MỘT THỀM BĂNG CÓ TRÍ NHỚ

Quanh Nam Cực, dải băng không dừng lại ở bờ biển. Nó chảy ra trên mặt biển thành những nền băng nổi, các thềm băng, bị đại dương gặm mòn từ bên dưới. Theo các tác giả, thềm băng mỏng đi có thể khiến phần băng nằm trên đất liền phía sau trượt nhanh hơn ra đại dương, góp phần làm mực nước biển dâng.

Thứ lấp đầy khoảng không gian bên dưới một thềm băng, tức khoang (cavity) của nó, tạo nên mọi khác biệt. Một số khoang chứa nước lạnh, khoảng −2 °C (nước mặn đóng băng dưới 0 °C), được tạo ra ở mặt biển tại điểm đóng băng: băng ở đó tan chậm. Những khoang khác bị nước sâu ấm, khoảng 1 °C, tràn vào từ đại dương mở: ở đó, băng tan nhanh. Liệu một khoang có thể chuyển từ lạnh sang ấm, rồi ngược lại hay không vẫn còn tranh cãi: một số nghiên cứu thấy những lần chuyển như vậy là vĩnh viễn, số khác lại thấy chúng thuận nghịch.

Nhà máy muối trước mặt băng

Nước lạnh đến từ các polynya ven bờ (coastal polynyas): những vùng biển mở, không có băng biển, nằm ngay trước một thềm băng. Gió đẩy băng biển ra khơi, mặt nước lộ ra mất nhiệt vào không khí giá buốt, và băng biển mới hình thành ở đó nhanh hơn bất kỳ nơi nào khác. Nước biển khi đóng băng để muối lại. Nước bề mặt trở nên nặng hơn và, nếu quá trình này đủ mạnh, chìm xuống và khuấy trộn nước tới tận đáy biển: sự đối lưu sâu này đưa nước lạnh vào khoang.

Một thềm băng mô hình trong một kênh dài 250 kilômét

Louis Saddier và các cộng sự, ở Lyon và Canberra, không mô hình hóa bất kỳ thềm băng thật nào. Với mã đại dương NEMO, họ dựng một thềm băng lý tưởng hóa: một kênh dài 250 km và rộng 50 km, đáy biển phẳng sâu 600 m, một thềm băng dài 100 km với mặt đáy dốc thẳng và, ở đầu xa, một đại dương mở được giữ ở nhiệt độ và độ mặn cố định. Ngay trước mặt băng, mặt biển nhận muối, mô phỏng một polynya. Thông lượng muối đó là núm điều chỉnh chính.

Sự đơn giản giúp tiết kiệm thời gian. Xuất phát từ một khoang ấm, nhóm nghiên cứu tăng thông lượng muối thêm 0,005 gam trên mét vuông mỗi giây — theo cách quy đổi của các tác giả, là lượng muối để lại bởi khoảng 5 mét băng biển mới mỗi năm — cứ mỗi 10 năm, từ 0 lên 0,075. Xuất phát từ một khoang lạnh, họ giảm nó theo cùng cách. Mỗi lộ trình gồm 16 bước và 160 năm mô phỏng. Giá trị cao nhất được cố ý chọn ở mức cực đoan: polynya hoạt động mạnh nhất mà các tác giả dẫn ra, Cape Darnley, đạt khoảng 0,03 (khoảng 30 mét băng biển mỗi năm).

