Tại sao nước biển lại mặn?

Nước biển mặn đến mức nào?

Hãy dùng một thí nghiệm nho nhỏ để xem nước biển mặn đến mức độ nào. Hãy lấy một cốc nước lọc bình thường, dĩ nhiên là bạn có thể uống cốc nước một cách ngon lành. Giờ hãy cho thêm vào đó một ít muối, bạn bắt đầu cảm thấy vị mặn những có thể vẫn uống được một ít do độ mặn chưa đạt đến ngưỡng chịu đựng của bạn. Giờ hãy tiếp tục cho thêm thật nhiều muối vào và chắc chắn ly nước bây giờ đã không thể nào uống được nữa.

Vị giác của bạn sẽ kịch liệt phản đối với bạn rằng ly nước này quá mặn để uống. Nước biển cũng tương tự như vậy, con người không thể nào uống được. Nước biển hoàn toàn đối lập với nước lọc mà chúng ta vẫn dùng hàng ngày. Nó có chứa rất nhiều loại hợp chất hòa tan bên trong và cơ thể con người không thể nào chấp nhận được.

Vậy nước biển mạn đến mức nào? Một vài nhà hóa học đã ước tính rằng các đại dương trên Trái Đất có chứa hơn 50 triệu tỷ tấn chất hòa tan. Nếu muối trong nước biển có thể được tách ra và mang lên mặt đất, nó sẽ tạo ra một lớp dày tới 152 mét trải đều khắp các lục địa. Chiều cao này tương đương với một tòa nhà 40 tầng hiện nay.

Hãy thử so sánh lượng muối của nước biển so với lượng muối chứa trong nước tại ao hồ. Trong 28 lít nước biển có chứa khoảng 1kg muối. Trong khi đó, nước tại một hồ nước thông thường chỉ chứa khoảng 4,54 gram muối các loại. Do đó, về mặt tính toán thì chúng ta có thể suy ra rằng, nước biển mặn hơn nước ngọt trong hồ khoảng 220 lần.

Điều trên đã dấy lên một sự tò mò của các nhà khoa học: Tại sao nước ngọt trong sông suối khi chảy ra biển lại có vị mặn? Vậy nguồn gốc của biển và "muối" chứa trong nó từ đâu mà có? Làm cách nào để giải thích nguồn gốc các thành phần hóa học với trữ lượng khổng lồ trong nước biển? Tất cả đều này và các câu hỏi khác có liên quan đều được các nhà khoa học tìm kiếm câu trả lời.

Nguồn gốc của đại dương

Đại dương (hay biển) trên hành tinh của chúng ta bao gồm: Bắc và Nam Thái Bình Dương, Bắc và Nam Đại Tây Dương, Ấn Độ Dương, Bắc Băng Dương và vùng biển Nam Cực. Dựa vào các hóa thạch sinh vật cổ đại được tìm thấy dưới đáy biển, các nhà khoa học đã dự đoán rằng đại dương có tuổi vào khoảng hơn 500 triệu năm. Cho đến nay vẫn có nhiều giả thuyết lý giải cho nguồn gốc của đại dương. Dù vậy, vẫn chưa có giả thuyết nào có thể lý giải toàn bộ các khía cạnh của vấn đề.

Nhiều nghiên cứu về Trái Đất đồng ý với giả thuyết rằng, cả khí quyển và đại dương đều được tích lũy dần dần từ thời điểm kiến tạo địa chất thông qua quá trình "loại khí" của Trái Đất. Theo lý thuyết này, các đại dương được bắt nguồn từ hơi nước và các loại khí khác thoát ra từ mắcma nóng chảy của Trái Đất. Sau đó bay lên cao và được làm lạnh thành mây bao phủ bên trên.

Sau khi bề mặt Trái Đất nguội đi dưới điểm sôi của nước, mưa bắt đầu rơi và rơi liên tục trong nhiều thế kỷ tiếp theo. Sau khi toàn bộ lượng nước rơi xuống, nó bao phủ hầu như toàn bộ bề mặt Trái Đất và đại dương nguyên sinh đầu tiên ra đời. Đồng thời, lúc bấy giờ nước cũng được trọng lực giữ lại nên không bị rơi ra khỏi Trái Đất.

