Trái đất và sao Hỏa có bầu khí quyển rất khác nhau. Bầu khí quyển khô, lạnh của sao Hỏa được cấu tạo gần như hoàn toàn từ carbon dioxide trong khi Trái đất giàu nitơ và oxy. Mật độ khí quyển của nó nhỏ hơn một phần năm mươi bầu khí quyển của Trái đất – tương đương với mật độ được tìm thấy ở độ cao khoảng 35 km trên bề mặt Trái đất.
Mặc dù rất khác nhau, các mẫu đám mây của chúng được phát hiện giống Trái đất một cách đáng ngạc nhiên, chỉ ra các quá trình hình thành tương tự nhau.
Bão xoắn ốc gần sao Hỏa Bắc Cực
Một nghiên cứu mới tìm hiểu sâu hơn về hai cơn bão bụi xảy ra gần Bắc Cực của sao Hỏa vào năm 2019. Các cơn bão được theo dõi vào mùa xuân ở Bắc Cực, thời điểm mà các cơn bão địa phương thường hình thành xung quanh chỏm băng đang rút dần.
Hai camera trên tàu Mars Express – Camera Giám sát Hình ảnh (VMC) và Camera Âm thanh nổi Độ phân giải Cao (HRSC) – cùng với camera MARCI trên Tàu quỹ đạo Trinh sát Sao Hỏa của NASA, đã chụp ảnh các cơn bão từ quỹ đạo.
Chuỗi hình ảnh VMC cho thấy các cơn bão dường như phát triển và biến mất theo chu kỳ lặp đi lặp lại trong khoảng thời gian nhiều ngày, thể hiện các đặc điểm và hình dạng chung. Hình dạng xoắn ốc có thể nhìn thấy đáng chú ý trong chế độ xem rộng hơn của hình ảnh HRSC. Các xoắn ốc có chiều dài từ 1000 đến 2000 km và nguồn gốc của chúng giống với nguồn gốc của các xoáy thuận ngoại nhiệt đới được quan sát thấy ở vĩ độ trung bình và vĩ độ cực của Trái đất.
Các mẫu mây trên sao Hỏa và Trái đất
Những hình ảnh tiết lộ một hiện tượng đặc biệt trên sao Hỏa. Chúng chỉ ra rằng các cơn bão bụi trên sao Hỏa được tạo thành từ các tế bào mây nhỏ hơn cách đều nhau, được sắp xếp giống như hạt hoặc đá cuội. Kết cấu cũng được nhìn thấy trong các đám mây trong bầu khí quyển của Trái đất.
Các kết cấu quen thuộc được hình thành do sự đối lưu, theo đó không khí nóng bốc lên vì nó nhẹ hơn không khí mát hơn xung quanh nó. Loại đối lưu được quan sát ở đây được gọi là đối lưu ô kín, khi không khí bốc lên ở trung tâm của các túi hoặc ô mây nhỏ. Những khoảng trống của bầu trời xung quanh các tế bào mây là những con đường để không khí mát hơn chìm xuống bên dưới không khí nóng đang bốc lên.
Trên Trái đất, không khí bốc lên chứa nước ngưng tụ lại tạo thành mây. Các đám mây bụi được chụp bởi Mars Express cho thấy quá trình tương tự, nhưng trên sao Hỏa, các cột không khí bốc lên chứa bụi chứ không phải nước. Mặt trời làm nóng không khí chứa đầy bụi khiến nó bay lên và tạo thành các tế bào bụi. Các tế bào được bao quanh bởi các khu vực không khí chìm có ít bụi hơn. Điều này dẫn đến mô hình dạng hạt cũng được thấy trong hình ảnh các đám mây trên Trái đất.
Bằng cách theo dõi chuyển động của các ô trong chuỗi hình ảnh, tốc độ gió có thể được đo. Gió thổi qua các đặc điểm của đám mây với tốc độ lên tới 140 km/h, khiến hình dạng của các ô dài ra theo hướng gió. Bất chấp bầu khí quyển hỗn loạn và năng động của Sao Hỏa và Trái đất, thiên nhiên vẫn tạo ra những mô hình có trật tự này.
