Tìm hiểu về màu đất đỏ trên Sao Hỏa

Lớp màu đỏ chỉ tồn tại ở một lớp rất mỏng trên bề mặt, thậm chí chỉ vài milimet. Bên dưới lớp này, màu đỏ không còn hiện diện.

Bề mặt và bầu khí quyển của sao hỏa được nhuốm màu bởi oxit sắt

Lớp màu đỏ chỉ tồn tại ở một lớp rất mỏng trên bề mặt, thậm chí chỉ vài milimet. Bên dưới lớp này, màu đỏ không còn hiện diện.

Khi nhìn từ không gian, Trái Đất của chúng ta hiện lên với vô số sắc màu đa dạng. Bầu trời có màu xanh, do khí quyển tán xạ ánh sáng xanh có bước sóng ngắn theo mọi hướng, tạo nên màu đặc trưng của bầu trời. Đại dương cũng có màu xanh, do các phân tử nước hấp thụ ánh sáng đỏ có bước sóng dài tốt hơn so với ánh sáng xanh. Trong khi đó, các lục địa có màu nâu hoặc xanh lục tùy thuộc vào tình trạng thảm thực vật. Băng và mây luôn có màu trắng.

Trên sao Hỏa, chỉ có một màu chiếm ưu thế: đỏ. Mặt đất có màu đỏ khắp mọi nơi: đồng bằng thấp có màu đỏ, cao nguyên có màu đỏ, lòng sông đã khô cạn có màu đỏ, và cả các đụn cát cũng có màu đỏ. Bầu khí quyển của sao Hỏa cũng có màu đỏ ở mọi nơi mà chúng ta có thể đo lường. Ngoại lệ duy nhất là các chỏm băng và mây, có màu trắng nhưng mang chút ánh đỏ khi quan sát từ Trái Đất. Tuy nhiên, điều thú vị là lớp màu đỏ này cực kỳ mỏng; nếu bạn đào xuống một chút bên dưới bề mặt, màu đỏ sẽ biến mất. Đây là câu chuyện khoa học đằng sau việc sao Hỏa có màu đỏ.

Hình ảnh chụp sao Hỏa cùng với bầu khí quyển mỏng của nó từ tàu vũ trụ Viking vào những năm 1970. Bầu khí quyển đỏ rực là do bụi sao Hỏa trong khí quyển, và thành phần đá của sao Hỏa lần đầu tiên được phát hiện bởi các tàu Viking.

Từ không gian, không thể phủ nhận rằng sao Hỏa có vẻ ngoài đỏ rực. Trong suốt lịch sử, ở nhiều ngôn ngữ khác nhau, màu đỏ của sao Hỏa luôn là đặc điểm nổi bật nhất của nó. Mangala, từ tiếng Phạn chỉ sao Hỏa, nghĩa là đỏ. Har decher, tên cổ đại của nó trong tiếng Ai Cập, có nghĩa là vật thể đỏ. Khi bước vào thời đại không gian, các bức ảnh phân biệt bề mặt và khí quyển rõ ràng cho thấy không khí phía trên sao Hỏa mang màu đỏ đặc trưng.

Trên Trái Đất, hiện tượng tán xạ Rayleigh chiếm ưu thế, làm ánh sáng xanh tán xạ khắp nơi, trong khi ánh sáng đỏ gần như không bị ảnh hưởng. Tuy nhiên, bầu khí quyển của sao Hỏa chỉ dày 0,7% so với Trái Đất, khiến tán xạ Rayleigh của các phân tử khí trở nên không đáng kể. Thay vào đó, các hạt bụi trong khí quyển sao Hỏa lại chiếm ưu thế qua hai cơ chế có khả năng sau:

– Hấp thụ mạnh hơn ở các bước sóng ngắn (400–600 nm) so với các bước sóng dài (trên 600 nm).