Nguồn gốc của muối

Nước biển là một hỗn hợp phức tạp của các loại muối khoáng và hợp chất từ xác sinh vật biển bị phân hủy. Hầu hết muối khoáng trên đại dương được tích tụ dần dần. Đây là kết quả từ các quá trình làm nguội mắcma trên vỏ Trái Đất bởi phong hóa và xối mòn. Khi núi được hình thành, nước mưa, các dòng suối đã mang các loại khoáng chất từ trên đất liền đổ ra biển và tích tụ dần thành một lượng lớn như ngày nay.

Một số loại muối trong đại dương cũng có nguồn gốc từ trong đá và các trầm tích bên dưới đáy biển. Một nguồn muối khác của đại dương là từ các loại chất rắn và khí thoát ra khỏi vỏ Trái Đất bằng các miệng núi lửa. Núi lửa sẽ mang các loại hợp chất bên trong lòng Trái Đất thoát ra bên ngoài và tích tụ lại trong đại dương.

Nếu nước ngọt chảy ra biển, vậy tại sao nước biển vẫn mặn?

Lượng nước ngọt từ sông Amazon, Mississippi, Mê Kông,... ngày đêm đều tuôn đổ ra Thái Bình Dương, Đại Tây Dương,... và tất cả nước biển đều mặn. Tại sao nước trong đại dương không bị dòng nước ngọt làm loãng ra? Lý do vị mặn của đại dương là kết quả của nhiều quá trình tự nhiên, lượng muối bên trong đại dương chỉ là 1 trong những yếu tố tạo nên vị mặn này.

Vào lúc ban đầu, biển cổ đại chỉ có chứa một lượng nhỏ muối và chưa đạt được độ mặn như ngày nay. Nhưng sau khi những cơn mưa đầu tiên xối xuống Trái Đất trẻ vào hàng trăm triệu năm trước, dòng nước đã phá vỡ các lớp địa chất và vận chuyển những loại khoáng sản ra biển. Kể từ đó, đại dương bắt đầu dần dần mặn hơn. Người ta ước tính rằng những con sông và suối từ Mỹ chảy ra biển hàng năm đã mang theo 225 triệu tấn chất rắn hòa tan và 523 triệu tấn trầm tích để cung cấp cho đại dương.

Trong một tính toán mới đây đã cho thấy rằng khối lượng các chất rắn hòa tan từ đất chiếm khoảng 2,3 tấn trên 1 km vuông đất tại Úc cho tới 46,3 tấn trên 1km² đất tại châu Âu. Theo ước tính, tất cả các con sông trên thế giới đã mang theo 4 tỷ tấn muối khoáng hòa tan ra biển mỗi năm. Lượng muối này sẽ nằm lại dưới đáy đại dương và dần hình thành nên những lớp trầm tích mới. Nói cách khác, lượng muối đi vào và đi ra tất cả cá đại dương trên Trái Đất hiện tại luôn được cân bằng.

Như vậy, lượng muối đi vào đại dương dưới dạng hòa tan và đi ra đại dương dưới dạng trầm tích vẫn chưa giải thích được nguồn gốc vị mặn của nước biển. Chúng ta vẫn biết, muối luôn tập trung ở biển và không thể di chuyển theo hơi nước. Khi mặt trời truyền nhiệt xuống mặt biển, hơi nước gần như tinh khiết bốc lên cao nhưng lượng muối khoáng vẫn nằm lại biển. Quá trình này là 1 phần của vòng tuần hoàn liên tục diễn ra giữa Trái Đất mà khi quyển: Vòng tuần hoàn của nước.

Hơi nước bốc lên từ bề mặt đại dương và được những cơn gió mang tới nơi khác. Khi hơi nước gặp được khối không khí lạnh hơn ở trên cao, nó ngưng tụ lại (chuyển từ thể khí sang thể lỏng) và rơi xuống mặt đất tạo thành mưa. Mưa trên đất liền được quy lại bởi các dòng sông, suối và cuối cùng lại chảy ra biển. Và chu trình cứ thế lại diễn ra liên tục. Chính vì lý do đó, nước tại các con sông trên đất liền không có vị mặn, nhưng khi chảy ra biển lại tiếp tục hòa tan lượng muối vẫn còn dưới biển và tiếp tục có vị mặn. Trên thực tế, kể từ khi những cơn mưa đầu tiên rơi xuống, biển đã dần trở nên mặn hơn.

