Ngoại quyển là lớp ngoài cùng của khí quyển, bắt đầu từ khoảng 500–1.000 km (tuỳ hoạt động Mặt Trời) và nhạt dần vào không gian, với quầng hydro mờ kéo ra xa hơn cả quỹ đạo Mặt Trăng. Từ đây Trái Đất mất ra vũ trụ khoảng 3 kg hydro và vài chục gam heli mỗi giây, tức khoảng chục vạn tấn mỗi năm. Nghe nhiều, nhưng so với 5 triệu tỷ tấn khí quyển thì gần như không đáng kể trong thang thời gian của loài người.
Nơi phân tử không còn va nhau
Ở mặt đất, một phân tử khí chỉ bay được chừng một phần mười micromet là đâm vào phân tử khác. Lên cao, khoảng cách giữa hai lần va chạm dài ra. Tới độ cao gọi là đáy ngoại quyển (exobase), quãng bay tự do ấy dài ngang với độ cao thang của khí quyển, tức là phân tử bay lên gần như không gặp ai nữa.
Từ đó trở lên, mỗi nguyên tử bay như một viên đạn nhỏ trong trường hấp dẫn: phần lớn vạch một đường cong rồi rơi trở xuống, một số bay vòng quanh Trái Đất, và những nguyên tử đủ nhanh thì thoát hẳn. Khái niệm "khí" theo nghĩa thông thường, với áp suất và nhiệt độ được chia đều cho mọi phân tử, gần như mất ý nghĩa ở đây.
Thành phần: hydro và heli thống trị
Ở tầng dưới, nitơ và oxy chiếm gần hết. Nhưng trên khoảng 100 km, các khí tự phân lớp theo khối lượng. Ở đáy ngoại quyển, oxy nguyên tử vẫn còn nhiều; càng lên cao, heli rồi hydro, hai khí nhẹ nhất, càng chiếm ưu thế. Ở độ cao vài nghìn km, gần như chỉ còn hydro.
Quầng hydro: Trái Đất có "đuôi"
Nguyên tử hydro tán xạ ánh sáng cực tím của Mặt Trời ở một bước sóng đặc trưng gọi là Lyman-alpha. Nhìn bằng thiết bị cực tím, Trái Đất được bao quanh bởi một quầng sáng mờ gọi là địa quyển hydro (geocorona). Năm 1972, phi hành gia trên Apollo 16 đã đặt một camera cực tím trên Mặt Trăng và chụp được quầng này.
Năm 2019, một nhóm nghiên cứu dùng dữ liệu lưu trữ từ thiết bị SWAN trên tàu quan sát Mặt Trời SOHO (của ESA và NASA) công bố rằng quầng hydro kéo dài tới khoảng 630.000 km, gần gấp đôi khoảng cách Trái Đất – Mặt Trăng. Nghĩa là về mặt kỹ thuật, Mặt Trăng đang bay trong lớp ngoài cùng, cực loãng, của khí quyển Trái Đất. Mật độ ở đó chỉ vài nguyên tử trong mỗi cm³, không ảnh hưởng gì tới Mặt Trăng hay tàu vũ trụ.
Khí thoát ra vũ trụ bằng cách nào
Muốn rời Trái Đất hoàn toàn, một vật phải đạt vận tốc thoát khoảng 11,2 km/giây. Có mấy con đường chính để khí đạt tới đó:
| Cơ chế | Diễn ra thế nào | Ảnh hưởng chủ yếu tới |
|---|---|---|
| Thoát nhiệt (thoát Jeans) | Một số nguyên tử ở "đuôi" nhanh của phân bố vận tốc vượt 11,2 km/giây | Hydro, một phần heli |
| Thoát do phản ứng | Va chạm, trao đổi điện tích tạo ra nguyên tử nóng bất thường | Hydro |
| Dòng ion cực (polar wind) | Ion bị điện trường đẩy ra dọc đường sức từ ở vùng cực | Hydro, heli, cả ion oxy |
Ở nhiệt độ khoảng 1.000 °C của đáy ngoại quyển, nguyên tử hydro có vận tốc trung bình khoảng 5 km/giây. Chỉ một phần nhỏ đạt vận tốc thoát, nhưng vì hydro quá nhẹ, phần nhỏ ấy cộng dồn lại thành dòng thoát liên tục. Nguyên tử oxy nặng gấp 16 lần, chậm hơn 4 lần, gần như không thể thoát bằng nhiệt; nó chỉ rời đi dạng ion qua cửa vùng cực.
Mất bao nhiêu và có đáng lo không
Ước tính hay được trích dẫn, ví dụ trong các bài của nhà khoa học hành tinh David Catling, là Trái Đất mất khoảng 3 kg hydro và 50 g heli mỗi giây. Quy ra năm là khoảng 95.000 tấn hydro và 1.600 tấn heli.
So với tổng khối lượng khí quyển, mức mất này nhỏ tới mức phải hàng chục tỷ năm mới đáng kể, lâu hơn tuổi thọ còn lại của Mặt Trời. Quan trọng hơn, hydro mất đi không lấy từ không khí ta thở mà chủ yếu đến từ hơi nước và mê-tan bị tia cực tím phân rã trên tầng cao.
