Nhiều năm qua, các nhà khoa học và cộng đồng quốc tế đã ghi nhận hiện tượng kỳ lạ tại Bắc Cực: hàng loạt con sông, vốn trong xanh hoặc xám đục theo mùa, nay lại mang màu cam sặc sỡ và có phần đáng lo ngại. Ban đầu, người ta cho rằng hiện tượng này chỉ là hệ quả của biến đổi khí hậu khiến đất đai, khoáng chất bị rửa trôi. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (PNAS) đã cung cấp lời giải bất ngờ: chính băng tuyết, thứ vốn được coi là “trơ lỳ” lại đóng vai trò then chốt trong quá trình này. Trong nghiên cứu, các nhà khoa học do Jean-François Boivry, nhà hóa học thuộc Đại học Umeå (Thụy Điển) dẫn dắt, đã phát hiện ra rằng băng có thể hòa tan sắt hiệu quả hơn cả nước lỏng. Cụ thể, nhóm nhận thấy những khoáng chất sắt phổ biến, như goethite (một loại oxit sắt), giải phóng nhiều ion sắt hơn trong nước đá ở nhiệt độ -10°C so với trong nước lỏng ở 4°C. Đây là một phát hiện đi ngược lại nhận định trước đây rằng môi trường băng giá sẽ làm chậm hoặc ức chế hầu hết các phản ứng hóa học. Điều này đặt ra thách thức đối với nhiều mô hình địa hóa vốn coi băng là trạng thái “đóng băng” cả về vật chất lẫn phản ứng.
Giải thích cho hiện tượng tưởng chừng nghịch lý này, Boivry nhấn mạnh rằng băng không đơn thuần là một khối đông lạnh thụ động. Trong quá trình đóng băng, những túi nước nhỏ li ti hình thành giữa các tinh thể băng, tạo ra môi trường đặc biệt: cô đặc, có tính axit cao và đủ điều kiện để các phản ứng hóa học diễn ra mạnh mẽ. Các túi vi mao quản này chính là “phòng thí nghiệm tự nhiên” nơi sắt bị hòa tan và giải phóng. Trong môi trường băng, sự cô đặc ion dẫn đến sự thay đổi thế oxy hóa – khử, tạo điều kiện cho các phản ứng vốn khó xảy ra trong nước lỏng ở điều kiện bình thường. Chính tại đây, các hợp chất trong nước có thể phản ứng trực tiếp với khoáng chất sắt, giải phóng chúng ra ngoài, ngay cả ở mức nhiệt độ cực thấp, tới -30°C. Các thí nghiệm trong phòng lạnh cho thấy rằng không chỉ sắt, mà cả mangan và một số kim loại vi lượng khác cũng có xu hướng hòa tan cao hơn trong môi trường băng so với nước lỏng, mở ra một hướng nghiên cứu mới gọi là “cryochemistry” – hóa học trong môi trường băng. Điều này làm thay đổi quan điểm lâu đời cho rằng băng là chất trơ về mặt hóa học, và đặt nó vào trung tâm của các quá trình địa hóa toàn cầu.
Điều thú vị là các chu kỳ đóng băng – tan băng liên tiếp khiến hiệu quả hòa tan sắt tăng lên nhiều lần. Khi băng tan, các hợp chất hữu cơ bị “giam giữ” trước đó được giải phóng, kích hoạt các phản ứng bổ sung và giải phóng thêm sắt. Cơ chế này có thể ví như một “chu kỳ khuếch đại”, nơi mỗi vòng đóng băng – tan băng không chỉ lặp lại mà còn làm tăng cường lượng sắt hòa tan. Các nhà khoa học cũng lưu ý sự khác biệt quan trọng: trong khi nước ngọt và nước lợ thúc đẩy quá trình hòa tan, thì nước biển mặn lại có tác dụng ngược, ức chế việc giải phóng sắt. Đây là hiện tượng có thể giải thích bằng hóa học dung dịch: nồng độ ion Na⁺ và Cl⁻ cao trong nước biển tạo môi trường ion cạnh tranh, ảnh hưởng đến khả năng tạo phức của sắt với các hợp chất hữu cơ và do đó làm giảm khả năng hòa tan. Nhiều nghiên cứu về băng biển ở Nam Cực cũng từng ghi nhận rằng sắt trong môi trường băng mặn có xu hướng bị giữ lại nhiều hơn, thay vì giải phóng, từ đó ảnh hưởng đến năng suất sinh học của vùng nước ven bờ.
Hệ quả của cơ chế này là nguồn sắt từ đất, đá và tầng đất đóng băng vĩnh cửu liên tục bị cuốn vào sông ngòi, nhất là khi hiện tượng đóng băng – tan băng xảy ra thường xuyên hơn do biến đổi khí hậu. Angelo Pio Sebali, nghiên cứu sinh ngành hóa học tại Đại học Umeå và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Mỗi chu kỳ đều giải phóng thêm sắt từ lớp đất và băng vĩnh cửu vào trong nước. Đây là một yếu tố có thể ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước cũng như toàn bộ hệ sinh thái thủy sinh ở quy mô lớn”. Đây không chỉ là nhận định riêng lẻ mà còn được củng cố bởi các nghiên cứu trong tạp chí Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, nơi các nhà khoa học đã ghi nhận sự gia tăng bất thường của nồng độ sắt hòa tan trong các lưu vực sông Bắc Cực trong vòng 20 năm qua.
