Bầu khí quyển của 2 nước láng giềng Sao Hỏa và Sao Kim có thể dạy chúng ta rất nhiều về các kịch bản trong quá khứ và tương lai cho hành tinh của chính chúng ta.
Mặt trăng, sao Hỏa và sao Kim mọc trên đường chân trời Trái đất. Hình ảnh thông qua ESA / NASA.
Bài viết này là sậy từ Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA)
Một người có một bầu không khí độc hại dày đặc, một người hầu như không có bầu không khí nào cả, và một người chỉ phù hợp với cuộc sống để phát triển - nhưng nó luôn luôn như vậy. Bầu khí quyển của hai nước láng giềng Sao Kim và Sao Hỏa có thể dạy chúng ta rất nhiều về các kịch bản trong quá khứ và tương lai cho hành tinh của chúng ta.
Tua lại 4,6 tỷ năm kể từ ngày nay đến sân xây dựng hành tinh và chúng ta thấy rằng tất cả các hành tinh đều có chung một lịch sử: tất cả chúng đều được sinh ra từ cùng một đám mây khí và bụi xoáy, với mặt trời sơ sinh bốc cháy ở trung tâm. Dần dần nhưng chắc chắn, với sự trợ giúp của trọng lực, bụi tích tụ thành những tảng đá, cuối cùng ném tuyết thành những thực thể có kích cỡ hành tinh.
Vật liệu đá có thể chịu được sức nóng gần mặt trời nhất, trong khi đó, vật chất băng giá chỉ có thể tồn tại xa hơn, tạo ra các hành tinh trên mặt đất trong cùng và các đại gia khí và băng ngoài cùng, tương ứng. Thức ăn thừa tạo ra các tiểu hành tinh và sao chổi.
Bầu khí quyển của các hành tinh đá được hình thành như là một phần của quá trình xây dựng rất năng lượng, chủ yếu bằng cách thoát ra khi chúng nguội đi, với một số đóng góp nhỏ từ các vụ phun trào núi lửa và cung cấp nước, khí và các thành phần khác của sao chổi và tiểu hành tinh. Theo thời gian, bầu khí quyển trải qua một sự tiến hóa mạnh mẽ nhờ sự kết hợp phức tạp của các yếu tố dẫn đến tình trạng hiện tại, với Trái đất là hành tinh duy nhất được biết đến để hỗ trợ sự sống và là nơi duy nhất có nước lỏng trên bề mặt ngày nay.
Chúng ta biết từ các sứ mệnh không gian như ESA [Venus Venus Express, đã quan sát Sao Kim từ quỹ đạo từ năm 2006 đến 2014 và Mars Express, điều tra hành tinh đỏ từ năm 2003, rằng nước lỏng cũng từng chảy trên các hành tinh chị em của chúng ta. Mặc dù nước trên Sao Kim đã sôi từ lâu, nhưng trên Sao Hỏa, nó bị chôn vùi dưới lòng đất hoặc bị nhốt trong băng. Liên kết mật thiết với câu chuyện về nước - và cuối cùng là câu hỏi lớn về việc liệu sự sống có thể phát sinh ngoài Trái đất hay không - là trạng thái của một bầu khí quyển hành tinh. Và kết nối với điều đó, sự tương tác và trao đổi vật chất giữa bầu khí quyển và đại dương, và hành tinh đá bên trong hành tinh.
So sánh 4 hành tinh trên mặt đất (có nghĩa là ‘giống Trái đất) của hệ mặt trời bên trong của chúng ta: Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất và Sao Hỏa. Hình ảnh qua ESA.
Tái chế hành tinh
Trở lại các hành tinh mới hình thành của chúng ta, từ một quả cầu đá nóng chảy với lớp phủ bao quanh lõi dày đặc, chúng bắt đầu hạ nhiệt. Trái đất, sao Kim và sao Hỏa đều trải qua hoạt động vượt trội trong những ngày đầu tiên, hình thành nên bầu khí quyển trẻ, nóng và dày đặc đầu tiên. Khi những bầu khí quyển này cũng nguội dần, những đại dương đầu tiên trút xuống từ bầu trời.
Tuy nhiên, ở một số giai đoạn, các đặc điểm của hoạt động địa chất của ba hành tinh phân kỳ. Nắp rắn Earth Earth bị nứt thành các mảng, ở một số nơi lặn bên dưới một mảng khác trong các khu vực hút chìm và ở những nơi khác va chạm để tạo ra những dãy núi rộng lớn hoặc kéo ra để tạo ra những khẩu súng trường khổng lồ hoặc lớp vỏ mới. Các mảng kiến tạo Earth Earth vẫn đang di chuyển cho đến ngày nay, làm phát sinh các vụ phun trào núi lửa hoặc động đất tại ranh giới của chúng.
