Hải dương học là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về hải dương học

Hải dương học là ngành khoa học nghiên cứu các đại dương và biển, bao gồm bốn lĩnh vực chính: hải dương học vật lý, hải dương học hóa học, hải dương học sinh học và hải dương học địa chất. Mục tiêu căn bản của hải dương học là hiểu rõ tính chất, thành phần và động lực vận hành của đại dương, từ đó giải thích vai trò của biển đối với hệ thống khí hậu, chu trình sinh địa hóa và đời sống sinh vật biển.

Quy mô nghiên cứu của hải dương học trải dài từ bề mặt đại dương xuống đến vùng sâu thẳm của đáy biển, từ gần bờ lên đến giữa đại dương mênh mông. Hải dương học không chỉ quan tâm đến những yếu tố vật lý như nhiệt độ, áp suất và dòng hải lưu, mà còn tập trung vào các thành phần hóa học như độ mặn, nồng độ chất dinh dưỡng, pH và chất khí hòa tan như oxy và carbon dioxide. Ngoài ra, hải dương học sinh học nghiên cứu sự phân bố và hoạt động của sinh vật phù du, cá và hệ sinh thái ven bờ; hải dương học địa chất phân tích cấu trúc đáy biển, trầm tích và quá trình kiến tạo mảng.

Đại dương chiếm khoảng 71% diện tích bề mặt Trái Đất và chứa khoảng 97% lượng nước ngọt của hành tinh. Qua hàng thiên niên kỷ, đại dương đã điều hòa khí hậu toàn cầu bằng cách hấp thụ nhiệt lượng dư thừa và khí CO₂ do hoạt động của con người thải ra. Đồng thời, đại dương cung cấp nguồn thực phẩm, năng lượng và các khoáng sản quan trọng. Hiểu biết khoa học về đại dương không chỉ giúp dự báo thời tiết, giám sát biến đổi khí hậu, mà còn hỗ trợ quản lý bền vững nguồn lợi thủy sản và bảo tồn đa dạng sinh học biển.

• Vai trò khí hậu: Đại dương hấp thụ và phân phối nhiệt, điều hòa dao động nhiệt độ theo mùa và theo vùng.
• Chu trình carbon: Biển giữ vai trò “bể chứa” lớn của CO₂, giảm tốc độ nóng lên toàn cầu.
• Nguồn tài nguyên: Thuỷ sản, dầu khí, khoáng sản biển sâu, năng lượng sóng và thủy triều.
• Hệ sinh thái: Rạn san hô, cỏ biển, rừng ngập mặn là nơi cư trú của đa dạng sinh vật.

Lịch sử phát triển hải dương học

Những thập niên đầu tiên của nghiên cứu hải dương học gắn liền với các chuyến hải trình khám phá thế giới. Từ thế kỷ 18, các nhà thám hiểm như James Cook đã mang về các mẫu nước biển, sinh vật và trầm tích, mở đầu cho phương pháp thu thập dữ liệu thực địa. Cuộc thám hiểm Challenger (1872–1876) được xem là nền móng của hải dương học hiện đại, thu thập mẫu ở mọi đại dương, đo sâu đáy biển, phân tích thành phần nước và sinh vật phù du.

Giai đoạn giữa thế kỷ 20 chứng kiến sự ra đời của các chương trình hợp tác quốc tế như Thập kỷ Khí tượng Đại dương Quốc tế (IOMD) thập niên 1950 và Chương trình Hải dương Toàn cầu (GLOBEC) thập niên 1990. Các chương trình này tập trung vào quan sát biến động dòng hải lưu, chu trình dinh dưỡng và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Thành tựu quan trọng là hệ thống phao đo ARGO đặt khắp các đại dương, cung cấp dữ liệu nhiệt độ và độ mặn ở độ sâu đến 2.000 m.