Vậy sắt liên quan gì đến màu cam kỳ lạ ở các con sông Bắc Cực? Khi sắt hòa tan tiếp xúc với oxy trong không khí, chúng dễ dàng oxy hóa và hình thành các hợp chất có màu gỉ sét, vốn mang sắc cam đặc trưng. Sự tích tụ của những hợp chất này khiến nhiều con sông, vốn chỉ được kỳ vọng thay đổi độ đục theo mùa, nay chuyển sang màu cam rực rỡ, tạo nên cảnh tượng vừa đẹp mắt nhưng cũng đầy lo âu về tác động môi trường. Hiện tượng này có sự tương đồng rõ rệt với “acid mine drainage” – thoát nước mỏ axit, nơi nước giàu pyrit và khoáng chất sulfide tiếp xúc với oxy và vi khuẩn, dẫn đến sự hình thành sắt oxyhydroxide màu cam đỏ phủ dày trên lòng sông. Tuy nhiên, khác biệt quan trọng là ở Bắc Cực, hiện tượng này không bắt nguồn từ hoạt động khai thác công nghiệp, mà từ quá trình tự nhiên được khuếch đại bởi biến đổi khí hậu. Điều này cho thấy tác động của khí hậu có thể mô phỏng lại các quá trình vốn gắn liền với tác động nhân sinh.
Nghiên cứu cũng mở ra cách hiểu mới về vai trò của băng trong hệ sinh thái. Nếu trước đây băng được coi là “bức tường chắn” thụ động, chỉ đơn giản đóng vai trò lưu trữ hoặc cô lập, thì nay nó được nhìn nhận là một “nhân tố chủ động” có thể định hình mạnh mẽ các quá trình hóa học. Tuyên bố của nhóm nghiên cứu nhấn mạnh: “Băng không chỉ là nơi lưu giữ tạm thời mà chính là một phần tích cực trong chu trình hóa học toàn cầu”. Điều này đặc biệt quan trọng khi đặt trong bối cảnh chu trình sắt toàn cầu, vốn liên quan mật thiết đến chu trình carbon và nitơ. Sắt là chất dinh dưỡng vi lượng giới hạn trong nhiều vùng đại dương, nơi sự thiếu hụt của nó kìm hãm sự phát triển của sinh vật phù du. Thuyết “Iron Hypothesis” của nhà hải dương học John Martin từng đề xuất rằng bổ sung sắt cho đại dương có thể thúc đẩy sự bùng nổ của sinh vật phù du, từ đó hấp thụ thêm CO₂ khí quyển và làm mát khí hậu. Vì vậy, việc Bắc Cực giải phóng nhiều sắt hơn có thể tác động gián tiếp đến năng suất sinh học biển, thậm chí ảnh hưởng đến chu trình carbon toàn cầu.
Phát hiện này cũng có ý nghĩa vượt ra ngoài khu vực Bắc Cực. Quá trình tương tự có thể đang diễn ra tại nhiều môi trường khác, từ các khu vực thoát nước mỏ axit, đất sunfat ven biển Baltic, đến bụi băng trong khí quyển. Trong tất cả những môi trường đó, sự tương tác giữa khoáng chất sắt và hợp chất hữu cơ đều có thể chịu tác động từ cơ chế hòa tan trong băng. Việc nhận diện được cơ chế này giúp giải thích các quan sát bất thường như sự thay đổi màu sắc nước hồ băng núi cao ở dãy Alps, hay hiện tượng lắng đọng bụi khoáng màu đỏ trên các dải băng Greenland. Ở quy mô khí quyển, bụi băng giàu khoáng chất cũng có thể tham gia vào phản ứng quang hóa, tạo thành một chuỗi phản ứng ảnh hưởng đến cân bằng hóa học của tầng đối lưu.
Điều đáng lo ngại là Bắc Cực hiện nay đang chứng kiến sự gia tăng nhanh chóng của các chu kỳ đóng băng – tan băng do nhiệt độ toàn cầu tăng. Lớp băng vĩnh cửu, vốn tồn tại hàng chục nghìn năm, đang tan chảy với tốc độ kỷ lục. Điều này không chỉ giải phóng khí metan gây hiệu ứng nhà kính, mà còn đẩy thêm lượng lớn sắt vào các dòng sông, làm thay đổi tính chất nước, tác động đến sinh vật phù du, cá, và toàn bộ chuỗi thức ăn thủy sinh. Các mô hình dự báo của IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) cho thấy rằng trong kịch bản nóng lên 2–3°C, tần suất đóng băng – tan băng sẽ tăng ít nhất 30–40% vào cuối thế kỷ XXI. Điều này đồng nghĩa với việc lượng sắt giải phóng từ các hệ thống đất – băng có thể tăng gấp đôi hoặc gấp ba, làm thay đổi hoàn toàn cân bằng dinh dưỡng của các hệ sinh thái thủy vực.
Từ những túi nước li ti trong tinh thể băng cho đến cả hệ thống sông ngòi rộng lớn, mọi quá trình đều được kết nối và bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu. Nghiên cứu trên PNAS vì thế không chỉ giải thích hiện tượng thị giác kỳ lạ mà người ta quan sát thấy, mà còn là hồi chuông cảnh báo. Khi các nhà khoa học khẳng định rằng băng là một “nhân tố chủ động”, thông điệp được gửi đi rõ ràng: những gì chúng ta coi là ổn định và bất biến hóa ra lại chính là điểm khởi phát cho những biến động môi trường lớn lao. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp, việc theo dõi sát sao các hiện tượng tưởng như nhỏ bé này lại càng trở nên quan trọng. Bởi màu cam của những con sông Bắc Cực không chỉ là màu của sắt, mà còn là màu của những thách thức môi trường đang nổi lên trước mắt nhân loại.
