Loài tảo nhỏ bé, còn gọi là thực vật phù du, thải ra những loại khí gây ra chuỗi thay đổi trong khí quyển. Khi gặp điều kiện phù hợp, những sinh vật biển nhỏ li ti này sẽ góp sức hình thành các đám mây. Lớp nhà khoa học mới nổi như Heinritzi đang ngày càng hiểu thêm về các sản phẩm phụ của sự sống có thể định hình nên những cấu trúc khổng lồ như đám mây thế nào, nhờ thế các nhà khoa học dự đoán chính xác hơn tình hình khí hậu trong tương lai.
Mây có vai trò quan trọng trong điều hòa khí hậu. Những đám mây sáng ở cao độ thấp phản xạ năng lượng Mặt trời, còn đám mây mỏng hơn ở độ cao tới 6000 m thường giữ lại nhiệt. Để đưa mây vào mô hình mô phỏng và dự đoán khí hậu, các nhà khoa học khí quyển đang tìm hiểu thêm về cơ chế sinh học của quá trình hình thành mây.
Bụi từ sa mạc Sahara là nguồn "hạt giống" phổ biến cho mây. Tương tự, các chất ô nhiễm công nghiệp, như axit sunfuric và khí amoniac, va chạm với các phân tử khác trong khí quyển và tạo thành sol khí. Sol khí dễ dàng hút hơi nước, lớn dần rồi kết tụ với các giọt khác thành đám mây. Trong vài năm qua, các nhà nghiên cứu phát hiện sinh vật sống đóng góp cho quá trình hình thành mây nhiều hơn dự kiến, nhờ khí từ thực vật và sinh vật phù du, bụi biển đẩy các vi sinh vật và protein lên trời.
Năm 1987, các nhà khoa học công bố một ý tưởng độc đáo: sinh học góp phần điều hòa khí hậu Trái đất. Giả thuyết CLAW (đặt tên theo chữ cái đầu của các nhà khoa học đề xuất) cho rằng tảo biển dùng ánh nắng để tiết ra khí lưu huỳnh, tạo thành chất rắn trong khí quyển và cuối cùng là mây. Rồi những đám mây này phủ bóng xuống đại dương. Vì thực vật phù du nở hoa phụ thuộc vào ánh nắng, bóng râm làm chậm quá trình tạo khí vi sinh và ngăn dòng sol khí tạo mây của chúng. Quá trình này giúp đảm bảo tự nhiên cân bằng với nhiệt độ Trái đất .
Các nhà khoa học đang xây dựng nhiều mô hình chi tiết hơn về vật lý vi mô trong các đám mây băng và mây lỏng, nhờ thế góp phần cải tiến các ước tính mà họ đưa vào mô phỏng khí hậu toàn cầu. Nhờ thế, họ có thể chuẩn bị cho các kịch bản khí hậu tiềm tàng nguy hiểm, và cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế giải pháp có thể thay đổi khí quyển (geoengineering). |
Trong những thập kỷ sau khi CLAW xuất hiện, các nhà nghiên cứu quan sát thấy đại dương phun trực tiếp hạt sinh học vào khí quyển. Những sol khí này trôi lên trên và thu thập tinh thể băng. Các con sóng liên tục vỡ tan trong đại dương, tuôn ra một lượng lớn mảnh sinh học, như protein, chất béo và vụn DNA từ vi sinh vật phân hủy. Chúng có thể bắt nguồn từ dưới nước hoặc bên trong "lớp da" trên đại dương (lớp vi mô bề mặt biển) rất giàu vật chất hữu cơ.
Thông thường, nhiệt độ phải tụt xuống dưới -37,778oC thì băng mới kết tinh trong khí quyển và hình thành mây; còn với những hạt tạo nhân băng sinh học thì quá trình đó có thể xảy ra ở khoảng -15oC. Với cùng lượng nước, mây băng chặn được ít tia bức xạ Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái đất hơn là mây lỏng. Điều này khiến các hạt tạo nhân băng có ảnh hưởng lớn với khí hậu.
