Thực đơn
Khí quyển Sao Hỏa
Ngày nay Sao Hỏa có một bầu khí quyển với khí hậu sa mạc. Vào ban ngày, lớp bụi lơ lửng trong khí quyển tạo nên bầu trời màu hồng. Lúc hoàng hôn và bình minh, bầu trời trở nên có màu xanh lam.
Khí quyển Sao Hoả được tạo thành chủ yếu (95,32% thể tích) bởi khí các-bo-níc (CO2). Nó rất mỏng, với khối lượng tổng cộng là 2,5 × 1016 kilôgam, thấp hơn 1% khối lượng khí quyển Trái Đất (do đó áp suất cũng thấp hơn 1% áp suất khí quyển Trái Đất). Nhiều nhà khoa học cho rằng trong quá khứ, từng tồn tại bầu khí quyển dày hơn nhiều và nước từng chảy thành sông đổ ra biển trên Sao Hỏa. Ngày nay chỉ còn lại một lượng rất ít (210 ppm) hơi nước được thấy trong tầng khí quyển thấp của Sao Hỏa, thỉnh thoảng tụ lại thành những dải mây nước đá hoặc, trong vài trường hợp hiếm, các cơn sương mù nước đá. Cũng được tìm thấy với lượng nhỏ trong khí quyển Sao Hỏa là nitơ (2,7%), ôxy (0.13%), CO (0.08%), và các khí hiếm như neon (2,5 ppm), argon (1,6%), krypton (0.3ppm) và xenon (0,08ppm).
| Chất khí | Tỷ lệ thể tích | So với Trái Đất |
|---|---|---|
| CO2 | 95,32% | 90 lần so với khí quyển Trái Đất, 0,001 lần so với dự trữ trong đất đá Trái Đất |
| N2 | 2,7% | 1,1×10−8 lần |
| Ar | 1,6% | 5,7×10−3 lần |
| O2 | 0,13% | 2,1×10−5 lần |
| CO | 0,08% | |
| H2O | 210ppm | |
| NO | 100ppm | |
| Ne | 2,5ppm | |
| HDO | 0,86ppm | |
| Kr | 0,3ppm | |
| Xe | 80 ppb | |
| O3 | 30ppb | |
| CH4 | 10ppb |
Áp suất khí quyển bề mặt Sao Hỏa trung bình là khoảng 6 milibar ở "mực nước biển". Áp suất này thay đổi rất lớn theo mùa, dao động trong khoảng 4 đến 8,7 milibar, do khí các-bo-níc bị ngưng tụ thành tuyết rơi xuống các cực vào mùa đông. Viking 1 và Viking 2 đã đo được thay đổi áp suất theo mùa khoảng 26%. Lượng thay đổi này tương đương với lượng tuyết các-bo-níc dày vài mét rơi xuống các cực.
Áp suất khí quyển Sao Hỏa giảm theo hàm mũ (phân bố Boltzmann) theo độ cao. Cứ lên cao thêm 7,7 km, áp suất lại giảm một nửa (tỷ lệ cao khoảng 11,1 km). Do vậy, áp suất thay đổi mạnh theo độ cao thấp của bề mặt Sao Hỏa, nơi cao nhất là đỉnh núi Olympus Mons, cao +27 km (so với "mực nước biển" của Sao Hỏa) có áp suất 0,5 milibar, bằng 1/17 nơi thấp nhất là lòng chảo Hellas, sâu -4 km, có áp suất 8,4 milibar.
Nhiệt độ trung bình bề mặt là 200K, nhưng nhiệt độ này thay đổi rất mạnh giữa ban ngày và ban đêm, dao động lên tới khoảng 50K, do khí quyển Sao Hỏa quá mỏng không giữ được nhiệt. Nhiệt độ cũng thay đổi giữa các mùa. Nhiệt độ này giảm dần theo độ cao ở gần bề mặt, giảm khoảng 1,5K khi lên cao mỗi kilômét.[10]
Mặc dù khí quyển Sao Hỏa mỏng, gió luôn thổi khá mạnh trên Sao Hỏa, đủ sức cuốn tung lớp bụi rất mịn trên bề mặt Sao Hỏa. Tốc độ gió nhẹ khoảng 2 đến 7 m/s vào mùa hè, trung bình khoảng 5 đến 10 m/s vào mùa thu, và mạnh khoảng 17 đến 30 m/s, vào những mùa bão bụi.
