Khí quyển sao Kim dày gấp gần trăm lần Trái Đất: áp suất ở bề mặt khoảng 92 bar, tức như lặn sâu chừng 900 mét dưới biển. Gần như toàn bộ là khí CO₂ (khoảng 96,5%), giữ nhiệt đến mức mặt đất nóng trung bình khoảng 464 °C, đủ làm chảy chì. Phía trên, một lớp mây axit sunfuric dày hàng chục kilômét bọc kín hành tinh, phản xạ phần lớn ánh nắng nên nhìn từ Trái Đất sao Kim sáng chói nhưng không ai thấy được mặt đất của nó.
Những con số chính về khí quyển sao Kim
Sao Kim gần bằng Trái Đất về kích thước và khối lượng, nên thường được gọi là "chị em sinh đôi". Nhưng bầu khí quyển thì khác hẳn. Bảng dưới đây lấy theo bảng số liệu hành tinh của NASA (NSSDCA Planetary Fact Sheet), làm tròn.
| Đại lượng | Sao Kim | Trái Đất |
|---|---|---|
| Áp suất bề mặt | ~92 bar | ~1,013 bar |
| Nhiệt độ bề mặt trung bình | ~464 °C | ~15 °C |
| Thành phần chính | CO₂ ~96,5%, N₂ ~3,5% | N₂ ~78%, O₂ ~21% |
| Khối lượng khí quyển | ~4,8 × 10²⁰ kg (gần 100 lần Trái Đất) | ~5,1 × 10¹⁸ kg |
| Hệ số phản xạ (albedo) | ~0,7 | ~0,3 |
| Một ngày tự quay | ~243 ngày Trái Đất, quay ngược | ~24 giờ |
Điều đáng chú ý: lượng nitơ trên sao Kim chỉ chiếm 3,5%, nhưng vì cả bầu khí quyển quá nặng nên tổng lượng nitơ ở đó còn nhiều hơn toàn bộ nitơ trong khí quyển Trái Đất vài lần.
Vì sao sao Kim nóng hơn cả sao Thuỷ
Sao Thuỷ gần Mặt Trời hơn, nhưng ban ngày nóng nhất chỉ khoảng 430 °C và ban đêm tụt xuống dưới −170 °C. Sao Kim xa hơn mà lại nóng hơn, và nóng đều cả ngày lẫn đêm, cả xích đạo lẫn hai cực. Lý do nằm ở bầu khí quyển.
Ánh nắng đi qua mây, một phần nhỏ tới được mặt đất và làm nó ấm lên. Mặt đất ấm toả lại năng lượng dưới dạng tia hồng ngoại. Trên Trái Đất, một phần hồng ngoại thoát ra vũ trụ. Trên sao Kim, lớp CO₂ dày đặc cùng hơi nước và SO₂ ít ỏi hấp thụ gần hết các "cửa sổ" hồng ngoại, nên nhiệt bị giữ lại và tích dần cho đến khi mặt đất phải nóng tới gần 500 °C mới toả được lượng năng lượng bằng lượng nhận vào. Các nhà khoa học gọi trạng thái này là hiệu ứng nhà kính mất kiểm soát (runaway greenhouse).
Một chi tiết hay bị hiểu lầm: sao Kim không nóng vì nhận nhiều nắng hơn ở bề mặt. Mây của nó phản xạ khoảng 70% ánh sáng, nên lượng nắng tới mặt đất sao Kim thực ra ít hơn trên Trái Đất. Nóng là do không thoát nhiệt được, không phải do nhận nhiều.
Không khí đặc như chất lỏng
Ở áp suất 92 bar và nhiệt độ ấy, CO₂ ở bề mặt sao Kim đã vượt điểm tới hạn, trở thành chất lưu siêu tới hạn: không hẳn là khí, không hẳn là lỏng. Mật độ không khí sát mặt đất khoảng 65 kg/m³, gấp khoảng 50 lần không khí ta thở. Gió ở đó rất chậm, chỉ vài kilômét mỗi giờ, nhưng vì khí đặc nên một cơn gió nhẹ cũng đẩy mạnh như dòng nước.
Mây axit sunfuric: tấm màn che cả hành tinh
Lớp mây chính của sao Kim nằm khoảng từ 48 đến 70 km trên bề mặt, bên dưới có thêm một lớp mù mỏng. Mây không phải hơi nước như trên Trái Đất mà là những giọt nhỏ axit sunfuric (H₂SO₄). Chúng hình thành khi SO₂ trong khí quyển bị ánh sáng Mặt Trời phân huỷ, kết hợp với một ít hơi nước.
