Các hành tinh trong hệ Mặt Trời không có dưỡng khí, và hầu hết có nhiều mảnh vỡ. Riêng Trái Đất là một khối đồng nhất, có khí quyển, và có hoạt động bề mặt. Tuy Trái Đất cùng chịu những tác động như những hành tinh khác, nhưng các mảnh vụn của hành tinh chúng ta đã bị quét sạch bởi các lực trong bầu khí quyển và lực nén của bề mặt. Số lượng mảnh vỡ của các hành tinh khác so với Trái Đất cho ta biết ít nhiều về lịch sử hình thành của chúng ta.
Tìm hiểu ngôi nhà Trái Đất là bước đầu tiên trên hành trình đi sâu vào Hệ Mặt Trời. Trong quá khứ, con người luôn nghĩ Trái Đất là trung tâm của vũ trụ, là một mặt phẳng mà mọi thứ trên vòm trời đều xoay quanh nó. Nhưng kể từ khi những phi hành gia đầu tiên bay vào không gian, chụp những bức hình từ bên ngoài Trái Đất, hiểu biết của chúng ta về ngôi nhà của mình đã hoàn toàn thay đổi.
Quan sát Trái Đất
Trái Đất là hành tinh có kích thước trung bình, đường kính khoảng 12,760 km, chứa nhiều nguyên tố nặng như sắt, silicon, và oxy, rất khác với Mặt Trời và các vì sao, vốn chủ yếu là khí hydro và helium. Quỹ đạo Trái Đất gần tròn, khí hậu đủ ấm để giữa nước trên bề mặt. Đây là hành tinh duy nhất trong Hệ Mặt Trời, mà theo tiêu chuẩn của con người, không quá nóng cũng không quá lạnh, “vừa đủ” cho sự sống sinh sôi nảy nở. Bảng dưới tóm tắt một số đặc tính chính của Trái Đất.
Lòng đất có gì?
Con người mới chỉ khám phá được lớp bề mặt của Trái Đất, trong phạm vi độ sâu 5km. Còn sâu hơn thì chúng ta biết rất ít, thậm chí còn ít hơn cả hiểu biết về cấu tạo bề mặt của sao Kim và sao Hỏa.
Thành phần chính của Trái Đất là kim loại và đá, chủ yếu ở thể rắn, một phần nhỏ ở dạng nóng chảy. Cấu trúc vật chất bên trong Trái Đất được khảo sát bằng cách đo đạc các sóng địa chấn, lan truyền từ trong lòng đất khi có động đất hoặc các vụ nổ địa chấn, như núi lửa phun trào.
Sóng địa chấn tương tự các sóng âm thanh khi bạn gõ một quả chuông. Tần số âm thanh cho ta biết quả chuông được làm bằng gì, cấu tạo ra sao. Sóng địa chấn cũng tương tự như vậy. Khi đo đạc sóng địa chấn ở các vị trí khác nhau, các nhà khoa học sẽ biết sóng ấy đã đi qua những tầng địa chất nào. Một số rung động lan truyền lên bề mặt, số khác chỉ chạy trong lòng đất. Nghiên cứu địa chấn cho chúng ta biết lòng đất cấu tạo gồm nhiều lớp, mỗi lớp có các thành phần khác nhau như minh họa trong hình dưới. Khi sóng địa chấn chạy qua các lớp vật chất trong lòng đất, chúng sẽ bị bẻ cong, tương tự như khi ánh sáng đi qua thấu kính. Các trạm thu dữ liệu trên Trái Đất sẽ ghi nhận sóng và những “gợn sóng”, rồi lập thành biểu đồ địa chấn để giúp các nhà khoa học nhận biết cấu trúc lòng đất, lớp nào có nước, lớp nào là chất rắn. Kỹ thuật chụp địa chấn này khá giống với chụp siêu âm cơ thể người.
Tìm hiểu Thiên Văn Học với Lightway:
✔Phân biệt chiêm tinh học và thiên văn học
✔Mặt Trăng đã hình thành như thế nào?
✔Các phi thuyền và vệ tinh được điều khiển thế nào?
Lớp ngoài cùng của Trái Đất gọi là lớp vỏ (crust), cũng là lớp chúng ta biết rõ nhất. Lớp vỏ đại dương chiếm 55% diện tích bề mặt, và nằm hoàn toàn dưới đáy đại dương. Lớp này dày khoảng 6km, chủ yếu là đá núi lửa, gọi là đá bazan (basalt). Loại đá này hình thành do dung nham nguội lại, thành phần chính là silicon, oxy, sắt, nhôm, và magiê. Lớp vỏ lục địa chiếm 45% diện tích bề mặt, một phần nằm sâu hơn mặt nước biển. Lớp vỏ này dày 20-70km, thành phần chủ yếu là một loại đá núi lửa khác gọi là đá granite. Các loại đá bề mặt, cả đại dương lẫn lục địa, có độ đặc vào khoảng 3g/cm3 (độ đặc của nước là 1g/cm3). Dĩ nhiên lớp bề mặt dễ nghiên cứu nhất, nhưng nó chỉ chiếm 0.3% tổng khối lượng Trái Đất.