“Khi nghĩ về một bầu khí quyển giống sao Hỏa trên Trái đất, người ta có thể dễ dàng nghĩ đến một sa mạc khô cằn hoặc vùng cực. Sau đó, điều khá bất ngờ là thông qua việc theo dõi sự chuyển động hỗn loạn của các cơn bão bụi, có thể rút ra được sự tương đồng với các quá trình xảy ra ở các vùng nhiệt đới ẩm, nóng và chắc chắn là rất không giống sao Hỏa của Trái đất,” Colin Wilson, người phụ trách sao Hỏa của ESA nhận xét. Thể hiện nhà khoa học dự án.
Một cái nhìn sâu sắc quan trọng có thể thực hiện được với các hình ảnh VMC là phép đo độ cao của các đám mây bụi. Độ dài của bóng mà chúng tạo ra được đo và kết hợp với kiến thức về vị trí của Mặt trời để đo chiều cao của các đám mây trên bề mặt sao Hỏa. Kết quả cho thấy bụi có thể cách mặt đất khoảng 6–11 km và các tế bào có kích thước ngang điển hình là 20–40 km.
Agustín Sánchez-Levaga từ Đại học del País giải thích: “Mặc dù hành vi không thể đoán trước của các cơn bão bụi trên sao Hỏa và những cơn gió mạnh đi kèm với chúng, nhưng chúng tôi đã thấy rằng trong sự phức tạp của chúng, các cấu trúc có tổ chức như mặt trước và mô hình đối lưu tế bào có thể xuất hiện”. Vasco UPV/EHU (Tây Ban Nha), người đứng đầu nhóm khoa học VMC và là tác giả chính của bài báo trình bày phân tích mới.
Sự đối lưu tế bào có tổ chức như vậy không chỉ có ở Trái đất và Sao Hỏa; các quan sát về bầu khí quyển sao Kim của Venus Express được cho là cho thấy các mẫu tương tự. “Công trình của chúng tôi về đối lưu khô trên sao Hỏa là một ví dụ nữa về giá trị của các nghiên cứu so sánh về các hiện tượng tương tự xảy ra trong bầu khí quyển của các hành tinh nhằm hiểu rõ hơn về cơ chế làm cơ sở cho chúng trong các điều kiện và môi trường khác nhau,” Agustín cho biết thêm.
Cùng với việc tìm hiểu thêm về cách ‘hoạt động’ của bầu khí quyển hành tinh, việc hiểu các cơn bão bụi có liên quan đến các sứ mệnh tới Sao Hỏa trong tương lai. Trong những trường hợp cực đoan, bão bụi có thể chặn phần lớn ánh sáng từ Mặt trời chiếu tới pin mặt trời của xe tự hành trên bề mặt Hành tinh Đỏ. Vào năm 2018, một cơn bão bụi quy mô hành tinh không chỉ chặn ánh sáng mặt trời chiếu tới bề mặt mà còn bao phủ các tấm pin mặt trời của tàu thăm dò Cơ hội của NASA bằng bụi. Cả hai yếu tố này đều dẫn đến việc xe tự hành bị mất điện, nhiệm vụ kết thúc.
Theo dõi diễn biến của các cơn bão bụi là rất quan trọng để giúp bảo vệ các sứ mệnh sử dụng năng lượng mặt trời trong tương lai – và cuối cùng thực hiện các nhiệm vụ phi hành đoàn lên máy bayt – chống lại những hiện tượng mạnh mẽ như vậy.
‘Các mô hình tế bào và sự đối lưu khô trong các cơn bão bụi có kết cấu ở rìa Cực Bắc của Sao Hỏa‘ bởi A. Sánchez-Lavega et al. được xuất bản trong số tạp chí ngày 15 tháng 11 năm 2022 Icarus.
Những hình ảnh ngoạn mục của VMC được đăng trên trang bìa của tạp chí.