Gần đây, ngành nghiên cứu mây đã hưng thịnh trở lại. Vào năm 2009, các nhà khoa học tại CERN – phòng thí nghiệm vật lý nổi tiếng thế giới tại Thụy Sĩ – đã xây dựng một thí nghiệm cho phép họ hình thành mây dưới sự giám sát nghiêm ngặt. Hằng năm, các nhà khoa học khí quyển tới đây để thử nghiệm lý thuyết, như liệu khí thải từ rừng và thực vật phù du có thể kích hoạt mây hay không. Công trình đó đã dẫn tới nhiều khám phá đáng chú ý về những phân tử đặc thù nào ảnh hưởng mây nhiều nhất.
 |
Thực vật, sinh vật phù du và bụi nước biển đều giải phóng các yếu tố giúp hình thành mây. Nguồn: Getty Images |
Hơi tự nhiên tỏa ra từ cây cối, như hợp chất monoterpene mang lại mùi hương cho cây thông, sản sinh ra sol khí và tiếp theo là các đám mây sà thấp lơ lửng trên khu rừng. Điều này xảy ra bởi vì monoterpene là những phân tử cồng kềnh chứa đầy nguyên tử carbon. Chúng phản ứng với oxy trong khí quyển, rồi va đập và dính vào với nhau. Khi những cụm này phát triển tới kích cỡ khoảng 50 nanomet (gần bằng đường kính của virus), hơi ẩm sẽ ngưng tụ xung quanh chúng và biến thành giọt mây. Một loại hơi tương tự từ cây là isoprene lại hoạt động khác hẳn. Các nhà nghiên cứu phát hiện nồng độ nhỏ isoprene tạo ra hạt sol khí với tốc độ nhanh bất ngờ ở độ cao cách khu rừng hơn chục kilomet. Và khi những sol khí dính lớn dần, chúng hạ xuống dưới và tạo thành đám mây ở trên khu rừng và nhiều nơi khác.
Isoprenelà hydrocarbon (hóa chất chỉ chứa carbon và hydro) nhiều thứ hai trên bầu trời, sau methane. Tuy nhiên, ngay cả loại hơi hiếm hơn cũng có thể ảnh hưởng bầu khí quyển. Năm 2023, các nhà nghiên cứu phát hiện chỉ cần cho thêm chút khí thực vật đặc biệt vào hỗn hợp hơi phổ biến là sẽ tăng gấp đôi sự hình thành mây trong buồng mây của CERN.
Những khám phá như vậy giúp ta hiểu rõ hơn về quá trình hình thành mây. Việc đưa kiến thức này vào các mô phỏng trên siêu máy tính có thể cải thiện dự đoán về biến đổi khí hậu. "Ta có thể biểu diễn khí quyển bằng tập hợp các phương trình" – chuyên gia về mô hình khí quyển Xiaohong Liu tại ĐH Texas A&M cho biết. Các nhà mô hình đưa những phương trình này vào mô phỏng để dự đoán thời tiết và khí hậu thay đổi theo thời gian. Và những mô phỏng này đang trở nên phức tạp hơn khi các nhà khoa học khám phá ra nhiều điểm tinh vi về cách tự nhiên thực sự vận hành.
Tuy nhiên, khác biệt của hơi thoát ra từ thực vật góp phần tạo mây cực kỳ phức tạp và khó đưa vào mô phỏng. Năm ngoái, các nhà nghiên cứu đã so sánh các dự đoán khí hậu từ bốn mô hình máy tính xét đến hơi thực vật. Họ quan sát được những kết quả rất khác nhau — từ hiệu ứng làm mát mạnh mẽ do mây, đến không hề gây tác động.
Các nhà khoa học đang xây dựng nhiều mô hình chi tiết hơn về vật lý vi mô trong các đám mây băng và mây lỏng, góp phần cải tiến các ước tính mà họ đưa vào mô phỏng khí hậu toàn cầu. Nhờ thế, họ có thể chuẩn bị cho các kịch bản khí hậu tiềm tàng nguy hiểm, và cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế giải pháp có thể thay đổi khí quyển (geoengineering). Có nhiều lo ngại về hậu quả của kỹ thuật này, song các nhà khoa học sẽ thử nghiệm các dự án như vậy trên máy tính trước khi thực sự đem ra ngoài thực tế.
Tháng 5/2025, một nhóm các nhà mô hình đã ước tính hơi thoát ra từ thực vật có thể ảnh hưởng thế nào đến khí hậu nếu chúng ta phục hồi các khu rừng trên toàn thế giới. Việc trồng lại hàng tỷ cây xanh sẽ làm mát hành tinh bằng cách hấp thụ khí nhà kính. Dù phương án này đi kèm một số tác dụng phụ nhỏ như có thể làm nóng hành tinh (ví dụ: cây xanh phản xạ ít năng lượng hơn đồng cỏ), nhưng các sol khí và mây hình thành từ thực vật giúp hạ nhiệt đáng kể trong mô phỏng. Tiềm năng giảm thiểu tác hại của khí hậu của việc phục hồi rừng cây có thể lớn hơn những dự tính trước đây.
Nguồn:
smithsonianmag
Bài đăng KH&PT số 1359 (số 35/2025)
Phương Anh lược dịch