Giải mã trạng thái siêu nhà kính ở Trái Đất 252 triệu năm trước

Giả thuyết một vụ phun trào lớn

Có tới 94% các loài sinh vật biển và 70% các họ động vật có xương sống trên cạn đã bị xóa sổ. Các khu rừng nhiệt đới vốn đóng vai trò là bồn chứa carbon quan trọng giúp điều hòa nhiệt độ của hành tinh như ngày nay, cũng đã suy giảm mạnh.

Các nhà khoa học từ lâu nhất trí rằng kỷ Permi được kích hoạt bởi sự gia tăng đột ngột của khí nhà kính dẫn đến Trái Đất nóng lên nhanh chóng và dữ dội. Nhưng điều vẫn còn là bí ẩn là tại sao những điều kiện cực kỳ nóng này lại kéo dài trong hàng triệu năm. Và một nghiên cứu mới nhất được công bố trên tạp chí Nature Communications hồi cuối tháng 6 đã đưa ra câu trả lời.

Cụ thể, sự suy giảm của các khu rừng nhiệt đới đã nhốt Trái Đất vào trạng thái siêu nhà kính và các nhà khoa học khẳng định rằng, khí hậu của hành tinh chúng ta khi vượt qua "điểm tới hạn" nhất định, sự sụp đổ sinh thái thực sự thảm khốc đã xảy ra. Nguyên nhân gây ra sự kiện tuyệt chủng hàng loạt Permi-Trias là vụ phun trào của một lượng lớn đá nóng chảy ở Siberia ngày nay, được gọi là "Bẫy Siberia".

Đá nóng chảy này phun trào trong một lưu vực trầm tích, giàu chất hữu cơ và đủ nóng để làm tan chảy các tảng đá xung quanh, giải phóng một lượng lớn carbon dioxide (CO2) vào bầu khí quyển của Trái Đất trong thời gian từ 50.000 năm (nếu ngắn) tới 500.000 năm (nếu kéo dài). Sự gia tăng nhanh chóng của CO2 trong bầu khí quyển của Trái Đất và sự gia tăng nhiệt độ đã tạo cơ chế giết chết chính đối với phần lớn sự sống vào thời điểm đó.

Các nhà khoa học tính toán rằng, trên đất liền, nhiệt độ bề mặt tăng từ 6°C đến 10°C - quá nhanh để nhiều dạng sống có thể tiến hóa và thích nghi. Trong các vụ phun trào tương tự khác, hệ thống khí hậu thường trở lại trạng thái trước đó trong vòng 100.000 năm đến một triệu năm. Nhưng những điều kiện "siêu nhà kính" này dẫn đến nhiệt độ bề mặt trung bình xích đạo lên tới 34°C (ấm hơn khoảng 8°C so với nhiệt độ trung bình xích đạo hiện tại) và kéo dài trong khoảng 5 triệu năm.

Zhen Xu, nghiên cứu sinh tại Khoa Trái đất và Môi trường, Đại học Leeds (Anh), người đứng đầu cuộc nghiên cứu gửi một bài viết tới The Conversation cho hay, nhóm nghiên cứu đã xem xét hồ sơ hóa thạch của nhiều quần xã thực vật trên cạn, chẳng hạn như khô cằn, nhiệt đới, cận nhiệt đới, ôn đới và bụi rậm.

"Chúng tôi phân tích cách các quần xã thay đổi từ ngay trước kỷ Permi cho đến khoảng 8 triệu năm sau đó. Chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng Trái Đất ấm lên quá nhanh, dẫn đến thảm thực vật ở vĩ độ thấp đến trung bình chết dần, đặc biệt là rừng mưa nhiệt đới. Do đó, hiệu quả của chu trình carbon hữu cơ đã giảm đáng kể ngay sau các vụ phun trào núi lửa. Thực vật, vì không thể tự đứng dậy và di chuyển, đã bị ảnh hưởng rất mạnh bởi các điều kiện thay đổi. Trước sự kiện, nhiều đầm lầy than bùn và rừng nhiệt đới, cận nhiệt đới tồn tại xung quanh đường xích đạo và hấp thụ carbon. Tuy nhiên, khi chúng tôi tái tạo hóa thạch thực vật từ công việc thực địa, hồ sơ và cơ sở dữ liệu xung quanh sự kiện, chúng tôi thấy rằng các quần xã sinh vật này đã bị xóa sổ hoàn toàn khỏi các lục địa nhiệt đới. Điều này dẫn đến một "khoảng cách than" kéo dài hàng triệu năm trong hồ sơ địa chất", Zhen Xu lý giải.

Những khu rừng này sau đó đã được thay thế bằng các loài lycopod nhỏ, chỉ cao từ 2 đến 20 cm. Trong khi đó, các vùng đất bao bọc của các loài thực vật lớn hơn vẫn nằm về phía các cực, ở vùng ven biển và các vùng núi thấp, nơi nhiệt độ mát hơn một chút. Sau khoảng 5 triệu năm, chúng đã chủ yếu tái chiếm Trái Đất nhưng vẫn kém hiệu quả trong việc cố định carbon trong chu trình carbon hữu cơ.