Cuộc cách mạng công nghệ vệ tinh từ thập niên 1970 cho phép quan sát mặt biển toàn cầu với độ phân giải cao. Vệ tinh altimetry đo độ cao mặt biển, sóng và dòng chảy; vệ tinh quang học đo nồng độ chlorophyll và mức độ ô nhiễm. Song song đó, mô hình hóa số về hải lưu và khí hậu biển trở nên tinh vi, cho phép dự báo thời tiết và biến đổi khí hậu với độ chính xác ngày càng cao.

Giai đoạn	Thời gian	Đặc điểm nổi bật
Khám phá ban đầu	1700–1800s	Chuyến Cook, thu mẫu thực địa
Challenger	1872–1876	Đo sâu biển, phân tích nước biển
IOMD	1950s	Quan sát quốc tế, chart hải lưu
Vệ tinh	1970s–nay	Altimetry, chlorophyll, mô hình số
ARGO	2000s–nay	Phao đo toàn cầu nhiệt độ—độ mặn

Phân ngành chính của hải dương học

Hải dương học được chia thành bốn chuyên ngành chính dựa trên đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Hải dương học vật lý tập trung vào các hiện tượng cơ học và động lực học như dòng hải lưu, sóng và thủy triều. Hải dương học hóa học nghiên cứu thành phần và tương tác của các thành phần hóa học trong nước biển, bao gồm chu trình khoáng và axit hóa đại dương.

Hải dương học sinh học tập trung vào sinh vật phù du, cá và hệ sinh thái biển, nghiên cứu vòng đời, phân bố và chuỗi thức ăn. Hải dương học địa chất xem xét cấu trúc đáy đại dương, trầm tích và quá trình kiến tạo mảng, giải thích sự hình thành rãnh sâu, mid-ocean ridges và nguồn tài nguyên khoáng sản biển.

• Vật lý: Dòng hải lưu chủ đạo (Gulf Stream, Kuroshio), sự phân lớp nhiệt—muối.
• Hóa học: Độ mặn trung bình ~35 PSU, chu trình dinh dưỡng N-P-Si.
• Sinh học: Phù du thực—động vật, cá đánh bắt và bảo tồn đa dạng.
• Địa chất: Đáy biển giữa, mảng kiến tạo, trầm tích và khoáng sản.

Đặc tính vật lý của đại dương

Tính chất vật lý của đại dương bao gồm nhiệt độ, độ mặn và mật độ, quyết định cấu trúc phân lớp và động lực hải lưu. Nhiệt độ mặt biển dao động từ gần 0 °C ở vùng cực đến hơn 30 °C ở xích đạo; theo độ sâu, nhiệt độ giảm nhanh tại lớp nhiệt cline rồi duy trì khoảng 2–4 °C ở tầng sâu.

Độ mặn trung bình của đại dương xấp xỉ 35 phần nghìn (35 PSU), thay đổi theo lượng mưa, bốc hơi và dòng chảy sông. Biến đổi độ mặn ảnh hưởng lên mật độ nước, từ đó điều khiển dòng hải lưu theo cơ chế động lực học xoáy đới (thermohaline circulation).

Dòng hải lưu lớn vận chuyển nhiệt từ xích đạo lên vùng cực; ví dụ Gulf Stream đưa khí ấm từ Caribe đến bờ Đông Bắc Mỹ và Bắc Âu, làm ôn hòa khí hậu khu vực. Sóng biển sinh ra do tác động của gió và dao động thủy triều, tác động lên xói mòn và bồi tụ bờ biển cùng như trao đổi khí tầng khí quyển—đại dương.

Thông số	Giá trị trung bình	Phạm vi
Nhiệt độ mặt biển	16 °C	–2 °C đến 34 °C
Độ mặn	35 PSU	33–38 PSU
Mật độ (ρ)	1027 kg/m³	1022–1050 kg/m³

Hóa học biển và chu trình chất dinh dưỡng

Đại dương chứa một loạt các thành phần hóa học, trong đó muối natri clorid chiếm ưu thế, tạo độ mặn trung bình khoảng 35 PSU (phần nghìn theo khối lượng). Các ion khác gồm magiê (Mg²⁺), canxi (Ca²⁺), kali (K⁺) và bicarbonate (HCO₃⁻) đóng vai trò quan trọng trong cân bằng pH và cấu trúc vỏ vôi của sinh vật biển. Độ pH trung bình của đại dương hiện tại khoảng 8,1 nhưng có xu hướng giảm do hấp thụ CO₂ từ khí quyển.