Được gió cuốn từ mặt đất lên, các lớp bụi luôn trôi nổi trong khí quyển Sao Hỏa. Chúng có màu vàng và đỏ, do chứa nhiều ôxít sắt (giống đất đỏ trên Trái Đất). Chúng tạo nên bầu trời màu đỏ của Sao Hỏa vào ban ngày. Chúng là thành phần chủ yếu giúp giữ ấm khí quyển Sao Hỏa, giảm chênh lệch nhiệt độ ngày và đêm [11]. Thỉnh thoảng gió lốc xoáy mạnh thổi bùng lên các đợt bão bụi che phủ toàn Sao Hỏa. Sự xuất hiện đột ngột này thay đổi hoàn toàn khí hậu Sao Hỏa trong vài tuần, rồi tan đi nhanh chóng. Bụi của Sao Hỏa cũng gây ra hiện tượng vào lúc hoàng hôn và bình minh, bầu trời của Sao Hỏa lại trở nên màu xanh lam[12], ngược lại với Trái Đất (bầu trời xanh lam ban ngày và đỏ lúc hoàng hôn và bình minh). Điều này là do hàm tán xạ của bụi Sao Hỏa tỏa ra đều mọi hướng với bước sóng ánh sáng đỏ, nhưng là tập trung về phía trước với bước sóng ánh sáng xanh lam. Khi Mặt Trời ở gần đường chân trời, ánh sáng tới mặt đất đi qua lớp khí quyển dày theo hướng thẳng về phía trước, với các ánh sáng đỏ bị tán xạ ra hướng khác trên đường đi, còn ánh sáng xanh lam rọi thẳng xuống đất. Khi Mặt Trời khuất dưới đường chân trời, sự xuất hiện của các đám mây trên cao có thể phản chiếu ánh sáng xanh lam xuống đất.
Bầu trời xanh lam lúc hoàng hôn.Mây trên Sao Hỏa là do hơi nước và khí các-bo-níc thường xuyên ngưng đọng thành các hạt đá nhỏ li ti, trôi lơ lửng. Chúng tạo nên các dải mây trắng, thỉnh thoảng có ánh vàng do lẫn bụi vào. Các dải mây ti nước đá thường ở độ cao chừng 16 km, trong khi mây thán khí đá nằm ở độ cao từ 40 đến 100 km. Việc ngưng tụ của hơi nước thành mây cho thấy sự bão hòa hơi nước tại các vùng khí quyển địa phương của Sao Hỏa và có thể là dấu hiệu quan trọng trong nghiên cứu chu trình biến đổi hơi nước cũng như khí tượng của khí quyển Sao Hỏa [13].
Cấu trúc thẳng đứng của các tầng khí quyển Sao Hỏa, gồm thay đổi của áp suất và nhiệt độ theo độ cao, được quyết định bởi sự cân bằng của các dòng đối lưu và các dòng di chuyển của năng lượng nhiệt (như việc hấp thụ năng lượng Mặt Trời bởi khí quyển và sự thất thoát ra ngoài không gian do bức xạ).
Khí quyển Sao Hỏa về cơ bản có tầng đối lưu và tầng bình lưu rõ rệt.
Tầng đối lưu cao đến 40 km với nhiệt độ giảm dần theo độ cao. Tại ranh giới giữa tầng đối lưu và bình lưu, nhiệt độ tương đối ổn định khoảng 120K. Lượng bụi lớn trong khí quyển Sao Hỏa đã đẩy cao tầng đối lưu lên như vậy (so với khí quyển Trái Đất chỉ khoảng 10 đến 18 km).
Ở tầng đối lưu, hai thành phần chính quyết định cấu trúc khí quyển là CO2 và bụi khí quyển. CO2 bức xạ nhanh nhiệt ra không trung, tại điều kiện nhiệt độ của Sao Hỏa, làm nguội nhanh khí quyển vào ban đêm. Các hạt bụi hấp thụ tốt năng lượng Mặt Trời và phân phối đều nhiệt lượng trong tầng đối lưu. Trong những đợt bão bụi, ảnh hưởng của bụi càng rõ, làm thay đổi nhiệt độ ngày đêm đáng kể.
Sự thay đổi nhiệt độ ở tầng đối lưu, trên phạm vi toàn Sao Hỏa, tuân theo dao động ngày đêm đều đặn, đồng bộ với vị trí Mặt Trời, đôi khi gọi là "thủy triều nhiệt".
Tầng bình lưu trên Sao Hỏa thường nằm trong khoảng độ cao từ 70 km đến 140 km.
Trong tầng bình lưu, nhiệt độ dao động trong khoảng từ 120K đến 130K (tức là khoảng -153°C đến -143 °C). Lên trên ranh giới bình lưu, nhiệt độ lại tăng theo độ cao.
Trong tầng này và các tầng cao hơn của Sao Hoả, không tồn tại mây nước đá và bụi, tuy nhiên đôi khi có quan sát thấy mây thán khí đá. Các mây thán khí đá có thể đạt tới độ cao 100 km.
Trên 100 km, cấu trúc khí quyển được định đoạt bởi các quá trình phân ly các phân tử, dưới hấp thụ bức xạ Mặt Trời. Tia tử ngoại của Mặt Trời làm ion hóa các phân tử khí dẫn đến hàng loạt các phản ứng hóa học phức tạp. Các phân tử bị phân ly, trở nên nhẹ hơn, có xu hướng bay lên trên cao, thậm chí thoát khỏi sức hút Sao Hỏa. Các phân tử nặng tổng hợp trong các phản ứng hóa học rơi xuống dưới thấp. Nhiệt độ ở tầng trên cùng khoảng 300K.
