Sao Hoả mất phần lớn khí quyển chủ yếu vì khí bị thổi và bào mòn ra vũ trụ, trong đó gió Mặt Trời đóng vai trò lớn sau khi hành tinh này mất từ trường toàn cầu từ rất sớm. Tàu MAVEN của NASA, vào quỹ đạo sao Hoả tháng 9/2014, đã đo trực tiếp tốc độ thất thoát ngày nay và dùng tỷ lệ đồng vị argon để ước tính rằng phần lớn khí quyển cổ đã thoát ra không gian. Trọng lực yếu và việc một phần CO₂ bị khoá vào đá, vào băng cũng góp phần.
Sao Hoả từng có khí quyển dày hơn: bằng chứng ở đâu
Ngày nay nước lỏng không tồn tại lâu trên bề mặt sao Hoả vì khí quyển quá mỏng và lạnh. Nhưng ảnh chụp từ quỹ đạo và từ các xe tự hành cho thấy dấu vết nước chảy rất rõ: lòng sông cạn, châu thổ hình quạt, trầm tích hồ, khoáng sét chỉ hình thành trong nước. Hố Jezero nơi Perseverance đáp từng là một hồ có châu thổ; hố Gale nơi Curiosity hoạt động có các lớp trầm tích hồ.
Để nước chảy được trên bề mặt, khí quyển phải dày hơn và ấm hơn hiện nay nhiều. Phần lớn các dấu vết này có tuổi trên 3,5 tỷ năm. Câu hỏi đặt ra: khí quyển ấy đã đi đâu?
MAVEN là tàu gì
MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) phóng tháng 11/2013, vào quỹ đạo sao Hoả ngày 21/9/2014. Khác với các tàu chụp ảnh bề mặt, MAVEN được thiết kế riêng để nghiên cứu tầng khí quyển trên cao và tương tác của nó với Mặt Trời. Quỹ đạo hình elip của tàu có những lần hạ thấp xuống khoảng 150 km, lướt qua tầng thượng khí quyển để đo trực tiếp.
Trên tàu có các thiết bị đo gió Mặt Trời, từ trường, ion, electron, thành phần khí trung hoà và một máy quang phổ tử ngoại để chụp lớp hydro và oxy bao quanh hành tinh.
Bốn con đường khí thoát khỏi sao Hoả
Một phân tử khí rời hành tinh khi nó đủ nhanh để vượt tốc độ thoát ly (khoảng 5 km/s ở sao Hoả, so với khoảng 11,2 km/s ở Trái Đất), hoặc khi bị lực điện từ cuốn đi. Các cơ chế chính:
| Cơ chế | Diễn ra thế nào | Mất chủ yếu khí gì |
|---|---|---|
| Thoát Jeans (thoát nhiệt) | Ở tầng ngoài cùng, phân tử nhẹ chạy nhanh nhất vượt tốc độ thoát ly và bay đi | Hydro |
| Thoát quang hoá | Tia cực tím và va chạm tách phân tử, các mảnh mang năng lượng dư bắn ra vũ trụ | Oxy, carbon, nitơ |
| Cuốn ion (ion pickup) | Khí bị ion hoá, điện trường của gió Mặt Trời "nhặt" ion và kéo đi | Ion oxy, CO₂⁺ |
| Phún xạ (sputtering) | Ion bị gia tốc quay lại đập vào khí quyển, hất các nguyên tử khác ra ngoài như bi-a | Argon và các khí nặng |
Trên Trái Đất, từ trường toàn cầu tạo ra một vùng che chắn khiến gió Mặt Trời phần lớn bị đẩy lệch ra xa. Sao Hoả thì từng có từ trường — dấu vết còn lưu trong đá vỏ, được tàu Mars Global Surveyor phát hiện cuối thập niên 1990 — nhưng "máy phát" bên trong đã tắt từ khoảng hơn 4 tỷ năm trước. Từ đó, gió Mặt Trời chạm thẳng vào tầng khí quyển trên cao.
Lưu ý: vai trò chính xác của từ trường trong việc giữ khí quyển vẫn còn được tranh luận. Một số nghiên cứu chỉ ra từ trường cũng có thể làm tăng thất thoát ở vùng cực. Điều chắc chắn là sao Hoả nhỏ, trọng lực yếu và không có lá chắn, nên dễ bị bào mòn hơn Trái Đất.
MAVEN đã đo được gì
Tốc độ mất khí ngày nay
Tháng 11/2015, nhóm MAVEN công bố trên tạp chí Science: gió Mặt Trời đang tước khí của sao Hoả với tốc độ khoảng 100 gam mỗi giây. Con số nghe nhỏ, nhưng cộng dồn qua hàng tỷ năm thì rất lớn. Quan trọng hơn, tốc độ đó tăng vọt khi Mặt Trời hoạt động mạnh.
Bão Mặt Trời làm mất khí nhanh hơn nhiều
Tháng 3/2015, một đợt phóng vật chất vành nhật hoa (CME) đập vào sao Hoả. MAVEN ghi nhận tốc độ thoát ion tăng lên gấp nhiều lần trong thời gian bão. Mặt Trời thời trẻ hoạt động dữ dội hơn bây giờ, với gió mạnh hơn và tia cực tím nhiều hơn, nên các nhà khoa học suy ra rằng tốc độ mất khí trong hàng trăm triệu năm đầu cao hơn ngày nay rất nhiều.