Nước biển không hề đơn giản

Các nhà khoa học đã nghiên cứu về nước biển trong nhiều thế kỷ nay. Dù vậy, cho đến nay họ vẫn chưa hoàn toàn hiểu hết những thành phần hóa học của nó. Một phần nguyên nhân là do thiếu các phương pháp và quy trình đúng đắn để đo lường các thành phần trong nước biển. Nguyên nhân sâu xa cản trở quá trình nghiên cứu của các nhà khoa học chính là kích thước quá lớn của Đại dương, chiếm tới 70% bề mặt Trái Đất, và hệ thống các hợp chất hóa học hết sức phức tạp vốn có trong môi trường biển, trong số đó lại có những nguyên tố liên tục biến đổi theo chu kỳ thời gian.

Cho đến hiện nay, chỉ mới có 72 nguyên tố hóa học được phát hiện ra trong nước biển. Đây là con số rất nhỏ so với số lượng hợp chất thực sự tồn tại trong đại dương. Một số nhà khoa học cho rằng tất cả các nguyên tố hóa học tự nhiên của Trái Đất đều tồn tại trong nước biển. Đồng thời, các nguyên tố này cũng kết hợp với nhau bằng nhiều cách khác nhau ở cả 2 dạng hòa tan, hoặc kết tủa thành những chất lắng đọng dưới đáy biển và hình thành nên trầm tích. Tuy nhiên, ngay cả khi đã được kết tủa, các hợp chất này vẫn có khả năng thay đổi thành phần hóa học do phải luôn chịu sự tác động của các quá trình diễn ra liên tục trong môi trường biển.

Độ mặn của nước biển có sự thay đổi

Các nhà đại dương học đã dùng đơn vị phần nghìn (o/oo) để đo lường về độ mặn (tính chung tất cả các loại muối) và nồng độ của một số thành phần đặc biệt trong nước biển như NaCl, Natri, Magie,... Theo đó, khi nói độ mặn 35 o/oo có nghĩa là 35 pound (15kg) muối trong 1000 pound nước biển. Tương tự, nồng độ NaCl 10 o/oo có nghĩa là có 10 pound NaCl trong 1000 pound nước biển.

Độ mặn của nước biển cũng có sự biến thiên. Nó phụ thuộc vào các yếu tố như mức độ băng tan, lượng nước chảy từ sông suối, mức độ bay hơi, lượng mưa, tuyết rơi, gió, chuyển động của sóng và chuyển động của các dòng hải lưu. Tất cả các yếu tố đó đều gây ra sự khác nhau về độ mặn của nước biển tại nhiều khu vực khác nhau trên thế giới.

Nước biển mặn nhất...

Vùng biển có độ mặn nhất (40 o/oo) thuộc về biển Đỏ và khu vực vịnh Ba Tư. Đây là 2 khu vực có tốc độ bay hơi của nước biển cao nhất. So sánh giữa các đại dương lớn với nhau, Đại Tây Dương có mức độ mặn của nước biển lớn nhất với độ mặn trung bình vào khoảng 37,9 o/oo. Chỉ tính riêng Bắc Đại Tây Dương, biển Sargasso là khu vực có độ mặn lớn nhất với diện tích vào khoảng 5,18km². Độ mặn khá cao của nước biển tại khu vực này một phần là do nhiệt độ. Vùng biển này có nhiệt độ khá cao (vào khoảng 28^oC). Điều này tạo làm cho nước có tỷ lệ bay hơi cao. Thêm vào đó, khu vực biển này cách đất liền khá xa (cách đảo Canary khoảng 2000 km về phía tây) nên cũng không nhận được nguồn nước ngọt từ sông suối.

Biển Đen - Nơi có độ mặn nước biển bậc nhất thế giới​

Nơi có độ mặn của nước biển thấp nhất thuộc về khu vực biển Bắc cực và Nam Cực. Nguyên nhân đây là khu vực có nhiệt độ thấp, hơn nữa, nước biển luôn được pha loãng bởi băng tan chảy và mưa liên tục. Những vịnh nhỏ ven biển cũng có độ mặn thấp hơn so với mức trung bình. Điển hình như biển Baltic (độ mặn từ 5 đến 15 o/oo), biển Đen (độ mặn dưới 20 o/oo)... Phần lớn những khu vực biển này đều được bổ sung nguồn nước ngọt mới khối lượng vài tỷ tấn mỗi ngày.