Sao Kim, chỉ nhỏ hơn Trái đất một chút, vẫn có thể có hoạt động núi lửa ngày nay và bề mặt của nó dường như đã xuất hiện trở lại với các lavas như cách đây gần nửa tỷ năm. Ngày nay nó không có hệ thống kiến tạo mảng rõ rệt; các núi lửa của nó có khả năng được cung cấp năng lượng từ các luồng nhiệt tăng qua lớp phủ - được tạo ra trong một quá trình có thể được ví như một ngọn đèn dung nham của Hồi giáo nhưng ở quy mô khổng lồ.
Sao Hỏa từ chân trời đến chân trời. Hình ảnh qua ESA / DLR / FU Berlin
Sao Hỏa, nhỏ hơn rất nhiều, nguội đi nhanh hơn Trái Đất và Sao Kim, và khi núi lửa của nó bị tuyệt chủng, nó đã mất đi một phương tiện chính để phục hồi bầu khí quyển. Nhưng nó vẫn tự hào là ngọn núi lửa lớn nhất trong toàn bộ hệ mặt trời, đỉnh Olympus Mons cao 16 dặm (25 km), có khả năng là kết quả của việc xây dựng lớp vỏ thẳng đứng liên tục từ các lớp vỏ mọc lên từ bên dưới. Mặc dù có bằng chứng cho hoạt động kiến tạo trong vòng 10 triệu năm qua, và thậm chí cả vụ đầm lầy thỉnh thoảng ở thời hiện tại, hành tinh này cũng không được tin là có hệ thống kiến tạo giống Trái đất.
Không chỉ riêng kiến tạo mảng toàn cầu làm cho Trái đất trở nên đặc biệt, mà là sự kết hợp độc đáo với các đại dương. Ngày nay, các đại dương của chúng ta, chiếm khoảng hai phần ba bề mặt Trái đất, hấp thụ và lưu trữ phần lớn nhiệt hành tinh của chúng ta, vận chuyển nó dọc theo các dòng hải lưu trên toàn cầu. Khi một mảng kiến tạo được kéo xuống lớp phủ, nó nóng lên và giải phóng nước và khí bị mắc kẹt trong các tảng đá, từ đó thấm qua các lỗ thông thủy nhiệt dưới đáy đại dương.
Các dạng sống cực kỳ cứng đã được tìm thấy trong các môi trường như vậy dưới đáy đại dương, cung cấp manh mối về việc cuộc sống có thể bắt đầu như thế nào và đưa ra các nhà khoa học chỉ ra nơi để tìm nơi khác trong hệ mặt trời: Mặt trăng Europa của Sao Mộc, hay Mặt trăng băng giá của Sao Thổ ví dụ, nơi che giấu các đại dương nước lỏng bên dưới lớp băng giá của chúng, với bằng chứng từ các sứ mệnh không gian như Cassini cho thấy hoạt động thủy nhiệt có thể có mặt.
Hơn nữa, kiến tạo mảng giúp điều chỉnh bầu khí quyển của chúng ta, điều chỉnh lượng carbon dioxide trên hành tinh của chúng ta trong thời gian dài. Khi carbon dioxide trong khí quyển kết hợp với nước, axit carbonic được hình thành, từ đó hòa tan đá. Mưa mang axit carbonic và canxi đến các đại dương - carbon dioxide cũng được hòa tan trực tiếp trong các đại dương - nơi nó được quay trở lại đáy đại dương. Trong gần một nửa lịch sử Trái đất, bầu khí quyển chứa rất ít oxy. Vi khuẩn cynobacteria đại dương là những người đầu tiên sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển đổi carbon dioxide thành oxy, một bước ngoặt trong việc cung cấp bầu khí quyển xa hơn nữa cho phép sự sống phức tạp phát triển. Nếu không có sự tái chế và điều tiết hành tinh giữa lớp phủ, đại dương và bầu khí quyển, Trái đất có thể đã kết thúc giống như sao Kim.
