Bề mặt Sao Thủy nóng như thế nào?

Sao Thủy hay Thủy tinh là hành tinh nhỏ nhất và gần Mặt trời nhất trong 8 hành tinh thuộc hệ Mặt Trời. Mặc dù bề mặt sao Thủy nắm giữ độ chênh lệch nhiệt độ khác nhau nhiều nhất trong hệ Mặt Trời nhưng Thủy tinh không phải là hành tinh nóng nhất. Nhiệt độ trên bề mặt sao Kim nóng hơn nhiệt độ trên bề mặt sao Thủy rất nhiều dù khoảng cách từ Mặt trời tới sao Kim xa gấp đôi khoảng cách từ Mặt trời tới hành tinh sao Thủy. Tại sao lại có chuyện này và bề mặt hành tinh Sao Thủy nóng như thế nào?

Hình ảnh cực Nam của sao Thủy từ tàu thăm dò Messenger của NASA đưa ra một bản đồ màu dựa trên tỷ lệ phần trăm cơ bản về một khu vực cụ thể có ánh sáng mặt trời, những khu vực xuất hiện màu xanh trong bản đồ là những khu vực tối vĩnh viễn. Nguồn ảnh: Phòng thí nghiệm Vật lý NASA / Johns Hopkins University Applied / Carnegie Institution of Washington

Nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp

Có quỹ đạo từ 46 đến 70 triệu km (28 đến 43 triệu dặm) từ Mặt Trời, sao Thủy là hành tinh nhỏ nhất nhưng chịu tác động mạnh nhất từ các tia sáng của Mặt trời. Theo NASA, hành tinh nhỏ bé này nằm trong phạm vi chịu nhiệt độ khắc nghiệt nhất so với các hành tinh khác trong hệ Mặt trời. Mặt ban ngày của hành tinh chịu nhiệt độ lên tới 427 độ C (800 độ F). Ngược lại, mặt ban đêm giá lạnh có nhiệt độ khoảng âm 180 độ C (âm 290 độ F). Nhiệt độ trung bình của sao Thủy là 167 độ C (332 độ F).

Các nhà khoa học từng cho rằng sao Thủy chỉ có một mặt duy nhất đối diện với Mặt trời, trong trường hợp được biết đến như là khóa thủy triều (tidal locking). Bởi hành tinh sao Thủy nằm rất gần với Mặt trời, nó được nghiên cứu khi có bề mặt đá, lồi lõm, gồ ghề hướng về phía Trái đất tại các điểm khác nhau trong quỹ đạo. Tuy nhiên, những nghiên cứu chuyên sâu hơn có tiết lộ thêm rằng hành tinh quay rất chậm - quay quanh trục của nó được ba vòng trong hai chu kỳ quỹ đạo quanh Mặt trời, khi lấy các ngôi sao cố định làm hệ quy chiếu. Nếu nhìn từ Mặt Trời, trong hệ quy chiếu quay theo quỹ đạo chuyển động, Sao Thủy chỉ quay được 1 vòng trong hai chu kỳ quỹ đạo của hành tinh.

Trong thời gian một năm ban ngày, Mặt Trời di chuyển rất chậm từ chân trời phía đông sang chân trời phía tây, trong khi hành tinh sao Thủy đã hoàn thành một vòng quỹ đạo quanh Mặt Trời, đi qua cả điểm cận nhật và điểm viễn nhật. Tại điểm cận nhật, cường độ ánh sáng chiếu lên bề mặt hành tinh sao Thủy cao gấp hai lần khi nó ở điểm viễn nhật. Có những điểm trên bề mặt tại điểm cận nhật bị Mặt Trời chiếu sáng liên tục trong cả "ngày", do vậy những nơi này trở nên rất nóng.

Theo sự biến đổi của tốc độ chuyển động Mặt Trời trên bầu trời của Sao Thủy, sự chênh lệch nhiệt độ lúc cận nhật và viễn nhật còn tăng. Sao Thủy có vận tốc quỹ đạo cao hơn khi tiến đến điểm viễn nhật và gần điểm cận nhật. Lúc này, nếu nhìn từ Mặt Trời, chúng ta sẽ chỉ thấy được một mặt bán cầu sao Thủy luôn hướng về phía Mặt Trời, giống với một bán cầu Mặt Trăng luôn hướng về Trái Đất. Quá trình một bán cầu hướng về Mặt Trời trong thời gian càng lâu, càng làm tăng bức xạ Mặt Trời chiếu lên bán cầu này trong thời điểm ở gần điểm cận nhật.

