Sự dịch chuyển nước trong đại dương tạo thành những dòng chảy đại dương hay còn gọi là hải lưu. Những dòng chảy này làm tăng sự trao đổi nước, phân bố lại nhiệt độ, và ảnh hưởng mạnh tới hoàn lưu khí quyển và khí hậu các vùng của Trái đất. Dưới tác động của nhiều yếu tố như gió, thủy triều, thay đổi dung trọng nước, và chuyển động của Trái đất, có hai loại hải lưu chính: hải lưu bề mặt và hải lưu tầng sâu.
Phát hiện mới về dòng hải lưu ở Thái Bình Dương được công bố trên Nature Communications từ nhóm nghiên cứu của Phó giáo sư Mark Holzer, Trường Toán học & Thống kê thuộc Đại học Univsersity of New South Wales (UNSW) cùng các đồng tác giả Tim DeVries và Casimir de Lavergne.
“Vùng nước sâu phía Bắc Thái Bình Dương là một bồn trũng rộng lớn chứa các chất dinh dưỡng đã được tái khoáng hóa và lượng carbon đã tích tụ qua nhiều thế kỷ”. Phó giáo sư Holzer chia sẻ: “Khi những vùng nước sâu này cuốn lên bề mặt đại dương, các chất dinh dưỡng sẽ hỗ trợ sản xuất sinh học và CO2 hòa tan của chúng sẽ được giải phóng vào khí quyển. Như vậy, Thái Bình Dương sâu thẳm đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống khí hậu của Trái đất ”.
Cơ chế hoạt động của dòng hải lưu và hệ thống hoàn lưu
Nhưng cơ chế nào khiến nước trên bề mặt được đưa xuống vùng sâu hơn và ngược lại, một vòng tuần hoàn cho phép nước từ vùng biển sâu lại được đưa lên bề mặt? Cho đến nay, có những lý thuyết giải thích về dòng hải lưu và hệ thống hoàn lưu trên các đại dương như sau.
Hải lưu tầng bề mặt
Khi thổi qua đại dương, gió kéo theo các lớp nước trên cùng. Lớp nước đó kéo các lớp bên dưới, các lớp nước bên dưới lại tiếp tục kéo các lớp bên dưới nữa. Trên thực tế, nước ở độ sâu 400 mét vẫn bị ảnh hưởng bởi gió ở bề mặt đại dương. Đường đi của hải lưu trên bề mặt Trái đất tạo ra các vòng tròn lớn gọi là vòng xoáy, quay theo chiều kim đồng hồ ở bán cầu Bắc và ngược chiều kim đồng hồ ở bán cầu Nam.
Đó là vì sự xoay vòng của Trái đất ảnh hưởng đến gió, làm phát sinh những dòng chảy này. Nếu trái đất đứng yên, không khí và nước sẽ chỉ di chuyển qua lại giữa những vùng áp suất thấp ở xích đạo và cao như ở hai cực. Nhưng vì trái đất quay, khí di chuyển từ xích đạo đến Bắc Cực bị lệch về phía Đông, và khí di chuyển từ Bắc Cực xuống bị lệch về phía Tây. Ở Nam bán cầu, mọi thứ xảy ra theo hướng ngược lại, những luồng gió lớn tạo thành các vòng xoáy quanh các bồn trũng đại dương. Đây được gọi là hiệu ứng Coriolis.
Hải lưu tầng sâu
Không giống như hải lưu bề mặt, hải lưu tầng sâu bị ảnh hưởng chủ yếu bởi sự thay đổi dung trọng nước biển. Khi di chuyển về Bắc Cực, nước càng lúc càng lạnh, nồng độ muối cũng cao hơn, vì nước bị giữ lại trong các tinh thể băng, để lại muối trong lòng biển. Nước lạnh, mặn, đặc hơn, do đó, lắng xuống, phần nước ở gần bề mặt ấm hơn nổi lên trên thay vị trí của nó, tạo thành một dòng hải lưu đứng gọi là vòng tuần hoàn nhiệt.
