Hiện tượng tự nhiên được hình thành từ những quá trình nào?

Xét theo cơ chế chi phối, các quá trình tạo nên hiện tượng tự nhiên có thể chia thành ba nhóm lớn: vật lý, hóa học và sinh học. Quá trình vật lý chủ yếu làm thay đổi chuyển động, trạng thái, năng lượng hoặc hình dạng của vật chất; quá trình hóa học làm thay đổi dạng hóa học hoặc thành phần của vật chất; quá trình sinh học xuất phát từ hoạt động của sinh vật, quần thể và hệ sinh thái. Trong thực tế, ba nhóm này thường tương tác thay vì tồn tại hoàn toàn tách biệt.

Hiện tượng tự nhiên là gì?

Một hiện tượng tự nhiên không nhất thiết phải hiếm, dữ dội hoặc nguy hiểm. Sự hình thành sương, dòng nước chảy, thủy triều lên xuống, đá bị phong hóa hay cây thoát hơi nước đều là các hiện tượng hoặc biểu hiện của quá trình tự nhiên. Thiên tai chỉ là một nhóm hiện tượng có khả năng gây thiệt hại lớn; vì vậy không nên đồng nhất “hiện tượng tự nhiên” với “thảm họa tự nhiên”.

Điểm quan trọng hơn là phân biệt hiện tượng với quá trình. Hiện tượng là biểu hiện mà con người có thể nhận biết, còn quá trình là chuỗi biến đổi tạo ra biểu hiện đó. Một trận mưa là hiện tượng; sự bay hơi, vận chuyển hơi nước, ngưng tụ và hình thành giọt nước là các quá trình dẫn tới mưa. Động đất là hiện tượng rung chuyển; sự tích lũy ứng suất và trượt đột ngột trên đứt gãy mới là cơ chế tạo nên nó.

Tốc độ cũng không quyết định một sự việc có phải hiện tượng tự nhiên hay không. Động đất có thể xảy ra trong vài giây, trong khi phong hóa đá diễn ra qua nhiều năm hoặc lâu hơn. Điều cần xác định là cơ chế tự nhiên nào đang làm vật chất, năng lượng hoặc hệ sinh vật thay đổi.

Vì sao các quá trình tự nhiên tạo ra hiện tượng quan sát được?

Mọi hiện tượng đều bắt nguồn từ một hoặc nhiều thay đổi trong hệ tự nhiên. Năng lượng được truyền từ nơi này sang nơi khác, vật chất chuyển động hoặc chuyển trạng thái, các chất phản ứng với nhau, sinh vật trao đổi vật chất với môi trường. Khi những thay đổi đó đạt đến quy mô đủ lớn hoặc thỏa mãn những điều kiện nhất định, chúng tạo thành biểu hiện có thể quan sát.

Năng lượng Mặt Trời và trọng lực là hai ví dụ về tác nhân vật lý có ảnh hưởng rộng. USGS cho biết năng lượng Mặt Trời và trọng lực là những động lực quan trọng của chu trình nước: năng lượng thúc đẩy nước bay hơi, còn trọng lực chi phối nhiều dòng vận chuyển nước trở lại bề mặt và xuống các vùng thấp hơn.

Tuy nhiên, “nguyên nhân” và “điều kiện” không phải lúc nào cũng giống nhau. Mây không xuất hiện chỉ vì trong không khí có hơi nước. Không khí ẩm còn phải đạt điều kiện thích hợp để hơi nước ngưng tụ, thường trên các hạt nhỏ đóng vai trò hạt nhân ngưng kết. Tương tự, một phản ứng phong hóa có thể cần nước và chất có tính axit, trong khi một quần thể tảo chỉ phát triển thành đợt nở hoa khi điều kiện dinh dưỡng, dòng nước và môi trường cùng thuận lợi.

NASA mô tả khí quyển, thủy quyển, địa quyển, sinh quyển và các thành phần khác của hệ Trái Đất là những hệ có tương tác phức tạp. Điều đó giải thích vì sao nhiều hiện tượng quan sát được là kết quả cuối của một chuỗi tác động chéo thay vì một nguyên nhân đơn lẻ.

Quá trình vật lý hình thành hiện tượng tự nhiên như thế nào?

Quá trình vật lý làm thay đổi trạng thái, chuyển động, áp suất, nhiệt độ, năng lượng hoặc cấu trúc cơ học của vật chất mà không nhất thiết phải làm thay đổi bản chất hóa học của nó. Hai nhóm cơ chế thường gặp là truyền năng lượng và chuyển trạng thái, cùng với lực, chuyển động và biến dạng cơ học.

Năng lượng và sự chuyển trạng thái của vật chất

Chu trình nước cho thấy rõ vai trò của biến đổi vật lý. Nước ở bề mặt nhận năng lượng và bay hơi thành hơi nước. Khi khối khí chứa hơi nước lạnh đi đủ mức, hơi nước ngưng tụ thành những giọt rất nhỏ, tạo mây. USGS xác định ngưng tụ là quá trình chuyển nước từ thể khí sang thể lỏng và là bước quan trọng trong sự hình thành mây; các giọt hoặc tinh thể sau đó có thể phát triển đủ lớn để tạo mưa, tuyết hoặc dạng giáng thủy khác.

