Biển và hồ khổng lồ trên mặt trăng lớn nhất sao Thổ ẩn giấu điều kỳ lạ

Titan giống Trái Đất ở một điểm đặc biệt

Trong số những khám phá ấn tượng nhất mà tàu vũ trụ Cassini của NASA mang về sau nhiều năm nghiên cứu hệ sao Thổ là phát hiện Titan có cả một hệ thống hồ và biển trên bề mặt.

Phát hiện này cũng củng cố những bằng chứng trước đó từ Kính viễn vọng Không gian Hubble.

Tàu Cassini đã chụp nhiều hình ảnh về Titan trong suốt sứ mệnh kéo dài 13 năm tại sao Thổ. Sứ mệnh kết thúc vào ngày 15/9/2017, khi tàu lao vào bầu khí quyển của sao Thổ. Nguồn: NASA/JPL-Caltech/ASI

Titan là mặt trăng lớn nhất của sao Thổ và có bầu khí quyển đặc biệt dày. Từ lâu, giới khoa học đã nghi ngờ rằng điều kiện trên Titan có thể cho phép methane và ethane tồn tại dưới dạng chất lỏng trên bề mặt, tạo nên một hệ thống sông, hồ và biển giống như chu trình nước trên Trái Đất.

Tuy nhiên, điểm khác biệt nằm ở thành phần hóa học. Trong khi các đại dương và hồ trên Trái Đất chứa nước, những “biển” trên Titan chủ yếu chứa methane và ethane lỏng.

Đây là kết quả của nhiệt độ bề mặt cực thấp, khiến các hydrocarbon vốn là chất khí trên Trái Đất có thể tồn tại ở trạng thái lỏng.

Các quan sát của Cassini cho thấy những vùng chất lỏng lớn nhất trên Titan có chiều dài từ vài trăm đến hàng nghìn kilomet.

Với kích thước khổng lồ như vậy, chúng thường được gọi là “biển” thay vì hồ.

Ngoài những biển lớn, tàu Cassini còn phát hiện hàng trăm hồ nhỏ hơn, có kích thước từ vài kilomet đến khoảng 240km.

Một số hồ sở hữu đường bờ biển phức tạp, trong khi nhiều hồ tập trung gần cực Bắc của Titan, tạo thành một khu vực có thể hình dung như một “vùng hồ” khổng lồ trên mặt trăng này.

Những hồ methane có tạo ra gió như trên Trái Đất?

Trên Trái Đất, các vùng biển và hồ lớn có ảnh hưởng đáng kể đến điều kiện gió tại khu vực xung quanh. Nước cần nhiều thời gian hơn đất liền để nóng lên và nguội đi trong chu kỳ ngày - đêm cũng như qua các mùa.

Quá trình bay hơi trên bề mặt nước cũng góp phần điều chỉnh sự truyền nhiệt trong khí quyển.

Những khác biệt về nhiệt độ giữa mặt nước và đất liền có thể tạo ra các luồng gió thổi từ đất ra biển hoặc từ biển vào đất liền.

Vì Titan cũng sở hữu những vùng chất lỏng rộng lớn, một câu hỏi tự nhiên được đặt ra là: các biển methane khổng lồ trên Titan tác động như thế nào đến gió trên mặt trăng này?

Hình ảnh mô phỏng về một hồ nước tại cực Bắc của Titan – vệ tinh lớn nhất của sao Thổ. Ảnh: NASA/JPL-Caltech

Một số nghiên cứu trước đây đã tìm cách trả lời câu hỏi này bằng các mô hình khí quyển hai chiều. Tuy nhiên, Audrey Chatain thuộc Bộ phận Nghiên cứu Không gian của Viện Nghiên cứu Tây Nam (SwRI) tại Boulder, Colorado, cùng các cộng sự đã tiến thêm một bước bằng cách xây dựng mô hình ba chiều.

Thay vì chỉ mô phỏng chuyển động khí quyển trên một mặt phẳng, nhóm nghiên cứu mô phỏng chuyển động của khí quyển xung quanh các hồ và biển của Titan trong cả ba chiều không gian.

