Vì Sao Oxy Trên Trái Đất Không Thể Thoát Ra Ngoài Vũ Trụ?
Bài viết phát hành:
Cập nhật lần cuối:
Mỗi hơi thở của chúng ta đều mang theo một câu hỏi mà ít người dừng lại để nghĩ. Vì sao khí oxy luôn bám chặt lấy bề mặt Trái Đất, thay vì bay biến vào khoảng không vũ trụ lạnh lẽo? Chúng tôi từng cho rằng câu trả lời chỉ gói gọn trong hai chữ lực hấp dẫn. Nhưng khi tìm hiểu sâu hơn, chúng tôi nhận ra đây là cả một hệ thống phòng thủ nhiều lớp, và mỗi lớp đều rất quan trọng đối với sự sống.
Bầu Khí Quyển Trái Đất Là Gì?
Bầu khí quyển là lớp khí bao quanh hành tinh của chúng ta. Khoảng 21% thể tích của lớp khí này là oxy, phần còn lại chủ yếu là nitơ. Oxy chính là nguồn sống cho hô hấp của con người, động vật và nhiều loài sinh vật khác.
Điều khiến chúng tôi bất ngờ là khối lượng của toàn bộ bầu khí quyển chỉ bằng khoảng một phần 1,2 triệu khối lượng Trái Đất. Nói cách khác, đó chỉ là một lớp vỏ rất mỏng. Vậy mà lớp vỏ mỏng manh ấy đã ở lại cùng hành tinh suốt hàng tỷ năm.
(Xem thêm: Dukono Là Núi Lửa Gì? Nó Có Nguy Hiểm Không?)
Lực Hấp Dẫn Giữ Chân Từng Phân Tử Oxy
Lý do đầu tiên và dễ hình dung nhất là lực hấp dẫn. Trái Đất có khối lượng đủ lớn để tạo ra một trường lực kéo mọi thứ về phía tâm hành tinh, kể cả những phân tử khí nhỏ bé như oxy và nitơ. Nhờ lực hút này, bầu khí quyển được neo giữ ổn định quanh địa cầu và duy trì áp suất cần thiết cho sự sống.
Chúng tôi thường ví lực hấp dẫn như một tấm chăn vô hình. Tấm chăn ấy không đứng yên mà luôn kéo từng phân tử khí trở lại mỗi khi chúng bay lên cao.
Trọng Lượng Phân Tử Và Vận Tốc Thoát Ly
Muốn rời khỏi Trái Đất vĩnh viễn, một phân tử khí phải đạt vận tốc thoát ly. Tại bề mặt Trái Đất, con số này vào khoảng 11,2 km/s, tương đương hơn 40.000 km/h. Xét về bản chất, đây là ngưỡng năng lượng rất cao đối với một phân tử khí thông thường.
- Phân tử oxy có khối lượng tương đối nặng so với các loại khí nhẹ như hydro hay heli.
- Ở nhiệt độ thông thường, tốc độ chuyển động nhiệt trung bình của phân tử oxy chỉ khoảng 0,48 km/s, thấp hơn vận tốc thoát ly hơn 20 lần.
- Vì vậy, gần như toàn bộ phân tử oxy không đủ động năng để tự vượt qua lực hút của Trái Đất.
Vì Sao Hydro Và Heli Thoát Đi Còn Oxy Thì Ở Lại
Chúng tôi cần nói rõ một điều để bài viết trung thực. Trái Đất vẫn mất đi một phần khí quyển vào không gian. Quá trình này diễn ra ở tầng cao nhất của khí quyển và kéo dài trên thang thời gian hàng tỷ năm.
Tốc độ của các phân tử trong chất khí không đồng đều. Phần lớn chuyển động chậm hơn mức thoát ly, nhưng một số ít phân tử nhanh bất thường có thể đạt ngưỡng ấy. Các khí nhẹ như hydro và heli di chuyển nhanh hơn khí nặng, nên chúng dễ thoát đi hơn nhiều. Đây là lý do hydro và heli rất hiếm trong khí quyển của chúng ta, dù chúng cực kỳ phổ biến trong vũ trụ. Oxy và nitơ nặng hơn, nên hầu hết ở lại.
Từ Quyển Che Chắn Khí Quyển Khỏi Gió Mặt Trời
Lực hấp dẫn chỉ giải quyết được một nửa vấn đề. Mặt Trời liên tục phóng ra các dòng hạt mang điện gọi là gió mặt trời, di chuyển về phía Trái Đất với tốc độ khoảng một triệu dặm mỗi giờ hoặc hơn. Nếu không có gì ngăn cản, những dòng hạt này có thể bóc dần các lớp bảo vệ của hành tinh.
- Từ trường do chuyển động của lõi ngoài kim loại lỏng bên trong Trái Đất tạo ra một vùng bảo vệ gọi là từ quyển.
- Từ quyển làm lệch hướng phần lớn các hạt mang điện từ Mặt Trời, khiến chúng đi vòng quanh hành tinh.
- Nhờ lớp khiên này, khí quyển không bị gió mặt trời thổi bay từng chút một.
Bài Học Đắt Giá Từ Sao Hỏa
Muốn thấy rõ giá trị của những cơ chế này, chúng tôi nhìn sang Sao Hỏa. Hành tinh đỏ nhỏ hơn nhiều, lực hấp dẫn bề mặt chỉ khoảng 38% so với Trái Đất và vận tốc thoát ly chỉ khoảng 5 km/s. Theo NASA, Sao Hỏa được cho là đã mất từ quyển cách đây khoảng 4,2 tỷ năm, và gió mặt trời nhiều khả năng đã cuốn đi phần lớn khí quyển của nó.
Kết quả là một thế giới khô cằn, lạnh lẽo mà chúng ta thấy qua ảnh chụp của các tàu thăm dò. Nhìn hình ảnh ấy, chúng tôi hiểu rằng việc Trái Đất còn giữ được không khí không phải điều hiển nhiên.
Ý Nghĩa Sống Còn Của Khí Quyển Đối Với Sự Sống
Khí quyển không chỉ cung cấp oxy để thở. Lớp khí này hấp thụ tia cực tím có hại từ Mặt Trời, giữ cho bề mặt hành tinh ấm nhờ hiệu ứng nhà kính và làm giảm chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm. Thiếu đi sự kết hợp giữa lực hấp dẫn, khối lượng phân tử và từ quyển, Trái Đất có thể đã trở thành một thế giới trống trải giống nhiều hành tinh khác trong hệ mặt trời.
Kết Luận
Oxy không thoát ra ngoài vũ trụ vì ba yếu tố cùng làm việc. Lực hấp dẫn giữ chặt các phân tử, khối lượng của phân tử oxy khiến chúng khó đạt vận tốc thoát ly, và từ quyển chắn gió mặt trời khỏi bầu khí quyển. Một lượng nhỏ khí nhẹ vẫn bay đi, nhưng với oxy thì sự mất mát này gần như không đáng kể.
Mỗi lần hít thở, chúng tôi lại nhớ rằng sự sống của mình dựa trên một sự cân bằng rất tinh tế của vật lý. Bạn nghĩ sao về việc ngôi nhà duy nhất có sự sống mà chúng ta biết lại được bảo vệ bởi những lớp khiên vô hình đến vậy?
Nguồn tham khảo:
