Chu trình carbon là vòng luân chuyển carbon giữa khí quyển, đại dương, sinh vật, đất và đá. Mỗi năm, cây cối và đại dương trao đổi với khí quyển hàng trăm tỷ tấn carbon theo hai chiều gần như cân bằng. Con người đốt nhiên liệu hoá thạch và phá rừng thêm vào khoảng 10–11 tỷ tấn carbon mỗi năm; khoảng một nửa được đại dương và đất liền hút, nửa còn lại tích lại trong không khí, làm CO₂ tăng dần.
Carbon nằm ở đâu: các "kho" lớn
Carbon trên Trái Đất được phân bố trong nhiều kho với kích thước chênh nhau rất lớn. Các con số dưới đây là ước tính gần đúng theo IPCC AR6 và Dự án Carbon Toàn cầu (Global Carbon Project), tính bằng tỷ tấn carbon (GtC, gigatấn). Lưu ý đây là khối lượng carbon, không phải khối lượng CO₂; muốn đổi ra CO₂ thì nhân với khoảng 3,67.
| Kho | Lượng carbon gần đúng | Ghi chú |
|---|---|---|
| Khí quyển | ~870–900 GtC | Chủ yếu dạng CO₂; 1 ppm CO₂ ≈ 2,12 GtC |
| Thực vật trên cạn | ~450–650 GtC | Gỗ, lá, rễ |
| Đất (lớp trên) | ~1.500–2.400 GtC | Mùn, chất hữu cơ, than bùn |
| Đất băng vĩnh cửu | ~1.400–1.600 GtC | Chất hữu cơ bị đông lạnh ở vùng cực bắc |
| Đại dương | ~38.000–40.000 GtC | Phần lớn ở dạng ion bicarbonate hoà tan ở tầng sâu |
| Nhiên liệu hoá thạch còn lại | vài nghìn GtC | Than, dầu, khí; ước tính khác nhau tuỳ cách tính trữ lượng |
| Đá trầm tích | hàng chục triệu GtC | Đá vôi, đá phiến; kho lớn nhất, gần như bất động |
Khí quyển là một trong những kho nhỏ nhất. Đó là lý do một lượng carbon tương đối nhỏ chuyển từ kho khác sang cũng làm nồng độ CO₂ thay đổi rõ rệt.
Chu trình nhanh: cây, đất và mặt biển
Quang hợp và hô hấp
Mỗi năm, thực vật trên cạn hút khoảng 120–130 GtC từ khí quyển qua quang hợp. Gần như cùng lượng đó trở lại không khí qua hô hấp của chính cây, của động vật, và qua vi sinh vật phân huỷ lá rụng, cây chết. Dòng trao đổi này lớn gấp hơn mười lần phát thải của con người, nhưng hai chiều gần cân bằng nên không làm CO₂ thay đổi nhiều qua các năm. Nhịp mùa của nó tạo ra hình răng cưa trên đường cong Keeling.
Trao đổi khí ở mặt biển
Đại dương và khí quyển cũng trao đổi cỡ 80 GtC mỗi năm theo mỗi chiều qua mặt nước. Nước lạnh hoà tan CO₂ tốt hơn nước ấm, nên vùng biển lạnh ở vĩ độ cao hút CO₂, còn vùng nước trồi ấm ở xích đạo nhả CO₂ ra.
Bơm sinh học và bơm hoà tan
Hai cơ chế đưa carbon từ mặt biển xuống sâu. Bơm hoà tan: nước lạnh, đặc, giàu CO₂ ở Bắc Đại Tây Dương và quanh Nam Cực chìm xuống, mang theo carbon xuống tầng sâu, nơi nó ở lại hàng trăm đến hơn một nghìn năm. Bơm sinh học: sinh vật phù du quang hợp ở mặt biển, khi chết hoặc bị ăn, một phần xác và phân chìm xuống đáy dưới dạng "tuyết biển", đem carbon ra khỏi lớp nước mặt.
Chu trình chậm: đá, núi lửa và hàng triệu năm
Ở thang thời gian hàng trăm nghìn đến hàng triệu năm, carbon đi qua một vòng chậm hơn nhiều:
- Phong hoá: mưa hoà tan một chút CO₂ thành axit carbonic yếu, từ từ ăn mòn đá silicat trên lục địa.
- Ra biển: sông mang các ion hoà tan ra biển.
- Thành đá vôi: san hô, sinh vật có vỏ dùng ion đó làm vỏ calcium carbonate, khi chết lắng xuống đáy, dần thành đá vôi.
- Trở lại khí quyển: mảng kiến tạo kéo đá xuống sâu, nhiệt làm giải phóng CO₂, núi lửa phun lại lên không khí.
Vòng chậm này hoạt động như một bộ điều nhiệt của Trái Đất qua hàng triệu năm: khí hậu ấm hơn thì mưa nhiều, phong hoá nhanh hơn, hút CO₂ nhiều hơn và làm mát lại; khí hậu lạnh thì ngược lại. Nhưng nó quá chậm để bù kịp tốc độ thay đổi hiện nay.
Núi lửa trên cạn và dưới biển hiện phát thải khoảng vài trăm triệu tấn CO₂ mỗi năm, theo các ước tính của Cục Địa chất Mỹ (USGS) và chương trình Deep Carbon Observatory. Con số này nhỏ hơn phát thải của con người khoảng một trăm lần.
