Đám mây kỳ lạ trên sao Hỏa và bí ẩn ngưng tụ không cần bụi

Mỗi buổi sáng vào mùa xuân và mùa hè ở bán cầu nam sao Hỏa, một dải mây trắng vươn dài tới 1.800 km lại xuất hiện dọc theo núi lửa Arsia Mons rồi nhanh chóng bốc hơi. Hiện tượng lặp đi lặp lại hàng ngày này từ lâu đã thu hút sự chú ý của các nhà thiên văn học, nhưng các mô hình khí tượng thông thường trước đây hoàn toàn thất bại khi cố tái tạo quá trình đám mây sinh ra. Bí ẩn chỉ được giải mã khi các nhà nghiên cứu đưa vào mô hình một cơ chế vật lý lý thuyết chưa từng được quan sát thấy trong khí quyển của bất kỳ hành tinh nào: sự ngưng tụ hạt nhân đồng thể. [1]

Dải mây dài 1.800 km trên ngọn núi lửa Arsia Mons

Đám mây kéo dài Arsia Mons (gọi tắt là AMEC) được ghi nhận là một trong những hiện tượng khí quyển bắt mắt nhất trên hành tinh đỏ. Xuất hiện ở phía khuất gió của ngọn núi lửa Arsia Mons cao khoảng 20 km, dải mây băng nước này hình thành, phát triển và tan đi mỗi sáng trong suốt nhiều tháng thuộc mùa bụi của sao Hỏa. Chiều dài tối đa của nó có thể lên tới 1.800 km, tức tương đương gần gấp đôi chiều dài nước Anh. [1]

Tàu không gian Mars Express của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) lần đầu tiên phát hiện ra AMEC vào năm 2018 và liên tục theo dõi dải mây này trong nhiều năm sau đó. Dựa trên hình thái, các nhà nghiên cứu xác định đây là một loại mây địa hình — kiểu mây cũng xuất hiện trên Trái Đất khi luồng gió di chuyển qua địa hình hiểm trở của núi cao. Tuy nhiên, khi các nhà khoa học dựng mô hình máy tính để mô phỏng chính xác cách đám mây này bắt đầu xuất hiện, mọi phép tính tiêu chuẩn đều cho ra kết quả không phù hợp với thực tế quan sát. [1]

Tại sao mây sao Hỏa không tuân theo quy luật thông thường?

Trên Trái Đất cũng như các hành tinh khác, mây thông thường được tạo thành khi không khí ẩm nguội đi và hơi nước ngưng tụ thành các giọt nước nhỏ hoặc tinh thể băng. Quá trình này diễn ra thông qua cơ chế ngưng tụ hạt nhân dị thể, đòi hỏi sự có mặt của các hạt bụi, muối, phấn hoa hoặc muội than lơ lửng trong khí quyển để hơi nước bám vào. Trên sao Hỏa, các hạt bụi mịn vốn rải rác khắp bầu khí quyển được xem là nhân tố bắt buộc để hơi nước đóng băng xung quanh. [1]

Thế nhưng với đám mây AMEC, mô phỏng khí tượng mới cho thấy quá trình tạo mây diễn ra mà không hề cần đến bất kỳ hạt bụi nào làm vật bám. Hơi nước chuyển trực tiếp thành tinh thể băng mà không qua bước trung gian kết tụ lên bề mặt hạt bụi. Trưởng nhóm nghiên cứu Jorge Hernández-Bernal tại Đại học Sorbonne (Pháp) so sánh hiện tượng này tương tự như việc các giọt nước ngưng tụ đột ngột xuất hiện giữa khoảng không gian của một căn phòng thay vì đọng trên bề mặt cửa kính. Quá trình vật lý này được gọi là ngưng tụ hạt nhân đồng thể. [1]