Ở đây, nước vẫn là H₂O. Điều thay đổi chủ yếu là trạng thái, vị trí và năng lượng của các phân tử. Vì vậy, sự hình thành mây và phần lớn cơ chế của chu trình nước được xem là các quá trình vật lý, dù môi trường khí quyển có thể đồng thời chứa nhiều tương tác hóa học khác.

Lực, ứng suất và sự giải phóng năng lượng

Động đất là một ví dụ khác. Các mảng kiến tạo dịch chuyển chậm, nhưng ma sát có thể khiến hai phía của một đứt gãy tạm thời bị khóa. Ứng suất tiếp tục tích lũy cho đến khi vượt qua lực cản ma sát; đứt gãy trượt đột ngột và năng lượng được phát ra dưới dạng sóng địa chấn.

USGS mô tả chính cơ chế này và cho biết, tại khu vực California, mảng Thái Bình Dương dịch chuyển tương đối so với mảng Bắc Mỹ với tốc độ khoảng 2 inch mỗi năm, tương đương khoảng 5 cm/năm. Một chuyển động rất chậm vì thế có thể tích lũy năng lượng trong thời gian dài rồi tạo ra hiện tượng xảy ra nhanh là động đất.

Cơ chế vật lý cũng tạo ra phong hóa cơ học. Đá có thể nứt do nước trong khe đóng băng và giãn nở, do thay đổi nhiệt độ hoặc do các lực cơ học khác. Điểm phân biệt là khoáng vật bị vỡ thành phần nhỏ hơn nhưng thành phần hóa học cơ bản chưa nhất thiết thay đổi.

Quá trình hóa học hình thành hiện tượng tự nhiên như thế nào?

Quá trình hóa học xuất hiện khi các chất tương tác làm thay đổi dạng hóa học của vật chất. Các cơ chế thường gặp trong tự nhiên gồm oxy hóa, hòa tan khoáng vật, thủy phân, phản ứng axit–bazơ và kết tủa. Chúng phụ thuộc vào loại vật chất có mặt cũng như những điều kiện như nước, oxy, độ axit, nhiệt độ và thời gian tiếp xúc.

Phản ứng hóa học có thể biến đổi đá và khoáng vật

Phong hóa hóa học minh họa rõ sự khác biệt với phong hóa vật lý. National Park Service phân biệt phong hóa cơ học là quá trình làm đá vỡ mà không thay đổi thành phần hóa học của khoáng vật, trong khi phong hóa hóa học làm ít nhất một phần khoáng vật trong đá biến đổi về mặt hóa học.

Nước có tính axit nhẹ có thể phản ứng với một số khoáng vật và đưa các thành phần hòa tan vào dung dịch. Oxy cũng có thể phản ứng với khoáng vật chứa sắt, tạo ra các dạng oxy hóa khác. Vì sản phẩm sau phản ứng không còn hoàn toàn giống vật chất ban đầu về trạng thái hóa học, đây không chỉ là sự thay đổi hình dạng hay kích thước.

Một ví dụ quy mô địa hình là quá trình hình thành hang động hòa tan trong đá vôi. NPS giải thích rằng carbon dioxide hòa tan vào nước có thể tạo axit carbonic yếu; nước này thấm qua các khe nứt và tác động lên đá vôi trong thời gian dài.

Hóa học tự nhiên thường cần quá trình vật lý hỗ trợ

Phản ứng hóa học không diễn ra tách khỏi môi trường. Nước phải di chuyển đến bề mặt khoáng vật, khí phải khuếch tán hoặc hòa tan, còn sản phẩm phản ứng có thể phải được vận chuyển đi. Một vết nứt vật lý tạo thêm diện tích tiếp xúc cho nước; sau đó phản ứng hóa học có thể tiếp tục làm khoáng vật suy yếu.

Vì vậy, một địa hình bị phong hóa có thể đồng thời phản ánh sự nứt vỡ cơ học và sự biến đổi hóa học. Việc gọi hiện tượng đó là “vật lý” hay “hóa học” nên dựa vào cơ chế đang được phân tích, không nên hiểu hai nhóm như những hệ hoàn toàn tách biệt.

Quá trình sinh học hình thành hiện tượng tự nhiên như thế nào?

Quá trình sinh học bắt nguồn từ hoạt động của sinh vật hoặc sự tương tác giữa các quần thể và hệ sinh thái. Quang hợp, hô hấp, thoát hơi nước, sinh trưởng, sinh sản và phân hủy đều làm thay đổi dòng vật chất hoặc năng lượng trong môi trường.

Hoạt động của sinh vật có thể tác động trực tiếp đến môi trường

Cây xanh tham gia chu trình nước thông qua thoát hơi nước. USGS định nghĩa evapotranspiration là tổng lượng nước đi từ bề mặt đất lên khí quyển qua bay hơi và thoát hơi nước của thực vật. Như vậy, cùng một dòng nước trong tự nhiên có thể bao gồm phần do cơ chế vật lý tạo ra và phần gắn trực tiếp với hoạt động sinh học của cây.