Chu trình dinh dưỡng (nitơ, phốt pho, silica) điều khiển năng suất sinh học biển. Nitrat (NO₃⁻) và phốt phát (PO₄³⁻) do quá trình phân giải chất hữu cơ và hoạt động vi sinh vật cung cấp cho sinh vật phù du phát triển. Quá trình phân hủy tại tầng đáy và tái tuần hoàn qua upwelling duy trì nồng độ dinh dưỡng ổn định ở vùng ven bờ.

Chất dinh dưỡng	Nguồn gốc	Vai trò sinh học
Nitrat (NO₃⁻)	Phân hủy xác sinh vật, khí quyển	Thúc đẩy sinh trưởng vi tảo
Phốt phát (PO₄³⁻)	Trầm tích, hoạt động vi sinh	Thành phần ADN, ATP
Silica (SiO₂)	Bào xác vo diatom	Khung xương diatom

Sinh học biển và hệ sinh thái

Sinh vật biển phân bố theo tháp dinh dưỡng, bắt đầu từ vi tảo và động vật phù du là cơ sở của chuỗi thức ăn đại dương. Cá nhỏ, động vật giáp xác và cá lớn lần lượt chiếm các bậc tiếp theo. Hệ sinh thái ven bờ như rạn san hô, rừng ngập mặn và cỏ biển là nơi sinh sản và ẩn náu của nhiều loài, đồng thời bảo vệ bờ biển khỏi xói lở.

Tác động của biến đổi khí hậu, ô nhiễm và đánh bắt quá mức đã làm thay đổi cấu trúc cộng đồng sinh vật. Hiện tượng tẩy trắng san hô do nước ấm, giảm oxy đáy do phú dưỡng và suy giảm đa dạng loài đòi hỏi biện pháp quản lý zòn bảo tồn biển, đánh giá liên tục thông qua khảo sát hiện trường và viễn thám.

• Phù du thực vật: Điều khiển chu trình carbon qua quang hợp.
• Hệ sinh thái ven bờ: Rạn san hô, rừng ngập mặn, đầm phá.
• Đa dạng sinh học: Sự phong phú gen, loài, hệ sinh thái đóng vai trò bền vững.

Địa chất biển và kiến tạo mảng

Sự hình thành đáy đại dương gắn liền với kiến tạo mảng và hoạt động lòng đất. Giữa các mảng kiến tạo là hệ châu thổ đại dương (mid-ocean ridges) xuất hiện đá bazan mới, trong khi tại rãnh đại dương (ocean trenches) mảng này bị hút chìm xuống sâu thẳm. Quá trình này giải phóng nhiệt và khoáng chất, tạo khu vực thủy nhiệt (hydrothermal vents) với hệ sinh thái đặc thù dựa vào vi sinh vật kị khí.

Trầm tích biển tích lũy qua hàng triệu năm chứa thông tin khí hậu và sinh vật cổ đại. Phân tích mẫu lấy từ khoang trầm tích (sediment cores) sử dụng đồng vị carbon và silic tảo biển để tái tạo biến đổi nhiệt độ và mức CO₂ trong quá khứ. Tài nguyên khoáng sản như polymetallic nodules và hydrothermal sulfides có giá trị kinh tế cao nhưng đòi hỏi khảo sát và đánh giá tác động môi trường thận trọng.

