Lắng nghe sự ấm lên của đại dương qua sóng âm động đất

Sóng âm di chuyển hàng nghìn km qua đại dương có thể giúp các nhà khoa học theo dõi chi tiết sự thay đổi khí hậu.

Khí thải gây hiệu ứng nhà kính đã và đang làm Trái đất nóng lên, đại dương cũng hấp thụ một lượng lớn nhiệt lượng đó. Để theo dõi sự thay đổi này, các nhà khoa học trước kia đã tiến hành nghiên cứu bằng một đội tàu toàn cầu gồm khoảng 4.000 thiết bị có tên Argo float đi thu thập dữ liệu ở nhiệt độ từ độ sâu 2.000m dưới đáy đại dương. Tuy nhiên, việc thu thập dữ liệu bị hạn chế ở một số khu vực, đặc biệt là những vùng sâu và những khu vực dưới lớp băng biển.

Gần đây, Wenbo Wu – nhà địa chấn học tại Caltech và các đồng nghiệp đã thử nghiệm sử dụng tốc độ âm thanh trong nước biển để ước tính nhiệt độ đại dương.

Trong một nghiên cứu mới, nhóm của Wu đã phát triển và thử nghiệm một cách sử dụng sóng âm do động đất tạo ra khi di chuyển qua phía Đông Ấn Độ Dương để ước tính sự thay đổi nhiệt độ ở những vùng biển từ năm 2005 đến 2016. Thử nghiệm cho những kết quả tích cực và cụ thể. Nghiên cứu này được đăng trên tạp chí Science ngày 18/9.

Sóng âm thanh được truyền qua nước bởi sự rung động của các phân tử nước. Ở nhiệt độ cao hơn, các phân tử đó dao động nhanh hơn. Kết quả là, sóng di chuyển nhanh hơn một chút khi nước ấm hơn. Nhưng những thay đổi đó rất nhỏ nên để có thể đo lường được, các nhà nghiên cứu cần phải theo dõi các sóng trong khoảng cách rất xa. May mắn thay, sóng âm thanh có thể truyền đi một khoảng cách rất xa qua đại dương, nhờ một hiện tượng kỳ lạ được gọi là Kênh SOFAR, viết tắt của Sound Fixing and Ranging. Được hình thành bởi các lớp nhiệt độ và độ mặn khác nhau trong nước, kênh SOFAR là một lớp nằm ngang đóng vai trò như một ống dẫn sóng âm thanh, và tần số thấp sóng âm trong kênh có thể đi hàng ngàn dặm trước khi tan biến.

Trước đó, năm 1979, nhà hải dương học Walter Munk đã đưa ra kế hoạch sử dụng các đặc tính đại dương này để đo nhiệt độ nước từ bề mặt đến đáy biển bằng một kỹ thuật mà họ gọi là “chụp cắt lớp âm học đại dương”. Họ sẽ truyền tín hiệu âm thanh thông qua Kênh SOFAR và đo thời gian sóng truyền đến các máy thu cách xa 10.000km. Bằng cách này, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ biên soạn một cơ sở dữ liệu toàn cầu về nhiệt độ của đại dương. Nhưng các nhóm hoạt động vì môi trường đã gây áp lực khiến thử nghiệm phải tạm dừng. Họ nói rằng các tín hiệu do con người tạo ra có thể có tác động xấu đến các loài động vật có vú ở biển.

40 năm sau, các nhà khoa học chứng minh rằng đại dương trên thực tế là một nơi rất ồn ào. “Các tín hiệu do con người tạo ra vô cùng mờ nhạt so với tiếng ầm ầm của các trận động đất, tiếng động của núi lửa dưới đáy biển và tiếng của các tảng băng va chạm” – nhà địa chấn học Emile Okal của Đại học Northwestern nói.

Wu và các đồng nghiệp thay vì sử dụng tín hiệu do con người tạo ra, họ sử dụng động đất. Khi một trận động đất xảy ra dưới đáy biển, nó giải phóng năng lượng dưới dạng sóng địa chấn được gọi là sóng P và sóng S dao động qua đáy biển. Một phần năng lượng đó đi vào nước. Và khi nó xảy ra, sóng địa chấn chậm lại, trở thành sóng T.

“Đông Ấn Độ Dương được chọn cho nghiên cứu chứng minh khái niệm này phần lớn là vì nó thường xuyên có những hoạt động địa chấn, gây ra vô số trận động đất như vậy”, Wu nói. Sau khi xác định hơn 2.000 bộ lặp từ năm 2005 đến năm 2016, nhóm nghiên cứu đã đo lường sự khác biệt về thời gian di chuyển của sóng âm qua Đông Ấn Độ Dương trong khoảng cách khoảng 3.000 km.

Dữ liệu cho thấy xu hướng ấm dần lên ở vùng biển – khoảng 0,044 độ C trong mỗi thập kỷ.

Wu cho biết kế hoạch tiếp theo của nhóm nghiên cứu là thử nghiệm kỹ thuật này với các máy thu ở xa hơn, bao gồm cả ngoài khơi bờ biển phía tây của Úc.

Frederik Simons, nhà địa vật lý tại Đại học Princeton nhận định nghiên cứu này “thực sự tạo ra một nền tảng mới”. Các nhà khoa học có thể sử dụng phương pháp đo nhiệt độ đại dương địa chấn để đưa ra những ước tính mới cả về nhiệt độ đại dương trong quá khứ.