Bằng chứng từ những chiếc răng hóa thạch

Trên thực tế, trước khi kết quả nghiên cứu mới này được công bố, vào tháng 11/2024, một nhóm nhà khoa học thuộc Cục Khảo sát Địa chất Canada cũng đã nhắc đến giả thuyết về một sự phun trào của mạng lưới núi lửa phong phú hình thành nên "Bẫy Siberia". "Để đạt được tỷ lệ tuyệt chủng cao đặc biệt vào cuối kỷ Permi không phải là điều dễ dàng; cần có các cơ chế giết chết khác nhau để tác động đến cả sinh vật biển và trên cạn. Các núi lửa khổng lồ đã phun trào và Trái Đất từng ấm lên trước đó, tất cả đều không gây ra thương vong ở quy mô của đại tuyệt chủng. Pangaea vốn đã dễ bị tổn thương trước nhiệt độ khắc nghiệt và lượng mưa trong kỷ Permi. Chúng tôi đang cố gắng tìm hiểu lý do tại sao các loài trên cạn, bao gồm cả các loài côn trùng khỏe mạnh bình thường, lại không thể di cư đến vùng có khí hậu mát mẻ hơn mà thay vào đó lại chết đi. Thực tế là chúng chết đi hàng chục nghìn năm trước khi hầu hết các sinh vật biển tuyệt chủng, làm cho chuyện này càng trở nên bí ẩn", Steve Grasby, một nhà địa hóa học thuộc Cục Khảo sát địa chất Canada nói.

Trong khi đó, Yadong Sun, nhà khí hậu học tại Đại học Khoa học Địa chất Trung Quốc ở Vũ Hán chỉ ra rằng, manh mối về chuỗi các sự kiện thảm khốc đến từ những chiếc răng hóa thạch của một sinh vật giống lươn thời tiền sử. Bằng cách phân tích tỷ lệ đồng vị oxy có trong những chiếc răng hóa thạch, các nhà nghiên cứu đã thu thập thông tin quan trọng về nhiệt độ bề mặt biển thời tiền sử trên một số địa điểm dọc theo đường xích đạo cổ. Dữ liệu cho thấy sự giảm dần nhiệt độ ở đại dương tiền sử khổng lồ của Trái Đất, Panthalassa. Nói cách khác, sự chênh lệch nhiệt độ giữa đại dương nhiệt đới ấm áp và đại dương vĩ độ trung bình mát hơn bắt đầu cân bằng.

Bằng cách tạo ra các mô hình khí hậu của Pangaea, Panthalassa và tái tạo các điều kiện từ 252 triệu năm trước, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một kết nối đáng ngạc nhiên, cho thấy, nó giống với một loại El Nino. Các điều kiện ấm lên và lạnh đi tương tự như các sự kiện El Nino và La Nina trong thời đại hiện nay, đã được khuếch đại bởi sự gia tăng của các vụ phun trào núi lửa và CO2 phát sinh trong khí quyển. Hạn hán đã thiêu rụi các khu rừng nhiệt đới trước tiên, và than củi được tìm thấy trong đá cho thấy cháy rừng lan rộng. Điều kiện nóng, khô kéo dài quá lâu khiến thảm thực vật không thể phục hồi hoặc hoạt động như một bồn chứa carbon.

Steve Grasby nói: "Những quá trình này tác động qua lại lẫn nhau và dẫn đến tình trạng ấm lên thực sự, đầu tiên là trên đất liền. Sau đó, CO2 tích tụ đủ trong khí quyển để làm ấm đại dương, dẫn đến tình trạng khử oxy và phân tầng đại dương". Sau khi gần 90% các loài biến mất, phải mất vài triệu năm để các hệ sinh thái phức tạp quay trở lại.

Và sự trở lại của trạng thái cân bằng khí hậu

Sử dụng bằng chứng có được ngày nay, nhóm nghiên cứu của Zhen Xu ước tính tốc độ mà thực vật hấp thụ CO2 trong khí quyển và lưu trữ nó dưới dạng vật chất hữu cơ của từng quần xã sinh vật khác nhau được ghi trong hồ sơ hóa thạch. Sau đó, họ đã sử dụng một mô hình chu trình carbon mới được phát triển có tên là SCION để kiểm tra giả thuyết về mặt số. "Khi chúng tôi phân tích kết quả mô hình, chúng tôi thấy rằng nhiệt độ tăng ban đầu từ "Bẫy Siberia" được duy trì trong 5 đến 6 triệu năm sau sự kiện do năng suất sơ cấp ròng giảm. Chỉ khi thực vật tự thiết lập lại và chu trình carbon hữu cơ được khởi động lại, Trái Đất mới bắt đầu thoát khỏi tình trạng siêu nhà kính", Zhen Xu giải thích thêm.

Tuy nhiên, theo nhà khí hậu học Yadong Sun, rất khó để đưa ra sự tương tự giữa biến đổi khí hậu trong quá khứ từ hồ sơ địa chất với những gì chúng ta đang trải qua ngày nay. Đó là bởi vì mức độ thay đổi trong quá khứ thường được đo lường trong hàng chục đến hàng trăm nghìn năm trong khi hiện tại, chúng ta mới chỉ đang trải qua sự thay đổi trong nhiều thập kỷ đến nhiều thế kỷ. Nhưng hàm ý quan trọng của công trình nghiên cứu là sự sống trên Trái Đất, mặc dù có khả năng phục hồi, vẫn không thể phản ứng với những thay đổi lớn trong thời gian ngắn nếu không có sự thay đổi mạnh mẽ về cảnh quan sinh học.

"Trong đại tuyệt chủng, thực vật không thể phản ứng trong thời gian nhanh từ 1.000 năm đến 10.000 năm. Điều này cho thấy tầm quan trọng của quần xã thực vật nhiệt đới và cận nhiệt đới cũng như môi trường trong việc duy trì trạng thái cân bằng khí hậu. Sự mất mát của các quần xã này có thể góp phần làm khí hậu nóng lên thêm và thậm chí có thể là  điểm tới hạn tàn khốc của khí hậu", nhà khí hậu học Yadong Sun nhấn mạnh.