Đặc điểm	Mid-ocean ridges	Ocean trenches
Vị trí	Giữa mảng phân kỳ	Ranh giới mảng hội tụ
Địa chất	Đá bazan mới	Trầm tích sâu, đá biến chất
Sinh thái	Thủy nhiệt vents	Ít sinh vật mặt biển

Biến đổi khí hậu và vai trò của đại dương

Đại dương hấp thụ khoảng 90% nhiệt dư thừa và hơn 25% lượng CO₂ do hoạt động con người thải ra. Quá trình này giảm nhẹ hiệu ứng nhà kính nhưng dẫn đến axit hóa biển, ảnh hưởng tới vỏ vôi sinh vật phù du và chuỗi thức ăn. Tăng nhiệt độ nước mặt gây tẩy trắng san hô, dịch chuyển phân bố loài và thay đổi quá trình trao đổi khí quyển—đại dương.

Mực nước biển dâng do băng tan và giản nở nhiệt của nước biển đe dọa khu vực ven bờ và hạ lưu sông. Dự báo IPCC giai đoạn 21–30 thế kỷ 21 cho thấy mức tăng 0,3–1,1 m tùy kịch bản phát thải. Quản lý bền vững và giảm phát thải CO₂ là cần thiết để giảm thiểu tác động lên cộng đồng ven biển và hệ sinh thái nhạy cảm.

• Hấp thụ nhiệt: Giảm dao động nhiệt độ khí quyển.
• Axit hóa biển: Giảm pH xuống ~0,1 đơn vị kể từ 1850.
• Dâng mực nước: Trung bình 3,3 mm/năm ghi nhận 1993–2020.

Công nghệ và phương pháp nghiên cứu hải dương

Tàu nghiên cứu trang bị sonar đa tia (multibeam) cho phép lập bản đồ đáy biển độ phân giải cao. Thiết bị CTD (Conductivity–Temperature–Depth) đo đồng thời nhiệt độ, độ mặn và áp suất theo độ sâu. Phao ARGO tự động lặn và nổi theo chu trình để thu thập dữ liệu nhiệt–độ mặn ở tầng mặt đến sâu 2.000 m.

Vệ tinh altimetry đo độ cao mặt biển, sóng và dòng biển với độ phân giải km, kết hợp quan sát chlorophyll từ cảm biến quang học để giám sát sinh học biển. Mô hình số hải lưu—khí hậu (ocean–atmosphere coupled models) sử dụng siêu máy tính để dự báo biến đổi dài hạn và dao động nhiệt El Niño—La Niña.

Ứng dụng và thách thức

Nghiên cứu hải dương hỗ trợ dự báo thời tiết, cảnh báo sóng thần, quản lý nguồn lợi thủy sản và bảo tồn đa dạng sinh học. Thông tin hải dương còn phục vụ xây dựng chính sách biến đổi khí hậu, hoạch định vùng ngập lụt ven biển và phát triển năng lượng tái tạo (gió ngoài khơi, thủy triều).

Thách thức bao gồm ô nhiễm nhựa và chất độc công nghiệp, quá tải đánh bắt, acid hóa và thiếu kinh phí cho nghiên cứu đại dương sâu. Hợp tác quốc tế, chia sẻ dữ liệu mở và phát triển công nghệ không xâm lấn là chìa khóa vượt qua rào cản để bảo vệ “lá phổi xanh” của hành tinh.

Danh mục tài liệu tham khảo

• Pinet, P. R. (2019). Invitation to Oceanography. Jones & Bartlett Learning.
• Talley, L. D., Pickard, G. L., Emery, W. J., & Swift, J. H. (2011). Descriptive Physical Oceanography. Elsevier.
• Levin, L. A., & Le Bris, N. (2015). The deep ocean under climate change. Science, 350(6262), 766–768.
• IOC UNESCO. (2022). Global Ocean Science Report. ioc.unesco.org
• IPCC. (2021). Climate Change 2021: The Physical Science Basis. ipcc.ch
• NOAA. (2023). State of the Climate: Ocean. noaa.gov
• Roemmich, D. & Owens, W. (2000). The Argo Project: global ocean observations. Oceanography, 13(2), 45–50.
• Fox-Kemper, B. et al. (2021). Ocean, cryosphere and sea level change. In: IPCC Sixth Assessment Report.