Axit sunfuric có rơi xuống không? Có, nhưng giọt không bao giờ chạm đất. Khi rơi xuống tới vùng thấp hơn khoảng 30 km, nhiệt độ đã quá cao, giọt bay hơi và phân huỷ, rồi khí lại được đối lưu đưa lên. Vì vậy "mưa axit trên sao Kim" chỉ là mưa trên cao, chưa bao giờ ướt mặt đất.
Trong lớp mây còn có một chất lạ hấp thụ tia cực tím mà đến nay chưa ai xác định chắc chắn là gì. Chính chất này tạo ra những vệt tối trên ảnh chụp cực tím của sao Kim và hấp thụ một phần đáng kể năng lượng Mặt Trời ở tầng mây.
Gió "siêu quay": mây chạy nhanh hơn hành tinh 60 lần
Sao Kim tự quay rất chậm: một vòng mất khoảng 243 ngày Trái Đất, lại quay theo chiều ngược với đa số hành tinh. Thế nhưng ở độ cao tầng mây, gió thổi khoảng 100 m/s (cỡ 360 km/h) và đưa cả lớp mây đi hết một vòng hành tinh chỉ trong khoảng 4 ngày. Hiện tượng này gọi là siêu quay (superrotation).
Vì sao khí quyển lại quay nhanh hơn chính hành tinh bên dưới? Câu trả lời đầy đủ vẫn còn được nghiên cứu. Các mô hình hiện nay cho rằng thuỷ triều nhiệt (khí bị Mặt Trời nung nóng theo chu kỳ ngày đêm) cùng các sóng trong khí quyển liên tục chuyển động lượng lên tầng mây. Tàu Akatsuki của Nhật Bản, vào quỹ đạo sao Kim năm 2015, đã chụp được một "sóng đứng" khổng lồ hình cánh cung kéo dài hàng nghìn kilômét, nằm yên phía trên một vùng núi dù gió thổi mạnh qua nó — bằng chứng cho thấy địa hình bên dưới vẫn tác động lên khí quyển trên cao.
Ở hai cực, tàu Venus Express của châu Âu (2006–2014) quan sát được những xoáy cực hình dạng thay đổi liên tục, có lúc như hai mắt, có lúc như chữ S.
Ở độ cao 50 km: chỗ "dễ chịu" nhất hệ Mặt Trời ngoài Trái Đất
Nghịch lý thú vị: dù mặt đất sao Kim như lò nung, ở độ cao khoảng 50–55 km áp suất lại gần 1 bar và nhiệt độ chỉ từ 0 đến vài chục độ C. Đó là lý do có người gọi đây là nơi có điều kiện áp suất – nhiệt độ gần Trái Đất nhất trong hệ Mặt Trời. Không khí Trái Đất (nitơ và oxy) nhẹ hơn CO₂, nên một khí cầu chứa không khí thường sẽ nổi được ở độ cao này.
Nhưng đừng hình dung đó là thiên đường: không có oxy để thở, xung quanh là giọt axit sunfuric đậm đặc. Ý tưởng "thành phố bay trên mây sao Kim" là một hướng nghiên cứu khái niệm, sẽ được bàn kỹ trong danh mục cải tạo hành tinh.
Phosphine: một tín hiệu gây tranh cãi
Năm 2020, nhóm của Jane Greaves công bố trên Nature Astronomy rằng họ phát hiện dấu vết khí phosphine (PH₃) trong tầng mây sao Kim. Trên Trái Đất, phosphine gắn với sự sống kỵ khí, nên tin này gây chú ý lớn. Ngay sau đó, nhiều nhóm khác phân tích lại dữ liệu và cho rằng tín hiệu yếu hơn nhiều, có thể do cách xử lý dữ liệu, hoặc thực chất là SO₂. Đến nay, sự có mặt của phosphine trên sao Kim vẫn còn tranh luận, chưa ai coi đó là bằng chứng sự sống.
Sao Kim đã từng có nước?
Một manh mối quan trọng là tỷ lệ deuterium trên hydro (D/H) trong hơi nước ít ỏi của sao Kim cao gấp khoảng 100–150 lần trên Trái Đất. Hydro nhẹ thoát ra vũ trụ dễ hơn deuterium nặng, nên tỷ lệ cao như vậy gợi ý rằng sao Kim đã mất một lượng nước lớn trong quá khứ.
Từ đó có hai kịch bản lớn:
- Sao Kim từng có đại dương trong thời gian dài, rồi Mặt Trời sáng dần, nước bốc hơi, hơi nước — cũng là một khí nhà kính — đẩy nhiệt độ lên mãi, rồi bị tia cực tím tách ra và hydro thoát dần ra vũ trụ.