Hiệu ứng nhà kính cực lớn
Sao Kim đôi khi được gọi là song sinh ác quỷ Trái đất vì nó có kích thước gần như tương tự nhưng bị vấy bẩn bởi bầu không khí độc hại dày đặc và bề mặt phình to 470ºC (878 F). Áp suất và nhiệt độ cao của nó đủ nóng để làm tan chảy chì - và phá hủy tàu vũ trụ dám đáp xuống nó. Nhờ bầu khí quyển dày đặc của nó, nó thậm chí còn nóng hơn cả hành tinh Sao Thủy, quỹ đạo gần mặt trời hơn. Độ lệch đáng kể của nó so với môi trường giống Trái đất thường được sử dụng như một ví dụ về những gì xảy ra trong hiệu ứng nhà kính chạy trốn.
Chào mừng bạn đến với sao Kim, Trái đất ác quỷ song sinh. Hình ảnh qua ESA / MPS / DLR-PF / IDA.
Nguồn nhiệt chính trong hệ mặt trời là năng lượng mặt trời, làm ấm một bề mặt hành tinh, và sau đó hành tinh này tỏa năng lượng trở lại không gian. Một bầu không khí bẫy một số năng lượng đi ra, giữ nhiệt - hiệu ứng nhà kính được gọi là. Đó là một hiện tượng tự nhiên giúp điều chỉnh nhiệt độ hành tinh. Nếu nó không phải là các loại khí nhà kính như hơi nước, carbon dioxide, metan và ozone, nhiệt độ bề mặt Trái đất sẽ mát hơn khoảng 30 độ so với mức trung bình 59 độ F hiện tại (15 độ C).
Trong nhiều thế kỷ qua, con người đã thay đổi sự cân bằng tự nhiên này trên Trái đất, tăng cường hiệu ứng nhà kính kể từ buổi bình minh của hoạt động công nghiệp bằng cách đóng góp thêm carbon dioxide cùng với oxit nitơ, sunfat và các loại khí và bụi và bụi khác vào không khí. Những ảnh hưởng lâu dài trên hành tinh của chúng ta bao gồm sự nóng lên toàn cầu, mưa axit và sự suy giảm của tầng ozone. Hậu quả của khí hậu ấm lên là rất lớn, có khả năng ảnh hưởng đến tài nguyên nước ngọt, sản xuất lương thực toàn cầu và mực nước biển, và gây ra sự gia tăng các sự kiện thời tiết khắc nghiệt.
Không có hoạt động của con người trên Sao Kim, nhưng nghiên cứu bầu khí quyển của nó cung cấp một phòng thí nghiệm tự nhiên để hiểu rõ hơn về hiệu ứng nhà kính chạy trốn. Tại một số thời điểm trong lịch sử của nó, Venus bắt đầu bẫy quá nhiều nhiệt. Người ta từng nghĩ sẽ lưu trữ các đại dương như Trái đất, nhưng sức nóng được thêm vào đã biến nước thành hơi nước, và đến lượt nó, hơi nước bổ sung trong khí quyển bị giữ lại ngày càng nhiều nhiệt cho đến khi toàn bộ đại dương bốc hơi hoàn toàn. Venus Express thậm chí còn cho thấy hơi nước vẫn thoát ra khỏi bầu khí quyển Venus và vào không gian ngày nay.
Venus Express cũng phát hiện ra một lớp khí sulfur dioxide cao độ bí ẩn trong bầu khí quyển hành tinh. Lưu huỳnh điôxit được dự kiến từ sự phát thải của núi lửa - trong suốt thời gian thực hiện nhiệm vụ Venus Express đã ghi nhận những thay đổi lớn trong hàm lượng lưu huỳnh đioxit trong khí quyển. Điều này dẫn đến những đám mây axit sulfuric và giọt ở độ cao khoảng 31-44 dặm (50-70 km) - bất kỳ sulfur dioxide còn lại nên bị phá hủy bởi bức xạ mặt trời dữ dội. Vì vậy, nó là một bất ngờ cho Venus Express để khám phá ra một lớp khí vào khoảng 62 dặm (100 km). Người ta đã xác định rằng axit sunfuric bay hơi nhỏ giọt axit sunfuric tự do sau đó bị phá vỡ bởi ánh sáng mặt trời, giải phóng khí lưu huỳnh điôxít.