Điều kiện độ ẩm cực hạn chưa từng thấy trong tự nhiên

Hiện tượng ngưng tụ hạt nhân đồng thể vốn đã được mô tả trong các sách giáo khoa vật lý, nhưng từ trước đến nay giới khoa học luôn xem đó là một quá trình mang tính lý thuyết thuần túy và hầu như không xảy ra trong tự nhiên. Một số giả thuyết từng cho rằng hiện tượng này có thể diễn ra ở tầng khí quyển cao của Trái Đất hoặc Sao Kim, nhưng chưa ai từng trực tiếp quan sát thấy trong khí quyển của bất kỳ hành tinh nào. [1]

Lý do khiến ngưng tụ hạt nhân đồng thể trở nên vô cùng hiếm hoi là bởi nó đòi hỏi những điều kiện môi trường vô cùng khắc nghiệt. Cụ thể, độ ẩm tương đối của không khí phải đạt mức cực hạn, cao hơn gấp 100.000 lần so với mức độ ẩm thông thường mà con người trải nghiệm trong đời sống hàng ngày trên Trái Đất. Việc phát hiện dải mây AMEC hình thành theo cơ chế này cho thấy độ ẩm trong khí quyển sao Hỏa tại khu vực đó có thể đạt tới những ngưỡng kỷ lục mà trước đây các nhà khoa học chưa từng ghi nhận. [1]

Cơ chế đẩy không khí và sự sụt giảm nhiệt độ đột ngột

Sự kết hợp giữa khí quyển mỏng của sao Hỏa và độ cao đồ sộ 20 km của núi lửa Arsia Mons chính là chìa khóa tạo nên môi trường đặc biệt cho hiện tượng này. Khi các luồng gió khí quyển thổi qua Arsia Mons, khối núi lửa khổng lồ đóng vai trò như một chướng ngại vật cực lớn, kích hoạt một sóng khí quyển mạnh mẽ. Sóng này nâng các khối không khí ẩm lên độ cao vài kilômét chỉ trong vòng ít phút. [1]

Quá trình bốc cao siêu tốc này khiến bầu khí quyển bị làm lạnh cực nhanh. Nhiệt độ của khối khí sụt giảm tới 30 độ C chỉ trong vòng 10 phút, làm độ ẩm tương đối tăng vọt lên mức siêu bão hòa cực hạn. Trong môi trường không kịp cho các hạt bụi phát huy vai trò nhân ngưng tụ, hơi nước đã tự phát đóng băng ngay lập tức, tạo nên dải mây băng nước trải dài hàng nghìn kilômét. [1]

Thành tựu quan sát từ quỹ đạo sao Hỏa

Kết quả mô phỏng đột phá này thu được nhờ dữ liệu thu thập từ ba thiết bị ghi hình trên tàu Mars Express của ESA bao gồm Camera Giám sát Visual (VMC), Camera Stereo Độ phân giải cao (HRSC) và máy quang phổ OMEGA. Mars Express cùng với tàu ExoMars Trace Gas Orbiter là những tàu quỹ đạo hiếm hoi có góc quan sát và quỹ đạo cho phép chụp ảnh bề mặt sao Hỏa vào các giờ sáng sớm — thời điểm đám mây AMEC xuất hiện và phát triển mạnh nhất. [1]

Theo chuyên gia Colin Wilson thuộc dự án Mars Express của ESA, việc phát hiện và giải mã đám mây AMEC cho thấy tầm quan trọng của việc không bỏ qua các quy luật vật lý hiếm gặp khi nghiên cứu các hành tinh. Mặc dù mây trên Trái Đất và sao Hỏa dường như tuân theo các nguyên tắc chung, việc giải thích những hiện tượng kỳ lạ như AMEC đòi hỏi những góc nhìn vật lý mới. Phát hiện này không chỉ mở rộng hiểu biết về khí tượng sao Hỏa mà còn cung cấp cơ sở quan trọng để nghiên cứu bầu khí quyển của các hành tinh ngoài hệ Mặt Trời trong tương lai. [1]