Khi những người leo núi leo lên đỉnh Everest, họ thường xuyên phải mang theo bình oxy, thiết bị cho phép họ thở tự do ở độ cao lớn. Điều này là cần thiết vì bạn càng đến gần rìa của bầu khí quyển của Trái đất, lượng oxy có sẵn càng ít hơn, đặc biệt khi so với lượng oxy dồi dào được tìm thấy ở nơi gần mực nước biển.
Đây chỉ là một ví dụ về việc bầu khí quyển của Trái đất biến đổi như thế nào. Và nó cũng cho thấy cấu tạo nguyên tố trong các lớp của nó, từ tầng đối lưu, nơi gần mực nước biển, đến ngoại quyển, ở các vùng ngoài cùng của nó.
Theo tổ chức National Weather Service (Dịch vụ Thời tiết Quốc gia của Mỹ), nơi mỗi lớp kết thúc và bắt đầu được xác định bởi bốn đặc điểm chính. Đó là sự thay đổi nhiệt độ, thành phần hóa học, mật độ và sự chuyển động của các chất khí bên trong nó.
Vậy, bầu khí quyển của Trái đất thực sự kết thúc ở đâu? Và không gian sẽ bắt đầu từ đâu?
Bầu khí quyển của Trái đất có các lớp với những đặc điểm riêng biệt.
Mỗi lớp của bầu khí quyển đóng một vai trò trong việc đảm bảo hành tinh của chúng ta có thể lưu trữ tất cả các cách sống. Nó làm mọi việc từ việc ngăn chặn bức xạ vũ trụ gây ung thư cho tới việc tạo ra áp suất cần thiết để sản xuất nước, theo NASA.
“Khi càng rời xa Trái đất, bầu khí quyển càng trở nên ít đặc hơn", Katrina Bossert, một nhà vật lý không gian tại Đại học Bang Arizona, chia sẻ. "Thành phần cũng thay đổi, và các nguyên tử và phân tử nhẹ hơn bắt đầu chiếm ưu thế, trong khi các phân tử nặng vẫn ở gần bề mặt Trái đất hơn."
Khi di chuyển lên trong bầu khí quyển, áp suất hoặc trọng lượng của bầu khí quyển phía trên sẽ suy yếu nhanh chóng. Mặc dù các máy bay thương mại có cabin điều áp, nhưng sự thay đổi nhanh chóng về độ cao có thể ảnh hưởng đến các ống eustachian mỏng nối tai mũi họng của chúng ta. Matthew Igel, giáo sư trợ giảng về khoa học khí quyển tại Đại học California (tại thành phố Davis, bang California, Mỹ) cho biết: “Đây là lý do tại sao tai của bạn có thể bị ù khi máy bay cất cánh".
Và cuối cùng, không khí trở nên quá loãng để các máy bay thông thường có thể bay được, bởi chúng không thể tạo ra đủ lực nâng. Đây là khu vực mà các nhà khoa học đã quyết định đánh dấu sự kết thúc của bầu khí quyển và là nơi bắt đầu của không gian.
Nó được gọi là đường Kármán, được đặt theo tên của Theodore von Kármán, một nhà vật lý có ba quốc tịch Mỹ - Hungary - Đức. Vào năm 1957, ông đã trở thành người đầu tiên cố gắng xác định ranh giới giữa Trái đất và không gian bên ngoài.
Đường Kármán, do nó đánh dấu ranh giới giữa Trái đất và không gian, không chỉ biểu thị giới hạn của máy bay nằm ở đâu, mà còn rất quan trọng đối với các nhà khoa học và kỹ sư khi tìm ra cách giữ cho tàu vũ trụ và vệ tinh quay quanh Trái đất thành công. Nhà vật lý Bossert cho biết: “Đường Kármán là một vùng gần đúng biểu thị độ cao mà các vệ tinh có thể quay quanh Trái đất mà không bị cháy hoặc rơi ra khỏi quỹ đạo trước khi quay quanh Trái đất ít nhất một lần."
“Nó thường được định nghĩa là 100km từ Trái đất”, Igel nói thêm. "Có thể một thứ gì đó quay quanh Trái đất ở độ cao bên dưới đường Kármán, nhưng nó sẽ yêu cầu vận tốc quỹ đạo cực cao, khó có thể duy trì do ma sát. Nhưng không có gì cấm được điều đó."
“Đó là một ngưỡng tưởng tượng nhưng lại là thực tế ngăn cách giữa du hành hàng không và du hành vũ trụ", ông nói thêm.
Còn theo Bossert, nhiều yếu tố khác nhau, chẳng hạn như kích thước và hình dạng của vệ tinh, đóng vai trò quyết định mức độ cản của không khí và do đó, ảnh hưởng tới khả năng quay quanh Trái đất thành công của nó. Thông thường, các vệ tinh ở quỹ đạo thấp của Trái đất - phân loại thường được cấp cho các vệ tinh ở độ cao dưới 1.000km nhưng đôi khi thấp tới 160 km so với Trái đất - sẽ rơi ra khỏi quỹ đạo sau một vài năm, do "lực cản từ tầng trên của Trái đất dần dần làm tốc độ quỹ đạo chậm lại".
Hình minh họa các lớp của bầu khí quyển Trái đất.
Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là bầu khí quyển của Trái đất không thể phát hiện được ngoài khoảng cách 1.000km.
“Bầu khí quyển không biến mất một khi bạn đi vào khu vực mà các vệ tinh quay quanh quỹ đạo", Bossert nói. "Nó còn cách xa hàng nghìn, hàng nghìn km trước khi bằng chứng về bầu khí quyển của Trái đất không còn nữa. Các nguyên tử bên ngoài bầu khí quyển của Trái đất, các nguyên tử hydro tạo nên địa khí của nó [vùng ngoài cùng của khí quyển], thậm chí có thể vượt ra ngoài mặt trăng ."
Vậy, nếu ai đó đến được đường Kármán, họ có nhận thấy điều gì không? Liệu họ có biết rằng về cơ bản, họ đang ở nơi phân chia ranh giới giữa Trái đất và không gian?
"Không có gì thực sự thay đổi", Bossert nói.
“Đường này không phải là đường vật lý, và vì vậy người ta sẽ không nhận thấy việc đang cắt ngang nó, cũng như không có bất kỳ độ dày nào", Igel cho biết thêm.
Còn việc có thể sống sót, dù chỉ trong một khoảng thời gian ngắn, tại phòng tuyến bên trong đường Kármán thì sao? Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn bị rơi ở đó mà không có bộ đồ vũ trụ đặt riêng hoặc bình dưỡng khí đi kèm? Nếu bạn có thể đến được nó, bạn có thể thở ở độ cao lớn như vậy không? Và liệu loài chim có thể đạt đến độ cao như vậy không?
“Về nguyên tắc, vẫn có thể bay đến đường Kármán”, giáo sưIgel cho biết. "Tuy nhiên, trong thực tế, động vật không thể sống sót ở độ cao trên "giới hạn Armstrong", tức là khoảng 20km so với bề mặt Trái đất, nơi áp suất thấp đến mức chất lỏng trong phổi sôi lên".