Quan sát bổ sung vào cuộc thảo luận về những gì có thể xảy ra nếu một lượng lớn sulfur dioxide được đưa vào bầu khí quyển Trái đất - một đề xuất về cách giảm thiểu tác động của khí hậu thay đổi trên Trái đất. Khái niệm này đã được chứng minh từ năm 1991 núi lửa phun trào của núi lửa Pinatubo ở Philippines, khi lưu huỳnh đioxit bị đẩy ra từ vụ phun trào tạo ra các giọt nhỏ axit sunfuric đậm đặc - như những người được tìm thấy trong đám mây Venus’ - vào khoảng 12 dặm (20 km) độ cao. Điều này tạo ra một lớp khói mù và làm mát hành tinh của chúng ta trên toàn cầu khoảng 0,9 độ F (0,5 độ C) trong vài năm. Bởi vì khói mù này phản ánh nhiệt, người ta đã đề xuất rằng một cách để giảm nhiệt độ toàn cầu là bơm một lượng lớn sulfur dioxide nhân tạo vào khí quyển của chúng ta. Tuy nhiên, các hiệu ứng tự nhiên của Mount Pinatubo chỉ mang lại hiệu quả làm mát tạm thời. Nghiên cứu lớp khổng lồ của các đám mây axit sulfuric tại Sao Kim cung cấp một cách tự nhiên để nghiên cứu các tác động dài hạn hơn; một đám mây bảo vệ ban đầu ở độ cao lớn hơn cuối cùng sẽ được chuyển đổi thành axit sunfuric dạng khí, trong suốt và cho phép tất cả các tia mặt trời xuyên qua.Chưa kể tác dụng phụ của mưa axit, trên Trái đất có thể gây ra tác động có hại đối với đất, đời sống thực vật và nước.
Hành tinh từ trái đất. Hình ảnh qua ESA.
Đóng băng toàn cầu
Hàng xóm khác của chúng ta, sao Hỏa, nằm ở một thái cực khác: mặc dù bầu khí quyển của nó chủ yếu là carbon dioxide, ngày nay nó hầu như không có chút nào, với tổng thể tích khí quyển ít hơn 1% Trái đất.
Bầu khí quyển hiện tại của Mars Mars mỏng đến nỗi mặc dù carbon dioxide ngưng tụ thành mây, nó không thể giữ lại đủ năng lượng từ mặt trời để duy trì nước mặt - nó bốc hơi ngay lập tức trên bề mặt. Nhưng với áp suất thấp và nhiệt độ tương đối cân bằng -67 độ F (-55 độ C) - dao động từ -207,4 độ F (-133 độ C) ở cực mùa đông đến 80 độ F (27 độ C) trong mùa hè, tàu vũ trụ không tan chảy trên bề mặt của nó, cho phép chúng ta tiếp cận nhiều hơn để khám phá bí mật của nó. Hơn nữa, nhờ không có kiến tạo tái chế trên hành tinh, những tảng đá bốn tỷ năm tuổi có thể tiếp cận trực tiếp với tàu đổ bộ và người chèo thuyền khám phá bề mặt của nó. Trong khi đó, các quỹ đạo của chúng ta, bao gồm Mars Express, người đã khảo sát hành tinh trong hơn 15 năm, liên tục tìm thấy bằng chứng cho dòng nước, đại dương và hồ chảy một thời của nó, mang đến một hy vọng trêu ngươi rằng nó có thể đã từng hỗ trợ sự sống.
Hành tinh đỏ cũng sẽ bắt đầu với bầu khí quyển dày hơn nhờ sự phân phối các chất bay hơi từ các tiểu hành tinh và sao chổi, và sự bùng nổ của núi lửa từ hành tinh này khi nội thất đá của nó nguội dần. Nó chỉ đơn giản là không thể giữ được bầu khí quyển vì khối lượng nhỏ hơn và trọng lực thấp hơn. Ngoài ra, nhiệt độ cao hơn ban đầu của nó sẽ cung cấp nhiều năng lượng hơn cho các phân tử khí trong khí quyển, cho phép chúng thoát ra dễ dàng hơn. Và, cũng đã mất từ trường toàn cầu từ rất sớm trong lịch sử, bầu khí quyển còn lại sau đó tiếp xúc với gió mặt trời - một dòng các hạt tích điện liên tục từ mặt trời - giống như trên Sao Kim, tiếp tục tước đi bầu khí quyển cho đến tận ngày nay .
Với bầu không khí giảm, nước mặt di chuyển dưới lòng đất, được giải phóng dưới dạng lũ quét lớn chỉ khi các tác động làm nóng mặt đất và giải phóng nước và băng dưới mặt đất. Nó cũng bị nhốt trong các tảng băng cực. Mars Express gần đây cũng phát hiện một vũng nước ở dạng lỏng chôn trong vòng 1,24 dặm (2 km) của bề mặt. Bằng chứng của cuộc sống cũng có thể được ngầm? Câu hỏi này là trọng tâm của rover châu Âu ExoMars, dự kiến ra mắt vào năm 2020 và hạ cánh vào năm 2021 để khoan sâu tới 6,6 feet (2 mét) bên dưới bề mặt để lấy và phân tích các mẫu để tìm kiếm dấu ấn sinh học.
