So sánh khí quyển của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời

Ngay lúc này, bạn đang sống trên Trái Đất với một bầu khí quyển rất thoải mái. Nó có một sự hài hòa đáng yêu giữa 78% Nitơ, 21% oxy, một lượng nhỏ hơi nước, CO₂ cùng các khí khác. Sống trên mặt đất, chúng ta sẽ được tận hưởng một áp suất khí quyển 101,325 kPa, tương đương khoảng 1 bar.

Trong ngắn hạn, không khí của Trái Đất rất dồi dào để tiếp tục duy trì nhiều thế hệ con người và sinh vật. Tuy nhiên, có bao giờ bạn tự hỏi khí quyển của các hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời ra sao? Liệu chúng có phù hợp để loài người chuyển đến sinh sống trong tương lai. Dưới đây là câu trả lời dành cho bạn.

Sao Thủy

Sao Thủy quá nóng và quá nhỏ để có thể giữ được một khí quyển bao quanh nó. Tuy nhiên, nó vẫn có một lớp khí mỏng manh bên trên bề mặt. Trong đó bao gồm Hydro, Heli, Oxy, Natri, Canxi, Kali và hơi nước. Áp suất trên sao Thủy khoảng 10^-14 bar, chỉ bằng 1 phần 1 triệu tỷ áp suất khí quyển trên bề mặt Trái Đất. Các nhà khoa học tin rằng thực chất, lớp không khí mỏng này được hình thành từ gió Mặt Trời, bụi núi lửa và các mảnh vỡ thiên thạch cực nhỏ.

Cũng bởi lí do không có một bầu không khí dày đặc, sao Thủy không thể giữ lại nhiệt từ Mặt Trời. Chênh lệch nhiệt độ trên bề mặt hành tinh này rất cao. Phía hướng Mặt Trời, nhiệt độ có thể đạt đến 427^oC. Trong khi đó, phía tối hành tinh nhiệt độ xuống sâu cỡ -173^oC.

Sao Kim

Quan sát bề mặt sao Kim trong quá khứ là một việc tương đối khó khăn. Đó là hệ quả của việc hành tinh này có một bầu khí quyển cực kì dày đặc. Thành phần không khí của sao Kim chủ yếu là CO₂, bên cạnh đó là một lượng nhỏ Nitơ. Áp suất không khí trên sao Kim cỡ 92 bar (9,2 MPa). Khối lượng của bầu khí quyển này lớn hơn Trái Đất 93 lần. Áp lực bên bề mặt hành tinh của nó gấp 92 lần.

Sao Kim là hành tinh nóng nhất trong Hệ Mặt Trời với nhiệt độ bề mặt 426^oC. Điều này xảy ra một phần nguyên nhân chính là bầu khí quyển giàu CO₂ của nó. Thêm vào đó, những đám mây giàu SO₂ cũng góp phần tạo ra siêu hiệu ứng nhà kính. Mây SO₂ tạo những giọt axit sulfuric ngưng tụ, tán xạ đến 90% ánh sáng Mặt Trời trở lại không gian.

Một hiện tượng thú vị nữa với khí quyển của sao Kim, gió trên hành tinh này rất mạnh. Nó đạt tới tốc độ 300 km/h. Ở vận tốc này, thậm chí những cơn gió còn di chuyển nhanh hơn 60 lần tốc độ quay của hành tinh. Trong khi đó, những cơn gió lớn nhất trên Trái Đất cũng chỉ nhanh bằng 20% tốc độ quay của nó.

Những đám mây SO₂ trên sao Kim có khả năng sản sinh sét, tương tự như trên hành tinh chúng ta. Tỉ lệ sét trên hành tinh này bằng một nửa sao với Trái Đất. Nó cũng đi kèm với những hoạt động khác nhau của thời tiết.