Tương tự, độ mặn của những vùng biển dọc theo miền duyên hải của các quốc gia cũng có độ mặn thay đổi tương ứng với thời gian trong năm và vị trí địa lý của nó. Điển hình như khu vực ven biển tại bang Miami, Hoa Kỳ. Độ mặn của nước biển thay đổi từ 34,8 o/oo vào tháng 10 và đạt mức 36,4 o/oo vào tháng 5, tháng 6. Trong khi đó, với những khoảng thời gian tương tự thì bờ biển Astoria, bang Oregon lại có độ mặn của nước biển là 0,3 o/oo vào tháng 4,5 và đạt mức 2,6 vào tháng 10.

Nguyên nhân cho sự khác nhau là do vùng ven biển Miami ít bị pha loãng bởi nước ngọt hơn so với khu vực biển Astoria. Còn vùng biển Astonia lại được pha loãng do nguồn nước ngọt từ sông Columbia cung cấp.

Nhìn chung, thành phần muối chứa trong nước biển từ các nguồn có sẵn từ trước và từ nhiều nguồn trên đất liền. Điều này làm cho độ mặn của nước biển thường vào khoảng từ 22 o/oo đến dưới 38 o/oo. Trên toàn thế giới, độ mặn trung bình của nước biển là khoảng 35 o/oo. Đây là độ mặn trung bình được nhà khoa học William Dittmar ước tính hồi năm 1884 từ việc phân tích 77 mẫu nước biển tại nhiều nơi khác nhau trên thế giới trong cuộc thám hiểm khoa học do Anh thực hiện.

Cuộc thám hiểm khoa học được Chính phủ Anh thực hiện do sự đề xuất của hiệp hội khoa học hoàng gia nhằm nghiên cứu sinh vật biển, kiểm tra các tính chất hóa học và vật lý của biển, khảo sát các chất hóa học dưới đáy đại dương và theo dõi nhiệt độ của nước biển. Cuộc hành trình bắt đầu vào năm 1872 và kết thúc sau 4 năm lênh đênh trên biển với hải trình dài 68.890 hải lý. Cho đến hiện nay, đây là cuộc thám hiểm biển có thời gian trên biển dài nhất.

77 mẫu nước biển do Dittmar từng thu thập lại đã được ông phân tích thành phần hóa học (các thành phần chủ yếu) và được ghi nhận lại. Cho đến nay, đây vẫn là những mẫu nước biển được thu thập lại từ nhiều vùng biển nhất. Trong những nghiên cứu được thực hiện gần đây, các nhà khoa học đã phân tích và thực hiện lấy mẫu lại bằng sự hỗ trợ của các phương tiện khoa học kỹ thuật. Kết quả thu thập được từ những thí nghiệm này cho thấy ghi chú của Dittmar có độ chính xác khá cao. Kết quả thành phần của 77 mẫu nước biển được ghi nhận lại theo bảng bên dưới đây:

Sự khác nhau về thành phần nước sông và nước biển

Từ bảng phân tích trên cho thấy, thành phần của nước biển bao gồm nhiều loại hợp chất khác nhau. Natri và Clo (kết hợp thành NaCl, thường được thấy dưới dạng muối ăn) chiếm 85% thành phần chất hòa tan trong nước biển. Đây chính là nhân tố chủ yếu tạo nên vị mặn của nước biển. Qua so sánh với nước từ sông, ta nhận thấy rằng sông suối đã mang đến nước biển lượng Canxi nhiều hơn Clo. Dù vậy, các đại dương vẫn chứa lượng Clo gấp 46 lần so với Canxi.

Bên cạnh đó, nước sông có chứa một lượng Silicat và hợp chất sắt trong khi nước biển thì không. Hợp chất Canxi Bicacbonat chiếm gần 50% các chất rắn hòa tan chứa trong nước sông nhưng vẫn chứa ít hơn 2% so với nước biển.

Các sinh vật sống dưới biển có ảnh hưởng thế nào đến thành phần nước biển?

Từ việc so sánh sự khác nhau giữa nước sông và nước biển, chúng ta có thể phần nào lý giải được ảnh hưởng của các sinh vật biển đến thành phần của nước biển. Như ta đã biết, nước biển không chỉ đơn thuần là dung dịch muối mà còn chứa nhiều chất khác có nguồn gốc từ sinh vật biển. Các sinh vật biển đồng thời cũng sử dụng các chất trong nước biển trong hoạt động sống của mình. Các loại động vật thân mềm (hàu, trai, ốc,...) có khả năng trích xuất canxi từ nước biển để tạo nên vỏ và xương. Tương tự, nhiều loại sinh vật phù du và giáp xác cũng sử dụng canxi từ biển để tạo nên bộ xương cho mình.