– Các hạt bụi lớn hơn (khoảng 3 micron trở lên) tán xạ ánh sáng bước sóng dài hiệu quả hơn so với tán xạ Rayleigh của các phân tử khí với ánh sáng bước sóng ngắn.

So với ánh sáng tới bề mặt Trái Đất, ánh sáng tới bề mặt sao Hỏa bị giảm mạnh ở các bước sóng ngắn hơn (xanh lam). Điều này phù hợp với các hạt bụi hematit nhỏ lơ lửng trong khí quyển sao Hỏa, với độ mờ tăng lên khi mật độ bụi tăng.

Thành phần bụi khí quyển Sao Hỏa

Nếu bạn nhìn kỹ vào bụi khí quyển sao Hỏa và hỏi, nó như thế nào, câu trả lời sẽ rất đáng kinh ngạc. Chỉ cần quan sát tính chất quang phổ của bụi – hay cách nó ảnh hưởng đến ánh sáng – chúng ta có thể thấy rằng bụi rất giống với các khu vực trên sao Hỏa:

– Có độ phản xạ cao.

– Đại diện cho các trầm tích đất sáng.

– Giàu sắt, tức là chứa lượng lớn oxit sắt.

Khi quan sát bụi một cách chi tiết, đặc biệt với thiết bị OMEGA trên tàu Mars Express của ESA, chúng ta phát hiện rằng loại bụi phổ biến nhất là hematit đỏ dạng tinh thể nano, có công thức hóa học α-Fe₂O₃. Các hạt cấu thành hematit này rất nhỏ: từ khoảng 3 đến 45 micron đường kính. Kích thước và thành phần này phù hợp với sức gió mạnh trên sao Hỏa, thường đạt tốc độ ~100 km/giờ, liên tục quét lượng lớn bụi lên khí quyển, nơi nó được trộn lẫn khá đồng đều ngay cả khi không có bão bụi.

Hình ảnh panorama ghép được chụp bởi tàu thăm dò Opportunity, hiển thị với hai cách phân bổ màu sắc khác nhau. Hình ảnh trên là ở màu thật, như mắt người sẽ nhìn thấy sao Hỏa, trong khi hình dưới là màu giả được tăng cường để làm nổi bật sự tương phản màu sắc.

Khi chúng ta nhìn vào bề mặt sao Hỏa, câu chuyện trở nên thú vị hơn nhiều. Kể từ khi chúng ta bắt đầu nghiên cứu chi tiết bề mặt sao Hỏa – ban đầu từ các tàu quỹ đạo và sau đó là từ các tàu đổ bộ và robot tự hành – chúng ta nhận thấy rằng các đặc điểm bề mặt thay đổi theo thời gian. Đặc biệt, chúng ta quan sát thấy có những khu vực tối hơn và sáng hơn, và các khu vực tối có sự thay đổi theo một mô hình cụ thể:

– Chúng bắt đầu với màu tối.

– Sau đó bị phủ bụi mà chúng ta cho rằng đến từ các khu vực sáng hơn.

– Cuối cùng, chúng quay lại trạng thái tối một lần nữa.

Khám phá về sự thay đổi của các khu vực tối

Trong một thời gian dài, chúng ta không biết tại sao điều này lại xảy ra, cho đến khi chúng ta nhận thấy rằng các khu vực tối thay đổi đều có một số điểm chung, đặc biệt khi so sánh với những khu vực tối không thay đổi. Cụ thể, các khu vực tối thay đổi theo thời gian thường có độ cao tương đối thấp hơn và độ dốc nhỏ hơn, và thường được bao quanh bởi các khu vực sáng hơn. Ngược lại, các khu vực tối ở độ cao lớn hơn, độ dốc cao hơn, và có kích thước rất lớn lại không thay đổi theo cách này theo thời gian.