Trái Đất

Bầu khí quyển của Trái Đất bao gồm các loại khí: Nitơ, Oxy, hơi nước, CO₂ và một số lượng ít khí khác. Khí quyển Trái Đất được chia làm 5 tầng: tầng đối lưu, bình lưu, trung lưu, tầng điện li và tầng ngoài. Theo lý thuyết, áp suất và mật độ không khí giảm theo độ cao trên bề mặt Trái Đất.

Gần với bề mặt nhất, tầng đối lưu trải dài từ độ cao 0 đến khoảng 12-17 km. Đây là khoảng không gian chứa 80% khối lượng khí quyển và gần như tất cả hơi nước. Kết quả, tầng đối lưu là nơi hầu hết các hiện tượng thời tiết diễn ra.

Tầng bình lưu trải trên độ cao tiếp theo tính từ đỉnh tầng đối lưu đến khoảng 50-55 km. Đây chính là tầng khí quyển chứa nóc nhà ozone của chúng ta. Không khí ở đây có nồng độ ozone cực kì cao. Tiếp theo là tầng trung lưu, khoảng 50-80km cao hơn mặt nước biển. Đây là nơi lạnh nhất của Trái Đất với nhiệt độ trung bình vào khoảng -85^oC.

Sau tầng trung lưu, tầng điện li kéo dài từ độ cao 80-550 km. Nó được đặt tên như vậy vì chứa những nguyên tử bị ion hóa do bức xạ Mặt Trời. Lớp này của khí quyển không hề có hơi nước. Ở đây là nơi diễn ra các hiện tượng cực quang.

Cuối cùng, tầng ngoài của khí quyển Trái Đất nằm phía trên cùng. Nó kéo dài ở độ cao 700-10.000 km bên trên mực nước biển. Tầng ngoài giao nhau với chân không bên ngoài vũ trụ. Nó chứa một mật độ cực thấp Hydro, Heli và một số ít khí nặng hơn như Nitơ, Oxy, CO₂.

Tầng ngoài nằm quá xa Trái Đất để những hiện tượng thời tiết xảy ra ở đây. Tuy nhiên, đôi khi cực quang cũng xuất hiện ở rìa dưới của nó, nơi giao nhau với tầng điện li. Nhiệt độ trung bình trên bề mặt Trái Đất cỡ 14^oC. Nó dao động từ 70,7^oC tại sa mạc Lut, Iran tới -89,2^oC tại Trạm Soviet Vostok Nam Cực.

Sao Hỏa

Sao Hỏa cũng là một trong những hành tinh sở hữu khí quyển mỏng. Trong đó tỉ lệ các khí CO₂, Argon, Nitơ lần lượt là 96%, 1,93% và 1,89%. Phần ít còn lại là dấu vết của Oxy và hơi nước. Không khí trên sao Hỏa khá nhiều bụi. Những hạt bụi này có đường kính trung bình khoảng 1,5 micromet. Chúng tạo nên một bầu trời nâu nếu chúng ta quan sát từ bề mặt sao Hỏa.

Áp suất khí quyển sao Hỏa khoảng 0,4-0,87 kPa, chỉ tương đương khoảng 1% so với Trái Đất. Cũng bởi bầu không khí mỏng và khoảng cách xa so với Mặt Trời, hành tinh này lạnh hơn nhiều Trái Đất. Nhiệt độ trung bình ở đây là -46^oC, dao động từ -143^oC ở vùng cực mùa đông tới 35^oC khi mùa hè ở xích đạo.

Sao Hỏa cũng hay trải qua những cơn bão bụi, trong đó bao gồm nhiều cơn lốc xoáy nhỏ. Những cơn bão bụi lớn hơn xảy ra khi bụi bị thổi tung lên cao và gặp nhiệt độ Mặt Trời. Chúng sẽ tạo ra gió lớn hơn. Cơn bão loại này có thể trải trên hàng ngàn km và kéo dài trong nhiều tháng. Tầm nhìn sẽ hoàn toàn biến mất khi bạn ở trong cơn bão lớn.

