KHI LÕI TRÁI ĐẤT NUỐT CHỬNG BẦU KHÍ QUYỂN

Bầu khí quyển của Trái Đất thật khác thường giữa các hành tinh đá. Sao Kim và Sao Hỏa, dù áp suất chênh lệch rất lớn, đều có không khí gồm khoảng 95% carbon dioxide và vài phần trăm nitơ. Không khí của Trái Đất thì nghèo carbon dioxide và giàu oxy. Một phần khác biệt đến từ hàng tỷ năm địa chất và sự sống. Nhưng có thể các hành tinh cũng đã khởi đầu với nguồn cung khác nhau về những nguyên tố tạo nên bầu khí quyển và sinh vật: hydro, carbon và nitơ.

Vera Sparrman, Đại học Copenhagen, và Anders Johansen, Đại học Copenhagen và Đại học Lund ở Thụy Điển, đã quay ngược về thuở ban đầu: thời kỳ Trái Đất vẫn đang lớn lên bên trong đĩa khí và bụi quanh Mặt Trời non trẻ.

Mưa sắt xuyên qua biển magma

Ở giai đoạn đó, nhiệt lượng do vật chất rơi vào giải phóng giữ cho lớp manti của hành tinh ở trạng thái nóng chảy. Trái Đất đang lớn được bao bọc bởi một đại dương magma toàn cầu. Mỗi mảnh vật chất mới mang đến đá, hòa vào magma, và kim loại sắt-niken, chìm xuyên qua magma thành những giọt — rơi với tốc độ khoảng một mét mỗi giây — để xây nên lõi. Các chất khí từ khí quyển hòa tan vào magma, và một số trong đó lại tiếp tục hòa tan vào kim loại đang rơi. Nhờ vậy, mưa sắt có thể mang chúng xuống tận đáy.

Các tác giả đã mô hình hóa sự trao đổi này giữa khí quyển, đại dương magma và lõi theo từng lớp, từ một “hạt mầm” bằng 2% khối lượng Trái Đất cho đến 64% — tức là gần bằng Trái Đất nguyên thủy trước vụ va chạm khổng lồ tạo ra Mặt Trăng. Tổng lượng hydro, carbon và nitơ được đặt sao cho khớp với các ước tính cho Trái Đất ngày nay, kể cả phần được cho là đang ẩn trong lõi.

Hai cách xây một hành tinh

Họ so sánh hai cách lớn lên:

• Bồi tụ sỏi (pebble accretion): Trái Đất quét gom những viên sỏi cỡ milimét đến centimét. Khi môi trường quanh hành tinh nóng lên, những hạt nhỏ này mất các thành phần dễ bay hơi trước khi kịp đến nơi. Hydro gần như ngừng đến ngay lập tức; carbon và nitơ ngừng đến vào khoảng khi hành tinh đạt khối lượng Sao Hỏa. Các chất dễ bay hơi đến sớm.
• Bồi tụ vi hành tinh (planetesimal accretion): Trái Đất lớn lên từ những thiên thể có đường kính hàng trăm mét trở lên, vốn che chắn các chất dễ bay hơi ở bên trong. Việc cung cấp diễn ra liên tục.

Đến sớm, bị chôn sâu

Hóa ra thời điểm có ý nghĩa rất lớn. Khi được cung cấp sớm, từng chút kim loại mưa xuống sau đó cứ tiếp tục “cọ rửa” magma. Trong kịch bản sỏi, khoảng 70% hydro và 69% carbon cuối cùng nằm trong lõi. Khi được cung cấp liên tục, lõi chỉ nhận nhiều nhất khoảng một nửa, còn manti và khí quyển giữ lại lượng gấp khoảng đôi. Những tỷ lệ này đến từ bộ số đo phòng thí nghiệm mà các tác giả lấy làm tham chiếu; như ta sẽ thấy, một bộ khác cho ra những con số rất khác.

Nơi hydro, carbon và nitơ kết thúc khi một Trái Đất nguyên thủy hình thành từ sỏi lớn lên từ 0,02 đến 0,64 khối lượng Trái Đất: lõi (đỏ sẫm), đại dương magma (cam), khí quyển (xanh lam). — Hình 4 (hàng trên), Sparrman và Johansen (2026), arXiv:2610.27788.

