Nước biển là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm nước biển

Nước biển là thành phần chính của các đại dương và biển, chiếm khoảng 71% diện tích bề mặt Trái Đất và khoảng 97% tổng lượng nước toàn cầu. Không giống như nước ngọt, nước biển chứa một tỷ lệ lớn các chất hòa tan, chủ yếu là muối khoáng, làm cho nó có vị mặn và đặc tính hóa lý khác biệt. Đây là môi trường sống quan trọng và đồng thời đóng vai trò thiết yếu trong việc điều hòa khí hậu toàn cầu thông qua trao đổi nhiệt và khí nhà kính.

Nước biển không phải là hỗn hợp đồng nhất. Tính chất của nó thay đổi tùy theo khu vực, độ sâu, nhiệt độ, và ảnh hưởng của các yếu tố như dòng hải lưu, lượng mưa, bốc hơi và dòng chảy sông đổ ra biển. Các đại dương như Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương chứa khối lượng nước biển khổng lồ, đóng vai trò trung tâm trong hệ thống tuần hoàn nước toàn cầu.

Trong các nghiên cứu khoa học về đại dương học, nước biển được xem xét ở nhiều khía cạnh: thành phần hóa học, tính chất vật lý, cấu trúc tầng nước, động lực học và vai trò sinh học. Mỗi yếu tố này đều có ảnh hưởng lớn đến hệ sinh thái biển và các quá trình khí hậu toàn cầu như tuần hoàn nhiệt muối, hấp thụ CO₂ và phản xạ bức xạ mặt trời.

Thành phần hóa học của nước biển

Thành phần hóa học của nước biển chủ yếu bao gồm nước (H₂O) và muối hòa tan. Trung bình, nước biển chứa khoảng 96,5% H₂O và 3,5% muối (tính theo khối lượng). Các muối chính gồm:

• Ion chloride (Cl⁻): khoảng 55%
• Ion sodium (Na⁺): khoảng 30,6%
• Ion sulfate (SO₄²⁻): khoảng 7,7%
• Ion magnesium (Mg²⁺): khoảng 3,7%
• Ion calcium (Ca²⁺): khoảng 1,2%
• Ion potassium (K⁺): khoảng 1,1%

Ngoài các ion chính, nước biển còn chứa nhiều chất vi lượng như stronti, brom, bor, sắt, kẽm, đồng và mangan. Những nguyên tố này có thể chỉ tồn tại với nồng độ phần triệu (ppm) hoặc phần tỷ (ppb), nhưng lại có vai trò thiết yếu trong hoạt động sinh học và hóa học của môi trường biển. Một số chất khí như oxy (O₂), carbon dioxide (CO₂) và nitơ (N₂) cũng được hòa tan trong nước biển và tham gia vào các chu trình sinh học như hô hấp, quang hợp và trao đổi khí với khí quyển.

Bảng dưới đây trình bày nồng độ tương đối của các ion chính trong nước biển trung bình:

Ion	Công thức	Tỷ lệ trong tổng lượng muối (%)
Clorua	Cl⁻	55,0
Natri	Na⁺	30,6
Sunfat	SO₄²⁻	7,7
Magiê	Mg²⁺	3,7
Canxi	Ca²⁺	1,2
Kali	K⁺	1,1

Tính chất vật lý của nước biển

Các tính chất vật lý của nước biển ảnh hưởng trực tiếp đến hành vi thủy động lực học, truyền năng lượng và cấu trúc sinh thái. Mật độ (density) của nước biển trung bình khoảng 1025 kg/m³, cao hơn nước ngọt do hàm lượng muối hòa tan. Mật độ nước biển phụ thuộc vào nhiệt độ, độ mặn và áp suất, trong đó nhiệt độ giảm và độ mặn tăng sẽ làm tăng mật độ.

Nhiệt độ đông đặc của nước biển thấp hơn nước ngọt. Trong điều kiện độ mặn 35 ‰, điểm đóng băng của nước biển vào khoảng –1,9°C. Nước biển cũng có nhiệt dung riêng cao, khoảng 3.99 J/g·K, giúp đại dương hấp thu và giữ nhiệt lâu hơn so với đất liền, điều hòa nhiệt độ khí hậu toàn cầu. Tính dẫn điện của nước biển cao do sự hiện diện của các ion hòa tan, được sử dụng trong đo độ mặn bằng các thiết bị cảm biến điện dẫn (conductivity sensors).