Trên sao Hỏa, các cấu trúc đá trơ trọi giữ nhiệt tốt hơn nhiều so với các cấu trúc giống cát, nghĩa là chúng sẽ sáng hơn vào ban đêm khi quan sát bằng tia hồng ngoại. Có rất nhiều loại đá với màu sắc đa dạng, và bụi bám vào một số bề mặt tốt hơn những bề mặt khác. Khi nhìn gần, rất rõ ràng rằng sao Hỏa không phải là một hành tinh đồng nhất.

Một cặp nhà khoa học – trong đó có Carl Sagan – đã giải mã được bí ẩn này: Sao Hỏa được bao phủ bởi một lớp bụi mỏng như cát, được gió thổi khắp bề mặt hành tinh. Lớp cát này di chuyển từ khu vực này sang khu vực khác, nhưng dễ dàng nhất là khi:

– Di chuyển trong khoảng cách ngắn.

– Di chuyển từ độ cao lớn xuống thấp hoặc trong cùng mức độ cao, thay vì leo lên độ cao lớn hơn nhiều.

– Bị thổi khỏi các khu vực có độ dốc lớn, so với các khu vực có độ dốc nhỏ hơn.

Nói cách khác, lớp bụi đỏ bao phủ bảng màu của sao Hỏa chỉ nằm ở mức độ bề mặt._ Điều này không chỉ là một cách nói bóng bẩy: phần lớn sao Hỏa được phủ bởi một lớp bụi chỉ dày vài milimet! Ngay cả ở khu vực có lớp bụi dày nhất – cao nguyên lớn được gọi là khu vực Tharsis, bao gồm ba ngọn núi lửa rất lớn gần với Olympus Mons (xuất hiện ở phía tây bắc cao nguyên) – độ dày được ước tính chỉ khoảng 2 mét (~7 feet).

Bản đồ địa hình màu hóa của MOLA, cho thấy bán cầu phía tây của sao Hỏa với các khu vực Tharsis và Valles Marineris. Bồn trũng va chạm Argyre nằm ở góc dưới bên phải, với vùng thấp Chryse Planitia nằm ở phía đông của khu vực Tharsis.

Bạn có thể nhìn vào các dữ kiện này và đặt câu hỏi: Liệu chúng ta có bản đồ địa hình của sao Hỏa và bản đồ về sự phân bố oxit sắt trên hành tinh này, và liệu hai bản đồ này có liên quan với nhau hay không?

Đây là một suy nghĩ thông minh, và chúng ta sẽ xem xét nó ngay sau đây. Tuy nhiên, oxit sắt không nhất thiết đồng nghĩa với bụi đỏ của sao Hỏa như bạn có thể nghĩ. Đầu tiên, oxit sắt xuất hiện khắp nơi trên hành tinh:

– Bên trong lớp vỏ.

– Được tìm thấy trong các dòng dung nham.

– Và trong bụi sao Hỏa đã bị oxy hóa qua phản ứng với bầu khí quyển.

Do bầu khí quyển của sao Hỏa, ngay cả ngày nay, vẫn chứa một lượng lớn carbon dioxide và nước, nên có sẵn nguồn oxy để oxy hóa bất kỳ vật liệu giàu sắt nào xuất hiện trên bề mặt, khi chúng tiếp xúc với khí quyển.

Bản đồ Oxit sắt trên Sao Hỏa

Khi chúng ta nhìn vào bản đồ oxit sắt của sao Hỏa – được tạo ra bởi thiết bị OMEGA tuyệt vời trên tàu Mars Express của ESA – chúng ta phát hiện rằng đúng là oxit sắt có mặt ở khắp nơi, nhưng nồng độ cao nhất nằm ở các vĩ độ phía bắc và trung tâm, trong khi thấp nhất ở các vĩ độ phía nam.

