Sao Kim là một trong bốn hành tinh đất đá trong hệ Mặt Trời. Theo khối lượng và kích thước, nó gần giống với Trái Đất và có lúc gọi là "hành tinh chị em" hoặc "hành tinh sinh đôi" với Trái Đất.[17] Đường kính của Sao Kim bằng 12.092 km (chỉ nhỏ hơn 650 km của Trái Đất) và khối lượng của nó bằng 81,5% khối lượng Trái Đất. Địa mạo trên bề mặt hành tinh khác xa so với địa hình trên Trái Đất, do hành tinh có một bầu khí quyển cacbon điôxít rất dày. Tổng khối lượng của cacbon điôxít chiếm tới 96,5% khối lượng khí quyển, và đa số khối lượng còn lại là 3,5% của nitơ.[18]

Địa lý

Nghiên cứu bề mặt Sao Kim vẫn còn có nhiều vấn đề mang tính phỏng đoán cho đến khi một số bí mật của nó được khám phá trong ngành khoa học hành tinh ở thế kỷ XX. Bề mặt hành tinh đã được vẽ chi tiết từ tàu Magellan năm 1990–91. Trên bản đồ hành tinh hiện lên những chi tiết cho thấy khả năng có hoạt động của núi lửa, và sự có mặt của lưu huỳnh trong khí quyển còn cho thấy khả năng có một số vụ phun trào gần đây.[19][20]

Khoảng 80% diện tích bề mặt Sao Kim bao phủ bởi những đồng bằng núi lửa phẳng, hay 70% đồng bằng có những rặng núi và 10% đồng bằng có thùy.[21] Hai "lục địa" cao nguyên chiếm phần còn lại của diện tích bề mặt, một lục địa nằm ở bán cầu bắc và lục kia nằm ở ngay phía nam xích đạo hành tinh. Các nhà khoa học đặt tên lục địa phía bắc là Ishtar Terra, theo tên thần Ishtar, thần tình yêu của người Babylon, lục địa có diện tích xấp xỉ Australia. Ngọn Maxwell Montes, núi cao nhất trên Sao Kim, nằm ở lục địa Ishtar Terra. Chiều cao của nó xấp xỉ 11 km tính từ độ cao trung bình của bề mặt hành tinh. Lục địa bán cầu nam có tên Aphrodite Terra, theo tên của thần tình yêu trong thần thoại Hy Lạp, và là lục địa cao nguyên lớn nhất với diện tích xấp xỉ lục địa Nam Mỹ. Có rất nhiều dấu vết đứt gãy địa chất ở lục địa này.[22]

Sự thiếu đi chứng cứ về những dòng chảy dung nham cũng như những miệng núi lửa (caldera) vẫn còn là một bí ẩn đối với các nhà khoa học. Hành tinh này có một vài hố va chạm, và do đó bề mặt hành tinh còn tương đối trẻ, xấp xỉ khoảng 300–600 triệu năm tuổi.[23][24] Ngoài các hố va chạm, núi và thung lũng thường gặp trên các hành tinh đất đá, Sao Kim cũng có những nét đặc trưng riêng. Một trong số đó là những địa hình dạng núi lửa phẳng gọi là "farra", nhìn giống như bánh đa với đường kính 20–50 km, và cao 100–1.000 m; hệ thống những vết nứt hướng về tâm hình cánh sao gọi là "novae"; những vết nứt gãy đặc trưng hướng về tâm và bao bởi những vết nứt đồng tâm giống như mạng nhện hay gọi là "arachnoids"; và "coronae", những đường nứt gãy vòng tròn đôi khi bao quanh chỗ lõm. Những đặc trưng riêng này có nguồn gốc liên quan đến núi lửa.[25]

