Đại dương - Thế giới của những điều kỳ bí (Kỳ 1)

Giới thiệu

Từ một điểm ngoài vũ trụ nằm ở phía trên Thái Bình Dương nhìn xuống Trái đất, ta sẽ chỉ thấy màu xanh mênh mang của nước. Chính sự hiện diện bao trùm của loại chất lỏng mang tên nước này đã làm nên sự khác biệt giữa Trái đất với những hành tinh khác trong hệ Mặt trời. Môi trường nước trong các đại dương là nơi sự sống bắt đầu. Đại dương đóng vai trò thiết yếu trong việc điều hòa nhiệt độ Trái đất, không đơn thuần chỉ nhờ những chu kỳ thủy văn. Thiếu đại dương, Trái đất sẽ nóng như lửa vào ban ngày và lạnh như băng về đêm.

Nhiều bí ẩn của đại dương đã được giải mã, từ việc tại sao chúng lại có màu xanh dương, cho đến dấu ấn của chúng trong những hiện tượng thời tiết như lốc xoáy, sóng thần và El Niño. Tuy nhiên, lòng đại dương dường như vẫn là vùng lãnh địa “bất khả xâm phạm” cuối cùng còn sót lại trên trái đất. Dưới độ sâu 200 m – nơi ánh sáng không thể xuyên thấu - là thế giới của bóng tối với những kiến tạo độc đáo và những sinh vật kỳ dị. Những kiến tạo đó có thể cao đến nỗi dãy Andes cũng trở nên khiêm nhường, và hun hút đến mức có thể nuốt chửng được cả ngọn Everest dưới khối nước sâu hàng cây số. Người ta từng nghĩ loài cá vây tay cổ đại – vốn mang danh hiệu “khủng long của đại dương” vì hóa thạch của chúng có tới 400 triệu năm tuổi – đã tuyệt chủng từ trước năm 1938, thì nay lại thấy chúng “tung tăng” nơi đáy đại dương. Cả việc phát hiện thêm loài cá mập miệng rộng (megamouth shark) đầu tiên vào năm 1976 đã dấy lên câu hỏi: Còn bao nhiêu loài “thủy quái” nữa chưa được biết đến nơi đại dương bao la?

Cái nôi của sự sống

Nước là một trong những hợp chất phổ biến nhất trên trái đất với thể tích ước đạt 1,38 tỷ km³. Trong đó, trên 97% là nước mặn trong các đại dương trên thế giới, phần còn lại là nước ngọt, tồn tại chủ yếu dưới dạng băng tuyết đóng ở hai địa cực và trên các ngọn núi (69%), nước ngầm (30%), nước trong đầm lầy, sông hồ (0,03%) và hơi nước (0,04%). Ngoài ra, nước còn có mặt trong mô cơ của tất cả các sinh vật, với tỷ lệ đôi khi có thể lên đến 90% trọng lượng cơ thể. Tuy nhiên, loại nước sinh học này chỉ chiếm một phần vô cùng nhỏ bé trong tổng lượng nước có trên trái đất (0,0001%).

Nước là một trong những hợp chất có cấu tạo đơn giản nhất, ở dạng tinh khiết nhất, không màu, không mùi, không vị; song ở nhiều phương diện, nó lại được coi là thứ phức tạp nhất, có nhiều đặc tính lý hóa dị thường, có ảnh hưởng chi phối đến trạng thái lý hóa của trái đất và sự sống của sinh vật trên đó.

Đặc tính vật lý

Nước là một trong những phân tử nhỏ nhất và nhẹ nhất với công thức hóa học là H₂0, tức là hai nguyên tử hydro kết hợp với một nguyên tử ôxy.

Các nguyên tử hydro và ôxy liên kết với nhau sao cho phân tử nước bị phân cực với phía nguyên tử hydro tích điện dương và phía ôxy tích điện âm. Sự phân cực đó tiếp tục tạo nên mối liên kết hyđrô gắn các phân tử nước lại với nhau. Chiếm tới 92,7% khối lượng vật chất trong vũ trụ, hyđrô là nguyên tố phổ biến nhất và rất dễ dàng liên kết với ôxy.

