Vì đâu Sao Kim thành địa ngục, Trái Đất thành địa đàng?

Sao Kim có lẽ là nơi tồi tệ nhất trong hệ Mặt Trời. Một lớp khí carbon dioxide (CO₂) dày đặc bao phủ và bóp nghẹt hành tinh này, khiến bề mặt của nó phải hứng chịu áp suất khủng khiếp, đủ sức nghiền nát cả hộp sọ. Những cơn mưa axit sulfuric trút xuống từ bầu trời mang sắc vàng nhợt nhạt, nhưng không bao giờ có thể chạm tới bề mặt phủ đầy dung nham. Sao Kim nóng đến mức đủ sức làm tan chảy cả chì, khiến những hạt mưa axit bốc hơi ngay khi đang rơi xuống.

Môi trường cực kỳ khắc nghiệt, không thể dung dưỡng sự sống của hành tinh này chính là tâm điểm của một trong những bí ẩn mê hoặc nhất trong lĩnh vực khoa học hành tinh.

Sao Kim và Trái Đất hình thành cùng thời điểm, từ cùng những thành phần cấu tạo địa chất, và ở gần như cùng một khu vực trong hệ Mặt Trời. Chúng thậm chí còn có kích thước tương đương nhau. Vậy tại sao Sao Kim là một nơi như địa ngục, còn Trái Đất là một khu vườn xanh tươi đầy sức sống?

Một quan điểm phổ biến trong cộng đồng khoa học cho rằng Sao Kim chỉ đang đi trước Trái Đất vài bước - nghĩa là hành tinh này đại diện cho giai đoạn cuối cùng của tất cả các hành tinh đá có kích thước lớn, bao gồm cả Trái Đất.

Giả thuyết đặt ra là những hành tinh đá sẽ mất dần khả năng lưu giữ các loại khí nhà kính gây nóng lên vào sâu trong các lớp địa chất bên dưới bề mặt. Khi các loại khí đó tích tụ trong khí quyển đủ nhiều, hành tinh sẽ rơi vào trạng thái hiệu ứng nhà kính mất kiểm soát, tương tự tình trạng khí hậu nóng như thiêu đốt trên Sao Kim.

"Trong nhiều năm qua, chúng ta vẫn thường nghe nói rằng Sao Kim chính là hình ảnh báo trước cho tương lai của Trái Đất", Stephen Kane, nhà vật lý thiên văn hành tinh tại Đại học California, Riverside (Mỹ), nói.

Nhưng giả định lâu đời này có đúng không? Trong hàng trăm triệu hay hàng tỷ năm nữa, liệu khí hậu Trái Đất có đi theo kịch bản của Sao Kim, biến từ một thế giới có khí hậu ôn hòa thành một "nhà kính" nóng bỏng đến mức thảm khốc.

Kane và các đồng nghiệp đang cố gắng tìm câu trả lời cho vấn đề trên. Sao Kim và Trái Đất thường được ví như một cặp song sinh, và Sao Kim là "kẻ xấu" trong cặp đôi đó. Trong dự án Reuniting Twins (Tái hợp cặp song sinh), nhóm nghiên cứu đã phát triển một mô hình kỹ thuật số về Trái Đất, kết hợp các lĩnh vực bao gồm vật lý Mặt Trời, núi lửa học, kiến tạo mảng và khoa học khí hậu. Họ đã đẩy mô hình Trái Đất này đến những giới hạn khắc nghiệt nhất, thử mọi cách khả thi để phá vỡ trạng thái cân bằng và biến nó thành Sao Kim.

"Công trình này không chỉ tìm hiểu điều gì đã khiến hành tinh đá thứ hai tính từ Mặt Trời rơi vào tình cảnh tồi tệ, mà còn hướng tới một câu hỏi gần gũi hơn với chúng ta: Trái Đất có thể duy trì sự sống trong bao lâu nữa?", Paul Byrne, nhà khoa học hành tinh tại Đại học Washington ở St. Louis (Mỹ), người không trực tiếp tham gia vào dự án, nhận định.