Đa số các đặc điểm trên bề mặt Sao Kim được đặt tên theo phụ nữ trong lịch sử và thần thoại.[26] Ngoại trừ ngọn Maxwell Montes, theo tên của James Clerk Maxwell, và những vùng cao nguyên Alpha Regio, Beta Regio và Ovda Regio. Ba tên gọi sau được đặt trước khi hệ thống tên gọi hiện tại do Hiệp hội Thiên văn Quốc tế áp dụng, cơ quan ban hành quy định và chứng nhận tên gọi cho các thiên thể và vật thể trong thiên văn học.[27]

Kinh độ địa lý của các đặc điểm trên bề mặt Sao Kim được lấy theo kinh tuyến gốc của nó. Ban đầu các nhà khoa học lấy kinh tuyến gốc đi qua một điểm sáng trên ảnh radar tại tâm của đặc điểm Eve hình oval, nằm ở phía nam của Alpha Regio.[28] Sau khi phi vụ Venera hoàn thành, kinh tuyến gốc được định nghĩa lại khi nó đi qua đỉnh trung tâm của hố va chạm Ariadne.[29][30]

Địa chất bề mặt

Ảnh radar toàn cầu bề mặt Sao Kim từ tàu Magellan chụp trong giai đoạn 1990–1994

Địa mạo Sao Kim hiện lên cho thấy có sự ảnh hưởng của hoạt động núi lửa. Sao Kim từng có số núi lửa nhiều như của Trái Đất, và có 167 núi lửa có đường kính trên 100 km. Vùng chứa nhiều núi lửa như thế duy nhất trên Trái Đất tại đảo Lớn của Hawaii.[25] Đây không phải vì Sao Kim có nhiều hoạt động núi lửa hơn Trái Đất mà bởi vì lớp vỏ của nó già hơn. Vỏ đại dương của Trái Đất liên tục được tái tạo thông qua sự hút chìm tại biên giới giữa các mảng kiến tạo, và có tuổi trung bình bằng 100 triệu năm,[31] trong khi các nhà khoa học tính toán bề mặt Kim Tinh có tuổi 300–600 triệu năm.[23][25]

Có một số manh mối thể hiện vẫn còn hoạt động núi lửa trên Sao Kim. Trong chương trình Venera của Liên Xô, các tàu Venera 11 và Venera 12 đã ghi nhận được các luồng tia sét, và Venera 12 còn ghi được tiếng sét nổ mạnh ngay sau khi nó đổ bộ. Tàu Venus Express của Cơ quan vũ trụ châu Âu cũng chụp được hình ảnh tia sét trong lớp khí quyển trên cao.[32] Có thể tro bay ra từ núi lửa đã gây ra sét trong bầu khí quyển hành tinh. Một dữ liệu khác đến từ mật độ tập trung của lưu huỳnh điôxit trong khí quyển, mà các nhà khoa học nhận thấy đã giảm đi 10 lần trong giai đoạn 1978 đến 1986. Hiện tượng này có thể giải thích bằng núi lửa hoạt động trước đó đã phun lưu huỳnh điôxit ra khí quyển.[33]

Hố va chạm trên bề mặt Sao Kim (ảnh tái dựng từ dữ liệu quan trắc radar)

Có khoảng 1.000 hố va chạm phân bố khắp bề mặt Sao Kim. Trên những thiên thể khác như Trái Đất hay Mặt Trăng, các hố va chạm thể hiện quá trình biến mất dần của chúng. Trên Mặt Trăng, sự biến mất là do những thiên thạch theo thời gian rơi xuống làm mờ đi hố già tuổi hơn, trong khi trên Trái Đất, miệng hố bị phong hóa bởi mưa và gió. Trên Sao Kim, khoảng 85% hố va chạm vẫn còn ở trạng thái nguyên thủy. Số lượng hố va chạm, cùng với điều kiện được "bảo tồn" tốt của chúng, cho thấy hành tinh trải qua lần tái tạo bề mặt gần đây nhất cách khoảng 300–600 triệu năm trước,[23][24] đi kèm với sự tắt dần của các núi lửa.[34] Trong khi lớp vỏ Trái Đất liên tục chuyển động, các nhà khoa học nghĩ rằng trên Sao Kim các vỏ không có sự di chuyển này. Không có hoạt động kiến tạo mảng để tiêu tán nhiệt ra khỏi lớp phủ, thay vào đó Sao Kim trải qua chu trình tuần hoàn trong đó nhiệt độ lớp phủ tăng cao cho đến khi đạt nhiệt độ tới hạn làm yếu/tan chảy lớp vỏ. Do vậy trong chu kỳ trên 100 triệu năm, sự hút chìm xuất hiện trên hầu như toàn bộ hành tinh, làm tái tạo mới hoàn toàn bề mặt lớp vỏ.[25]