Cùng một polynya, hai đại dương khả dĩ

Khi nước sâu ngoài khơi ở 0 °C hoặc lạnh hơn, sự tan chảy thay đổi trơn tru và đường đi lên trùng với đường đi xuống. Ở 1 °C hoặc 2 °C, khoang chuyển trạng thái đột ngột, trong vòng vài năm, và hai lộ trình không còn trùng nhau nữa:

• Ở 1 °C, một khoang ấm chuyển sang lạnh khi thông lượng muối đạt khoảng 0,04. Một khoang lạnh chỉ ấm trở lại khi thông lượng giảm xuống khoảng 0,02, bằng một nửa.
• Ở 2 °C, việc chuyển sang lạnh phải chờ tới khoảng 0,06, trong khi đường quay về vẫn diễn ra gần 0,02. Khoảng cửa sổ, tức dải thông lượng muối mà ở đó trạng thái nào cũng có thể duy trì, rộng ra.
• Ở giữa hai mức đó, cùng một polynya có thể duy trì trạng thái này hoặc trạng thái kia, với tốc độ tan trung bình ở trạng thái ấm cao hơn nhiều lần. Các nhà vật lý gọi đó là tính lưỡng ổn (bistability); việc đường quay về khác với đường đi là hiện tượng trễ (hysteresis).

Nước tan khóa chặt cánh cửa

Vì sao đại dương có trí nhớ? Nhờ chính nước tan của nó. Một khoang ấm làm tan rất nhiều băng. Nước tan nhẹ, ngọt lan ra gần bề mặt và ngăn nước polynya chìm xuống, nên khoang vẫn ấm ngay cả khi lượng muối tăng. Một khoang lạnh làm tan ít, đối lưu dễ xảy ra, và nó vẫn lạnh ngay cả khi lượng muối giảm.

Cơ chế phản hồi này cần một cái bẫy. Trong mô hình, một xoáy (gyre), tức một dòng chảy quay chậm, giữ nước tan trước mặt băng. Nếu cho thành bên của kênh không ma sát, xoáy đó nhường chỗ cho một xoáy lớn duy nhất mang nước tan ra đại dương mở: công tắc trở nên từ từ và hoàn toàn thuận nghịch. Một đại dương ngoài khơi phân tầng mạnh hơn cũng thu hẹp khoảng cửa sổ cho đến khi nó biến mất. Tăng hoặc giảm năm lần độ nhớt ngang, một loại ma sát nội mà các nhà mô hình đặt ra với ít ràng buộc, cũng thu hẹp khoảng cửa sổ. Theo các tác giả, điều này có thể giải thích vì sao các nghiên cứu trước đây bất đồng với nhau.

Hãy theo dõi nêm nhiệt, không phải sự tan chảy

Công tắc có một dấu hiệu rõ ràng: nêm nhiệt (thermocline), ranh giới giữa lớp nước lạnh được khuấy trộn ở trên và lớp nước ấm hơn ở dưới. Khoang chuyển sang lạnh đúng lúc lớp được khuấy trộn chạm tới đáy biển, và ấm trở lại khi nêm nhiệt tách khỏi đáy. Trước khi chuyển sang lạnh, độ sâu của nêm nhiệt dao động ngày càng mạnh; trước khi chuyển về ấm, nước sâu ấm lọt vào ngày càng thường xuyên. Bản thân tốc độ tan không đưa ra cảnh báo hữu ích nào.

Sự tan chảy thậm chí tuân theo hai quy luật: xấp xỉ bình phương phần vượt của nước ngoài khơi so với điểm đóng băng tại chỗ (−2,33 °C) ở trạng thái ấm, và tỷ lệ thuận đơn giản ở trạng thái lạnh. Các công thức theo luật bình phương thường được dùng để ước tính sự tan chảy từ điều kiện ngoài khơi có thể không phải lúc nào cũng áp dụng được.

Không gió, không đáy biển thật

Kênh mô hình bỏ qua các rãnh đáy biển, gió, sự tương tác với băng biển, rìa thềm lục địa và nước tan từ các thềm băng lân cận. Các tác giả lưu ý rằng các thềm băng thật như Pine Island, Amery và Filchner có những xoáy gần mặt trước, điều có thể khiến chúng dễ xảy ra những lần chuyển không thuận nghịch hơn. Trong mô hình, các bước mười năm là đủ cho một lần chuyển hoàn toàn; một khoang thật sẽ mất bao lâu thì nghiên cứu để ngỏ.