Bí ẩn về quá khứ Sao Kim

Việc dự báo tương lai của Trái Đất đòi hỏi chúng ta phải hiểu rõ quá khứ của Sao Kim. Từ rất lâu trước đây, Sao Kim có lẽ không quá khác biệt so với Trái Đất hiện nay. Các cuộc khảo sát bằng tàu vũ trụ và dữ liệu quan sát qua kính thiên văn đã hé lộ sự hiện diện của một dạng nước nặng (do chứa hydro nặng hơn bình thường), hiếm gặp trong bầu khí quyển Sao Kim - một dấu hiệu cho thấy nước từng tồn tại dồi dào trên hành tinh này.

Các nhà khoa học vẫn đang tranh luận về trạng thái tồn tại của nước trên Sao Kim trong quá khứ. Một khả năng là khi Sao Kim mới hình thành, nước đã biến thành hơi và bay lơ lửng phía trên biển magma nóng chảy bao phủ bề mặt hành tinh. Hơi nước là một loại khí gây hiệu ứng nhà kính rất mạnh, nên có thể đã khiến Sao Kim trở nên nóng khủng khiếp chỉ một thời gian ngắn sau khi hình thành. Một khả năng khác là biển magma bao phủ toàn bộ Sao Kim thuở sơ khai đã nguội đi và đông cứng thành lớp vỏ đủ nhanh để nước lỏng chảy trên bề mặt, thậm chí lượng nước này có thể tương đương cả một đại dương [1]. Nếu đúng thì chuyện gì đã xảy ra với toàn bộ lượng nước lỏng đó?

Năm 2020, Michael Way, nhà khoa học hành tinh và chuyên gia mô hình hóa khí hậu tại Viện Nghiên cứu Không gian Goddard của NASA, đã xem xét hai kịch bản có thể giải thích tại sao đại dương trên Sao Kim có thể bị đun nóng đến mức bốc hơi hoàn toàn [2].

Giả thuyết đầu tiên cho rằng nguyên nhân nằm ở Mặt Trời. Khi già đi và dần tiêu thụ hết nguồn nhiên liệu hydro trong lõi, Mặt Trời phát ra ngày càng nhiều ánh sáng, khiến các hành tinh ở gần, trong đó có Sao Kim - hành tinh nằm gần Mặt Trời hơn Trái Đất - phải hứng chịu sức nóng ngày càng dữ dội.

Các nhà khoa học hành tinh ước tính rằng, khoảng một tỷ năm sau khi hệ Mặt Trời hình thành, Mặt Trời với độ sáng tăng dần đủ sức làm bay hơi hoàn toàn bất kỳ lượng nước lỏng nào trên Sao Kim. Hơi nước sau đó tràn ngập bầu khí quyển của hành tinh, gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu ở mức độ nghiêm trọng.

Cách giải thích ấy nghe có vẻ hợp lý. Tuy nhiên, theo các mô hình mô phỏng của Way, giả thuyết cho rằng Mặt Trời hủy hoại Sao Kim bằng cách làm bốc hơi các đại dương của nó vẫn có những điểm chưa thuyết phục. Sao Kim tự quay quanh trục rất chậm, và một ngày trên hành tinh này tương đương 116 ngày Trái Đất, hay gần bốn tháng. Nếu ban đầu một nửa bề mặt Sao Kim hướng về phía Mặt Trời (phía ban ngày) có các đại dương nước lỏng, quá trình bốc hơi sẽ tạo thành những đám mây dày đặc. Những khối mây khổng lồ, tồn tại liên tục ở phía ban ngày sẽ phản xạ ánh sáng Mặt Trời trở lại không gian, giúp Sao Kim mát hơn so với khi không có chúng, qua đó ngăn chặn hiệu ứng nhà kính mất kiểm soát cũng như tình trạng nóng lên toàn cầu không ngừng tăng.