Chiếm tỉ trọng lớn nhất là lớp thịt (mantle), tính từ lớp vỏ cho đến độ sâu 2900km. Lớp thịt có chỗ đặc, có chỗ loãng, nhưng ở nhiệt độ và áp suất trong lớp thịt thì đá sẽ bị phân hủy và dịch chuyển. Mật độ ở lớp thịt tăng từ 3.5g/cm3 đến hơn 5g/cm3, do lực nén của các tầng địa chất bên trên. Tầng trên cùng của lớp thịt được giải phóng qua các đợt phun trào núi lửa, giúp chúng ta biết được đôi chút về thành phần hóa học của nó.
Bắt đầu từ độ sâu 2900km, chúng ta đi vào lõi (core) của Trái Đất. Đường kính lõi là 7000km, lớn hơn cả sao Thủy. Lớp ngoài của lõi là chất lỏng, nhưng phần nhân là chất rắn. Ngoài sắt, lõi có lẽ còn chứa khối lượng đáng kể nikel và sulfur, được nén ở mật độ vô cùng lớn.
Việc phân chia cấu trúc Trái Đất thành từng lớp với mật độ khác nhau là một ví dụ của phép phân dị (differentiation), quá trình sắp xếp các bộ phận của một hành tinh dựa theo độ đậm đặc. Khi phân dị Trái Đất như vậy ta thấy rằng từng có thời Trái Đất đủ ấm để cho phần bên trong nó tan chảy, giúp cho các kim loại nặng chìm xuống tâm và hình thành lõi đậm đặc. Bằng chứng của quá trình phân dị đến từ việc so sánh độ đậm đặc tổng thể của hành tinh chúng ta (5.5g/cm3), với vật chất bề mặt chỉ ở mức 3g/cm3, tức là các vật liệu đậm đặc hơn đã bị chôn vùi trong lớp lõi.
Từ trường và từ quyển (magnetic field and magnetosphere)
Cấu tạo lòng đất còn có thể tìm hiểu thông qua từ trường của Trái Đất. Hành tinh chúng ta giống một thỏi nam châm khổng lồ, với hai cực của nam châm tương ứng hai địa cực của Trái Đất. Từ trường sinh ra do vật chất trong lõi kim loại nóng chảy của Trái Đất di chuyển. Vì lõi kim loại nóng chảy xoay tròn, nên nó sản sinh ra dòng điện xoay tròn. Khi các hạt mang điện di chuyển như thế, chúng sản sinh ra từ trường.
Từ trường của Trái Đất mở rộng vào không gian. Khi một hạt mang điện bắt gặp từ trường trong không gian, nó sẽ bị hút vào vùng từ tính của Trái Đất. Nằm trên tầng khí quyển của Trái Đất, từ trường có thể bắt được lượng nhỏ các electron và hạt nguyên tử. Khu vực này gọi là từ quyển (magnetosphere), là vùng mà trong đó từ trường của Trái Đất thắng thế so với từ trường liên hành tinh tỏa ra từ Mặt Trời.
Những hạt mang điện bị hút vào từ quyển của Trái Đất đến từ đâu? Chúng tỏa ra từ bề mặt cực nóng của Mặt Trời, gọi là gió Mặt Trời (solar wind). Những cơn gió này không chỉ cung cấp hạt mang điện cho từ trường của Trái đất, mà còn kéo giãn từ trường của chúng ta về phía ra xa Mặt Trời. Căn bản là, từ quyển của Trái Đất mở rộng trong phạm vi khoảng 60,000km, tức gấp 10 lần bán kính Trái Đất, về phía Mặt Trời. Nhưng ở phía xa khỏi Mặt Trời, thì nó trải rộng tới tận quỹ đạo của Mặt Trăng, có khi xa hơn.
Từ quyển được phát hiện vào năm 1958 bằng những công cụ gắn trên vệ tinh Explorer 1, vệ tinh đầu tiên của Mỹ, ghi lại các ion (hạt mang điện) bị dính vào bộ phận bên trong của nó. Khu vực tập trung ion năng lượng cao trong từ quyển thường được gọi là vành đai Van Allen, đặt theo tên của giáo sư trường đại học Iowa, người đã phát minh ra công cụ đo đạc cho Explorer 1. Từ 1958, hàng trăm phi thuyền đã khám phá các khu vực khác nhau của từ quyển.
