Trái Đất giữ được khí quyển còn Mặt Trăng thì không chủ yếu vì trọng lực: Mặt Trăng chỉ nặng bằng khoảng 1/81 Trái Đất, vận tốc thoát chỉ 2,38 km/giây so với 11,2 km/giây của Trái Đất. Ban ngày bề mặt Mặt Trăng nóng tới hơn 100 °C, phân tử khí ở đó chạy đủ nhanh để dần dần thoát ra. Thêm vào đó, gió Mặt Trời thổi thẳng vào bề mặt không được che chắn. Kết quả là Mặt Trăng chỉ có một lớp khí cực loãng, tổng khối lượng ước chừng vài chục tấn, mà giới khoa học gọi là ngoại quyển chứ không gọi là khí quyển.
Cuộc đua giữa tốc độ phân tử và vận tốc thoát
Mọi phân tử khí đều chuyển động không ngừng, nhanh hay chậm tuỳ nhiệt độ và khối lượng của nó. Khí càng nóng, phân tử càng nhẹ thì càng nhanh. Trong một khối khí luôn có một số ít phân tử chạy nhanh hơn hẳn mức trung bình. Nếu những phân tử ấy ở tầng trên cùng và vượt vận tốc thoát, chúng bay mất.
Các nhà khoa học hành tinh có một quy tắc kinh nghiệm: một hành tinh giữ được một loại khí trong hàng tỷ năm nếu vận tốc thoát lớn hơn khoảng sáu lần vận tốc trung bình của phân tử khí đó ở tầng ngoài cùng. Thấp hơn mức ấy, khí rò rỉ dần.
| Thiên thể | Khối lượng (Trái Đất = 1) | Vận tốc thoát | Áp suất bề mặt |
|---|---|---|---|
| Trái Đất | 1 | 11,2 km/s | ~1 bar (1013 hPa) |
| Sao Kim | 0,815 | 10,4 km/s | ~92 bar |
| Sao Hoả | 0,107 | 5,0 km/s | ~6 mbar |
| Titan (mặt trăng sao Thổ) | 0,0225 | 2,6 km/s | ~1,5 bar |
| Mặt Trăng | 0,0123 | 2,38 km/s | gần như chân không |
| Sao Thuỷ | 0,055 | 4,3 km/s | gần như chân không |
Số liệu theo bảng dữ kiện hành tinh của NASA (NSSDCA). Nhìn bảng sẽ thấy ngay một ngoại lệ thú vị: Titan chỉ nặng gấp chưa tới hai lần Mặt Trăng, vận tốc thoát xấp xỉ nhau, nhưng có khí quyển dày hơn cả Trái Đất. Điểm khác là nhiệt độ.
Nhiệt độ: Mặt Trăng nóng, Titan lạnh
Ban ngày ở xích đạo Mặt Trăng, bề mặt nóng khoảng 120 °C. Ban đêm xuống khoảng −130 °C hoặc lạnh hơn. Với nhiệt độ ban ngày như vậy, những khí như nitơ hay oxy, nếu có, sẽ có phân tử chạy nhanh tới mức đủ thoát ra từ một thiên thể có vận tốc thoát chỉ 2,38 km/giây trong thời gian ngắn so với tuổi hệ Mặt Trời.
Titan thì ở xa Mặt Trời gấp chín lần Trái Đất, nhiệt độ bề mặt khoảng −179 °C. Trong cái lạnh ấy, phân tử nitơ chạy chậm, chậm tới mức trọng lực yếu của Titan vẫn đủ giữ chúng. Đó là lý do một mặt trăng nhỏ có thể có khí quyển nặng nề với áp suất bề mặt khoảng 1,5 bar.
Bài học: giữ khí quyển là chuyện của cả trọng lực lẫn nhiệt độ. Một thế giới nhỏ nhưng lạnh có thể giữ khí tốt hơn một thế giới lớn hơn nhưng nóng.
Từ trường có quan trọng không
Người ta hay nói Trái Đất giữ được khí quyển nhờ từ trường che chắn gió Mặt Trời. Điều này đúng một phần, và đang là chủ đề tranh luận thật sự trong giới khoa học hành tinh.
- Lập luận ủng hộ: gió Mặt Trời là dòng hạt mang điện tốc độ cao. Không có từ trường, nó va thẳng vào tầng khí trên cùng, ion hoá rồi cuốn khí đi. Tàu MAVEN đo được sao Hoả, không có từ trường toàn cầu, đang mất khí theo cách này.
- Lập luận phản bác: sao Kim không có từ trường nội tại nhưng có khí quyển dày gấp khoảng 90 lần Trái Đất. Một số nghiên cứu còn chỉ ra từ trường có thể mở "cửa" ở vùng cực cho ion thoát ra, và tổng lượng mất khí hiện nay của Trái Đất, sao Kim, sao Hoả không chênh lệch nhau quá nhiều.
Quan điểm khá phổ biến hiện nay: trọng lực và nhiệt độ là yếu tố quyết định hàng đầu; từ trường có ảnh hưởng tới cách và tốc độ mất khí, nhưng mức độ quan trọng của nó vẫn chưa ngã ngũ.
Mặt Trăng thực ra có một chút khí
Gọi Mặt Trăng là "không có khí quyển" là gần đúng. Nó có một ngoại quyển cực loãng: mật độ ở bề mặt khoảng vài trăm nghìn phân tử mỗi cm³ vào ban đêm, thấp hơn khí quyển Trái Đất ở mặt biển khoảng một trăm nghìn tỷ lần. Thành phần gồm heli, argon-40, neon, cùng natri và kali.
