Khí quyển quyết định một hành tinh có sống được hay không vì nó làm bốn việc mà không gì khác thay được: giữ áp suất để nước tồn tại ở dạng lỏng, giữ nhiệt bằng hiệu ứng nhà kính, chia nhiệt từ mặt ngày sang mặt đêm, và che chắn bề mặt khỏi bức xạ. Cùng một khoảng cách tới sao, đổi bầu khí quyển là đổi hẳn số phận hành tinh. Sao Kim, Trái Đất và sao Hoả là ba ví dụ ngay cạnh nhà.
Việc thứ nhất: áp suất giữ cho nước ở dạng lỏng
Nước chỉ tồn tại ở dạng lỏng khi áp suất đủ cao. Dưới khoảng 611 pascal (khoảng 6,1 mbar), gọi là điểm ba của nước, băng không tan thành nước mà chuyển thẳng sang hơi. Áp suất trung bình trên sao Hoả chỉ khoảng 6 mbar, sát đúng ngưỡng đó. Vì vậy dù ở vài nơi trên sao Hoả nhiệt độ ban trưa có lúc vượt 0 °C, nước lỏng trên bề mặt không bền: nó bốc hơi hoặc đông lại rất nhanh.
Trên Trái Đất, áp suất chuẩn ở mực nước biển là 1013,25 hPa, gấp khoảng 170 lần sao Hoả. Ở áp suất này nước sôi ở 100 °C, tạo ra một khoảng nhiệt độ rộng 100 độ để nước ở dạng lỏng. Áp suất cao hơn còn đẩy điểm sôi lên nữa.
Việc thứ hai: giữ ấm bằng khí nhà kính
Bề mặt hành tinh nhận ánh sáng sao, nóng lên rồi toả ngược ra dưới dạng tia hồng ngoại. Khí nhà kính như hơi nước, CO₂, mê-tan hấp thụ một phần hồng ngoại đó rồi phát lại về mọi phía, kể cả xuống đất. Kết quả là bề mặt ấm hơn so với khi không có khí quyển.
Nếu Trái Đất không có khí nhà kính, nhiệt độ cân bằng bề mặt vào khoảng −18 °C. Nhiệt độ trung bình thật vào khoảng 15 °C. Khoảng chênh hơn 30 độ đó là phần của khí quyển. Cần lưu ý: khí nhà kính hấp thụ hồng ngoại, không phải tia cực tím. Việc chặn tia cực tím là của ozone.
Hiệu ứng này có thể quá đà. Sao Kim có khí quyển dày, khoảng 96,5% CO₂, áp suất bề mặt khoảng 92 bar. Bề mặt nóng khoảng 464 °C, nóng hơn cả sao Thuỷ dù sao Thuỷ gần Mặt Trời hơn.
| Sao Kim | Trái Đất | Sao Hoả | |
|---|---|---|---|
| Khoảng cách tới Mặt Trời | 0,72 AU | 1 AU | 1,52 AU |
| Áp suất bề mặt | khoảng 92 bar | khoảng 1 bar | khoảng 6 mbar |
| Thành phần chính | CO₂ khoảng 96,5% | N₂ khoảng 78%, O₂ khoảng 21% | CO₂ khoảng 95% |
| Nhiệt độ bề mặt trung bình | khoảng 464 °C | khoảng 15 °C | khoảng −60 °C |
| Nước lỏng bề mặt | không | có | không bền |
Số liệu theo NASA Planetary Fact Sheets (NSSDCA), làm tròn. Cùng là hành tinh đá, cùng sinh ra từ một đám mây khí, nhưng ba bầu khí quyển dẫn tới ba thế giới khác hẳn nhau.
Việc thứ ba: chia nhiệt giữa ngày và đêm
Không khí chuyển động mang nhiệt đi. Trên Trái Đất, hoàn lưu khí quyển và đại dương đưa nhiệt từ xích đạo về hai cực, làm dịu chênh lệch. Mặt Trăng không có khí quyển nên ban ngày gần xích đạo lên trên 100 °C còn ban đêm tụt xuống dưới −170 °C.
Việc chia nhiệt quan trọng nhất với hành tinh bị khoá thuỷ triều, loại rất phổ biến quanh sao lùn đỏ: một mặt luôn sáng, một mặt luôn tối. Từng có lo ngại rằng khí quyển ở những hành tinh này sẽ đông đặc hết ở mặt tối. Các mô phỏng từ cuối thập niên 1990 (như của Manoj Joshi và cộng sự, 1997) cho thấy một bầu khí quyển có độ dày vừa phải đủ để đưa nhiệt sang mặt tối và tránh chuyện đó. Kết luận này phụ thuộc mô hình, nhưng nó mở đường cho việc xem hành tinh quanh sao lùn đỏ là ứng viên nghiêm túc.