Đồng thời, các loại sinh vật phù du cũng ảnh hưởng đến thành phần nước biển bởi các chất thải mà nó tạo thành. Ngoài ra, một số loài động vật có khả năng liên tục tiết ra các hợp chất do chúng tạo thành nhằm tránh bị kẻ thù phát hiện. Tôm hùm có khả năng kết hợp đồng và cobalt. Vài loại ốc có khả năng tiết ra chì. Bọt biển lại có khả năng chiết xuất nên vanadi đồng thời chúng cũng có tách iodine từ nước biển.

Do đó, các sinh vật sống dưới biển cũng có ảnh hưởng không nhỏ tới thành phần của nước biển. Tuy nhiên, có một vài nguyên tố hóa học từ biển mà không một sinh vật nào có thể phân giải được. Điển hình như cho đến nay, con người chưa tìm thấy loài sinh vật nào có thể loại nguyên tố Natri ra khỏi nước biển.

Tỷ lệ các thành phần chính của nước biển gần như không đổi

Hầu như, tỷ lệ của các thành phần chính trong nước biển tại khắp nơi trên thế giới là không thay đổi. 77 mẫu nước biển của Dittmar cho thấy hầu như không có sự khác biệt rõ rệt về thành phần tương đối và tỷ trọng của chúng trong nước biển tại nhiều nơi khác nhau trên thế giới. Nghiên cứu phân tích đã được Dittmar thực hiện trong 9 năm liên tục và ông đã đi đến kết luận rằng NaCl, Magie, Sulfat, Canxi và Kali chiếm tới 99% các hợp chất rắn hòa tan trong nước.

Nói cách khác, kết quả trên cho thấy: mặc dù độ mặn và tổng số muối chứa chứa bên trong nước biển có sự khác nhau giữa các nơi trên thế giới, nhưng tỷ lệ của các thành phần chính (như NaCl là một ví dụ) trong tổng số các hợp chất là gần như không đổi. Tuy nhiên, tỷ lệ các nguyên tố khác không phổ biến như nhôm, đồng, thiếc,... cũng như các chất khí hòa tan như Oxi, CO₂, Nitơ có sự khác biệt giữa các vùng nước biển khác nhau. Dù vậy, do các thành phần chính của nước biển hầu như không có sự khác biệt nên các nhà khoa học có thể dựa vào đây để đánh giá tổng quát tác động của các nhân tố nhiệt độ, áp suất,... đến độ mặn của nước biển.

Kết

Nguyên nhân của độ mặn của nước biển bắt nguồn từ sự tích tụ dần dần các hợp chất bị xối mòn trên vỏ Trái Đất và trôi xuống biển. Các chất rắn và khí thoát ra từ miệng núi lửa trên đất liền cũng được gió đưa xuống với đại dương. Các hợp chất được giải phóng từ những lớp trầm tích dưới đáy đại dương cũng góp phần vào độ mặn của nước biển như hiện nay.

Độ mặn của nước biển có thể được tăng lên hoặc giảm đi phụ thuộc vào nhiệt độ mặt biển, lượng mưa và vị trí địa lý của vùng biển đó có nhận được lượng nước ngọt dồi dào hay không. Độ mặn trung bình của nước biển là 35 o/oo và nơi có độ mặn cao nhất là Biển Đỏ và Vịnh Ba Tư với độ mặn kỷ lục là 40 o/oo. Những nơi có độ mặn thấp nhất thường là khu vực biển ở 2 cực, vùng nước ven biển hoặc gần cửa các con sông lớn.

Nước biển không chỉ mặn hơn so với nước sông mà thành phần và tỷ lệ của các loại muối hòa tan bên trong cũng khác nhau. NaCl (muối ăn) chứa 85% các chất rắn hòa tan trong nước biển. Đây chính là nguyên nhân cho độ mặn đặc trưng của nước biển.

Trên đây chính là tóm tắt lại những nguyên nhân lý giải cho vì sao nước biển lại có vị mặn như hiện tại. Thông qua việc đi tìm câu trả lời cho câu hỏi, chúng ta đã có dịp điểm lại lịch sử hình thành đại dương trên trái đất cho đến những thành phần hóa học của nước biển cũng như tác động của sinh vật biển đối với môi trường biển như thế nào.