Các hố va chạm trên Sao Kim có đường kính từ 3 km đến 280 km. Không có hố nào với đường kính nhỏ hơn 3 km, bởi vì do khí quyển dày đặc cản trở các vật thể rơi từ ngoài vũ trụ. Các vật với động năng nhỏ hơn một giá trị xác định bị hãm chậm lại khi nó rơi vào bầu khí quyển, và nếu động năng hoặc kích cỡ nhỏ chúng không tạo ra một hố va chạm đưọc.[35] Mưa axit: Thành phần khí quyển chủ yếu của sao Kim là cacbonic và những lớp mây nóng bỏng dày đặc chứa sunfuric đã hình thành các trận mưa axit sunfuric tàn phá bề mặt hành tinh. Ngoài ra địa hình của Sao Kim Khoảng 80% diện tích bề mặt Sao Kim bao phủ bởi những đống bằng núi lửa phẳng, hay 70% đồng bằng có những rặng núi và 10% đồng bằng có thùy. Do áp lực khí quyển đè lên hành tinh này khá lớn nên ngay cả khi các thiên thạch rơi vào hành tinh cũng không tạo ra nhiêu biến dạng vì đất đá bị không khí ném chặt xuống khiến chúng không thể rơi vãi lung tung.[36]

Cấu trúc bên trong

Minh họa một khả năng cho cấu trúc bên trong Sao Kim.

Không có những dữ liệu địa chấn hoặc về mô men quán tính hành tinh, các nhà khoa học có ít thông tin trực tiếp liên quan đến cấu trúc bên trong và địa hóa học của Sao Kim.[37] Sự gần giống về đường kính và khối lượng riêng giữa Sao Kim và Trái Đất gợi ra khả năng chúng có cấu trúc bên trong cũng tương tự nhau: gồm lõi hành tinh, lớp phủ, và lớp vỏ. Giống như Trái Đất, lõi Sao Kim ít nhất ở trạng thái lỏng một phần bởi vì hai hành tinh có quá trình lạnh/tiêu tán nhiệt bên trong với cùng một tốc độ.[38] Đường kính nhỏ hơn của Sao Kim cho thấy những phần sâu bên trong hành tinh chịu áp suất nhỏ hơn so với của Trái Đất. Sự khác nhau chính yếu giữa hai hành tinh đó là các nhà khoa học chưa có chứng cứ về hoạt động kiến tạo mảng trên Sao Kim, có thể bởi vì lớp vỏ quá cứng để có thể xảy ra hút chìm mảng lục địa, mà không có nước lỏng để chúng có thể trượt lên nhau. Kết quả này dẫn đến giảm sự mất mát nội nhiệt hành tinh, kéo dài thời gian hành tinh bị lạnh đi và có thể là một phần giải thích cho hành tinh không có một từ trường toàn cầu.[39]Thay vì vậy, nội nhiệt của Sao Kim bị mất trong quá trình tái tạo bề mặt tuần hoàn theo chu kỳ hàng trăm triệu năm.[23]

Khí quyển và khí hậu

Khí quyển Sao Kim chụp năm 1979 qua bước sóng tử ngoại từ tàu Pioneer Venus Orbiter.Quang phổ hấp thụ của một khí hỗn hợp tương đương với khí quyển Trái Đấtvà quang phổ khí quyển Sao Kim dựa trên dữ liệu từ HITRAN[40] trên Website.[41] Màu lục – hơi nước, đỏ – cacbon điôxít, WN – số sóng (chú ý: những màu khác có ý nghĩa khác, số sóng thấp hơn về bên phải, cao hơn về bên trái.

