Khí quyển Trái Đất nặng khoảng 5,1–5,15 × 10¹⁸ kg, tức chừng năm triệu tỷ tấn, nhưng chỉ bằng chưa tới một phần triệu khối lượng Trái Đất. Về độ dày, câu trả lời tuỳ cách đo: một nửa khối lượng không khí nằm dưới khoảng 5,5 km, khoảng 99% nằm dưới 30–32 km, ranh giới vũ trụ theo quy ước là 100 km, còn lớp khí loãng nhất nhạt dần ra tới hàng nghìn km.
Nói cách khác, khí quyển vừa rất nặng vừa rất mỏng. Nó đè lên mỗi mét vuông mặt đất một sức nặng cỡ mười tấn, nhưng nếu thu Trái Đất lại bằng quả táo thì phần khí đáng kể chỉ dày cỡ lớp vỏ táo.
Cân khí quyển bằng một phép nhân
Không ai đặt được khí quyển lên cân, nhưng tính ra nó nặng bao nhiêu lại khá dễ. Áp suất không khí ở mặt đất chính là trọng lượng của cả cột khí bên trên chia cho diện tích. Áp suất chuẩn ở mực nước biển là 1013,25 hPa, tức 101.325 newton trên mỗi mét vuông.
Chia cho gia tốc trọng trường (khoảng 9,8 m/s²) ra khoảng 10.300 kg không khí trên mỗi mét vuông. Nhân với diện tích bề mặt Trái Đất, khoảng 510 triệu km², ra chừng 5,3 × 10¹⁸ kg. Trừ đi phần núi và cao nguyên chiếm chỗ (ở đó cột khí ngắn hơn) và phần hơi nước, các ước tính khoa học hội tụ quanh 5,1–5,15 × 10¹⁸ kg.
| Đại lượng | Giá trị gần đúng |
|---|---|
| Khối lượng khí quyển | 5,1–5,15 × 10¹⁸ kg |
| Khối lượng Trái Đất | 5,97 × 10²⁴ kg |
| Tỷ lệ khí quyển / Trái Đất | Chưa tới 1 phần triệu |
| Khối lượng nước đại dương | ~1,4 × 10²¹ kg (gấp khoảng 270 lần khí quyển) |
| Không khí trên 1 m² mặt biển | ~10,3 tấn |
| Mật độ không khí ở mặt biển, 15 °C | ~1,225 kg/m³ |
Một điều thú vị rút ra từ bảng: toàn bộ khí quyển nặng tương đương một lớp nước dày chừng 10 mét phủ khắp Trái Đất. Lặn xuống 10 mét dưới biển, áp suất tăng thêm đúng bằng áp suất của cả bầu trời.
Căn phòng của bạn chứa bao nhiêu không khí
Con số hàng tỷ tỷ kg khó hình dung. Thử với căn phòng 4 m × 5 m, trần cao 3 m: thể tích 60 m³, nhân với mật độ khoảng 1,2 kg/m³, ra chừng 70 kg không khí, nặng ngang một người lớn. Một phòng khách rộng có thể chứa vài trăm kg không khí mà ta chẳng bao giờ nghĩ tới.
Ta không cảm thấy sức nặng ấy vì áp suất tác động đều từ mọi phía, và chất lỏng trong cơ thể đã ở cùng áp suất với bên ngoài. Chỉ khi chênh lệch xuất hiện, như lúc máy bay hạ độ cao hoặc đi thang máy nhà cao tầng, tai mới "ù" lên báo hiệu.
Thí nghiệm hai bán cầu Magdeburg
Giữa thế kỷ 17, Otto von Guericke, thị trưởng thành phố Magdeburg (Đức), ghép hai bán cầu đồng lại và hút bớt không khí bên trong bằng chiếc bơm chân không ông tự chế. Không có gì giữ hai nửa ngoài áp suất không khí bên ngoài, vậy mà hai đội ngựa kéo hai phía không tách được chúng. Đó là một trong những màn trình diễn đầu tiên cho thấy không khí có sức nặng thật.
Khí quyển dày bao nhiêu: bốn câu trả lời
Khí quyển không có mặt trên như mặt nước. Nó loãng dần theo hàm mũ: cứ lên khoảng 5,5 km thì áp suất còn một nửa. Vì thế "dày bao nhiêu" có nhiều đáp án, đều đúng theo cách của mình.
| Mốc | Độ cao | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Một nửa khối lượng | ~5,5 km | Thấp hơn đỉnh Everest (8.849 m) |
| Ba phần tư khối lượng | ~11 km | Gần độ cao bay của máy bay chở khách |
| Khoảng 99% khối lượng | ~30–32 km | Giữa tầng bình lưu |
| Đường Kármán | 100 km | Quy ước ranh giới vũ trụ của FAI |
| Đỉnh nhiệt quyển | vài trăm – ~1.000 km | Thay đổi theo hoạt động Mặt Trời |
| Ngoại quyển, quầng hydro | hàng nghìn tới hàng trăm nghìn km | Mật độ cực thấp, nhạt dần vào không gian |
Độ cao thang và "khí quyển nén chặt"
Các nhà khí tượng dùng khái niệm độ cao thang (scale height): quãng đường lên cao để áp suất giảm còn khoảng 37% (chia cho số e ≈ 2,718). Gần mặt đất, độ cao thang của khí quyển Trái Đất vào khoảng 8 km.
