Vào một ngày yên ả, một làn gió nhẹ có thể chỉ làm gợn nhẹ mặt hồ trên Trái Đất. Nhưng trên Titan, vệ tinh lớn nhất của Sao Thổ, một cơn gió nhẹ tương tự có thể tạo ra những con sóng cao tới 3 mét. Hành vi khác thường này là một trong những dự đoán từ một mô hình sóng mới được phát triển bởi các nhà khoa học tại MIT. Đây là mô hình đầu tiên mô tả đầy đủ động lực học của sóng và những điều kiện cần thiết để tạo ra chúng trong các môi trường hành tinh khác nhau.
Trong một nghiên cứu được công bố trên Journal of Geophysical Research: Planets, một nhóm nghiên cứu tại MIT đã giới thiệu mô hình này, được họ đặt tên là “PlanetWaves” (sóng hành tinh). Họ áp dụng mô hình để dự đoán cách mà sóng hoạt động trên các thiên thể có thể chứa hồ và đại dương chất lỏng, bao gồm Titan, Sao Hỏa cổ đại, và ba hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời.
Mô hình dự đoán rằng một cơn gió nhẹ cũng đủ để tạo ra những con sóng lớn trên Titan, nơi các hồ chứa đầy các hydrocarbon lỏng nhẹ. Ngược lại, cần đến những cơn gió cấp bão mới có thể làm xáo động nhẹ bề mặt hồ trên ngoại hành tinh 55-Cancri e, được cho là một thế giới dung nham bao phủ bởi đá nóng chảy đậm đặc.
“Trên Trái Đất, chúng ta đã quen với những động lực học sóng nhất định,” tác giả nghiên cứu Andrew Ashton, nhà khoa học cộng tác tại Viện Hải dương học Woods Hole (WHOI) và giảng viên của chương trình liên kết MIT-WHOI, cho biết. “Nhưng với mô hình này, chúng ta có thể thấy sóng hoạt động như thế nào trên các hành tinh có chất lỏng, khí quyển và trọng lực khác nhau, điều này có thể thách thức trực giác của chúng ta.”
Nhóm nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến việc hiểu cách sóng hình thành trên Titan. Vệ tinh lớn này là thiên thể duy nhất trong Hệ Mặt Trời ngoài Trái Đất được biết là hiện có các hồ chất lỏng.
“Bất cứ nơi nào có bề mặt chất lỏng và có gió thổi qua, đều có khả năng tạo ra sóng,” Taylor Perron, Giáo sư Cecil và Ida Green về Khoa học Trái Đất, Khí quyển và Hành tinh tại MIT, cho biết.
“Điều hấp dẫn ở Titan là chúng ta chưa có quan sát trực tiếp về hình dạng của các hồ này. Vì vậy, chúng ta không biết chắc loại sóng nào tồn tại ở đó. Giờ đây, mô hình này cho chúng ta một ý tưởng.”
Nếu con người trong tương lai gửi một tàu thăm dò đến các hồ trên Titan, mô hình mới của nhóm có thể giúp định hướng thiết kế các tàu không gian chịu được sóng.
“Bạn sẽ muốn chế tạo một thứ có thể chịu được năng lượng của sóng,” tác giả chính Una Schneck, nghiên cứu sinh tại Khoa Khoa học Trái Đất, Khí quyển và Hành tinh (EAPS) của MIT, cho biết. “Vì vậy, điều quan trọng là phải biết các thiết bị này sẽ phải đối mặt với loại sóng nào.”
Các đồng tác giả của nghiên cứu bao gồm Charlene Detelich và Alexander Hayes từ Đại học Cornell và Milan Curcic từ Đại học Miami.
Một mô hình mới do các nhà khoa học MIT phát triển dự đoán cách sóng hình thành trong các điều kiện hành tinh khác nhau. Ví dụ, mô hình cho thấy cùng một cơn gió nhẹ trên Trái Đất (bên phải) có thể tạo ra những con sóng cao tới 10 feet trên Titan, vệ tinh lớn nhất của Sao Thổ (bên trái). Nguồn: Massachusetts Institute of Technology.
“Cơn gió đầu tiên”
Khi gió thổi qua mặt nước, nó tạo ra sóng đủ mạnh để bào mòn bờ biển và tái phân bố trầm tích do các con sông mang ra. Thông qua quá trình này, sóng có thể trở thành một lực quan trọng định hình cảnh quan theo thời gian.
Schneck và các đồng nghiệp, những người nghiên cứu sự tiến hóa cảnh quan trên Trái Đất và các hành tinh khác, tự hỏi sóng sẽ hoạt động như thế nào trên những thế giới khác, nơi trọng lực, điều kiện khí quyển và thành phần chất lỏng có thể rất khác so với Trái Đất.
“Trước đây đã có những nỗ lực dự đoán cách trọng lực ảnh hưởng đến sóng trên các hành tinh khác,” Schneck nói. “Nhưng họ không định lượng các yếu tố khác như thành phần của chất lỏng tạo ra sóng. Đó là bước tiến lớn của dự án này.”
Cô và các đồng nghiệp đã phát triển một mô hình sóng hoàn chỉnh, không chỉ tính đến trọng lực của hành tinh mà còn cả các đặc tính của chất lỏng bề mặt, như mật độ, độ nhớt và sức căng bề mặt - tức là mức độ chống lại sự gợn sóng của chất lỏng.
