Cacbon là một chất liệu có đầy rẫy trong vũ trụ và là một chất liệu không thể thiếu được cho đời sống của mọi sinh vật trên trái đất.
Cacbon có trong nhiều hợp chất và ở nhiều trạng thái khác nhau, thí dụ cacbon có trong khí cacbon điôxít (carbon dioxide) và là chất rắn canxi cacbonnát (calcium carbonate) trong đá vôi. Hợp chất cacbon giúp điều hòa khí hậu thế giới, làm ra thực phẩm cho các động vật và là một nguồn năng lực lớn cho mọi hoạt động của chúng ta.
Kể về khối lượng thì cacbon đứng thứ tư trong vũ trụ sau hydrô, heli và ôxy. Theo NASA thì có khoảng 65,500 tỷ mét khối cacbon trên trái đất. Cacbon được chứa nhiều trong đá, trong nước biển, không khí, cây cỏ, đất và nhiên liệu hóa thạch. Những thứ đó là kho chứa cacbon.
Cacbon biến hóa qua nhiều hợp chất và đi từ kho chứa này qua kho chứa khác. Quá trình đó được gọi là chu trình cacbon (carbon cycle). Có hai chu trình cacbon, một là chu trình cacbon địa chất (geological carbon cycle) và hai là chu trình cacbon sinh học (biological carbon cycle). Lượng cacbon thoát ra ngoài khí quyển trong chu trình cacbon sinh học lớn gấp ngàn lần lượng cacbon trong chu trình cacbon địa chất.
Chu trình cacbon địa chất
Những tác động chính đến chu trình cacbon địa chất là sự di động của mảng kiến tạo (tectonic plate) và những quá trình địa chất như sự phong hóa hóa học (chemical weathering), sự hòa tan và sự kết tủa của khoáng chất, sự chôn vùi và hút chìm (subduction), và sự phun lửa của núi lửa.
Trong bầu khí quyển khí cacbon điôxít kết hợp với nước mà sinh ra axít cacboníc. Axít này theo nước mưa rơi xuống đất và gây ra phản ứng với các khoáng chất trên mặt đất. Mặc dù rất nhẹ nhưng axít cacboníc cũng từ từ làm tan rã đá thành các ion: canxi (calcium), magiê (magnesium), kali (potassium) và natri (sodium). Hiện tượng này được gọi là sự phong hóa hóa học. Những ion này theo sông ra biển.
Ở ngoài biển ion canxi kết hợp với ion bicacbonat để tạo thành canxi cacbonat. Phần lớn canxi cacbonat được tạo thành bởi san hô và phiêu sinh vật (plankton) khi làm lớp vỏ cứng. Khi những sinh vật này chết thì chìm xuống đáy biển. Dần dần lớp vỏ cứng cùng với trầm tích trở thành đá vôi chứa cacbon trong đó.
Những tầng lớp dưới đáy biển bị đẩy xuống càng ngày càng sâu. Vỏ trái đất có nhiều mảng (plate). Khi những mảng này di động và cọ sát vào nhau làm cho đá bị chảy ra vì sức ép và hơi nóng. Khi đó khí cacbon điôxít sẽ thoát ra khỏi đá. Khi núi lửa bùng nổ thì khí cacbon điôxít thoát ra ngoài không khí. Như vậy bắt đầu một chu trình mới. Hơi cacbon điôxít cũng có thể thoát ra ngoài không khí từ từ qua những chỗ rò rỉ hay những suối nước nóng.
Trừ trường hợp núi lửa, chu trình cacbon địa chất xảy ra rất là chậm, có thể cả 100 triệu năm.
Cacbon điôxít và nhiệt độ. (Biểu đồ: earthobservatory.nasa.gov)
Chu trình cacbon sinh học
Chu trình di chuyển cacbon sinh học giữa không khí, đại dương và đất đai phần lớn là qua quá trình quang hợp (photosynthesis) và hô hấp (respiration). Cây cỏ dùng năng lượng của ánh sáng mặt trời để kết hợp khí cacbon điôxít và nước để làm ra chất dinh dưỡng và dưỡng khí. Hiện tượng đó được gọi là quá trình quang hợp. Trong quá trình này cacbon điôxít được thấm vào lá cây từ ngoài không khí.
Cây cỏ chuyển hóa chất dinh dưỡng ra năng lượng cần cho sự sống và tăng trưởng. Hiện tượng này được gọi là quá trình hô hấp. Trong quá trình hô hấp cacbon điôxít được phóng thích và thải ra ngoài không khí. Như vậy hoàn tất một chu trình cacbon sinh học.