Bầu khí quyển sao Hỏa cũng được cho rằng chứa một lượng nhỏ Metan, nồng độ ước tính 30 phần tỉ. Nó xuất hiện trong những đám bụi và được phát tán từ một vài khu vực nào đó. Có thể nó nằm giữa khu vực Isis và Utopia Planitia hoặc Arabia Terra.

Bên cạnh đó, Amoniac cũng được ghi nhận bởi vệ tinh Mars Express. Tuy vậy, các dữ liệu chỉ có được trong một thời gian ngắn. Không rõ Amoniac được sinh ra từ đâu, các nhà khoa học cho rằng khả năng lớn nó đến từ hoạt động núi lửa trên sao Hỏa.

Sao Mộc

Sao Mộc tương đối giống Trái Đất nếu nói đến sự xuất hiện của cực quang. Mặc dù vậy, cực quang trên hành tinh này hoạt động rất mạnh và hiếm khi dừng lại. Từ trường, bức xạ cao và sự phong phú của vật chất khiến tầng điện li của sao Mộc luôn có một màn trình diễn ánh sáng ngoạn mục.

Sao Mộc cũng có một mô hình thời tiết bạo lực. Tốc độ gió trên hành tinh này lên đến 360 km/h, tương đương sau một động cơ máy bay phản lực. Một cơn bão hình thành trong vòng vài giờ cuối cùng có thể quét trên hàng ngàn km đường kính chỉ trong một đêm. Cơn bão đặc biệt nhất trên sao Mộc được đặt tên “Vết đỏ lớn”. Nó được dự đoán là đã kéo dài trong 340 năm và lớn đến nỗi có thể quan sát từ Trái Đất bằng kính viễn vọng.

Những đám mây bao phủ sao Mộc có thành phần là Amoniac và Amoni Hydro sulphua. Nó được phân bố trên các vĩ độ khác nhau. Các đám mây tích điện nằm sâu xuống dưới 50 km. Chúng chia làm hai tầng, một tầng mỏng và một tầng dày hơn.

Tuy nhiên, cũng có thể một lớp mây nước mỏng đang nằm dưới Amoniac. Bằng chứng về nó là những tia chớp của sao Mộc, nó dường như được hình thành nhờ sự phân cực của nước tạo điện tích cho sét. Những tia sét ở đây được dự đoán là mạnh gấp 1.000 lần so với Trái Đất.

Sao Thổ

Bầu không khí đang bao quanh sao Thổ có chứa 96,3% Hydro và 3,25% Heli theo thể tích. Nó cũng có thể chứa những nguyên tố nặng ở tỷ lệ thấp. Bằng chứng chưa rõ ràng nhưng điều này là phù hợp với giả thuyết sự hình thành của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời.

Một lượng nhỏ Amoniac, Axetylen, Etan, Propane, Phosphine và Metan cũng đã được phát hiện trong bầu khí quyển sao Thổ. Những đám mây ở tầng cao được tạo thành từ Amoniac, trong khi đó, ở tầng thấp, mây có thể bao gồm nước và Amoni sulphua.

Những tia cực tím đến từ Mặt Trời gây ra hiện tượng quang phân Metan trong thượng tầng khí quyển của sao Thổ hẫn đến sự hình thành một loạt các sản phẩm khác nhờ phản ứng hóa học.

Khí quyển của sao Thổ tạo nên những dải có thể quan sát được tương tự sao Mộc. Có điều, những dải này mờ nhạt hơn và rộng hơn gần xích đạo. Như các lớp mây của sao Mộc, mây sao Thổ cũng được chia thành 2 lớp với sự thay đổi về độ cao và áp suất.

Tầng mây trên có nhiệt độ khoảng -173^oC đến -113^oC , áp suất 0,5-2 bar. Những đám mây này chứa băng của Amoniac. Trong khi đó, mây lớp phía dưới chứa băng nước, bắt đầu ở tầng áp lực 2,5 bar xuống tới 9,5 bar, nơi nhiệt độ đạt -88^oC tới -3^oC.