Con số này cũng trả lời một câu đố hay: nếu nén toàn bộ khí quyển lại với mật độ như ở mặt biển, nó chỉ dày khoảng 8 km. Tức là toàn bộ bầu trời trên đầu, nếu đặc như không khí ta thở, chỉ cao hơn đỉnh Everest một chút.
So với kích thước Trái Đất: mỏng như vỏ táo
Bán kính Trái Đất khoảng 6.371 km. Lớp khí chứa 99% khối lượng, dày khoảng 30 km, chỉ bằng chưa tới 0,5% bán kính. Nếu Trái Đất là quả bóng đường kính 30 cm, lớp khí ấy dày chừng 0,7 mm, mỏng hơn một tờ bìa.
Các phi hành gia mô tả cảm giác này rất giống nhau khi nhìn đường chân trời từ quỹ đạo: một dải xanh mảnh như sợi chỉ ôm lấy hành tinh. Ảnh NASA chụp từ Trạm Vũ trụ Quốc tế cho thấy rõ tầng đối lưu như một vệt cam sẫm, phía trên là dải xanh mờ rồi tới bóng tối vũ trụ.
Khí quyển có đang nhẹ đi không
Có, nhưng cực kỳ chậm. Trái Đất mất ra vũ trụ khoảng vài kg hydro và vài chục gam heli mỗi giây. Nghe nhiều, nhưng so với khối lượng 5 triệu tỷ tấn thì phải hàng tỷ năm mới đáng kể, và lượng mất ấy chủ yếu là hydro, heli chứ không phải nitơ hay oxy.
Ngược lại, Trái Đất cũng nhận thêm vật chất: bụi sao băng rơi vào khí quyển mỗi ngày, khí núi lửa phun ra mỗi năm. Những dòng vào ra này nhỏ so với tổng khối lượng, nên trong thang thời gian đời người, khối lượng khí quyển coi như không đổi. Cái thay đổi nhanh là thành phần các khí vết như CO₂ và mê-tan, chứ không phải tổng khối lượng.
Áp suất cũng dao động theo thời tiết
Áp suất mặt biển ngày thường dao động từ khoảng 980 tới 1.040 hPa. Trong lòng một cơn bão mạnh có thể xuống dưới 900 hPa, trong một vùng áp cao mùa đông Siberia có thể vượt 1.080 hPa. Những dao động này không làm khí quyển nặng hay nhẹ đi; chúng chỉ cho thấy không khí đang dồn về chỗ này, rút khỏi chỗ kia.
Góc nhìn hôm nay: tự kiểm chứng sức nặng của không khí
- Thí nghiệm cốc nước và tấm bìa: đổ đầy nước vào cốc, đậy tấm bìa cứng, lật úp nhanh. Tấm bìa không rơi vì áp suất không khí phía dưới đẩy lên mạnh hơn sức nặng cột nước. Làm trên chậu rửa cho khỏi ướt sàn.
- Chai nhựa bẹp: đổ ít nước nóng vào chai nhựa, lắc nhẹ, đậy nắp rồi để nguội. Hơi nước ngưng lại, áp suất trong chai giảm, không khí bên ngoài bóp bẹp chai. Cẩn thận với nước nóng, trẻ em làm cùng người lớn.
- Ứng dụng đo áp suất trên điện thoại: nhiều điện thoại có cảm biến khí áp. Đi thang máy từ tầng trệt lên tầng 20 sẽ thấy số hPa giảm khoảng 6–7, đúng với quy luật áp suất giảm chừng 1 hPa cho mỗi 8 mét lên cao.
Số liệu khối lượng và áp suất chuẩn có thể tra trong NSSDCA Earth Fact Sheet của NASA và trong các bảng khí quyển chuẩn quốc tế.
Câu hỏi thường gặp
Khí quyển Trái Đất nặng bao nhiêu?
Khoảng 5,1–5,15 × 10¹⁸ kg, tức chừng 5 triệu tỷ tấn. Con số này được tính từ áp suất mặt đất nhân với diện tích bề mặt Trái Đất rồi chia cho gia tốc trọng trường.
Khí quyển dày bao nhiêu km?
Không có độ dày duy nhất vì khí loãng dần mà không có mặt trên. Một nửa khối lượng nằm dưới 5,5 km, khoảng 99% nằm dưới 30–32 km, ranh giới vũ trụ quy ước ở 100 km, còn lớp khí loãng nhất kéo ra tới hàng nghìn km.
Mỗi mét vuông chịu bao nhiêu kg không khí?
Khoảng 10,3 tấn ở mực nước biển, tương đương áp suất 1013,25 hPa. Cơ thể không bị đè bẹp vì áp suất tác động đều từ mọi phía và chất lỏng trong cơ thể cân bằng với nó.
Không khí trong một căn phòng nặng bao nhiêu?
Một phòng 4 × 5 m, trần 3 m chứa khoảng 60 m³ không khí, nặng chừng 70 kg ở điều kiện thường. Phòng lớn hơn có thể chứa vài trăm kg.
Khí quyển nặng hơn hay nhẹ hơn đại dương?
Nhẹ hơn nhiều. Nước đại dương nặng khoảng 1,4 × 10²¹ kg, gấp khoảng 270 lần khí quyển. Toàn bộ khí quyển chỉ tương đương một lớp nước dày khoảng 10 mét phủ khắp hành tinh.
