Nghiên cứu lớp băng vĩnh cửu tan chảy: Khi cháy rừng Bắc Cực đánh thức "kho carbon" khổng lồ

Trong một buổi sáng đầu tháng 7, Andrew Haverdink — một nghiên cứu sinh cao lớn mặc áo choàng đi mưa và ủng cao su — dùng tay xoay mạnh chiếc khoan hai tay khỏi lớp đất đóng băng bao phủ phần lớn Vườn Quốc gia Denali của Alaska. Anh quỳ xuống trước tấm bạt xanh, đặt ống khoan rỗng lên khay nhựa và đẩy một thanh kim loại xuyên qua đầu kia. Một lõi đất nguyên vẹn hình trụ hiện ra — lớp băng vĩnh cửu sẫm màu, giàu dinh dưỡng, dài ít nhất 30 cm.

Sáng hôm đó, Haverdink nằm trong nhóm sinh viên và nhân viên Đại học Bắc Arizona (Northern Arizona University) đang thu thập mẫu và dữ liệu tại một ô nghiên cứu, được phân định bằng dây trắc địa căng trên những bụi cỏ, cây tống quán sủi và hoa liễu.

Mô tả ngắn

Ký ức từ một đám cháy cách đây hơn một thập kỷ

Cuối tháng 6 năm 2013, một tia sét đã châm ngòi đám cháy tại vùng lãnh nguyên gần như không có cây cối ở vùng hoang dã phía bắc công viên. Bị thổi bùng bởi gió Chinook — luồng gió mạnh hình thành khi không khí ẩm từ đại dương vượt qua rồi lao xuống dãy Alaska — đám cháy lan rộng gần 35.000 mẫu Anh (khoảng 14.000 ha). Ngọn lửa thiêu rụi phần lớn thảm thực vật và ăn sâu vào lớp đất mặt, bóc đi lớp cách nhiệt vốn bảo vệ băng vĩnh cửu — kho dự trữ carbon khổng lồ nằm dưới 85% diện tích Alaska.

Trong lần khảo sát đầu tiên vào năm 2016, các nhà nghiên cứu phát hiện ở những nơi lửa cháy nóng và sâu nhất, lớp đất tan phía trên băng vĩnh cửu (gọi là tầng hoạt động) sâu hơn từ 30 cm đến gần 60 cm so với các ô nằm ngoài vùng cháy — dấu hiệu của quá trình tan băng sâu.

Điều đặc biệt quan trọng: đám cháy còn đi qua hai bộ lưới khảo sát mà Cục Công viên Quốc gia Mỹ thiết lập từ năm 2001. Dữ liệu trước cháy này mang đến cho nhóm Bắc Arizona cơ hội hiếm có để nghiên cứu cách ngọn lửa đã thay đổi thảm thực vật, carbon và băng vĩnh cửu theo thời gian, theo lời Xanthe Walker — một trong những điều tra viên chính của dự án.

"Có rất nhiều điều chưa chắc chắn. Đây là những vùng sinh thái khổng lồ với những đám cháy lớn mà chưa ai từng đặt chân tới hay quan sát."

Vòng lặp phản hồi khí hậu đáng lo ngại

Những quan sát trực tiếp từ các đám cháy ở vĩ độ cao đang giúp giới khoa học hiểu rõ hơn tác động của cháy rừng và mất băng vĩnh cửu lên biến đổi khí hậu. Khi nhiệt độ ấm lên làm cháy rừng diễn ra thường xuyên và khốc liệt hơn, nhiều băng vĩnh cửu tan chảy hơn, giải phóng khí nhà kính — lại càng thúc đẩy sự ấm lên, cháy rừng và mất băng. Đây chính là vòng lặp phản hồi mà các nhà khoa học lo ngại nhất.

Băng vĩnh cửu chiếm 15% diện tích đất ở Bắc bán cầu và chứa khoảng 1,5 nghìn tỷ tấn carbon — gấp đôi lượng carbon trong khí quyển. Phần lớn hình thành từ kỷ băng hà cuối cùng, nhưng đang tan với tốc độ tăng dần trong nửa thế kỷ qua. Khi tan, vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ, giải phóng CO2 và methane — cả hai đều là khí nhà kính mạnh.

Mô tả ngắn

Nghiên cứu năm 2020 phát hiện băng vĩnh cửu có xu hướng tan đột ngột hơn là tan từ từ như các mô hình khí hậu lớn mô phỏng. Điều này có thể giải phóng lượng carbon lớn hơn nhiều so với hiểu biết trước đây, gấp đôi lượng phát thải từ băng vĩnh cửu tan và lấn át lượng carbon hấp thụ từ thực vật phát triển trong tương lai.