Trộn lẫn trong những đám mây này là những tinh thể đá Amoni sulphua nằm trong khoảng áp suất 3-6 bar với nhiệt độ 17^oC tới -38^oC. Cuối cùng, lớp mây thấp nhất, nơi mà áp lực 10-20 bar, nhiệt độ -3^oC tới 27^oC chứa nước và Amoniac lỏng.

"Vết trắng lớn" xuất hiện định kỳ trên sao Thổ

Thêm một điều nữa giống sao Mộc, sao Thổ có những cơn bão tạo thành vết khi quan sát hành tinh này. Trong khi trên sao Mộc, nó được đặt tên là “Vết đỏ lớn”, sao Thổ cũng có một “Vết trắng lớn”. Đặc biệt hơn, chúng xuất hiện định kỳ theo tần xuất 1 lần mỗi năm trên sao Thổ, nghĩa là khoảng 30 năm của Trái Đất.

“Vết trắng lớn” có thể rộng hàng ngàn cây số. Chúng đã được quan sát trong những năm 1876, 1903, 1933, 1960 và 1999. Từ năm 2010, một vết lớn thể hiện đám mây trắng đã được quan sát thấy. Nó xuất hiện trên sao Thổ và được phát hiện bởi tàu thăm dò Cassini. Nếu tính chất định kỳ này được duy trì, chúng ta sẽ lại trông thấy một “Vết trắng lớn" vào năm 2020.

Về những cơn gió trên sao Thổ, chúng mạnh chỉ sau sao Hải Vương. Dữ liệu từ tàu Voyager cho thấy gió trên hành tinh này đạt tốc độ tới 1.800 km/h. Ở hai cực sao Thổ đều ghi nhận những dấu hiệu của bão.

Một xoáy bão lục giác trên sao Thổ

Phía cực bắc, xoáy của cơn bão có hình lục giác, trong khi đó ở phía nam, chúng là những xoáy tròn bình thường. Các dữ liệu về cơn bão xoáy lục giác phía bắc sao Thổ được chụp hình lần đầu bởi tàu Voyager. Đường kính của nó vào khoảng 13.800 km, lớn hơn cả đường kính Trái Đất. Những cơn bão này quay với chu kỳ khoảng 10 giờ 39 phút 24 giây. Tốc độ này được giả thuyết trùng với chu kỳ tự quay của sao Thổ.

Trong khi đó, các xoáy ở cực nam lần đầu được quan sát bằng kính viễn vọng không gian Hubble. Hình ảnh cho thấy nó trông giống như một động cơ máy bay phản lực. Sức dó do nó tạo ra được dự tính khoảng 550 km/h.

Năm 2006, tàu thăm dò Cassini đã quan sát một cơn bão như vậy để xác định mắt của nó. Các nhà thiên văn nói đó là một con mắt rõ ràng, đặc điểm duy nhất sao Thổ có mà chưa từng xuất hiện trên sao Mộc và các hành tinh còn lại ngoài Trái Đất.

Sao Thiên Vương

Giống với Trái Đất, khí quyển của sao Thiên Vương được chia thành nhiều tầng với áp suất và nhiệt độ thay đổi dần. Mặc dù vậy, nó vẫn là một hành tinh khí khổng lồ giống sao Mộc và sao Thổ. Điều đó khiến cho sao Thiên Vương không có một bề mặt hành tinh cứng.

Các nhà khoa học quy ước, nơi áp suất khí quyển của sao Thiên Vương có giá trị 1 bar ( tương đương áp suất ở mặt nước biển Trái Đất) là bề mặt hành tinh của nó. Hiện nay, khả năng quan trắc khí quyển sao Thiên Vương của chúng ta chỉ đến khoảng 300 km xuống dưới mức 1 bar.