Những phát hiện mới đây cho thấy, nước ở thể lỏng cũng xuất hiện trên một số hành tinh khác chứ không quá hiếm như người ta vẫn tưởng. Thế nhưng không ở đâu nước lại nhiều và đa dạng về thể (rắn, lỏng, khí) như trên trái đất.

Nước hóa hơi ở nhiệt độ 100⁰C và đóng băng ở 0⁰C. Điều này từ lâu đã được coi là chân lý. Thế nhưng, ngược với mọi chất khác, nước co lại khi nóng và nở ra khi lạnh (khi đóng băng, thể tích chúng tăng thêm 9%). Vì thế, nước có mật độ phân tử cao nhất khi ở thể lỏng (ở 4⁰C) và thấp nhất khi đóng băng. Đây cũng là lý do tại sao băng lại nổi trên mặt nước, tạo thành tấm áo giữ nhiệt cho khối nước và các sinh vật phía dưới, và làm chậm lại quá trình đóng băng của cả khối nước. Ví thử băng co lại và chìm xuống dưới nước thì hẳn vùng nước ở đầu 2 cực sẽ đóng băng hoàn toàn, gây ra những tác động khủng khiếp đến những dòng hải lưu bên dưới và cả khí hậu bên trên. Ngoài ra, nước nở ra khi lạnh cũng tạo điều kiện cho một số sinh vật bên trong nó sống sót, thay vì bị o ép cho đến chết.

Điều hòa khí hậu trên trái đất

Nước sở hữu những đặc tính nhiệt học quan trọng. Nó dẫn nhiệt tốt hơn mọi chất lỏng khác (trừ thủy ngân) và có nhiệt dung riêng rất cao, tức là phải tiêu tốn nhiệt lượng lớn hơn để thay đổi nhiệt độ của nó. Thực ra, nếu không kể amôniăc thì nước có nhiệt dung riêng cao nhất trong các hợp chất tự nhiên. Điều đó có nghĩa là nước có thể từ từ hấp thu một nhiệt lượng rất lớn trong quá trình nóng lên và tỏa nhiệt dần dần khi giảm nhiệt độ.

Bằng cách này, những vùng chứa nước lớn như đại dương giúp thu nhiệt từ mặt trời vào ban ngày hay mùa hè, để sưởi ấm trái đất vào ban đêm và mùa đông. Tương tự, các loại ao, hồ cũng có tác dụng điều hòa khí hậu ở một khu vực nhỏ. Ngay cả việc điều chỉnh nhiệt độ trong cơ thể các sinh vật cũng không nằm ngoài cơ chế này.

Nước là dung môi đa năng nhất, có khả năng hòa tan rất nhiều hợp chất, bất kể là vô cơ hay hữu cơ. Nước giúp hòa tan và vận chuyển các nhất dinh dưỡng trong cơ thể sống. Thiếu nước, không một sinh vật nào có thể tồn tại. Nhiều quá trình sinh hóa chủ đạo trên trái đất như quang hợp cũng phải có nước mới thực hiện được. 

Nước biển chứa rất nhiều nguyên tố, hợp chất, khoáng chất, chất khí hòa tan như natri clorua, cacbon, nitơ, phốtpho, hyđrô, ôxy, cũng như các dưỡng chất thiết yếu như phốtphát, nitrat và silicat. Tuy nhiên, về phương diện hóa học, nước biển rất tinh khiết với tỷ lệ nước đạt khoảng 95%. Thế nên, mỗi sinh vật đều tìm thấy trong nước biển thứ gì đó có lợi cho mình và chính bản thân nước biển với những đặc tính tuyệt vời của nó cũng là nơi sự sống nẩy lộc đâm chồi.