Cacbon điôxít cũng được thải ra không khí bằng nhiều cách khác. Các động vật (kể cả con người) ăn cây trái rồi phân hóa cacbon hiđrat (carbohydrate) trong cây trái để lấy năng lượng. Cây cỏ khi chết đi sẽ bị phân hóa bằng các vi khuẩn. Trong hai trường hợp đó dưỡng khí kết hợp với đường để biến thành năng lượng và thải cacbon điôxít và nước ra ngoài khí quyển. Khi cây cỏ bị đốt cháy thì cacbon điôxít chứa trong cây cũng được phóng thích ra ngoài không khí.
Quá trình quang hợp phụ thuộc vào lá cây, nên vào mùa Đông khi cây rụng hết là thì lượng cacbon điôxít trong không khí cao hơn mùa Xuân hay mùa Hè.
Con người thay đổi chu trình cacbon
Trước cuộc cách mạng công nghiệp vào thế kỷ thứ 18 thì chu trình cacbon lên xuống theo thiên nhiên. Theo những dữ kiện thu thập từ Nam Cực thì số lượng cacbon trong không khí lên xuống theo nhiệt độ.
Trong mấy thế kỷ vừa qua con người đã thay đổi chu trình cacbon bằng những hoạt động như là đốt nhiên liệu hóa thạch hay đốn rừng.
Khi đốt nhiên liệu hóa thạch thì cacbon điôxít trữ trong đó được thải ra ngoài không khí. Theo cơ quan NASA thì năm 2009 con người thải ra ngoài khí quyển 8.4 tỷ tấn cacbon bằng cách này.
Khi đốn rừng thì con người đã loại bớt nguồn hút khí cacbon điôxít từ không khí để tồn trữ trong cây cối. Hơn nữa cây cối mục thì lại phóng thích cacbon điôxít ra ngoài không khí. Cũng theo NASA thì con người thải gần 1 tỷ tấn cacbon ra ngoài không khí mỗi năm vì sự thay đổi cách dùng đất đai.
Ông Charles Keeling, một nhà hải dương học tại viện Scripps Institute of Oceanography, đã thu thập và tạo nên một bản dữ liệu về nồng độ của khí cacbon điôxít trong khí quyển từ năm 1958 tại đài quan sát Mauna Loa (Mauna Loa Observatory) ở đảo Hawaii. Bây giờ người ta gọi là bản dữ liệu đó là “đường cong Kneeling.” Dữ liệu của ông Keeling cho thấy là gần đây con người đã làm tăng nồng độ của cacbon điôxít trong khí quyển nhiều nhất từ hơn 500,000 năm nay.
Đường cong Kneeling. (Hình: en.wikepedia.org)
Ảnh hưởng của sự thay đổi chu trình cacbon
Sự tăng thêm cacbon điôxít trong không khí có ảnh hưởng lớn đến mọi sinh vật trên thế giới. Vì cacbon điôxít là một chất có hiệu ứng nhà kính, có nghĩa là cacbon điôxít giữ nhiệt từ mặt trời chiếu xuống trong bầu khí quyển chứ không cho thoát ra ngoài không gian. Càng nhiều cacbon điôxít trong khí quyển thì nhiệt độ trên trái đất càng tăng lên. Khi nhiệt độ tăng lên thì băng đá trên vùng Bắc và Nam Cực sẽ bị tan ra nhiều và làm mực nước biển dâng lên. Ở những quốc gia ven biển như Việt Nam thì những vùng thấp gần sát mặt biển có nguy cơ bị chìm vào trong nước biển.
Khoảng 30% cacbon điôxít mà con người cho ra ngoài khí quyển sẽ được tan vào trong nước biển. cacbon điôxít trong nước biển tạo nên axít cacbonic và làm cho biển có nhiều tính axít hơn bình thường. Điều này có ảnh hưởng tới môi sinh của các loài sống dưới nước.
Tăng thêm lượng cacbon điôxít trong không khí cũng có ảnh hưởng tới cây cỏ trên mặt đất. Cây cỏ sẽ tiêu thụ khoảng 25% số cacbon điôxít mà con người cho ra ngoài khí quyển. Vì có nhiều cacbon điôxít nên cây sẽ tăng trưởng nhiều hơn. Nhưng có loại cây thích ứng tốt hơn loại cây khác, nên tăng thêm cacbon điôxít có thể thay đổi hình dạng của rừng. Thí dụ cây bụi mọc mạnh hơn là nhiều loại cỏ nên có thể lấn lướt những loại cỏ khi cacbon điôxít tăng thêm.
Kết luận
Chu trình cacbon là những hiện tượng thiên nhiên trên trái đất rất quan trọng cho sự sống của muôn loài trên trái đất. Nhưng con người đã và đang làm thay đổi hiện tượng thiên nhiên này bằng những hoạt động của mình như dùng nhiên liệu hóa thạch. Hậu quả dài hạn khó có thể tiên đoán được, nhưng chắc là không tốt.
Hà Dương Cự