Độ hòa tan — lượng khí mà magma có thể hòa tan ở một áp suất nhất định — quyết định ai thoát được: chỉ phần đã hòa tan trong magma mới có thể bị những giọt kim loại rơi xuyên qua nó mang theo. Nước dễ hòa tan, nên hydro phơi mình trước mưa sắt và chìm xuống hiệu quả. Carbon monoxide hòa tan kém hơn nhiều, nên ở bất cứ thời điểm nào phần lớn carbon vẫn ở trên không khí; nhưng toàn bộ kim loại đến sau đó liên tục vét sạch phần đã hòa tan, mà khí quyển lập tức bù lại, và cuối cùng 69% lượng carbon vẫn đi xuống. Nitơ là trường hợp trái ngược: nó có ái lực với kim loại lớn hơn hydro, vậy mà chỉ 4% lượng nitơ đến được lõi — nó hòa tan kém đến mức hầu như không bao giờ có mặt ở nơi mưa sắt đi qua, và 93% ở lại trong khí quyển. Sự khó hòa tan chính là lớp bảo vệ.

Một bầu trời carbon monoxide nặng nề

Thứ còn lại ở cuối kịch bản sỏi là một bầu khí quyển nguyên thủy dày đặc, khoảng 760 bar — không khí ta hít thở nặng 1 bar ở mực nước biển, còn không khí Sao Kim nặng 92 bar. Nó bị carbon chi phối, chủ yếu dưới dạng carbon monoxide (khoảng 710 bar), cùng khoảng 39 bar hydro và 1,7 bar nitơ. Lượng carbon đã thoát khỏi lõi và kết thúc trong bầu khí quyển đó tương đương khoảng 15 lần lượng carbon dioxide trong khí quyển Sao Kim ngày nay; lượng nitơ thì xấp xỉ lượng nitơ của Sao Kim. Kịch bản vi hành tinh cho ra một bầu trời còn nặng hơn, khoảng 1.350 bar, với thành phần tương tự.

Khí quyển của Trái Đất nguyên thủy hình thành từ sỏi trong lúc lớn lên: khi việc cung cấp dừng lại, mưa sắt tiếp tục rút cạn hydro và carbon, và carbon monoxide (nét đứt màu đỏ) chiếm ưu thế. — Hình 7 (trên), Sparrman và Johansen (2026), arXiv:2610.27788.

Sau khi quá trình bồi tụ kết thúc, các tác giả dự đoán manti sẽ bị oxy hóa và khí quyển sẽ chuyển dần sang nước và carbon dioxide, với các đại dương ngưng tụ. Ngoại suy cho khối lượng của Sao Kim, mô hình cho một điểm khởi đầu tương tự, khoảng 500 bar carbon monoxide; các tác giả cho rằng kiến tạo mảng của Trái Đất, bằng cách chôn vùi carbon, chứ không phải một sự ra đời khác biệt, có thể giải thích vì sao hai hành tinh đi theo hai ngả.

Trái Đất đã lớn lên theo cách nào?

Về nguyên tắc, lượng còn sót lại có thể tiết lộ Trái Đất đã hình thành như thế nào. Mô hình sỏi với dữ liệu tham chiếu là mô hình duy nhất khớp với các ước tính đã công bố cho cả ba nguyên tố trong manti ngày nay. Nhưng chính các ước tính đó lại mâu thuẫn với nhau gần như ngang với mức các mô hình khác nhau, và các phép đo trong phòng thí nghiệm về cách những nguyên tố này phân chia giữa kim loại và đá chênh nhau tới vài bậc độ lớn — với một bộ dữ liệu khác, toàn bộ hydro sẽ nằm trong lõi. Độ hòa tan của carbon monoxide trong magma là đầu vào có ảnh hưởng lớn nhất và ít được biết đến nhất. Các tác giả kết luận rằng những thí nghiệm tốt hơn có thể biến thành phần bên trong Trái Đất thành một bản ghi chép về cách hành tinh này được xây dựng.