Mặt Trời là nguồn năng lượng khổng lồ của Hệ Mặt Trời và cũng là lý do Trái Đất có đủ nhiệt để duy trì sự sống. Thế nhưng, một câu hỏi tưởng chừng đơn giản lại khiến nhiều người bối rối: Nếu Mặt Trời có thể làm nóng Trái Đất, tại sao không gian xung quanh Trái Đất lại lạnh đến vậy?
Đây là một trong những câu hỏi khoa học cơ bản nhưng rất thú vị. Nó cũng cho thấy cách nhiệt truyền trong vũ trụ hoàn toàn khác với cách chúng ta thường hình dung về một ngọn lửa đang tỏa nhiệt.
Không gian thực sự lạnh đến mức nào?
Trước hết, không gian thực sự rất lạnh. Nhiệt độ nền trung bình của vũ trụ vào khoảng -270,45 độ C.
Trong khi đó, Mặt Trời lại cực kỳ nóng, thậm chí nóng theo những cách có thể khiến chúng ta cảm thấy khó hiểu.
Ở trung tâm Mặt Trời, nhiệt độ lên tới hơn 15 triệu độ C. Nhiệt độ giảm xuống khoảng 5.500 độ C tại bề mặt nhìn thấy được của Mặt Trời, được gọi là quang quyển.
Điều đáng chú ý là khi đi xa hơn khỏi quang quyển, nhiệt độ của vành nhật hoa (corona) – lớp khí quyển ngoài cùng của Mặt Trời – lại tăng lên rất mạnh. Corona có thể đạt tới hàng triệu độ C. Đây chính là một trong những bí ẩn lớn của vật lý Mặt Trời.
Vậy nếu Mặt Trời nóng đến như vậy, tại sao không gian xung quanh nó không trở nên nóng theo?
Một phần nguyên nhân khiến câu hỏi này trở nên khó hiểu là con người thường hình dung Mặt Trời giống như một đống lửa khổng lồ.
Nếu đứng cạnh một đống lửa, chúng ta cảm thấy nóng vì năng lượng từ ngọn lửa truyền tới cơ thể. Vì vậy, rất dễ hình dung rằng Mặt Trời cũng đang “đốt nóng” không gian rồi từ đó làm nóng các hành tinh giống như một ngọn lửa làm nóng mọi vật xung quanh.
Nhưng thực tế không diễn ra theo cách đó.
Nhiệt mà chúng ta cảm nhận trên Trái Đất không phải là một khối “nhiệt” trực tiếp truyền từ Mặt Trời qua khoảng không tới Trái Đất. Năng lượng từ Mặt Trời chủ yếu truyền đi dưới dạng bức xạ điện từ.
Bức xạ này trải rộng trên nhiều bước sóng khác nhau trong phổ điện từ, trong đó có ánh sáng khả kiến mà mắt người có thể nhìn thấy.
Khi bức xạ Mặt Trời tới Trái Đất và tương tác với vật chất (từ khí quyển, mặt đất, đại dương cho tới các vật thể trên bề mặt) năng lượng của bức xạ được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt. Chính quá trình đó làm Trái Đất nóng lên.
Nói cách khác, Mặt Trời không cần làm nóng không gian để làm nóng Trái Đất.
Khoảng không càng trống, càng khó truyền nhiệt theo cách thông thường
Điểm mấu chốt nằm ở mật độ vật chất.
Không gian giữa các hành tinh gần như là chân không. Dù vẫn tồn tại các hạt vật chất, plasma, bụi và những dạng vật chất khác, mật độ của chúng cực kỳ thấp so với môi trường trên Trái Đất.
Điều này rất quan trọng bởi nhiệt theo cách chúng ta thường trải nghiệm cần vật chất để tương tác và truyền năng lượng.
Trong một căn phòng, không khí nóng có thể truyền nhiệt sang các vật thể khác. Các phân tử không khí liên tục va chạm và trao đổi năng lượng. Tương tự, trong một chất rắn hoặc chất lỏng, năng lượng nhiệt có thể truyền từ vùng nóng sang vùng lạnh thông qua sự tương tác giữa các hạt.
Nhưng trong khoảng không gần như chân không, số lượng hạt vật chất quá ít để quá trình này diễn ra hiệu quả.