Động học đại dương

Quá trình hình thành đại dương

Kiến tạo mảng. Phải mất hàng tỷ năm trái đất mà chúng ta đang sống mới có hình hài như bây giờ. Khoảng 4,5 tỷ năm về trước, trái đất chỉ là một khối khí và kim loại nóng chảy hình cầu. Qua hàng chục triệu năm, khối khí đó nguội dần, hình thành một lớp vỏ đá macma cứng bao bọc với độ dày dao động từ 8 km (vỏ đại dương) cho đến trên 60 km (vỏ lục địa). Dưới lớp vỏ cứng này còn có 3 lớp nữa. Đầu tiên là lớp phủ dạng mềm, dày khoảng 3.000 km, tiếp theo là lõi ngoài cấu thành từ hợp chất sắt - niken dày trên 3.500 km; cuối cùng, nằm ở trung tâm trái đất là lõi trong chứa kim loại nóng chảy có bán kính khoảng 1.200 km.

Vỏ cứng bao bọc trái đất thực ra không liền lớp mà vỡ ra thành nhiều phần, gọi là mảng kiến tạo. Hiện nay trái đất có 13 mảng kiến tạo lớn, và giữa các mảng đại dương và mảng lục địa có sự khác biệt rõ ràng, theo đó mảng đại dương là nguyên nhân gây ra sự trôi giạt của các mảng lục địa.

Hải bồn và sự xuất hiện của nước. Hải bồn - hay còn gọi lòng chảo đại dương – là hệ quả của quá trình vận động kiến tạo vỏ trái đất. Mảng đại dương vốn là những vùng nặng hơn mảng lục địa nên bị kéo xuống sát lớp phủ. Những nơi bị kéo xuống nhiều hơn tạo thành vùng lõm trên bề mặt trái đất như những lòng chảo. Sau đó, chất khí bốc ra từ hoạt động phun trào núi lửa trong lớp phủ trái đất tích tụ lại và sản sinh ra hơi nước (cách đây 4 tỷ năm). Khi trái đất nguội dần, hơi nước ngưng tụ lại tạo thành mưa chảy vào những lòng chảo ấy. Lượng nước này được bổ sung thêm khi có những thiên thạch mang theo tinh thể băng bắn vào trái đất, bốc hơi và ngưng tụ thành nước.  

Sự trôi giạt lục địa. Những dòng đối lưu trong lớp phủ khiến các mảng kiến tạo liên tục bị dịch chuyển làm thay đổi bề mặt trái đất. Học thuyết này – còn gọi là thuyết lục địa trôi - được nhà khoa học người Đức Alfred Wegener đưa ra lần đầu tiên vào năm 1912, nhưng phải mãi đến những năm 1960 mới được thế giới công nhận là đúng.

Theo học thuyết này, cách đây khoảng 200 triệu năm trái đất chỉ có một đại dương duy nhất là Panthalassa bao quanh biển Tethys và một khối lục địa có tên Pangaea. Sau khoảng 50 triệu năm, Pangaea bắt đầu tách ra làm đôi: khối lục địa Laurasia ở phía bắc (sau này là Bắc Mỹ và Eurasia) và khối lục địa Gondwana ở phía nam (sau này là Nam Mỹ, Châu Phi, Ấn Độ, Ôxtrâylia và Nam cực). Khi hai mảng lục địa này dịch chuyển ra xa nhau, vùng nước ở giữa chúng giãn rộng dần và mở ra Đại Tây Dương ngày nay. Cũng trong gian này, sống núi giữa Đại Tây Dương (phân tách mảng Á - Âu với mảng Bắc Mỹ ở phía Bắc Đại Tây Dương, và mảng Châu Phi với mảng Nam Mỹ ở phía Nam Đại Tây Dương) đã hình thành.

Sau đó, Gondwana tiếp tục chia tách và mở ra Ấn Độ Dương, còn Pangaea mở ra Biển Bắc cực. Lòng chảo Nam Đại Tây Dương hình thành và hợp nhất với lòng chảo Bắc Đại Tây Dương. Siêu đại dương Panthalassa thu hẹp dần, trở thành một phần của Thái Bình Dương ngày nay.

Phải đến 15 triệu năm trước đây, các lục địa và đại dương mới tiến tới vị trí như trên bản đồ hôm nay. Hiện tại, các mảng kiến tạo vẫn đang tiếp tục dịch chuyển và dự kiến Thái Bình Dương sẽ còn bị thu hẹp nữa, trong khi Đại Tây Dương mỗi năm lại mở rộng thêm khoảng 2,5 cm.