- Sao Kim chưa bao giờ nguội đủ để nước ngưng tụ thành biển: ngay từ thời mới hình thành, hơi nước đã nằm trên cao và mất dần đi.
Hai kịch bản này đều có nghiên cứu ủng hộ. Câu hỏi "sao Kim từng có biển không" chưa có lời đáp chắc chắn. Đó là một trong những lý do cả NASA lẫn châu Âu đều đã lên kế hoạch cho các sứ mệnh mới tới sao Kim: DAVINCI sẽ thả một khoang đo xuyên qua khí quyển, VERITAS và EnVision sẽ lập bản đồ bề mặt bằng ra-đa.
Con người đã chạm tới khí quyển sao Kim thế nào
Những gì ta biết về áp suất và nhiệt độ bề mặt sao Kim phần lớn đến từ chuỗi tàu Venera của Liên Xô. Venera 7 năm 1970 là tàu đầu tiên gửi tín hiệu từ bề mặt một hành tinh khác. Venera 13 năm 1982 trụ được khoảng 127 phút trên bề mặt trước khi hỏng vì nóng và áp suất, kịp chụp ảnh màu. Sau đó là các khí cầu Vega 1985 trôi trong tầng mây khoảng hai ngày. Chi tiết về các tàu lao qua khí quyển được kể riêng ở danh mục đo đạc và khám phá.
Góc nhìn hôm nay: vì sao sao Kim đáng để hiểu
Sao Kim là phòng thí nghiệm tự nhiên cho câu hỏi: một hành tinh đá cỡ Trái Đất có thể đi lệch đến mức nào? Nó cho thấy khí nhà kính, khi đủ nhiều, có sức mạnh vật lý ra sao. Lưu ý là các nhà khoa học không nói Trái Đất sắp biến thành sao Kim: cơ chế mất kiểm soát của sao Kim cần lượng nắng và lượng hơi nước rất khác so với Trái Đất hiện nay.
Nếu muốn tự tìm hiểu thêm:
- Ngắm sao Kim bằng mắt thường lúc chạng vạng hoặc trước bình minh — nó là thiên thể sáng nhất sau Mặt Trời và Mặt Trăng. Ống nhòm hoặc kính thiên văn nhỏ cho thấy pha khuyết như Mặt Trăng.
- Đọc trang Venus Fact Sheet của NSSDCA (NASA) để có số liệu gốc, và trang của ESA về Venus Express, của JAXA về Akatsuki để xem ảnh mây.
- Các bảo tàng, nhà chiếu hình vũ trụ (planetarium) thường có mô hình so sánh khí quyển các hành tinh — chỗ dễ thấy nhất sự khác biệt giữa hai "chị em".
Câu hỏi thường gặp
Áp suất khí quyển sao Kim là bao nhiêu?
Khoảng 92 bar ở bề mặt, gấp chừng 90 lần áp suất mực nước biển trên Trái Đất. Con số này tương đương áp suất ở độ sâu khoảng 900 mét dưới biển. Các tàu Venera của Liên Xô phải được chế tạo như tàu lặn mới chịu nổi.
Vì sao sao Kim nóng hơn sao Thuỷ dù xa Mặt Trời hơn?
Vì sao Kim có bầu khí quyển CO₂ cực dày gây hiệu ứng nhà kính mất kiểm soát, giữ lại gần hết nhiệt mặt đất toả ra. Sao Thuỷ gần như không có khí quyển nên nhiệt thoát đi ngay, ban đêm lạnh xuống dưới −170 °C. Sao Kim thì nóng khoảng 464 °C đều khắp, cả ngày lẫn đêm.
Mây sao Kim làm bằng gì?
Chủ yếu là những giọt axit sunfuric nhỏ, nằm khoảng 48–70 km trên bề mặt. Chúng phản xạ khoảng 70% ánh nắng nên sao Kim trông rất sáng. Giọt axit rơi xuống sẽ bay hơi ở vùng nóng phía dưới, không bao giờ chạm đất.
Trên sao Kim có sự sống không?
Chưa có bằng chứng nào. Năm 2020 có công bố về khí phosphine trong tầng mây, nhưng các phân tích sau đó nghi ngờ tín hiệu này và cuộc tranh luận vẫn chưa ngã ngũ. Mặt đất sao Kim thì quá nóng cho mọi dạng sự sống đã biết.
Sao Kim đã từng có biển không?
Có thể, nhưng chưa chắc. Tỷ lệ deuterium/hydro cao cho thấy sao Kim đã mất nhiều nước, nhưng không rõ nước ấy từng là đại dương hay chỉ là hơi nước chưa bao giờ ngưng tụ. Các sứ mệnh DAVINCI, VERITAS và EnVision được kỳ vọng giúp trả lời.