Sinh vật cũng có thể làm thay đổi đất và đá. Rễ cây phát triển trong khe nứt có thể tạo lực cơ học, trong khi hoạt động sinh học trong đất có thể làm thay đổi thành phần khí hoặc môi trường hóa học xung quanh khoáng vật. Đây là ví dụ cho thấy “quá trình sinh học” mô tả nguồn gốc và cấp tổ chức của tác động, chứ không có nghĩa các quy luật vật lý và hóa học ngừng hoạt động.

Biến đổi ở cấp quần thể có thể trở thành hiện tượng quy mô lớn

Nở hoa tảo là trường hợp một quá trình sinh học trở nên dễ quan sát ở quy mô thủy vực. NOAA mô tả hiện tượng này xảy ra khi các quần thể tảo phát triển mạnh; sự phát triển có thể được hỗ trợ bởi điều kiện dòng chảy, gió và nguồn dinh dưỡng như nitơ hoặc phospho.

Cơ chế chính ở đây là sự tăng trưởng của sinh vật, nhưng mức độ biểu hiện lại phụ thuộc vào cả vật lý của khối nước và hóa học dinh dưỡng. Vì vậy, ngay cả một hiện tượng được gọi là sinh học vẫn thường cần các điều kiện không thuộc riêng sinh học.

Khi nào các quá trình vật lý, hóa học và sinh học cùng tạo nên một hiện tượng?

Sự kết hợp giữa nhiều quá trình là trạng thái phổ biến trong các hệ tự nhiên phức tạp. Một cơ chế có thể giữ vai trò chính, trong khi những cơ chế khác quyết định điều kiện, tốc độ hoặc phạm vi của hiện tượng.

Phong hóa đá là ví dụ điển hình: giãn nở nhiệt, băng giá hoặc rễ cây có thể tạo khe nứt; nước đi vào các khe đó tạo điều kiện cho phản ứng hóa học; sinh vật và vật chất hữu cơ trong đất lại có thể thay đổi môi trường hóa học. NPS cũng lưu ý rằng các quá trình phong hóa vật lý, hóa học và sinh học có thể hoạt động độc lập hoặc phối hợp với nhau ở những quy mô khác nhau.

Nở hoa tảo thể hiện một kiểu tương tác khác. Sinh trưởng của tảo là quá trình sinh học, chất dinh dưỡng là điều kiện hóa học, còn dòng nước và gió có thể kiểm soát sự tập trung hoặc phân tán của quần thể. Chu trình nước cũng cho thấy sự liên kết tương tự: bay hơi và ngưng tụ chủ yếu là vật lý, trong khi thoát hơi nước đưa hoạt động của thực vật vào cùng một hệ vận chuyển nước.

Để xác định cơ chế của một hiện tượng, có thể lần lượt xem xét bốn câu hỏi:

1.    Điều gì đang thay đổi — chuyển động, trạng thái, thành phần hóa học hay hoạt động của sinh vật

2.    Cơ chế nào trực tiếp tạo ra biểu hiện quan sát được — đó là ứng viên cho quá trình chi phối

3.    Những điều kiện nào cho phép cơ chế đó xảy ra — chẳng hạn nhiệt độ, nước, áp suất, chất phản ứng, dinh dưỡng hoặc sinh vật

4.    Có quá trình nào khác làm thay đổi tốc độ hoặc quy mô của hiện tượng hay không — nếu có, hiện tượng cần được hiểu như kết quả của một hệ tương tác

Cách tiếp cận này tránh hai cực đoan: cố gắng gán mọi hiện tượng vào duy nhất một nhóm, hoặc xem mọi quá trình đều có vai trò ngang nhau. Trong khoa học, việc phân loại có giá trị khi nó chỉ ra cơ chế chi phối và mối quan hệ giữa các cơ chế, chứ không phải khi nó tạo ra những ranh giới tuyệt đối.

Hiện tượng tự nhiên là biểu hiện của những biến đổi đang diễn ra trong môi trường tự nhiên. Chúng có thể hình thành chủ yếu từ quá trình vật lý như chuyển trạng thái, chuyển động và giải phóng năng lượng; từ quá trình hóa học như oxy hóa, hòa tan và kết tủa; hoặc từ quá trình sinh học như sinh trưởng, thoát hơi nước và hoạt động của quần thể sinh vật.

Nhiều hiện tượng thực tế là sản phẩm của cả ba nhóm. Vì vậy, muốn giải thích một hiện tượng chính xác cần xác định không chỉ “nó thuộc loại nào” mà còn phải tìm cơ chế trực tiếp, các điều kiện cần thiết và những quá trình hỗ trợ phía sau. Chính chuỗi quan hệ đó giải thích cách một biến đổi nhỏ ở cấp phân tử, vật chất hoặc sinh vật có thể trở thành một hiện tượng quan sát được ở quy mô lớn.