Cách tiếp cận này cho phép các nhà khoa học quan sát chi tiết hơn cách nhiệt độ, độ ẩm, sự bay hơi và chuyển động của không khí tương tác với nhau.

Kết quả đem lại một bất ngờ thú vị: dù điều kiện vật lý trên Titan và Trái Đất khác nhau cực kỳ lớn, những cơn gió hình thành quanh các hồ trên Titan lại có một số đặc điểm khá giống với gió hồ trên Trái Đất.

Mô hình của Chatain cho thấy những luồng gió do các hồ và biển trên Titan tạo ra có phạm vi hoạt động tương tự gió hồ trên Trái Đất, xét về độ cao mà chúng tác động trong khí quyển cũng như khoảng cách mà chúng có thể lan sâu vào đất liền.

Các nhà nghiên cứu phát hiện gió bề mặt mạnh nhất thường xuất hiện dọc theo rìa những vùng biển lớn nhất.

Vào mùa hè, các hồ nằm gần vùng xích đạo Titan cũng có xu hướng tạo ra gió mạnh hơn, phù hợp với những gì các nhà khoa học dự đoán từ trước.

Nhưng đây chính là lúc sự tương đồng giữa Titan và Trái Đất chấm dứt.

Ngay cả trong những điều kiện thuận lợi nhất, tốc độ gió do các hồ và biển trên Titan tạo ra cũng chỉ đạt tối đa khoảng 0,2 m/giây. Đây thực sự là một cơn gió rất nhẹ.

Để so sánh, những luồng gió tương tự hình thành quanh các hồ trên Trái Đất có thể đạt khoảng 5 m/giây. Như vậy, gió do các biển methane trên Titan tạo ra yếu hơn hàng chục lần.

Điều đó dẫn đến một hệ quả khá thú vị. Ngay cả những cơn gió mạnh nhất quanh các biển trên Titan cũng chưa đủ sức tạo ra những con sóng do gió thúc đẩy trên bề mặt chất lỏng.

Nếu một ngày nào đó con người có thể đặt chân lên Titan, cảnh tượng trước mắt có thể rất khác với hình dung về một vùng biển ngoài hành tinh đầy sóng dữ.

Một chiếc thuyền trôi trên biển hydrocarbon của Titan có lẽ sẽ trải qua một hành trình cực kỳ êm ả.

Titan còn có thể xuất hiện sương mù methane

Mô hình ba chiều cũng giúp nhóm nghiên cứu phát hiện một đặc điểm mới liên quan đến quá trình bay hơi trên Titan.

Một bức ảnh do Cassini chụp cho thấy Titan – vệ tinh lớn nhất của sao Thổ, nằm phía sau hệ thống vành đai của hành tinh này. Có thể nhìn thấy vệ tinh nhỏ hơn là Epimetheus ở phía tiền cảnh. Nguồn ảnh: NASA/JPL/Space Science Institute

Theo tính toán, các hồ trên Titan mất chất lỏng do bay hơi với tốc độ khoảng 6cm mỗi năm theo thời gian trên Trái Đất.

Con số này thấp hơn đáng kể so với mức 20-50cm/năm được dự đoán trong một số mô hình hai chiều đơn giản trước đây.

Đáng chú ý hơn, mô hình mới cho thấy một lớp không khí lạnh nhưng ẩm tương đối ổn định có thể hình thành trong vài mét khí quyển ngay phía trên bề mặt các hồ.

Trong điều kiện này, methane bay hơi từ hồ có thể đạt đến trạng thái bão hòa. Khi đó, methane trong khí quyển có thể ngưng tụ, tạo ra hiện tượng tương tự sương mù.

Nói cách khác, Titan có thể xuất hiện những “biển sương methane” ngay phía trên các hồ và biển hydrocarbon khổng lồ.

Phát hiện này cung cấp thêm một mảnh ghép quan trọng để hiểu cách khí quyển Titan tương tác với bề mặt của nó.

Titan không chỉ có chu trình methane phức tạp với quá trình bay hơi, ngưng tụ và mưa, mà các hồ và biển còn có thể tác động trực tiếp đến cấu trúc khí quyển ở tầng rất thấp.

(Theo Skyatnightmagazine, iflscience, Spacedaily)