Con người chen vào chu trình như thế nào
Theo Dự án Carbon Toàn cầu, trong những năm gần đây, con người thải ra khoảng 10 GtC mỗi năm từ nhiên liệu hoá thạch và xi măng (tương đương khoảng 36–37 tỷ tấn CO₂), cộng thêm khoảng 1 GtC từ thay đổi sử dụng đất như phá rừng. Lượng carbon đó đi đâu?
| Điểm đến | Tỷ lệ gần đúng |
|---|---|
| Ở lại khí quyển | ~45% |
| Được đất liền (rừng, đất) hút | ~30% |
| Được đại dương hút | ~25% |
Tỷ lệ ở lại khí quyển gọi là "phần lơ lửng" (airborne fraction). Nó dao động từng năm, nhất là theo El Niño. Câu hỏi các nhà khoa học theo dõi sát là liệu đại dương và rừng có tiếp tục hút được tỷ lệ cao như vậy khi Trái Đất ấm lên, hay khả năng hút sẽ giảm.
Cái giá của việc đại dương hút CO₂
Khi CO₂ hoà vào nước biển, nó tạo axit carbonic và làm giảm độ pH. Từ thời tiền công nghiệp, pH trung bình của nước biển mặt đã giảm khoảng 0,1 đơn vị, từ khoảng 8,2 xuống khoảng 8,1. Thang pH là thang logarit, nên mức giảm này tương đương độ axit tăng khoảng 30%. Hiện tượng này gọi là axit hoá đại dương. Nước biển vẫn có tính kiềm, nhưng các sinh vật làm vỏ và khung bằng calcium carbonate như san hô, hàu, một số loài phù du gặp khó hơn khi tạo vỏ.
Những điểm nhạy cảm của chu trình
- Đất băng vĩnh cửu: chứa lượng carbon tương đương hoặc hơn lượng trong khí quyển. Khi tan, vi sinh vật phân huỷ chất hữu cơ và thải ra CO₂, mê-tan. Mức độ và tốc độ còn nhiều bất định.
- Rừng nhiệt đới: hạn hán và cháy rừng có thể biến một vùng rừng từ nơi hút carbon thành nơi thải carbon trong những năm khắc nghiệt.
- Than bùn: đất than bùn nhiệt đới, như ở Đông Nam Á, chứa lượng carbon rất lớn trên diện tích nhỏ; khi bị tháo nước và cháy, phát thải lớn và tạo khói mù.
- Rừng ngập mặn, thảm cỏ biển: gọi chung là "carbon xanh lam", lưu giữ carbon trong bùn rất hiệu quả. Việt Nam có rừng ngập mặn ở Cà Mau, Cần Giờ (TP. Hồ Chí Minh), là những hệ sinh thái được quan tâm theo hướng này.
Góc nhìn hôm nay
Muốn theo dõi số liệu chu trình carbon cập nhật, nguồn tốt nhất là báo cáo Global Carbon Budget do Dự án Carbon Toàn cầu công bố hằng năm, thường vào tháng 11 hoặc 12, kèm bảng số và hình minh hoạ dễ hiểu. NASA Earth Observatory có bài giải thích chu trình carbon nhanh và chậm rất trực quan.
Ở góc gần gũi, một cánh rừng ngập mặn, một vườn cây lâu năm hay một ruộng lúa đều là những mắt xích nhỏ của chu trình này. Đi thăm Vườn quốc gia Mũi Cà Mau hay Khu dự trữ sinh quyển rừng ngập mặn Cần Giờ là một cách nhìn tận mắt kho carbon ven biển.
Câu hỏi thường gặp
Chu trình carbon là gì?
Chu trình carbon là sự luân chuyển carbon giữa khí quyển, sinh vật, đất, đại dương và đá. Có vòng nhanh (quang hợp, hô hấp, trao đổi với mặt biển) diễn ra trong ngày đến vài thế kỷ, và vòng chậm (phong hoá đá, núi lửa) kéo dài hàng triệu năm.
Đại dương hút bao nhiêu CO₂ của con người?
Theo Dự án Carbon Toàn cầu, đại dương hút khoảng một phần tư lượng CO₂ con người thải ra mỗi năm. Đất liền hút khoảng ba phần mười, phần còn lại khoảng 45% tích lại trong khí quyển.
Núi lửa có thải CO₂ nhiều hơn con người không?
Không. Các ước tính của USGS và giới địa chất cho thấy núi lửa thải khoảng vài trăm triệu tấn CO₂ mỗi năm, còn con người thải khoảng 36–37 tỷ tấn, nhiều hơn khoảng một trăm lần.
Axit hoá đại dương là gì?
Là hiện tượng nước biển giảm pH khi hoà tan thêm CO₂. Từ thời tiền công nghiệp, pH nước biển mặt giảm khoảng 0,1 đơn vị, tương đương độ axit tăng khoảng 30%, gây khó cho sinh vật làm vỏ bằng calcium carbonate như san hô và hàu.
Vì sao trồng cây không đủ để hút hết CO₂?
Cây chỉ giữ carbon trong vài chục đến vài trăm năm và cần diện tích đất rất lớn, trong khi carbon từ nhiên liệu hoá thạch được tích trữ qua hàng triệu năm. Rừng là một phần quan trọng của chu trình, nhưng quy mô hút không theo kịp tốc độ đốt nhiên liệu hiện nay.