Đồng vị argon: chiếc đồng hồ đo lượng khí đã mất
Argon là khí trơ, không phản ứng với đá, nên chỉ có một cách để nó biến mất khỏi khí quyển: thoát ra vũ trụ. Phún xạ lấy đi đồng vị argon-36 nhẹ dễ hơn argon-38 nặng. Đo tỷ lệ hai đồng vị này ở các độ cao khác nhau, nhóm của Bruce Jakosky công bố năm 2017 trên Science rằng khoảng hai phần ba lượng argon của sao Hoả đã mất ra không gian. Từ đó họ suy ra phần lớn CO₂ cổ cũng đã đi theo con đường này.
Lớp hydro thay đổi theo mùa
MAVEN và tàu Mars Express cho thấy lượng hydro thoát đi tăng mạnh khi sao Hoả ở gần Mặt Trời và vào mùa bão bụi: bụi làm khí quyển ấm, hơi nước được đưa lên cao hơn, bị tia cực tím tách ra và hydro bay mất. Đây là một phần quan trọng của câu chuyện sao Hoả mất nước.
Không phải toàn bộ khí đều bay ra vũ trụ
Một phần CO₂ có thể đã đi xuống thay vì đi lên:
- Khoáng carbonat trong đá: CO₂ hoà vào nước rồi kết tủa thành đá. Các tàu quỹ đạo đã tìm thấy carbonat, nhưng lượng tìm được tới nay không đủ để giải thích một khí quyển cổ dày.
- Băng ở hai cực và dưới đất: chỏm cực nam có các lớp băng CO₂ chôn vùi, nhưng nếu giải phóng hết cũng chỉ tăng áp suất thêm một phần nhỏ.
Năm 2018, Jakosky và Edwards tính trên Nature Astronomy rằng toàn bộ CO₂ còn tiếp cận được trên sao Hoả nếu thả ra cũng chỉ nâng áp suất lên cỡ vài chục mbar — kết luận có ý nghĩa lớn với các ý tưởng cải tạo sao Hoả (xem danh mục cải tạo hành tinh).
Dòng thời gian: sao Hoả mất khí quyển
- Khoảng 4,5 tỷ năm trước: sao Hoả hình thành, có khí quyển ban đầu.
- Hơn 4 tỷ năm trước: từ trường toàn cầu tắt (mốc chính xác còn tranh luận).
- Khoảng 4,1–3,7 tỷ năm trước: thời kỳ nhiều dấu vết nước chảy, khí quyển dày hơn nay.
- Khoảng 3,5–3 tỷ năm trước: khí hậu khô lạnh dần, phần lớn khí đã thoát hoặc bị khoá lại.
- Ngày nay: còn lại khoảng 6 mbar, vẫn tiếp tục thoát chậm.
Các mốc trên là ước lượng; mỗi nghiên cứu có thể lệch vài trăm triệu năm.
Góc nhìn hôm nay
Câu chuyện sao Hoả cho thấy giữ được khí quyển không phải chuyện hiển nhiên: cần đủ khối lượng, cần nhiệt độ tầng ngoài không quá cao, và lá chắn từ trường có lẽ cũng giúp. Đó là lý do khi tìm hành tinh có thể sống quanh sao khác, các nhà thiên văn đặc biệt quan tâm hành tinh ấy còn giữ được khí quyển hay không.
Để tìm hiểu thêm: trang sứ mệnh MAVEN của NASA và của Phòng thí nghiệm Vật lý Khí quyển và Không gian (LASP, Đại học Colorado) có ảnh tia cực tím đẹp về lớp hydro quanh sao Hoả. Bài báo Jakosky và cộng sự (Science, 2017) về đồng vị argon có bản tóm tắt dễ đọc trên trang NASA.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao sao Hoả mất khí quyển?
Chủ yếu vì khí thoát ra vũ trụ: sao Hoả nhỏ, trọng lực yếu, mất từ trường toàn cầu từ sớm nên gió Mặt Trời và tia cực tím bào mòn tầng khí trên cao. Một phần CO₂ có thể đã bị khoá vào đá carbonat và băng ở cực.
Tàu MAVEN tới sao Hoả năm nào?
MAVEN vào quỹ đạo sao Hoả ngày 21/9/2014, sau khi phóng tháng 11/2013. Đây là tàu đầu tiên chuyên nghiên cứu tầng thượng khí quyển sao Hoả và quá trình mất khí ra không gian.
Sao Hoả mất khí nhanh cỡ nào?
Theo công bố của nhóm MAVEN năm 2015, hiện nay gió Mặt Trời tước khoảng 100 gam khí mỗi giây. Tốc độ này tăng mạnh khi có bão Mặt Trời, và trong quá khứ xa, khi Mặt Trời trẻ hoạt động dữ dội hơn, có lẽ cao hơn nhiều.
Sao Hoả đã mất bao nhiêu khí quyển?
Từ tỷ lệ đồng vị argon, nhóm MAVEN ước tính khoảng hai phần ba lượng argon đã thoát ra không gian, và suy ra phần lớn khí quyển cổ cũng vậy. Con số chính xác về áp suất ban đầu vẫn còn được nghiên cứu.
Nếu sao Hoả có từ trường thì có giữ được khí quyển không?
Có thể giúp phần nào, nhưng chưa chắc là yếu tố quyết định. Một số nghiên cứu cho rằng từ trường còn mở đường thoát ở vùng cực. Kích thước nhỏ và trọng lực yếu cũng quan trọng không kém.