Độ nhớt, chiết suất, và áp suất thẩm thấu của nước biển cũng khác biệt so với nước ngọt và thay đổi theo điều kiện môi trường. Những đặc tính này ảnh hưởng đến chuyển động của các lớp nước và phân tầng đại dương, cũng như điều kiện sống của các sinh vật biển. Ngoài ra, chúng còn liên quan đến thiết kế kỹ thuật hàng hải, khai thác tài nguyên và đo đạc hải dương học.

Độ mặn và sự biến thiên

Độ mặn (salinity) là chỉ số biểu thị lượng muối hòa tan trong nước biển, thường được đo bằng phần nghìn (‰ – parts per thousand) hoặc đơn vị PSU (Practical Salinity Unit). Trong nước biển tiêu chuẩn, độ mặn trung bình là 35 ‰, nghĩa là cứ 1 kg nước biển chứa khoảng 35 g muối. Độ mặn không được đo trực tiếp bằng nồng độ mà thông qua điện dẫn, tỉ trọng hoặc khúc xạ.

Công thức tính đơn giản như sau: $S = \frac{m_{\text{muối}}}{m_{\text{nước biển}}} \times 1000$

Độ mặn thay đổi theo vị trí địa lý, độ sâu, khí hậu và dòng chảy. Một số ví dụ về độ mặn trung bình ở các vùng nước:

• Đại Tây Dương: 36 ‰
• Thái Bình Dương: 34,5 ‰
• Biển Chết: ~340 ‰
• Biển Baltic: 5–15 ‰
• Cửa sông Amazon: < 10 ‰

Các quá trình như bốc hơi, mưa, tan băng và dòng sông góp phần thay đổi độ mặn cục bộ. Tại vùng vĩ độ cao, độ mặn thường thấp hơn do lượng mưa và băng tan nhiều, trong khi các vùng nhiệt đới khô hạn có độ mặn cao hơn do bốc hơi mạnh.

Sự tuần hoàn và chuyển động của nước biển

Nước biển di chuyển liên tục thông qua hệ thống dòng chảy bề mặt, dòng chảy sâu, sóng, thủy triều và hiện tượng phân tầng nhiệt độ. Sự chuyển động này là một phần của hệ tuần hoàn đại dương toàn cầu (Global Conveyor Belt), còn gọi là "băng chuyền nhiệt muối" (thermohaline circulation), vận chuyển nhiệt và chất dinh dưỡng giữa các đại dương.

Các yếu tố điều khiển sự luân chuyển của nước biển bao gồm:

• Chênh lệch nhiệt độ và độ mặn
• Gió toàn cầu (ví dụ: gió Mậu dịch)
• Lực Coriolis do quay của Trái Đất
• Hình dạng đáy đại dương và bờ biển

Bảng phân loại các loại chuyển động chính:

Loại chuyển động	Tác nhân	Ảnh hưởng chính
Hải lưu bề mặt	Gió, Coriolis	Phân phối nhiệt
Dòng chảy đáy	Chênh lệch nhiệt độ, độ mặn	Vận chuyển dinh dưỡng
Sóng biển	Gió	Trộn lớp nước mặt
Thủy triều	Lực hấp dẫn Mặt Trăng, Mặt Trời	Thay đổi mực nước theo chu kỳ

Sinh vật và hệ sinh thái trong nước biển

Nước biển là môi trường sống của hàng triệu loài sinh vật, từ vi sinh vật (vi khuẩn, virus, tảo phù du) đến cá voi, san hô và động vật đáy sâu. Đa dạng sinh học biển cực kỳ phong phú và được chia theo chiều sâu thành các tầng sinh thái biển với điều kiện ánh sáng và áp suất khác nhau.