Vòng tuần hoàn nhiệt và gió kết hợp tạo thành một vòng lặp được gọi là vành đai băng tải toàn cầu. Khi di chuyển từ tầng sâu đại dương lên bề mặt, nó mang theo chất dinh dưỡng nuôi dưỡng các vi sinh vật, tạo thành cơ sở của nhiều chuỗi thức ăn đại dương. Vành đai băng tải toàn cầu hiện là dòng hải lưu dài nhất thế giới, uốn lượn khắp nơi trên Trái Đất. Nhưng nó chỉ di chuyển vài centimet trên giây. Một giọt nước phải tốn một ngàn năm để hoàn tất một vòng lặp.
Hệ thống hoàn lưu ở Thái Bình Dương
Liên quan đến vòng hoàn lưu ở Thái Bình dương, có hai lý thuyết được đưa ra. Giả thuyết thứ nhất, “băng tải tiêu chuẩn”, hình dung sự hoàn lưu trên diện rộng với nước dưới đáy Nam Cực dâng đến độ sâu khoảng 1.5 km trước khi chảy ngược về phía Nam đến Nam Đại Dương (đại dương bao quanh Châu Nam Cực). Lý thuyết khác, “băng tải ở vùng bóng tối – vùng nước sâu”, lập luận cơ chế hoàn lưu bị nén xuống dưới khoảng 2.5 km với phần lớn "vùng bóng tối" ở trên nó.
“Công trình của chúng tôi dung hòa hai lý thuyết này: băng tải ở vùng bóng tối ghi nhận chính xác cơ chế hoàn lưu nén theo chiều dọc bên dưới vùng nước sâu, trong khi có thể hiểu rằng băng tải tiêu chuẩn gồm nhiều đường dẫn nước khuếch tán qua vùng nước sâu này”, Phó giáo sư Holzer cho hay.
Sử dụng các phân tích toán học từng áp dụng cho một mô hình hoàn lưu đại dương, phân bố dấu vết quan sát được, các tác giả có thể định lượng chi tiết các con đường và khoảng thời gian mà vùng bóng tối/vùng nước sâu trao đổi nước với bề mặt đại dương.
Phát hiện mới về Hệ thống hoàn lưu ở Thái Bình Dương
“Các phân tích cho phép chúng tôi đưa ra một sơ đồ mới về hoàn lưu sâu quy mô lớn ở Thái Bình Dương.”
Trái ngược với quan điểm phổ biến cho các dòng hải lưu ở Thái Bình Dương di chuyển trên bề mặt về Nam Đại Dương, các tác giả phát hiện ra rằng chỉ khoảng một nửa lượng nước đi theo tuyến đường này. Nửa còn lại hoàn lưu lên bề mặt ở các vĩ độ thấp và vùng Bắc Thái Bình Dương, tạo nên sản lượng sinh học cao tại vùng này.
“Một hướng đi thú vị cho các nghiên cứu trong tương lai là tìm hiểu cách vùng bóng tối – vùng nước sâu, vốn đã ít oxy và nhạy cảm với nhu cầu oxy tăng lên, có thể tạo nên máy bơm sinh học của đại dương đối với biến đổi khí hậu”, Phó giáo sư Holzer nói.
Hải lưu tác động đến khí hậu Trái đất
Do khả năng truyền nhiệt cao của nước biển so với không khí, các dòng hải lưu tác động rõ rệt đến khí hậu Trái đất, trong đó điển hình nhất là hiện tượng thời tiết El Nino và La Nina. Trong thời kỳ xảy ra El Nino, gió hướng Đông suy yếu kéo theo sự suy yếu của các dòng hải lưu hướng Tây, dòng hải lưu lạnh dưới sâu không thể trồi lên thay thế như thông thường hàng năm, điều này làm cho nhiệt độ nước biển vùng trung tâm Thái Bình Dương nóng lên.
Khí hậu ở những vùng ảnh hưởng El Nino trở nên khắc nghiệt. Trong khi bờ Tây Thái Bình Dương có nhiệt độ tăng cao, lượng mưa giảm, hạn hán, nguy cơ cháy rừng xảy ra; thì bờ Đông mà cụ thể là khu vực Nam Mỹ lại xảy ra mưa lớn, lũ lụt với cường độ lớn. Ngược lại với El Nino là La Nina với sự hoạt động tăng mạnh của gió hướng Đông dẫn đến một chu trình ngược lại, khiến khí hậu bờ Đông và Tây Thái Bình Dương cũng thay đổi tương ứng.