Nguồn của chúng đa dạng: heli và neon từ gió Mặt Trời; argon-40 rỉ ra từ đá Mặt Trăng do phân rã kali-40; natri, kali bị bứt ra khỏi bề mặt bởi tia Mặt Trời và vi thiên thạch va vào. Tàu LADEE của NASA bay quanh Mặt Trăng từ 2013 tới 2014 để đo lớp khí này trước khi nó bị ảnh hưởng thêm bởi các tàu đổ bộ trong tương lai. Đáng chú ý, mỗi lần tàu Apollo hạ cánh, lượng khí thải từ động cơ đã tạm thời tương đương một phần đáng kể toàn bộ ngoại quyển Mặt Trăng.
Mặt Trăng từng có khí quyển?
Năm 2017, Debra Needham và David Kring (Viện Mặt Trăng và Hành tinh, Mỹ) công bố tính toán rằng khoảng 3,5 tỷ năm trước, khi các biển dung nham trên Mặt Trăng còn phun trào mạnh, lượng khí thoát ra có thể tạo một bầu khí quyển tạm thời, áp suất có lẽ cao hơn hiện nay của sao Hoả, tồn tại khoảng 70 triệu năm trước khi rò rỉ hết ra vũ trụ. Đây là một mô hình tính toán, chưa có bằng chứng trực tiếp, nhưng nó minh hoạ đúng ý: Mặt Trăng không phải không thể có khí, chỉ là không giữ được lâu.
Bảng so sánh: điều gì giúp một thế giới giữ khí
| Yếu tố | Tác dụng | Ví dụ |
|---|---|---|
| Khối lượng lớn | Vận tốc thoát cao, khó cho phân tử bay mất | Trái Đất, sao Kim giữ khí dày; Mặt Trăng, sao Thuỷ thì không |
| Nhiệt độ thấp | Phân tử chậm, ít phân tử đạt vận tốc thoát | Titan giữ khí quyển 1,5 bar dù nhỏ |
| Khí nặng | Phân tử nặng chạy chậm hơn ở cùng nhiệt độ | CO₂, nitơ ở lại; hydro, heli thoát |
| Nguồn bù khí | Núi lửa, phân rã phóng xạ, sự sống bổ sung khí | Trái Đất có núi lửa và quang hợp |
| Từ trường | Che bớt gió Mặt Trời; vai trò còn tranh luận | Trái Đất có; sao Hoả mất từ trường sớm |
| Khoảng cách tới sao | Gần sao thì nóng hơn và chịu bức xạ, gió sao mạnh hơn | Sao Thuỷ quá gần Mặt Trời |
Góc nhìn hôm nay
Câu hỏi "vì sao giữ được khí quyển" giờ là câu hỏi trung tâm khi tìm hành tinh có thể sống quanh các ngôi sao khác. Một hành tinh cỡ Trái Đất quay quanh sao lùn đỏ có thể nằm đúng khoảng cách ấm áp nhưng bị lửa sao và gió sao bào mòn khí quyển. Kính James Webb đang đo xem một số hành tinh như thế còn giữ được khí hay không.
Muốn tự so sánh các con số, trang Planetary Fact Sheet của NASA (NSSDCA) liệt kê khối lượng, vận tốc thoát, áp suất và thành phần khí quyển của từng hành tinh và nhiều mặt trăng. Đặt hai cột vận tốc thoát và nhiệt độ cạnh nhau là thấy ngay vì sao có thế giới giữ khí, có thế giới không.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao Mặt Trăng không có khí quyển?
Vì Mặt Trăng nhẹ, vận tốc thoát chỉ khoảng 2,38 km/giây, trong khi bề mặt ban ngày nóng hơn 100 °C khiến phân tử khí chạy nhanh và dần thoát ra. Gió Mặt Trời thổi thẳng vào bề mặt cũng cuốn khí đi.
Mặt Trăng có hoàn toàn không có khí không?
Không hẳn. Mặt Trăng có một ngoại quyển cực loãng gồm heli, argon, neon, natri, kali, mật độ thấp hơn khí quyển Trái Đất ở mặt biển khoảng một trăm nghìn tỷ lần. Tàu LADEE của NASA đã đo lớp khí này năm 2013–2014.
Vì sao Titan nhỏ mà có khí quyển dày?
Vì Titan rất lạnh, khoảng −179 °C. Ở nhiệt độ đó phân tử nitơ chạy chậm, nên trọng lực yếu của Titan vẫn đủ giữ chúng. Áp suất bề mặt Titan khoảng 1,5 bar, cao hơn Trái Đất.
Từ trường có giúp Trái Đất giữ khí quyển không?
Có góp phần che chắn gió Mặt Trời, nhưng không phải yếu tố duy nhất. Sao Kim không có từ trường nội tại vẫn giữ khí quyển dày gấp khoảng 90 lần Trái Đất. Mức độ quan trọng của từ trường vẫn đang được tranh luận.
Vận tốc thoát của Trái Đất là bao nhiêu?
Khoảng 11,2 km/giây ở bề mặt. Mặt Trăng khoảng 2,38 km/giây, sao Hoả khoảng 5,0 km/giây, sao Kim khoảng 10,4 km/giây.