Về cơ bản, các quá trình động lực trong khí quyển Sao Hỏa rất giống với các quá trình động lực trên khí quyển Trái Đất. Lý do là các nguyên lý vật lý đều xuất phát từ các phương trình thủy động lực học giống nhau. Các mô hình dự báo khí tượng trên Sao Hỏa như mô hình GFDL[14], LMD/AOPP[15] trên tầm vĩ mô đều tách làm hai phần chính, phần tính toán động lực học, cho thấy sự tương tác trên toàn cầu, và phần tính toán truyền xạ địa phương, cho thấy quá trình biến đổi khí tượng tại vùng địa phương dưới tác động của nguồn nhiệt là năng lượng Mặt Trời. Các mô hình này dùng lại nguyên vẹn tính toán động lực học của các mô hình dự báo khí tượng trên Trái Đất. Điểm khác nhau duy nhất giữa dự báo khí tượng trên Trái Đất và Sao Hỏa là quá trình truyền xạ địa phương, trong đó bụi và mây Sao Hỏa đóng vai trò quan trọng.
Các ví dụ về sự giống nhau giữa động lực học khí quyển Sao Hỏa và Trái Đất có thể được thể hiện qua sự có mặt của vòng hoàn lưu Hadley, tạo nên gió mậu dịch, các sóng nhiệt, các cuộn xoáy (bão). Sự tương tự trong chuyển động của Sao Hỏa quanh Mặt Trời cũng tạo ra chu trình tuần hoàn ngày đêm, và chu kỳ tuần hoàn theo mùa của thời tiết.
Điểm khác biệt trong quá trình truyền xạ địa phương, với sự có mặt của bụi, tạo nên những hiện tượng động lực học rất đặc trưng, nổi bật là hiện tượng thổi tung bụi từ mặt đất vào khí quyển. Đây là một hiện tượng có tính nhiễu loạn ngẫu nhiên cao, chưa được hiểu kỹ lưỡng. Mặc dù hiện tượng này xảy ra trên quy mô địa phương, với lực nâng bụi tỷ lệ với ứng suất gió tại bề mặt, vẫn thường xuyên quan sát thấy sự nâng bụi lên khỏi mặt đất có thể xảy ra đồng loạt trên phạm vi toàn cầu, tạo nên các mùa bão bụi. Hiện chưa có cơ chế vật lý nào được xây dựng để giải thích mối liên hệ giữa bão bụi toàn cầu và các cơn lốc bụi địa phương. Đây là một trong các nguồn tạo ra sai số lớn cho các cố gắng dự báo khí tượng trên Sao Hỏa.
Theo các kết quả nghiên cứu từ trước đến nay, có thể tóm tắt quá trình tiến hóa của khí quyển Sao Hỏa từ khi hành tinh này hình thành cùng hệ Mặt Trời như sau. Khi mới hình thành, khí quyển Sao Hỏa có lẽ đã rất giống với khí quyển Sao Kim và khí quyển Trái Đất vào cùng thời điểm đó. Nghĩa là các khí quyển này đếu có áp suất cỡ 106-107 Pascal, gồm chủ yếu là khí cácboníc và một phần nitơ. Giai đoạn tiếp theo, giống như trên Trái Đất, đa phần khí cácboníc phản ứng với khoáng sản trên bề mặt, và bị hấp thụ trong các khoáng sản này, khiến áp suất khí quyển giảm dần. Không giống với Trái Đất và Sao Kim, Sao Hỏa có trọng trường nhỏ hơn vì khối lượng bé hơn, do đó vận tốc vũ trụ cấp hai nhỏ. Bức xạ cực tím từ Mặt Trời phá hủy các khí ở tầng trên cùng thành các nguyên tử có khối lượng nhỏ, và qua va chạm nhiệt, có vận tốc lớn hơn vận tốc vũ trụ cấp hai của Sao Hỏa. Các nguyên tử này thoát dần khỏi sức hút yếu của Sao Hỏa, làm khí quyển này ngày càng mỏng đi. Khối lượng nhỏ bé của Sao Hỏa cũng không giúp nó giữ nhiệt năng lâu như Trái Đất hay Sao Kim. Các hoạt động núi lửa, vốn có tác dụng phóng vào khí quyển nguồn thán khí các chất khí mới, bị nhanh chóng chấm dứt do tiêu thụ nhanh nhiệt năng trong lòng hành tinh này. Không có nguồn cung ứng mới và bị mất mát do các quá trình đã miêu tả, khí quyển Sao Hỏa trở nên mỏng như ngày nay.
Thực đơn
Khí quyển Sao HỏaLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Khí quyển Sao Hỏa