Way cho rằng giả thuyết hợp lý hơn dẫn đến sự suy tàn của Sao Kim là một dạng hoạt động núi lửa có sức tàn phá khủng khiếp. Trong lịch sử của mình, Trái Đất từng trải qua những đợt phun trào dung nham kéo dài tại các khu vực được gọi là các vùng đá magma lớn (LIP) - với thời gian diễn ra trong hàng trăm nghìn, thậm chí hàng triệu năm. Mỗi sự kiện đều giải phóng một lượng lớn khí CO₂ vào khí quyển, khiến Trái Đất trở nên cực kỳ nóng trong một khoảng thời gian nhất định. Một sự kiện LIP cách đây 252 triệu năm đã châm ngòi cho cuộc đại tuyệt chủng tồi tệ nhất trong lịch sử Trái Đất, gần như xóa sổ mọi sự sống trên hành tinh xanh [3].

May mắn cho sự sống là sau mỗi đợt phun trào núi lửa quy mô lớn như vậy, Trái Đất dần hấp thụ lượng CO₂ dư thừa vào sâu trong lớp vỏ đá của mình, và hành tinh nguội dần trở lại. Quá trình này diễn ra nhờ cơ chế hút chìm (subduction): Khi các mảng kiến tạo va chạm vào nhau, một mảng có thể trượt xuống dưới mảng kia, kéo theo nước biển giàu CO₂ hòa tan xuống những vùng sâu thẳm dưới đáy đại dương. Lượng carbon này được giữ lại trong lớp manti dưới (phần sâu nhất của lớp phủ Trái Đất) trong khoảng thời gian địa chất cực kỳ dài. Một phần trong số đó cuối cùng sẽ trở lại khí quyển thông qua hoạt động núi lửa. Tóm lại, đó chính là cơ chế tự nhiên giúp Trái Đất điều hòa nhiệt độ trên phạm vi toàn cầu [4].

Có khả năng vào thời điểm Sao Kim vẫn còn nước, nó cũng sở hữu các mảng kiến tạo giống Trái Đất, với các đới hút chìm quy mô lớn. Tuy nhiên, hệ thống này không đủ rộng hoặc quy mô không đủ lớn để cứu Sao Kim khỏi viễn cảnh bị thiêu rụi, nhất là khi có nhiều đợt phun trào núi lửa quy mô lớn xảy ra gần như cùng lúc. Các mô hình của Way cho thấy những đợt phun trào giải phóng rất nhiều khí CO₂ vào khí quyển Sao Kim, làm cho hành tinh này nóng lên dữ dội đến mức khiến phần lớn nước lỏng bốc hơi lên bầu trời, từ đó càng làm gia tăng tình trạng nóng lên toàn cầu.

Khi không còn các đại dương, toàn bộ CO₂ trong khí quyển không thể được tái hấp thụ. Hơn nữa, nước còn là yếu tố thúc đẩy quá trình hút chìm: Nó làm giảm nhiệt độ nóng chảy của đá, giúp các mảng kiến tạo dễ dàng uốn cong và đứt gãy hơn. Do đó, khi không còn nước trên bề mặt, các đới hút chìm quy mô lớn sẽ ngừng hoạt động, ngăn cản việc vùi khí CO₂ xuống lòng đất.

Các nhà khoa học khác cũng có cùng quan điểm với Way. Mặt Trời không thể là nguyên nhân duy nhất khiến Sao Kim trở thành một nơi khắc nghiệt như hiện nay. "Tôi thực sự cho rằng cần phải có nhiều đợt phun trào núi lửa cực mạnh mới có thể khiến Sao Kim trở nên như vậy", Anna Gülcher, nhà khoa học hành tinh tại Đại học Bern (Thụy Sĩ), nhận định.

Liệu Trái Đất có chịu chung số phận với Sao Kim?