Bản đồ này, được thực hiện bởi thiết bị OMEGA trên tàu Mars Express của ESA, cho thấy sự phân bố oxit sắt – một dạng khoáng chất của sắt – trên bề mặt sao Hỏa. Oxit sắt (một dạng oxit của sắt) xuất hiện ở khắp nơi trên hành tinh: trong lớp vỏ chính, dòng dung nham, và bụi đã bị oxy hóa thông qua các phản ứng hóa học với khí quyển sao Hỏa. Màu xanh dương biểu thị nồng độ oxit sắt thấp hơn; màu đỏ biểu thị nồng độ cao hơn.

Mặt khác, địa hình của sao Hỏa cho thấy độ cao của hành tinh đỏ thay đổi theo một cách thú vị trên toàn bề mặt, và chỉ một phần có sự tương quan với nồng độ oxit sắt. Bán cầu nam, chủ yếu, nằm ở độ cao cao hơn rất nhiều so với các vùng đất thấp ở phía bắc. Khu vực có độ cao lớn nhất là vùng Tharsis giàu oxit sắt, nhưng ở vùng đất thấp phía đông khu vực này, nồng độ oxit sắt giảm mạnh.

Bạn cần nhận ra rằng dạng hematit đỏ của oxit sắt – có thể là nguyên nhân tạo ra sắc đỏ của sao Hỏa – không phải là dạng duy nhất của oxit sắt. Còn có magnetit: Fe3O4, có màu đen thay vì đỏ. Mặc dù địa hình toàn cầu của sao Hỏa dường như ảnh hưởng đến nồng độ oxit sắt, nhưng rõ ràng đây không phải là yếu tố duy nhất, và có lẽ cũng không phải là yếu tố chính quyết định màu sắc của sao Hỏa.

Thiết bị Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA), một phần của Mars Global Surveyor, đã thu thập hơn 200 triệu phép đo độ cao bằng tia laser để xây dựng bản đồ địa hình này của sao Hỏa. Vùng Tharsis, ở trung tâm–trái, là khu vực cao nhất trên hành tinh, trong khi các vùng đất thấp xuất hiện với màu xanh lam. Lưu ý rằng độ cao của bán cầu bắc thấp hơn nhiều so với bán cầu nam.

Lớp bụi trong khí quyển và bề mặt Sao Hỏa

Điều chúng ta nghĩ đang xảy ra – và đây là hình dung nhất quán qua nhiều năm – là có một lớp bụi sáng, phân bố toàn cầu, đồng nhất trên bề mặt sao Hỏa, được gió cuốn vào khí quyển và tồn tại ở đó. Lớp bụi này về cơ bản lơ lửng trong bầu khí quyển mỏng của sao Hỏa, và mặc dù các sự kiện như bão bụi có thể làm tăng nồng độ bụi, nhưng lượng bụi không bao giờ giảm xuống mức không đáng kể. Khí quyển của sao Hỏa luôn giàu bụi; lớp bụi này tạo ra màu sắc cho khí quyển; nhưng các đặc điểm màu sắc của bề mặt sao Hỏa lại không đồng nhất chút nào.

Sự lắng đọng bụi khí quyển chỉ là một yếu tố trong việc xác định màu sắc bề mặt của các khu vực khác nhau trên sao Hỏa. Đây là điều chúng ta đã học được rất rõ từ các tàu đổ bộ và robot tự hành: sao Hỏa không phải chỉ có một màu đỏ đồng nhất. Thực tế, bề mặt của nó có màu cam nhạt giống kẹo bơ đường, và các vật thể đá cùng các mỏ khoáng sản trên bề mặt có một loạt màu sắc đa dạng: nâu, vàng óng, nâu nhạt, và thậm chí là xanh lục hoặc vàng, tùy thuộc vào các khoáng chất tạo nên các mỏ này.

Hình ảnh này, được chụp bởi Mars Pathfinder của robot Sojourner, cho thấy một loạt màu sắc. Bánh xe của robot có màu đỏ do hematit trên sao Hỏa; đất bị xáo trộn bên dưới có màu tối hơn nhiều. Các loại đá với nhiều màu sắc nội tại có thể được nhìn thấy, và cũng rất rõ vai trò của góc ánh sáng mặt trời chiếu vào.