Với khối lượng quá nhỏ, sao Thủy không đủ sức bảo tồn bầu khí quyển của nó – các nguyên tử trong bầu khí quyển liên tục bị mất vào trong không gian vì sức hút của trọng lực quá yếu. Hơn nữa, sao Thủy còn nằm gần Mặt trời nhất nên nó là hành tinh nóng và có bầu khí quyển mỏng nhất. Bầu khí quyển giúp "che phủ" một hành tinh, giữ nhiệt không rò rỉ vào không gian. Nếu không có một bầu khí quyển hoặc bầu khí quyển quá mỏng, sao Thủy sẽ mất rất nhiều nhiệt vào trong không gian, thay vì chia sẻ nhiệt độ với mặt ban đêm.

Nhưng thật bất ngờ, hành tinh nóng nhất là sao Kim - hành tinh nằm thứ hai từ Mặt trời. Bởi sao Kim có bầu khí quyển dày che phủ hành tinh, giữ nhiệt độ của nó ở mức trung bình là 462 độ C (864 độ F). Trên sao Kim có lớp CO2 khá dày, cho phép ánh sáng xuyên qua nhưng lại giữ nhiệt trên bề mặt lại. Chính vì vậy, mặc dù nhiệt lượng nhận được từ sao Kim ít so với hơn sao Thủy nhưng lớp khí quyển dày đã giúp sao Kim giữ được nhiệt độ nhiều hơn. Kết quả là nhiệt độ trên bề mặt sao Kim cỡ gần 427 độ C (700 độ K), trong khi đó nhiệt độ trên sao Thủy chỉ là 167 độ C (440 độ K).

Vị trí

Trên hành tinh Trái đất của chúng ta, nhiệt độ thay đổi theo mùa là do độ nghiêng của trục hành tinh. Nếu Nam bán cầu nằm gần Mặt trời hơn Bắc bán cầu thì mùa xuân và mùa hè sẽ thay bằng mùa thu và mùa đông. Nhưng về cơ bản, hành tinh sao Thủy không nghiêng, nghĩa là các bán cầu không có sự khác biệt đáng kể về nhiệt độ.

Điều đó cho phép sao Thủy, hành tinh nằm gần nhất với Mặt trời, giữ băng trên bề mặt của nó. Các phần của hai cực không bao giờ nhìn thấy ánh sáng mặt trời, dẫn đến việc các nhà khoa học hàng đầu đưa ra giả thuyết rằng băng (nước) có thể tồn tại trên hành tinh sao Thủy. Các quan sát từ Trái đất vào năm 1991 xác định những vệt sáng bất thường tương ứng với các vết lõm được chiếu sáng bởi Mariner 10 trong những năm 1970. Khi tàu vũ trụ MESSENGER của NASA nghiên cứu cực bắc vào năm 2011, khẳng định rằng các đặc tính ánh sáng radar tại hai cực phù hợp với các vùng tối. Năm 2012, tàu vũ trụ MESSENGER đã sử dụng một kỹ thuật được gọi là quang phổ neutron để đo nồng độ hydrô trung bình trong những khu vực radar ánh sáng, tăng thêm các chứng cứ về nước.

Ngày 29 tháng 11 năm 2012, NASA công bố xác nhận các hình ảnh chụp từ không gian của tàu vũ trụ MESSENGER đã phát hiện các hố va chạm ở cực bắc có chứa băng nước.

"Các dữ liệu neutron chỉ ra rằng trung bình những vật lắng trên hai cực radar ánh sáng của sao Thủy chứa một lớp giàu hyđrô dày hàng chục xentimét dưới một lớp bề mặt dày 10 đến 20cm ít khí hydrô", nhà khoa học tham gia MESSENGER - David Lawrence tại Phòng thí nghiệm Vật lý ứng dụng của trường Đại học Johns Hopkins có nói, "Các tầng bên dưới có một
độ chứa hyđrô phù hợp với băng nước gần như tinh khiết".

Ảnh động quỹ đạo Sao Thủy và Trái Đất quanh Mặt Trời. Nguồn ảnh: Wiki

Sau phát hiện, tàu vũ trụ MESSENGER của NASA tiếp tục nghiên cứu các mỏ băng vùng cực thông qua nhiệm vụ mở rộng của nó. Bằng cách tinh chỉnh các hình ảnh, tàu vũ trụ MESSENGER chụp ảnh các vật lắng nằm trên bề mặt.

"Học được rất nhiều thứ khi quan sát các vật lắng" Nancy Chabot, nhà khoa học dụng cụ hệ thống hình ảnh kép sao Thủy của tàu vũ trụ MESSENGER, cho biết trong một tuyên bố.

Tuy nhiên, quỹ đạo của sao Thủy là một hình elip rất hẹp và kỳ lạ nhất trong tất cả các hành tinh trong hệ Mặt trời. Vận tốc quỹ đạo của sao Thủy rất lớn vì ảnh hưởng trọng lực của Mặt Trời - quay một vòng chung quanh Mặt Trời vào khoảng 88 ngày – một năm sao Thủy dài bằng 88 ngày của Trái Đất.