Các nhà khoa học chia khí quyển của sao Thiên Vương thành 3 tầng. Tầng đối lưu bắt đầu từ -300 km phía dưới bề mặt cộng thêm 50 km bên trên nó. Đây là tầng dày đặc nhất trong bầu khí quyển của sao Thiên Vương. Áp suất ở tầng này nằm trong khoảng 100 – 0,1 bar (10 MPa đến 10 kPa), nhiệt độ dao động từ 46,85 ^oC tại điểm thấp nhất cho tới -220^oC ở độ cao 50 km.

Tầng đối lưu cũng là nơi tồn tại mây của sao Thiên Vương. Lớp mây hơi nước ở những vị trí thấp nhất. Phía trên chúng là mây Amoni Hydro sulphua. Tiếp đó tới mây Hydro sulphua và Amoniac. Những đám mây Metan mỏng ở trên cùng

Tiếp theo tầng đối lưu, tầng bình lưu phía trên độ cao từ 50 đến 4.000 km tính từ bề mặt hành tinh. Áp suất ở đây trải trên một dải 0,1 đến 10-10 bar ( tương đương 10 kPa đến 10 µPa). Nhiệt độ của nó dao động từ -220^oC cho tới 527-577^oC. Tầng bình lưu chứa dạng sương của Etan, nó làm mờ những quan sát bề mặt hành tinh. Axetylen và Metan cũng có mặt, chúng giúp làm ấm nhiệt độ ở đây cùng với năng lượng đến từ bức xạ Mặt Trời.

Sao Thiên Vương không có tầng trung lưu, phía ngoài cùng của nó là tầng nhiệt và vành nhật hoa tính từ độ cao 4.000 đến 50.000 km trên bề mặt. Nhiệt độ trên cả khu vực rộng lớn này, tuy vậy, khá đồng đều trong khoảng 577^oC.

Các nhà khoa học hiện chưa biết chính xác tại sao nhiệt độ ở tầng ngoài cùng của sao Thiên Vương lại ổn định đến vậy. Nguyên nhân được dự đoán từ bức xạ Mặt Trời, ảnh hưởng của cực quang và thiếu hụt các tác nhân làm giảm nhiệt độ.

Sao Hải Vương

Khí quyển của sao Hải Vương có thành phần Hydro chiếm 80%, 19% là Heli và một lượng nhỏ Metan. Cũng như sao Thiên Vương, màu xanh của nó đến từ việc Metan hấp thụ những bước sóng đỏ.

Tuy nhiên, màu xanh của sao Hải Vương đậm hơn và sống động hơn. Không phải một lượng lớn hơn Metan đã làm nên điều này, khí quyển sao Hải Vương có thành phần Metan tương đương sao Thiên Vương. Các nhà khoa học nói màu xanh đậm của nó đến từ một số thành phần chưa thể xác định.

Khí quyển của sao Hải Vương được chia là hai tầng chính: tầng đối lưu (nơi nhiệt độ giảm theo độ cao) và tầng bình lưu (nơi nhiệt độ tăng theo độ cao). Ranh giới của hai tầng này được gọi là khoảng lặng đối lưu nằm ở điểm áp suất 0,1 bar (10 kPa). Phía ngoài tầng bình lưu của sao Hải Vương sẽ chuyển dần thành tầng nhiệt, nơi áp suất từ 10-5 đến 10-4 micro bar (1 đến 10 Pa) rồi cuối cùng thành tầng ngoài.

Các mô hình khí quyển cho rằng tầng đối lưu của Sao Hải Vương có những dải mây với nhiều thành phần, thay đổi phụ thuộc vào cao độ của chúng. Những đám mây cao nhất hình thành ở áp suất dưới 1 bar, nơi nhiệt độ phù hợp cho khí Metan ngưng tụ. Những vùng có mức áp suất từ 1 đến 5 bar (100 - 500 kPa) có thể hình thành các đám mây Amoniac và Hydro sulphua.

