Vì sao đất sa mạc Mojave “hít” CO2 vào ban đêm?

Ban đêm, cảm biến đặt trong đất sa mạc Mojave ghi nhận một điều trái với hình dung quen thuộc: CO2 không chỉ thoát từ đất ra không khí mà còn đi theo chiều ngược lại. Lời giải nằm ở những hạt khoáng vật nhỏ bé. Khi đất nguội, bề mặt của chúng giữ các phân tử CO2; khi nắng làm đất nóng lên, các phân tử này rời khỏi bề mặt và trở lại trạng thái khí. [1]

Như vậy, đất sa mạc vẫn trao đổi carbon với khí quyển ngay cả khi thảm thực vật thưa thớt. Cơ chế này không thay thế vai trò của cây cối và vi sinh vật, nhưng cho thấy một phần chu trình carbon có thể diễn ra bằng vật lý hóa học, phụ thuộc mạnh vào nhịp nóng - lạnh mỗi ngày. [1]

Dấu hiệu bất thường xuất hiện ở đâu?

Nhóm nghiên cứu của Đại học California, Berkeley bắt đầu theo dõi đất Mojave bằng cảm biến từ năm 2017. Một kết quả khiến họ chú ý là nồng độ CO2 ở độ sâu khoảng 5 cm vào ban đêm thấp hơn trên bề mặt đất. Nếu chỉ xét hô hấp của đất, người ta thường chờ đợi CO2 sinh ra bên dưới rồi khuếch tán lên trên. Chênh lệch đo được lại gợi ý rằng khí từ không khí đang đi xuống. [1]

Phát hiện này không có nghĩa mọi lượng CO2 trong đất đều do khoáng vật giữ lại. Rễ cây, vi sinh vật và vật chất hữu cơ vẫn có thể tham gia trao đổi khí. Điểm đáng chú ý là ở một môi trường khô cằn, nơi hoạt động sinh học tương đối hạn chế, một dòng khí không do sinh vật tạo ra có thể trở nên đủ lớn để cảm biến nhận thấy rõ. [1]

Hấp phụ khác gì với việc đất “hút” khí?

Từ “hấp phụ” mô tả việc các phân tử bám lên bề mặt của vật rắn, thay vì thấm sâu vào bên trong vật liệu. Những hạt khoáng và hạt mịn trong đất Mojave có các bề mặt có thể giữ CO2. Có thể hình dung đây như một lớp bụi có vô số vị trí nhỏ để phân tử khí tạm thời neo lại; đây là cách minh họa cho cơ chế, không phải mô tả cấu trúc hiển vi cụ thể của từng hạt đất. [1]

Nhiệt độ quyết định sức giữ đó. Khi đất nguội, khả năng hấp phụ CO2 tăng, nên nhiều phân tử rời không khí và bám lên hạt đất. Khi đất ấm lên, khả năng giữ giảm; CO2 tách khỏi bề mặt và trở lại không khí. Vì vậy, “hít vào” và “thở ra” ở đây là cách nói hình tượng về một chu kỳ hấp phụ - giải hấp phụ, không phải hoạt động hô hấp của một cơ thể sống. [1]

Vì sao Mojave làm cơ chế này dễ thấy?

Sa mạc có biên độ nhiệt ngày đêm lớn. Bề mặt đất Mojave có thể nóng tới khoảng 60°C vào ban ngày nhưng hạ xuống dưới 20°C vào ban đêm. Sự thay đổi nhanh ấy liên tục làm thay đổi khả năng giữ CO2 của khoáng vật. Một nơi có ít cây và đất khô vì thế lại tạo điều kiện thuận lợi để tín hiệu vật lý hóa học nổi bật hơn tín hiệu từ hô hấp sinh học. [1]

Trong đất ẩm và giàu thực vật, sự trao đổi carbon giữa đất và không khí thường được giải thích qua quang hợp, hô hấp của rễ và hoạt động của vi sinh vật. Các quá trình này có thể che lấp dòng hấp phụ nhỏ hơn. Ở Mojave, tốc độ trao đổi sinh học thấp hơn trong điều kiện khô nóng, nên việc CO2 bám vào rồi rời khỏi khoáng vật có cơ hội đóng góp đáng kể vào biến động đo được hằng ngày. [1]

Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra giả thuyết ra sao?

Cảm biến ngoài sa mạc cho thấy hiện tượng, nhưng chưa đủ để chỉ ra nguyên nhân. Để kiểm tra, các nhà nghiên cứu lấy mẫu đất Mojave đưa về phòng thí nghiệm. Anna Abramova sử dụng thiết bị chuyên dụng tại Lawrence Berkeley National Laboratory để đo lượng CO2 bám trên mẫu đất trong những mức nhiệt độ và nồng độ CO2 khác nhau. [1]

Các thí nghiệm lặp lại khoảng nhiệt tương ứng với một đêm và một buổi chiều trên sa mạc. Kết quả cho thấy mẫu đất giữ nhiều CO2 hơn khi lạnh và nhả nhiều hơn khi nóng. Xu hướng này phù hợp với dữ liệu cảm biến, qua đó củng cố cách giải thích rằng dòng CO2 đi vào đất ban đêm chủ yếu do hấp phụ, chứ không phải do một hoạt động sinh học chưa được nhận ra. [1]

Phát hiện này thay đổi cách nhìn về chu trình carbon thế nào?

Chu trình carbon trong đất thường được kể qua cây cối: thực vật lấy CO2 để tạo chất hữu cơ, rễ và vi sinh vật xử lý phần carbon ấy, rồi một phần CO2 quay lại khí quyển qua hô hấp. Cơ chế ở Mojave bổ sung một mắt xích khác: khoáng vật có thể tạm thời giữ carbon vô cơ trực tiếp từ không khí mà không cần cây làm trung gian. [1]

Điều đó không biến sa mạc thành một bể chứa carbon ổn định. CO2 được giữ khi đất nguội và giải phóng khi đất nóng, nên dòng trao đổi có tính chu kỳ. Ý nghĩa lớn hơn nằm ở việc các mô hình carbon cần tính đến những bề mặt khoáng vật, nhất là tại các vùng khô hạn hoặc lạnh, nơi hoạt động sinh học không đủ mạnh để giải thích toàn bộ biến động khí. [1]

Các nhà nghiên cứu từng quan sát hiện tượng tương tự ở những sa mạc lạnh, trong đó có Nam Cực, và đang xem xét liệu đặc tính này thay đổi theo thành phần khoáng vật hay lượng carbon hữu cơ trong đất hay không. Vì vậy, đất sa mạc Mojave không đưa ra một câu trả lời đơn giản rằng sinh vật không còn quan trọng; nó cho thấy khí quyển còn trao đổi với mặt đất qua những bề mặt tưởng như bất động. [1]