Trong quá trình nghiên cứu Sao Kim và viễn cảnh hoang tàn do hiệu ứng nhà kính mất kiểm soát gây ra tại đây, Kane bắt đầu tò mò về một khả năng đáng sợ: Liệu Trái Đất có chịu chung số phận với Sao Kim hay không? Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta cho chu trình carbon trên Trái Đất ngừng hoạt động? Và liệu chúng ta có thể tạo ra một Sao Kim?

Để tìm câu trả lời, Kane và các cộng sự đã xây dựng một mô hình máy tính nhằm mô phỏng quá trình một hành tinh bị hủy hoại. "Ai cũng thích tìm hiểu các kịch bản về ngày tận thế hoặc hậu tận thế, miễn là những thảm họa ấy phải 5 tỷ năm nữa mới xảy ra", Kane nói.

Bước đầu tiên, nhóm nghiên cứu cho mô hình Trái Đất tiến nhanh thêm khoảng 3,5 tỷ năm, đến thời điểm Mặt Trời và các hành tinh 8 tỷ năm tuổi. Khi đó, Mặt Trời sẽ tỏa sáng rực rỡ hơn so với thời điểm hiện tại, và bầu khí quyển Trái Đất sẽ phải hứng chịu luồng bức xạ Mặt Trời nóng như thiêu đốt, tương tự mức nhiệt mà Sao Kim từng trải qua khi hành tinh này chỉ mới 1 tỷ năm tuổi. Các nhà khoa học cho rằng vào thời điểm ấy, Sao Kim đã trải qua một bước ngoặt khí hậu mang tính quyết định: hoặc là duy trì nhiệt độ ôn hòa với lượng nước dồi dào, hoặc trở thành một hành tinh nóng như bị thiêu đốt. Khi Mặt Trời 8 tỷ năm tuổi, khí hậu của Trái Đất cũng sẽ rơi vào tình thế bấp bênh tương tự.

Mô hình của nhóm nghiên cứu cho thấy trong 3,5 tỷ năm nữa, các đại dương trên Trái Đất bắt đầu bốc hơi, giải phóng hơi nước vào khí quyển và có khả năng giữ nhiệt, khiến hành tinh nóng lên. Đồng thời, quá trình các đại dương mất nước có thể khiến các đới hút chìm lớn trên Trái Đất ngừng hoạt động, và lượng nước để hòa tan CO₂ cũng giảm.

"Chúng ta đang mất dần khả năng thu hồi CO₂ trở lại lớp phủ của Trái Đất. Vì vậy, CO₂ cứ thế tích tụ lại", Michelle Hill, thành viên của dự án Tái hợp cặp song sinh tại Đại học Stanford, cho biết.

Khi các đới hút chìm lớn ngừng hoạt động, các mảng kiến tạo của Trái Đất sẽ không còn va chạm và xô đẩy nhau. Thay vào đó, chúng tạo thành một lớp vỏ đá gần như liền khối bao quanh lớp phủ bên dưới lớp vỏ Trái Đất. Trong một thời gian, lớp phủ, vốn đã nóng, trở nên nóng hơn do lớp vỏ đá gần như liền khối bao quanh nó giữ lại nhiệt sinh ra từ quá trình phân rã phóng xạ của các nguyên tố bên trong Trái Đất. Khi nhiệt tích tụ ngày càng nhiều ở bên trong, Trái Đất trong các mô phỏng của Kane sẽ trải qua một giai đoạn gia tăng hoạt động núi lửa kéo dài khoảng 15 triệu năm.

Giai đoạn này được gọi là "chế độ lớp vỏ tĩnh", khiến lượng khí CO₂ trong khí quyển tăng thêm. Tuy nhiên, thời kỳ hoạt động núi lửa tăng đột biến chỉ diễn ra trong thời gian ngắn. Sau đó, lớp phủ nguội dần, còn lớp vỏ Trái Đất ngày càng dày lên, cho đến khi lớp vỏ dày đến mức gần như ngăn không cho xảy ra các đợt phun trào núi lửa quy mô lớn đưa carbon từ bên trong Trái Đất lên bề mặt.