Bẫy lạnh giữ nước cho Trái Đất
Nước là nguồn hydro lớn nhất, vậy sao Trái Đất không mất dần biển cả? Nhờ bẫy lạnh ở đỉnh tầng đối lưu: hơi nước đi lên gặp nhiệt độ khoảng −80 °C trên vùng nhiệt đới, đóng băng và rơi xuống. Chỉ vài phần triệu hơi nước lọt lên tầng bình lưu. Không có bẫy lạnh này, hơi nước sẽ lên tới tầng cao, bị tia cực tím tách hydro và hydro thoát dần. Các nhà khoa học tin rằng đó là một phần câu chuyện sao Kim đã mất nước.
Heli: vì sao khí hiếm trên Trái Đất
Heli sinh ra liên tục trong lòng đất khi urani và thori phân rã. Nó rỉ ra khí quyển rồi dần thoát ra vũ trụ. Vì vậy nồng độ heli trong không khí chỉ khoảng 5 phần triệu, và heli thương mại phải khai thác từ các mỏ khí tự nhiên nơi nó bị giữ lại dưới đất. Heli đã bay ra không gian thì không lấy lại được.
Lối thoát hydro từng thay đổi lịch sử Trái Đất
Một số nhà khoa học, trong đó có Catling và cộng sự (bài trên Science năm 2001), đề xuất rằng trong thời kỳ đầu, khi mê-tan trong khí quyển nhiều hơn bây giờ rất nhiều, hydro thoát ra vũ trụ nhanh hơn đáng kể. Mỗi nguyên tử hydro mất đi để lại một chút "khả năng oxy hoá" dư cho bề mặt hành tinh. Cộng dồn qua hàng trăm triệu năm, quá trình này có thể đã góp phần dọn đường cho oxy tích tụ trong khí quyển. Đây là giả thuyết được nhiều người ủng hộ, nhưng mức đóng góp cụ thể vẫn còn bàn cãi.
Ngoại quyển và vệ tinh
Khí ở độ cao vài trăm km tuy loãng nhưng vẫn cản vệ tinh. Lực cản này phụ thuộc mạnh vào Mặt Trời: khi Mặt Trời hoạt động, nhiệt quyển nóng lên, phồng ra, mật độ khí ở độ cao vệ tinh có thể tăng nhiều lần.
- Trạm vũ trụ Skylab của Mỹ rơi xuống năm 1979 sớm hơn kế hoạch, một phần vì Mặt Trời hoạt động mạnh hơn dự kiến làm lực cản tăng.
- Tháng 2/2022, một cơn bão địa từ khiến 38 trên 49 vệ tinh Starlink vừa phóng rơi trở lại khí quyển.
- Mặt khác, chính lực cản này là "máy dọn rác" tự nhiên: mảnh vỡ ở quỹ đạo thấp dần bị kéo xuống và cháy, còn rác ở quỹ đạo cao hơn 800–1.000 km có thể tồn tại hàng thế kỷ.
Góc nhìn hôm nay
Ngoại quyển là ví dụ rõ nhất rằng khí quyển là một hệ mở: khí vào từ núi lửa và sao băng, khí ra qua cửa ngoại quyển. Trái Đất giữ được bầu khí quyển dày suốt hàng tỷ năm là nhờ đủ nặng, đủ lạnh ở tầng cao và có bẫy lạnh giữ nước. Thiếu một trong các điều kiện ấy, câu chuyện có thể đã giống sao Hoả.
Để tìm hiểu thêm: NASA có trang về sứ mệnh SOHO và ảnh địa quyển hydro; tạp chí Scientific American đã đăng bài của Catling và Zahnle (2009) về cách các hành tinh mất khí quyển, rất dễ đọc. Dữ liệu dự báo thời tiết vũ trụ của NOAA cho biết khi nào nhiệt quyển phồng lên vì bão địa từ.
Câu hỏi thường gặp
Ngoại quyển là gì?
Là lớp ngoài cùng của khí quyển, bắt đầu từ khoảng 500–1.000 km, nơi phân tử khí gần như không va chạm nhau và bay theo quỹ đạo riêng. Thành phần chủ yếu là hydro và heli, mật độ cực thấp.
Trái Đất mất bao nhiêu khí ra vũ trụ mỗi năm?
Ước tính phổ biến là khoảng 3 kg hydro và 50 g heli mỗi giây, tức khoảng 95.000 tấn hydro và 1.600 tấn heli mỗi năm. So với tổng khối lượng khí quyển 5 triệu tỷ tấn, mức mất này rất nhỏ.
Khí quyển Trái Đất có bị mất hết không?
Không, trong thang thời gian hàng tỷ năm tới. Khí thoát ra chủ yếu là hydro và heli, còn nitơ, oxy quá nặng để thoát bằng nhiệt. Bẫy lạnh ở đỉnh tầng đối lưu cũng giữ hơi nước không lên được tầng cao.
Mặt Trăng có nằm trong khí quyển Trái Đất không?
Theo nghĩa kỹ thuật thì có. Dữ liệu tàu SOHO công bố năm 2019 cho thấy quầng hydro của Trái Đất kéo dài tới khoảng 630.000 km, xa hơn quỹ đạo Mặt Trăng. Nhưng mật độ chỉ vài nguyên tử mỗi cm³, không có tác động nào đáng kể.
Vì sao heli trong không khí rất ít?
Vì heli rất nhẹ và trơ, rỉ ra từ lòng đất rồi dần thoát ra vũ trụ qua ngoại quyển. Nồng độ trong không khí chỉ khoảng 5 phần triệu, nên heli thương mại phải lấy từ mỏ khí tự nhiên.