Các tầng sinh thái cơ bản gồm:

• Tầng euphotic (0–200 m): có ánh sáng mặt trời, nơi quang hợp xảy ra
• Tầng disphotic (200–1000 m): ánh sáng yếu, không đủ cho quang hợp
• Tầng aphotic (>1000 m): không có ánh sáng, nhiệt độ thấp, áp suất cao

Các hệ sinh thái biển quan trọng gồm rạn san hô, thảm cỏ biển, vùng cửa sông và vùng nước sâu. Những hệ sinh thái này không chỉ duy trì đa dạng sinh học mà còn cung cấp thực phẩm, điều hòa khí hậu và bảo vệ bờ biển khỏi xói mòn. Theo [NOAA](https://www.noaa.gov/), khoảng 50% oxy trên Trái Đất được sản sinh bởi sinh vật phù du trong nước biển.

Vai trò của nước biển trong chu trình địa hóa

Nước biển tham gia vào nhiều chu trình sinh – địa – hóa học quan trọng của Trái Đất như chu trình carbon, nitơ, oxy và photpho. Trong chu trình carbon, nước biển hấp thụ CO₂ từ khí quyển thông qua quá trình hòa tan và quang hợp của thực vật phù du. Phản ứng hòa tan CO₂: $CO_2 + H_2O \leftrightarrow H_2CO_3 \leftrightarrow H^+ + HCO_3^-$

Biển sâu còn đóng vai trò là nơi tích lũy carbon lâu dài dưới dạng xác sinh vật, trầm tích hữu cơ và cacbonat. Quá trình lắng đọng và tái cung cấp dinh dưỡng thông qua dòng chảy lên (upwelling) giúp duy trì năng suất sinh học của vùng nước mặt.

Hệ thống tuần hoàn toàn cầu tạo ra các “băng chuyền” vận chuyển oxy và khoáng chất đến những vùng biển sâu, nơi không có ánh sáng. Đây là cơ sở cho các hệ sinh thái kỵ khí và các loài đặc hữu phát triển trong điều kiện khắc nghiệt.

Tác động của con người lên nước biển

Các hoạt động công nghiệp, đô thị và nông nghiệp đang gây ra hàng loạt vấn đề nghiêm trọng cho nước biển như ô nhiễm nhựa, kim loại nặng, hợp chất hữu cơ độc hại và hiện tượng phú dưỡng. Ngoài ra, khai thác tài nguyên như dầu mỏ, khí tự nhiên và khai thác khoáng sản đáy biển cũng gây tác động sinh thái lớn.

Một vấn đề toàn cầu là hiện tượng axit hóa đại dương. CO₂ từ khí quyển hòa tan vào nước biển tạo ra acid carbonic, làm giảm pH và ảnh hưởng đến sinh vật có vỏ canxi như san hô và động vật thân mềm. Theo [IPCC](https://www.ipcc.ch/srocc/), pH trung bình của đại dương đã giảm từ 8.2 xuống 8.1 kể từ thời kỳ tiền công nghiệp.

Danh sách các tác động chính:

• Ô nhiễm nhựa vi mô (microplastic)
• Suy giảm rạn san hô do nhiệt độ và pH
• Biến đổi dòng hải lưu do ấm lên toàn cầu
• Vùng nước chết do thiếu oxy (hypoxia)

Công nghệ khai thác và xử lý nước biển

Nước biển không chỉ là tài nguyên sinh thái mà còn là nguồn nước, năng lượng và khoáng sản quý. Ở nhiều quốc gia khan hiếm nước ngọt, công nghệ khử mặn đóng vai trò thiết yếu trong cung cấp nước sinh hoạt. Các phương pháp phổ biến:

1. Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis – RO)
2. Chưng cất nhiệt đa tầng (Multi-Stage Flash – MSF)
3. Sử dụng năng lượng mặt trời để bay hơi

Mặc dù hiệu quả, công nghệ khử mặn tiêu tốn năng lượng lớn và tạo ra nước thải muối đậm đặc (brine) có thể gây ảnh hưởng đến sinh vật ven biển. Ngoài ra, các công nghệ khai thác khoáng sản từ nước biển như magiê, brom và uranium đang được nghiên cứu để phát triển bền vững hơn.

Tài liệu tham khảo

1. NOAA – What is the salinity of the ocean?
2. Copernicus Marine Environment Monitoring Service
3. USGS – Ocean Water
4. IPCC – Special Report on the Ocean and Cryosphere
5. Nature – Seawater chemistry and global change
6. NOAA – Ocean Pollution Overview