Vì vậy, mặc dù bức xạ Mặt Trời vẫn đi xuyên qua không gian, không có đủ vật chất để hấp thụ bức xạ và trở nên nóng theo cách chúng ta thường hình dung.
Đây chính là lý do một khoảng không có thể chứa đầy ánh sáng Mặt Trời nhưng bản thân nó không “nóng” giống như không khí trong một căn phòng được sưởi.
Tàu vũ trụ không thể cứ đến gần Mặt Trời mà vẫn lạnh
Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là một con tàu vũ trụ có thể bay tới gần Mặt Trời mà vẫn ở trong môi trường lạnh giá.
Ngược lại, khi một vật chất được đặt trên đường đi của bức xạ Mặt Trời, vật chất đó sẽ hấp thụ năng lượng và nóng lên.
Một ví dụ là Parker Solar Probe, tàu thăm dò Mặt Trời của NASA.
Trong những lần tiếp cận gần Mặt Trời nhất, tấm chắn nhiệt của Parker Solar Probe phải đối mặt với nhiệt độ khoảng 1.400 độ C. Tấm chắn này có nhiệm vụ bảo vệ các thiết bị khoa học phía sau, giúp chúng duy trì điều kiện gần với nhiệt độ phòng trong khi phần phía trước phải chịu bức xạ dữ dội từ Mặt Trời.
(Hình ảnh minh hoạ tàu thăm dò không gian Parker của NASA khi tiếp cận vùng quanh Mặt Trời. Nguồn video: The New Frontier | Spark)
Điều đặc biệt hơn nữa là Parker Solar Probe không chỉ bay rất gần Mặt Trời mà còn di chuyển với tốc độ chưa từng có đối với một vật thể do con người chế tạo. Tàu thăm dò phải lao xuyên qua vùng vành nhật hoa của Mặt Trời, nơi tồn tại plasma có nhiệt độ lên tới hàng triệu độ C.
Vì sao “nhiệt độ không gian” dễ gây hiểu lầm?
Câu chuyện về Mặt Trời và không gian cũng cho thấy một khái niệm quan trọng trong vật lý: nói rằng “không gian lạnh” không hoàn toàn giống với việc nói một căn phòng có nhiệt độ thấp.
Trong chân không, gần như không có vật chất để truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt hoặc đối lưu như trên Trái Đất. Một vật thể trong không gian chủ yếu trao đổi năng lượng bằng bức xạ.
Vì thế, một vật thể ngoài không gian có thể trở nên rất nóng nếu liên tục nhận bức xạ từ Mặt Trời, nhưng cũng có thể trở nên rất lạnh nếu nằm trong bóng tối và mất năng lượng bằng cách phát bức xạ ra ngoài.
Đó cũng là lý do các tàu vũ trụ cần những hệ thống kiểm soát nhiệt được thiết kế cực kỳ cẩn thận. Chúng không đơn giản chỉ cần “chống lạnh” hay “chống nóng”, mà phải liên tục cân bằng lượng năng lượng nhận vào và phát ra.
Cuối cùng, câu trả lời cho câu hỏi “Nếu Mặt Trời làm nóng Trái Đất, tại sao không gian lại lạnh?” nằm ở sự khác biệt giữa bức xạ và vật chất. Mặt Trời truyền năng lượng xuyên qua chân không chủ yếu bằng bức xạ điện từ. Không gian không hấp thụ năng lượng theo cách một bầu khí quyển hay một vật thể trên Trái Đất hấp thụ nó, bởi nơi đây gần như không có đủ vật chất để giữ và phân phối nhiệt.
Chỉ khi bức xạ Mặt Trời gặp một vật thể, năng lượng mới được hấp thụ và chuyển thành nhiệt đáng kể.
Vì vậy, Mặt Trời có thể chiếu sáng xuyên qua một không gian lạnh giá mà không cần biến chính không gian đó thành một “lò sưởi”. Và chính đặc điểm này cho phép Trái Đất nhận được năng lượng từ Mặt Trời qua khoảng cách gần 150 triệu kilomet, đồng thời giải thích tại sao môi trường vũ trụ vẫn có thể lạnh đến mức gần nhiệt độ không tuyệt đối.
(Theo Space, Earthsky, iflscience)