Sao Kim có khí quyển rất dày, chứa chủ yếu CO2 và lượng nhỏ N2. Khối lượng khí quyển của hành tinh này lớn gấp 93 lần so với khối lượng khí quyển của Trái Đất, trong khi áp suất bề mặt cao gấp 92 so với của Trái Đất—áp này tương đương với độ sâu gần bằng 1 kilômét tính từ bề mặt đại dương trên Trái Đất. Khối lượng riêng/mật độ của không khí tại nơi gần bề mặt bằng 65 kg/m³ (bằng 6,5% của nước). Khí quyển giàu CO2, cùng với đám mây dày SO2, tạo ra hiệu ứng nhà kính mạnh nhất trong các hành tinh trong Hệ Mặt Trời, với nhiệt độ tại bề mặt ít nhất bằng 462 °C.[7][42] Điều này khiến cho bề mặt của Sao Kim nóng hơn so với của Sao Thủy, với nhiệt độ bề mặt cực tiểu −220 °C và cực đại bằng 420 °C,[43] ngay cả khi khoảng cách từ Sao Kim đến Mặt Trời gần bằng hai lần khoảng cách đó đến Sao Thủy và do vậy hành tinh này chỉ nhận được khoảng 25% năng lượng bức xạ Mặt Trời so với năng lượng Sao Thủy nhận được. Do vậy người ta thường miêu tả bề mặt Sao Kim là địa ngục nóng rực.[44] Nhiệt độ này thậm chí còn cao hơn nhiệt độ cần thiết trong một số quá trình khử trùng.

Nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy hàng tỷ năm trước khí quyển của Sao Kim từng khá giống với khí quyển Trái Đất hơn so với ngày nay, và một số người giả thuyết đã tồn tại nước lỏng trên bề mặt hành tinh, nhưng sau chu kỳ từ 600 triệu đến vài tỷ năm,[45] hiệu ứng nhà kính mất kiểm soát (runaway greenhouse effect) khiến bốc hơi hoàn toàn lượng nước này, và sinh ra lượng khí nhà kính tới mức giới hạn trong bầu khí quyển của nó.[46] Mặc dù những điều kiện vật lý trên hành tinh không còn thích hợp để duy trì những dạng sống nguyên thủy như của Trái Đất nhưng có thể trước đây chúng đã từng tồn tại, và khả năng có những dạng sống bậc thấp tồn tại trong trung tầng và thượng tầng khí quyển vẫn chưa bị bác bỏ.[47]

Quán tính nhiệt (thermal inertia) và sự truyền nhiệt bởi gió trong khí quyển gần bề mặt cho thấy nhiệt độ bề mặt Sao Kim không biến đổi lớn giữa phía ngày và đêm, cho dù hành tinh có tốc độ tự quay cực thấp. Tốc độ gió gần bề mặt là thấp, thổi với vận tốc vài kilômét trên giờ, nhưng do mật độ khí quyển gần bề mặt cao, luồng gió tác động một lực lớn lên những chướng ngại vật nó thổi qua, và vận chuyển bụi và đá nhỏ đi khắp bề mặt hành tinh. Chỉ riêng điều này cũng khiến cho con người đi bộ trên bề mặt hành tinh này cũng rất khó khăn, ngay cả khi nhiệt độ, áp suất và sự thiếu hụt ôxy không còn là một vấn đề.[48]