Susan Natali — nhà khoa học khí hậu Bắc Cực tại Trung tâm Nghiên cứu Khí hậu Woodwell — và đồng nghiệp kết luận rằng tổng phát thải từ các hiệu ứng phản hồi này sẽ đẩy hành tinh vượt mốc 2 °C nhanh hơn dự báo hiện tại. Họ cũng phát hiện khoảng 40% vùng Bắc Cực – boreal đã chuyển từ bể hấp thụ carbon sang nguồn phát thải carbon.

"Càng hiểu nhiều về các quá trình như tan đột ngột, cháy sâu hơn và phát thải mùa lạnh, càng thấy rõ khả năng bể hấp thụ suy yếu và các vùng phát thải mở rộng."

Kết quả khác nhau tùy từng hệ sinh thái

Nhóm nghiên cứu Bắc Arizona đã tiên phong trong việc khảo sát hậu quả cháy rừng trên nhiều vùng Alaska. Giáo sư Michelle Mack đã giám sát khảo sát lặp lại tại các điểm cháy, từ vùng nội địa phía nam tương đối ấm đến sườn bắc lạnh giá.

Một phát hiện đáng chú ý: các vụ cháy nghiêm trọng khiến cây rụng lá mọc nhanh và ít bắt lửa hơn thay thế cây vân sam đen. Các điểm này lưu trữ lượng carbon trong đất gấp khoảng 5 lần so với các lâm phần quay về cây vân sam đen. Tuy nhiên, đám cháy lãnh nguyên sông Anaktuvuk năm 2007 — vụ cháy lớn nhất từng ghi nhận ở sườn bắc Alaska — lại là ví dụ trái ngược: nó giải phóng hơn 2 triệu tấn carbon, gần như xóa sạch lượng carbon mà hệ sinh thái lãnh nguyên toàn cầu hấp thụ trong năm đó.

Hơn một phần ba diện tích bị cháy sau đó đã lún, trượt và sụp đổ do các nêm băng bên dưới tan chảy — dấu hiệu điển hình của quá trình tan băng đột ngột. Gần hai thập kỷ sau, phần lớn chất hữu cơ tan rữa vẫn tiếp tục giải phóng CO2 và methane tại những mảng bị cháy nặng nhất. Theo Adrian Rocha — phó giáo sư Đại học Notre Dame — sẽ mất từ nhiều thập kỷ đến nhiều thế kỷ để thu hồi toàn bộ lượng carbon đã mất, nếu có thể.

Mô tả ngắn

Bước vào tương lai khí hậu

Tại khu nghiên cứu Eight Mile Lake phía bắc Denali, Ted Schuur — giáo sư Đại học Bắc Arizona — đã thử nghiệm ý tưởng đưa băng vĩnh cửu về mức nhiệt độ dự báo trong 20–30 năm tới. Ông dựng hàng rào chắn tuyết quanh các ô nghiên cứu để tích tụ thêm tuyết — vốn hoạt động như một tấm chăn cách nhiệt vào mùa đông, giữ các ô thử nghiệm ấm hơn đối chứng.

Trong 13 năm thí nghiệm, mức carbon trong đất tại các ô 10×10 m giảm 23%. Đất sụp lún tại nhiều điểm, tạo thành các hố sâu vài bước chân. Đáng chú ý, ngay cả một ô đối chứng cũng đã tự tan và sụp đổ mà không cần bất kỳ tác động mô phỏng nào.

"Mỗi ô đều đi theo quỹ đạo riêng. Những điều này đang xảy ra vì cả khu vực đang ấm lên... và mọi thay đổi đều diễn ra nhanh hơn nếu bạn đốt cháy bề mặt trước."

Schuur dự báo băng vĩnh cửu dưới toàn bộ cánh đồng sẽ tan sâu vào cuối năm 2040. "Sẽ không còn băng vĩnh cửu trên bề mặt với mức ấm lên hiện tại," ông nói. Trừ khi thế giới cắt giảm phát thải triệt để và kiểm soát được cháy rừng, hiện tượng này sẽ lan dần lên toàn bang, từng thập kỷ một, cho đến khi ngay cả lớp băng dưới sườn bắc Alaska cũng lún xuống độ sâu tương tự và nhả ra lượng carbon đã tích tụ hàng thiên niên kỷ.

Câu chuyện tại Denali là lời cảnh báo trực tiếp cho thấy công nghệ quan trắc — từ khoan lõi đất, vệ tinh, bay lidar đến mạng lưới tháp đo khí nhà kính — đang đóng vai trò then chốt trong việc lượng hóa những rủi ro khí hậu mà các mô hình cũ chưa từng lường hết.