Với áp suất trên 5 bar, các đám mây có thể chứa Amoniac, Amoni Hydro sulphua, Hydro sulphua và nước. Các đám mây băng nước hình thành ở độ sâu với mức áp suất 50 bar (5 MPa), nhiệt độ đạt 0^oC. Bên dưới mức này, cũng có thể có đám mây Amoniac và Hydro sulphua.

Tầng bình lưu sao Hải Vương có một nhiệt độ cao bất thường, khoảng 476,85^oC. Lý do của điều này còn rất mơ hồ bởi hành tinh này ở quá xa so với Mặt Trời để có thể sưởi ấm bằng bức xạ cực tím. Nghĩa là các nhà khoa học phải xem xét đến khả năng của một cơ chế sưởi ấm khác. Đó có thể là sự tương tác của không khí với các ion trong từ quyển của hành tinh.

Bão trên sao Hải Vương

Tương tự nhiều hành tinh của Hệ Mặt Trời, sao Hải Vương không phải một hành tinh rắn. Khí quyển của nó cũng có những hoạt động khí hậu cực mạnh tương tự sao Mộc và sao Thổ. Thời tiết trên Sao Hải Vương được đặc trưng bởi hệ thống những cơn bão mạnh, với tốc độ gió có khi lên tới gần 600 m/s.

Khi theo dõi chuyển động của những đám mây vĩnh cửu, các nhà thiên văn nhận thấy tốc độ gió thay đổi từ 20 m/s theo hướng đông sang 325 m/s theo hướng tây. Ở những đám mây trên cao, tốc độ gió biến đổi từ 400 m/s dọc xích đạo và còn 250 m/s tại hai cực.

Hầu hết gió trên sao Hải Vương thổi theo hướng ngược với chiều quay của hành tinh. Miền gió thổi theo hướng cùng chiều với chiều tự quay hành tinh ở những vĩ độ cao, ngược lại gió thổi theo hướng nghịch chiều quay tại vĩ độ thấp và xích đạo. Sự khác nhau trong hướng gió thổi được cho là do hiệu ứng hiệu ứng bề mặt, không phải do cơ chế hoạt động khí quyển ở phía dưới.

Năm 1989, tàu Voyager 2 phát hiện trên sao Hải Vương một cơn bão lớn tương tự “Vết đỏ lớn” của sao Mộc. Nó có kích thước 13.000x6.600 km và được gọi là “Vết tối lớn”. Tuy nhiên, 5 năm sau, kính thiên văn không gian Hubble đã không còn quan sát thấy “Vết tối lớn” này nữa. Thay vào đó, một cơn bão tương tự lại xuất hiện.

Kết luận

Các hành tinh trong Hệ Mặt Trời

Tóm lại, các hành tinh trong Hệ Mặt Trời của chúng ta có những bầu khí quyển rất khác nhau. So với một bầu không khí rất thoải mái như ở Trái Đất, khí quyển của các hành tinh còn lại tồn tại từ dạng rất mỏng đến siêu dày đặc. Nhiệt độ cũng dao động trong khoảng cực nóng đến cực lạnh.

Một số hành tinh có thể có những nét tương đồng trong khí quyển như sao Mộc, sao Thổ và sao Hải Vương. Đa phần thời tiết ở các hành tinh khác rất khắc nghiệt. Điều đó cho thấy những cơn bão ở Trái Đất còn rất nhỏ bé so với trên các hành tinh khác, từ bão bụi dữ dội trên sao Hỏa tới bão siêu khổng lồ trên sao Mộc.

Và để có những dữ liệu phong phú này, hàng ngàn các nhà thiên văn học, toán học, vật lý học đã phải làm việc say mê suốt nhiều thế kỷ. Họ đã đóng góp rất nhiều công sức để hình thành nên kho tri thức rộng lớn của con người. Mặc dù vậy, những gì chúng ta biết về vũ trụ còn rất nhỏ bé. Tuy nhiên, đó sẽ là những bước cần thiết mở ra nhiều cuộc khám phá tiếp theo.

Tham khảo Universetoday, Wikipedia