhiều việc phải làm. Trở lại với thư viện chứa hàng chục ngàn khay đựng trầm tích, vẫn còn rất nhiều lõi trầm tích chưa được khai phá – hay nói cách khác, vẫn còn nhiều chương về lịch sử Trái đất mà chúng ta chưa từng đọc đến. 

Hà Trang – Bảo Ngân lược dịch

Theo vox.com

(Bài đăng ở Báo KH&PT số 48)

Tác giả