Nhóm cũng đưa vào ảnh hưởng của áp suất khí quyển của hành tinh. Với mô hình này, họ nhằm dự đoán cách bề mặt chất lỏng của một hành tinh sẽ thay đổi dưới tác động của gió có tốc độ nhất định.
“Hãy tưởng tượng một hồ hoàn toàn tĩnh lặng,” Ashton giải thích. “Chúng tôi đang cố gắng tìm ra ‘cơn gió đầu tiên’ tạo ra những gợn sóng nhỏ nhất, cho đến khi hình thành những con sóng đại dương hoàn chỉnh.”
Tạo sóng
Ban đầu, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra mô hình mới bằng dữ liệu sóng trên Trái Đất. Họ sử dụng các phép đo sóng được thu thập bởi các phao trên hồ Superior trong suốt 20 năm.
Họ nhận thấy rằng mô hình này, khi tính đến trọng lực của Trái Đất, thành phần chất lỏng (nước) và điều kiện khí quyển, có thể dự đoán chính xác tốc độ gió cần thiết để tạo ra sóng trên hồ, cũng như độ cao của sóng tương ứng với cường độ gió.
Sau đó, các nhà nghiên cứu áp dụng mô hình để dự đoán cách sóng sẽ hoạt động trên các thiên thể khác được biết là có chất lỏng trên bề mặt.
Họ trước tiên xem xét Titan, nơi sứ mệnh Cassini của NASA trước đây đã ghi lại các hình ảnh radar về các cấu trúc hồ, mà các nhà khoa học cho rằng hiện được lấp đầy bởi methane và ethane lỏng. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình mới để tính toán động lực học sóng của vệ tinh này dựa trên trọng lực, áp suất khí quyển và thành phần chất lỏng.
Họ phát hiện rằng trên Titan, việc tạo ra sóng dễ hơn đáng ngạc nhiên. Chất lỏng tương đối nhẹ, kết hợp với trọng lực và áp suất khí quyển thấp, có nghĩa là ngay cả một cơn gió nhẹ cũng có thể khuấy động những con sóng lớn.
“Nó giống như những con sóng cao chuyển động chậm,” Schneck nói. “Nếu bạn đứng trên bờ hồ này, bạn có thể chỉ cảm nhận một làn gió nhẹ nhưng lại thấy những con sóng khổng lồ tiến về phía mình, điều mà chúng ta không mong đợi trên Trái Đất.”
Các nhà nghiên cứu cũng xem xét hoạt động sóng trên Sao Hỏa cổ đại. Hành tinh đỏ có nhiều lòng chảo va chạm có thể từng chứa nước, trước khi khí quyển của hành tinh này tan biến và nước bốc hơi.
Một trong số đó là miệng hố Jezero, hiện đang được tàu tự hành Perseverance của NASA khám phá. Với mô hình mới, nhóm cho thấy khi khí quyển của Sao Hỏa dần biến mất, làm giảm áp suất theo thời gian, sẽ cần những cơn gió mạnh hơn để tạo ra cùng mức sóng.
Ngoài Hệ Mặt Trời, các nhà nghiên cứu áp dụng mô hình cho ba ngoại hành tinh khác nhau. Hành tinh đầu tiên, LHS1140b, là một “siêu Trái Đất lạnh,” nghĩa là nó lạnh hơn và lớn hơn Trái Đất. Hành tinh này có nước lỏng, nhưng do kích thước lớn nên có trọng lực mạnh hơn.
Mô hình cho thấy cùng một cơn gió trên Trái Đất sẽ tạo ra những con sóng nước nhỏ hơn nhiều trên siêu Trái Đất này do sự khác biệt về trọng lực.
Nhóm cũng xem xét Kepler 1649b, một hành tinh giống Sao Kim, có trọng lực tương tự Trái Đất, với các hồ axit sulfuric, có mật độ gấp khoảng hai lần nước. Trong những điều kiện này, các nhà nghiên cứu nhận thấy cần những cơn gió mạnh mới có thể tạo ra dù chỉ là gợn sóng nhỏ trên “ngoại Sao Kim” này so với Trái Đất.
Hiệu ứng này còn rõ rệt hơn đối với hành tinh thứ ba, 55-Cancri e - một thế giới dung nham có trọng lực cao hơn Trái Đất và chất lỏng bề mặt đặc và nhớt hơn nhiều.
Các nhà khoa học cho rằng hành tinh này có các đại dương đá nóng chảy. Trong môi trường này, mô hình dự đoán rằng những cơn gió cấp bão trên Trái Đất, khoảng 130 km/h, chỉ tạo ra những con sóng nhỏ cao vài centimet trên thế giới dung nham này.
Ngoài việc làm sáng tỏ những cách mới mà sóng có thể hoạt động trên các hành tinh khác, Perron hy vọng mô hình sẽ giải đáp các câu hỏi lâu dài về sự hình thành cảnh quan hành tinh.
“Không giống như trên Trái Đất, nơi thường có các châu thổ tại nơi sông đổ ra biển, trên Titan có rất ít cấu trúc giống châu thổ, mặc dù có rất nhiều sông và bờ biển. Liệu sóng có thể là nguyên nhân không?” Perron đặt câu hỏi. “Đó là những bí ẩn mà mô hình này sẽ giúp chúng ta giải đáp.”
Tuấn Phong
Theo Phys.org