Bên trên tầng khí quyển CO2 đậm đặc là những lớp mây chứa chủ yếu SO2 và những giọt axít sunfuric.[49][50] Những đám mây này phản xạ và tán xạ khoảng 90% ánh sáng Mặt Trời đẩy ngược chúng vào không gian vũ trụ, và ngăn cản các nhà khoa học quan sát bề mặt hành tinh này. Các đám mây vĩnh cửu bao phủ toàn bộ Sao Kim có nghĩa rằng mặc dù Sao Kim gần Mặt Trời hơn so với Trái Đất, bề mặt hành tinh không được chiếu sáng nhiều. Những cơn gió mạnh ở những đám mây trên cao với vận tốc 300 km/h có thể thổi đi vòng quanh hành tinh trong thời gian từ bốn đến năm ngày.[51] Những cơn gió trong khí quyển Sao Kim có tốc độ cao gấp 60 lần tốc độ tự quay của hành tinh này, trong khi đó những cơn gió mạnh nhất trên Trái Đất có tốc độ chỉ bằng 10% đến 20% tốc độ tự quay của nó.[52]

Quá trình đẳng nhiệt trong khí quyển Sao Kim rất hữu hiệu; nó duy trì sự không đổi của nhiệt độ khí quyển không những giữa phía ngày và đêm mà còn giữa vùng xích đạo và hai vùng cực.[2][53] Độ nghiêng trục quay của Sao Kim nhỏ (ít hơn 3 độ, so với 23 độ của Trái Đất) cũng là một nguyên nhân làm sự biến đổi nhiệt độ theo mùa của hành tinh là rất nhỏ.[54] Sự biến đổi rõ rệt của nhiệt độ chỉ xảy ra theo độ cao. Năm 1995, tàu Magellan chụp được ảnh những vùng có độ phản xạ cao tại đỉnh của các ngọn núi cao nhất mà tại những vùng này có phân bố những chất có tính phản xạ như tuyết ở trên Trái Đất. Các nhà khoa học lập luận rằng chất này hình thành trong quá trình tương tự như tuyết, mặc dù trong điều kiện nhiệt độ rất cao. Quá nhiều chất bay hơi ngưng tụ trên gần bề mặt sẽ đẩy khí bay lên và bị lạnh đi hình thành tại những nơi cao hơn, và tại đây chúng lại rơi xuống như mưa. Các nhà khoa học vẫn chưa biết chính xác chất này là gì, nhưng có thể là telua cho tới chì sunfit (galena).[55]

Các đám mây trên Sao Kim cũng phóng tia sét nhiều như trên Trái Đất.[56] Sự tồn tại của sét đã gây tranh cãi khi lần đầu tiên tàu Venera của Liên Xô phát hiện ra những chớp sáng này. Năm 2006–07 tàu Venus Express chụp được rõ ràng sóng electron điện từ, dấu hiệu cho thấy có tia sét. Hình ảnh xuất hiện rời rạc của chúng cho thấy những tia sét này đi kèm với hoạt động của thời tiết. Tốc độ tia sét bằng ít nhất một nửa của nó trên Trái Đất.[56] Năm 2007, tàu Venus Express phát hiện ra hai xoáy khí quyển khổng lồ tồn tại ở cực nam hành tinh.[57][58]

Một khám phá khác từ tàu Venus Express trong năm 2011 đó là có một tầng ozone ở trên cao khí quyển của Sao Kim.[59]

Ngày 29 tháng 1 năm 2013, các nhà khoa học ESA thông báo tầng điện li của Sao Kim thổi hướng ra ngoài theo cách tương tự như "đuôi các hạt ion phóng ra từ một sao chổi dưới những điều kiện tương tụ."[60][61]

Từ trường và lõi hành tinh

So sánh kích cỡ bốn hành tinh: Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất, và Sao Hỏa với màu thực.