Bí ẩn về hạt Hematit đỏ

Một câu hỏi vẫn đang được điều tra là cơ chế chính xác tạo ra các hạt hematit đỏ này. Mặc dù có nhiều giả thuyết liên quan đến oxy phân tử, oxy chỉ xuất hiện với lượng rất nhỏ từ quá trình quang phân ly nước. Các phản ứng liên quan đến nước hoặc nhiệt độ cao là khả thi, nhưng về mặt nhiệt động lực học thì không được ưu tiên.

Hai khả năng yêu thích của tôi là các phản ứng liên quan đến hydrogen peroxide (H2O2), một chất oxy hóa rất mạnh, xuất hiện tự nhiên với nồng độ thấp trên sao Hỏa. Việc chúng ta thấy một lượng lớn α-Fe2O3 nhưng không có khoáng sắt hydrat hóa có thể là chỉ dấu cho con đường này.

Ngoài ra, hematit cũng có thể được tạo ra từ một quá trình vật lý thuần túy: xói mòn. Nếu bạn trộn bột magnetit, cát thạch anh, và bụi thạch anh vào một bình, sau đó lắc mạnh, một phần magnetit sẽ chuyển hóa thành hematit. Đặc biệt, một hỗn hợp đen (chủ yếu là magnetit) sẽ trở nên đỏ, vì các hạt thạch anh bị vỡ, làm lộ các nguyên tử oxy, liên kết với các liên kết magnetit bị phá vỡ, tạo thành hematit. Có lẽ giả thuyết nước chịu trách nhiệm cho oxit sắt chỉ là một cái bẫy suy luận màu đỏ mà thôi.

Cơn bão bụi và sự kết thúc của Rover Opportunity

Khởi đầu của cơn bão bụi năm 2018 đã dẫn đến sự hư hỏng của tàu rover Opportunity của NASA. Ngay cả từ bản đồ sơ lược này, cũng có thể thấy rõ rằng bụi trên sao Hỏa có màu đỏ và làm đỏ đậm thêm bầu khí quyển khi một lượng lớn bụi bị cuốn vào khí quyển sao Hỏa.

Tóm lại, sao Hỏa có màu đỏ là do hematit, một dạng oxit sắt màu đỏ. Mặc dù oxit sắt được tìm thấy ở nhiều nơi, chỉ có hematit chịu trách nhiệm chính cho màu đỏ này, và các hạt bụi nhỏ bị cuốn vào khí quyển cùng với lớp bụi bao phủ vài milimét đến vài mét trên bề mặt sao Hỏa hoàn toàn tạo nên màu đỏ mà chúng ta nhìn thấy.

Nếu chúng ta có thể giữ yên bầu khí quyển trong thời gian dài và để bụi sao Hỏa lắng xuống, bạn có thể kỳ vọng hiện tượng tán xạ Rayleigh sẽ chiếm ưu thế như trên Trái Đất, làm cho bầu trời chuyển sang màu xanh lam. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng một phần; bởi vì khí quyển sao Hỏa rất mỏng và yếu, bầu trời sẽ trông rất tối: gần như hoàn toàn đen với một chút ánh xanh mờ nhạt. Nếu bạn có thể che bớt độ sáng từ bề mặt hành tinh, bạn có thể nhìn thấy một số ngôi sao và tối đa sáu hành tinh – Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất, Sao Mộc, Sao Thổ, và đôi khi là Sao Thiên Vương – ngay cả vào ban ngày.

Sao Hỏa có thể được gọi là hành tinh đỏ, nhưng chỉ một lượng rất nhỏ trong thực tế là đỏ. May mắn thay, phần đỏ đó là lớp ngoài cùng của bề mặt hành tinh và phân tán trong khí quyển sao Hỏa, tạo nên màu sắc mà chúng ta thực sự quan sát được.