Như vậy, 15 triệu năm sau khi lớp vỏ tĩnh hình thành, Trái Đất sẽ đạt đến trạng thái cân bằng mới. Các đợt phun trào núi lửa thỉnh thoảng vẫn diễn ra. Tương tự, giới khoa học đã tìm ra những bằng chứng thuyết phục cho thấy trên Sao Kim hiện nay vẫn có núi lửa hoạt động. Tuy nhiên, Kane giải thích rằng những đợt phun trào ngắt quãng không làm tăng đáng kể lượng CO₂ trong khí quyển.
Tại thời điểm đó, các mô phỏng của nhóm nghiên cứu dừng lại. Mô hình Trái Đất trong tương lai của họ giống Sao Kim đến mức nào?

Trái Đất sẽ không thể nóng bằng Sao Kim

Nếu quá trình hút chìm trên quy mô lớn của Trái Đất dừng lại sau khoảng 3,5 tỷ năm nữa, khiến hành tinh mất đi phần lớn khả năng đưa carbon xuống sâu trong lòng đất, các mô phỏng của Kane và cộng sự cho thấy áp suất riêng phần của CO₂ trong khí quyển sẽ tăng thêm từ 0,1 đến 0,8 bar. Để so sánh, tổng áp suất khí quyển ở mực nước biển hiện nay là 1 bar, trong đó, CO₂ chỉ chiếm khoảng 0,04%, tương đương áp suất riêng phần khoảng 0,00042 bar. Ngay cả trong kịch bản khả quan nhất, khi áp suất riêng phần của CO₂ chỉ tăng thêm 0,1 bar, nhiệt độ bề mặt Trái Đất sẽ vượt quá 100°C. Điều tương tự cũng xảy ra ở mức tăng 0,8 bar, nhưng với tốc độ nhanh hơn nhiều.

Dù theo kịch bản nào, bề mặt Trái Đất cũng trở nên nóng đến mức sôi sục theo đúng nghĩa đen. "Trái Đất sẽ chuyển sang trạng thái hiệu ứng nhà kính mất kiểm soát. Nhiệt độ bề mặt cao đến mức nước không thể tồn tại ở dạng lỏng. Tất cả sẽ bốc hơi hết. Không sinh vật nào trên bề mặt hành tinh có thể sống sót", Kane nhận định. "Dù vậy, Trái Đất sẽ không trở nên quá khắc nghiệt như Sao Kim hiện nay."

Sao Kim có áp suất khí quyển lên tới 93 bar, trong đó 96,5% là khí CO₂ . Dù Kane và các đồng nghiệp có đẩy mô hình mô phỏng ngày tận thế đến giới hạn nào đi nữa, họ vẫn không thể khiến Trái Đất rơi vào trạng thái khắc nghiệt giống Sao Kim.

"Tôi đã rất ngạc nhiên về điều đó", Kane cho biết. Vì lớp phủ được ngăn cách với bên ngoài bởi một lớp vỏ đá gần như bất động, hoạt động núi lửa sẽ giảm đi. Nhờ vậy, Trái Đất được bảo vệ khỏi nguy cơ nóng lên thiêu đốt như Sao Kim hiệu quả hơn so với dự đoán ban đầu của ông.

Các nhà khoa học độc lập đánh giá cao dự án Tái hợp cặp song sinh vì đã thách thức những giả định trước đây và đóng góp đáng kể vào cuộc thảo luận về giai đoạn cuối của các hành tinh đá.

"Tôi thích ý tưởng của họ", Way nói. Ông cũng nhận xét rằng viễn cảnh Trái Đất trong tương lai mà nhóm nghiên cứu đưa ra nghe có vẻ hợp lý.

"Kết quả là bạn sẽ có một thế giới nóng đến mức ngột ngạt", Byrne, nhà khoa học hành tinh tại Đại học Washington, cho biết. "Tuy nhiên, khả năng Trái Đất không nóng đến mức như Sao Kim là một phát hiện rất đáng chú ý".

Quốc Hùng dịch