Năm 1967, tàu Venera-4 phát hiện ra từ trường Sao Kim yếu hơn nhiều so với của Trái Đất. Từ trường này cảm ứng bởi tương tác giữa tầng điện ly và gió Mặt Trời,[62][63] hơn là bởi chu trình dynamo trong lõi hành tinh giống như từ trường của Trái Đất. Từ quyển cảm ứng nhỏ của Sao Kim không thể bảo vệ bầu khí quyển của nó tránh khỏi sự bắn phá của các tia vũ trụ. Bức xạ này cũng là một trong các nguyên nhân gây ra sự phóng điện tia sét giữa các đám mây.[64]

Các nhà khoa học đã ngạc nhiên khi Sao Kim không có từ trường mạnh (từ trường Sao Kim gần như bằng 0) khi nó có cùng kích cỡ với Trái Đất, và họ cũng đã nghĩ nó cũng có một lõi nóng chảy-yếu tố quan trọng trong lý thuyết dynamo. Lý thuyết dynamo có ba yếu tố chính: Đó là phải có một chất lỏng dẫn điện, quay, và chuyển động đối lưu. Lõi hành tinh có khả năng dẫn điện và trong khi hành tinh tự quay rất chậm, các mô phỏng trên máy tính cho thấy nó vẫn đủ để tạo ra sự quay cần thiết trong thuyết dynamo.[65][66] Từ đây chúng ta có thể thấy dynamo không hoạt động bởi vì không có sự đối lưu trong lõi hành tinh. Trên Trái Đất, sự đối lưu xuất hiện trong lớp vật liệu dạng lỏng phủ bên ngoài lõi có tính đối lưu bởi vì đáy của lớp phủ nóng hơn phía bên trên gần bề mặt. Trên Sao Kim, sự kiện tái tạo bề mặt toàn cầu có thể làm tắt sự kiến tạo mảng và dẫn đến giảm thông lượng nhiệt truyền qua lớp vỏ. Điều này làm nhiệt độ lớp phủ tăng, do đó làm giảm thông lượng nhiệt qua lõi hành tinh. Kết quả là, không có quá trình dynamo địa hành tinh để sinh ra từ trường. Thay vào đó, năng lượng nhiệt từ lõi làm nóng lại lớp vỏ.[67]

Các nhà khoa học nêu ra có một khả năng Sao Kim không có lõi cứng bên trong,[68] hoặc hiện tại lõi của nó không còn quá trình tiêu tán nhiệt, do vậy toàn bộ phần vật chất lỏng quay lõi có nhiệt độ xấp xỉ bằng nhau. Một khả năng khác đó là lõi của nó đã hoàn toàn hóa rắn. Trạng thái của lõi phụ thuộc cao vào độ tập trung của lưu huỳnh, mà cho tới nay các nhà khoa học chưa biết được giá trị này.[67]

Từ quyển rất yếu bao quanh Sao Kim có nghĩa là gió Mặt Trời tương tác trực tiếp với tầng thượng quyển của hành tinh. Tại đây, các ion hiđrô và ôxy liên tục được sinh ra từ sự phân ly các phân tử trung hòa do tác động của tia tử ngoại. Tiếp đó gió Mặt Trời cung cấp năng lượng đủ lớn giúp cho những ion này có vận tốc đủ để thoát ra khỏi trường hấp dẫn của hành tinh. Sự mất mát này dẫn đến kết quả lượng ion các nguyên tố nhẹ như hiđrô, heli, và ôxy liên tục giảm đi, trong khi các phân tử khối lượng lớn hơn như cacbon điôxít vẫn nằm lại trong khí quyển hành tinh. Sự xói mòn khí quyển hành tinh bởi gió Mặt Trời dẫn đến khí quyển mất đa số lượng nước trong suốt lịch sử hàng tỷ năm của hành tinh này. Quá trình này cũng làm tăng tỷ lệ deuteri so với hiđrô trong tầng thượng quyển cao gấp 150 lần của tỷ số này ở tầng dưới của khí quyển.[69]