Sao Hỏa được cho là hiện đang ra khỏi kỷ băng hà. Giống như Trái đất, Sao Hỏa rất nhạy cảm với những thay đổi trong các yếu tố như độ nghiêng của trục quay của nó khi nó quay quanh mặt trời; người ta cho rằng sự ổn định của nước trên bề mặt đã thay đổi trong hàng ngàn đến hàng triệu năm do độ nghiêng dọc trục của hành tinh và khoảng cách của nó với mặt trời trải qua những thay đổi theo chu kỳ. Tàu quỹ đạo khí ExoMars Trace, hiện đang điều tra hành tinh đỏ từ quỹ đạo, gần đây đã phát hiện vật liệu ngậm nước ở các vùng xích đạo có thể đại diện cho các vị trí cũ của các cực hành tinh trong quá khứ.
Nhiệm vụ chính của Trace Gas Orbiter, là tiến hành kiểm kê chính xác bầu khí quyển hành tinh, đặc biệt là các khí theo dõi chiếm chưa đến 1% tổng khối lượng khí quyển của hành tinh. Quan tâm đặc biệt là khí mê-tan, mà trên Trái đất được sản xuất phần lớn bởi hoạt động sinh học, và cũng bởi các quá trình tự nhiên và địa chất. Gợi ý về khí mê-tan đã được báo cáo bởi Mars Express, và sau đó bởi NASA Sciosity rover trên bề mặt hành tinh, nhưng các dụng cụ có độ nhạy cao của Trace Gas Orbiter, cho đến nay đã báo cáo sự vắng mặt chung của khí, làm sâu sắc thêm bí ẩn. Để chứng thực các kết quả khác nhau, các nhà khoa học không chỉ điều tra làm thế nào khí metan có thể được tạo ra, mà còn làm thế nào nó có thể bị phá hủy gần bề mặt. Tuy nhiên, không phải tất cả các dạng sống đều tạo ra khí mê-tan, và người đi đường với máy khoan ngầm của nó hy vọng sẽ có thể cho chúng ta biết nhiều hơn. Chắc chắn việc tiếp tục khám phá hành tinh đỏ sẽ giúp chúng ta hiểu cách thức và lý do tại sao tiềm năng sinh sống của Mars Mars đã thay đổi theo thời gian.
Mạng lưới thung lũng sông khô cạn trên sao Hỏa. Hình ảnh qua ESA / DLR / FU Berlin.
Khám phá xa hơn
Mặc dù bắt đầu với các thành phần tương tự, những người hàng xóm của Earth đã phải chịu thảm họa khí hậu tàn khốc và không thể giữ nước lâu được. Sao Kim trở nên quá nóng và Sao Hỏa quá lạnh; chỉ có Trái đất trở thành hành tinh của Gold Goldocks với các điều kiện vừa phải. Có phải chúng ta đã đến gần để trở thành giống như sao Hỏa trong kỷ băng hà trước đó? Làm thế nào gần chúng ta với hiệu ứng nhà kính chạy trốn gây ra sao Kim? Hiểu được sự tiến hóa của các hành tinh này và vai trò của bầu khí quyển của chúng là vô cùng quan trọng để hiểu được sự thay đổi khí hậu trên hành tinh của chúng ta vì cuối cùng các định luật vật lý chi phối tất cả. Dữ liệu được trả về từ tàu vũ trụ quay quanh của chúng tôi cung cấp lời nhắc nhở tự nhiên rằng sự ổn định khí hậu không phải là điều cần phải làm.
Trong mọi trường hợp, trong dài hạn - hàng tỷ năm tới trong tương lai - một Trái đất nhà kính là kết quả không thể tránh khỏi dưới bàn tay của mặt trời già cỗi. Ngôi sao mang lại sự sống một lần của chúng ta cuối cùng sẽ phình to và bừng sáng, truyền đủ nhiệt vào hệ thống tinh tế của Earth Trái đất để đun sôi đại dương của chúng ta, đưa nó xuống con đường tương tự như người anh em song sinh độc ác của nó.
Điểm mấu chốt: Bầu khí quyển của các hành tinh Sao Hỏa và Sao Kim có thể dạy chúng ta rất nhiều về các kịch bản trong quá khứ và tương lai cho Trái Đất.