Việc thứ tư: tấm khiên chống bức xạ
Tầng ozone ở bình lưu Trái Đất hấp thụ phần lớn tia cực tím có hại (UV-B, UV-C) trước khi chúng xuống tới mặt đất. Ozone hình thành từ oxy, mà oxy dồi dào trên Trái Đất chủ yếu nhờ quang hợp. Như vậy sự sống đã tự dựng tấm khiên cho mình.
Khối khí quyển còn chặn bớt tia vũ trụ: cột khí phía trên đầu ta nặng tương đương một cột nước cao khoảng 10 mét. Sao Hoả có khí quyển quá mỏng, nên liều bức xạ trên bề mặt cao hơn nhiều. Thiết bị RAD trên xe tự hành Curiosity đã đo được liều này, và nó là một trong những bài toán lớn của việc đưa người lên sao Hoả.
Khí quyển không đứng yên: mất và nhận
Một hành tinh có thể mất khí theo nhiều cách:
- Thoát nhiệt: phân tử nhẹ ở tầng trên cùng, nhất là hydro và heli, đạt vận tốc đủ để thoát khỏi lực hấp dẫn.
- Gió sao bóc mòn: dòng hạt mang điện từ sao va vào tầng trên khí quyển, cuốn đi các ion. Tàu MAVEN đo quá trình này trên sao Hoả từ năm 2014.
- Va chạm lớn: thiên thạch lớn có thể thổi bay một phần khí quyển, nhất là với hành tinh nhỏ.
- Bị khoá vào đá: CO₂ có thể bị chôn thành đá carbonat, nước có thể ngấm vào khoáng vật.
Ngược lại, núi lửa liên tục bơm khí trở lại, và sự sống thay đổi thành phần khí (như cách vi khuẩn lam đưa oxy vào khí quyển Trái Đất hơn hai tỷ năm trước). Một hành tinh sống được là hành tinh mà các dòng vào – ra này cân bằng đủ lâu.
Các nhà khoa học hành tinh Kevin Zahnle và David Catling từng vẽ một đường gọi là "bờ biển vũ trụ" (cosmic shoreline): trên biểu đồ giữa lực hấp dẫn của hành tinh và lượng bức xạ nó nhận, các thiên thể có khí quyển và không có khí quyển nằm tách hai bên một đường khá rõ. Đây là quy luật thực nghiệm, chưa phải định luật vật lý, nhưng nó giúp đoán hành tinh nào đáng kiểm tra.
Vì sao khí quyển lại là thứ ta đo được
Với ngoại hành tinh, kính thiên văn gần như không bao giờ thấy được bề mặt. Thứ ánh sáng mang thông tin về khí quyển thì lại đo được: ánh sáng sao xuyên qua rìa khí quyển khi hành tinh đi ngang qua sao, hoặc nhiệt phát ra từ hành tinh. Vì vậy câu hỏi "có sống được không" trên thực tế được chuyển thành "khí quyển của nó có gì". Có khí hay không, dày hay mỏng, có hơi nước không, có tổ hợp khí nào khó giải thích nếu không có sinh vật không.
Góc nhìn hôm nay
Ba hành tinh đá gần nhất cho ta một bài học đơn giản: vị trí chỉ là điểm xuất phát, còn bầu khí quyển mới là thứ quyết định. Muốn tìm hiểu thêm, trang NSSDCA Planetary Fact Sheets của NASA cho số liệu so sánh từng hành tinh; sách "Atmospheric Evolution on Inhabited and Lifeless Worlds" của David Catling và James Kasting (2017) là sách chuyên khảo đầy đủ nhất cho ai muốn đi sâu.
Câu hỏi thường gặp
Nếu Trái Đất không có khí quyển thì nhiệt độ bao nhiêu?
Tính theo cân bằng năng lượng, nhiệt độ trung bình bề mặt sẽ vào khoảng −18 °C, so với khoảng 15 °C hiện nay. Ngày đêm còn chênh rất lớn như trên Mặt Trăng. Nước lỏng và sự sống như ta biết sẽ không tồn tại được ở bề mặt.
Vì sao sao Kim nóng hơn sao Thuỷ?
Sao Kim có khí quyển CO₂ dày với áp suất khoảng 92 bar, giữ nhiệt cực mạnh nên bề mặt nóng khoảng 464 °C. Sao Thuỷ gần Mặt Trời hơn nhưng gần như không có khí quyển, nhiệt toả đi ngay. Mặt tối của sao Thuỷ lạnh tới dưới −170 °C.
Áp suất thấp nhất để có nước lỏng là bao nhiêu?
Khoảng 611 pascal (6,1 mbar), gọi là điểm ba của nước. Dưới mức này băng chuyển thẳng sang hơi. Ngay trên mức này nước lỏng chỉ tồn tại trong khoảng nhiệt độ rất hẹp, nên trên thực tế cần áp suất cao hơn nhiều.
Khí quyển có chặn tia cực tím không?
Có, nhưng phần chặn chính là tầng ozone ở bình lưu chứ không phải CO₂ hay khí nhà kính. Khí nhà kính hấp thụ tia hồng ngoại toả ra từ bề mặt. Hai việc này thường bị nhầm với nhau.
