.

 

 

Năng lượng và ánh sáng

So với phần còn lại của vũ trụ, Trái đất chỉ là một hành tinh nhỏ bé. Hành tinh của chúng ta, cùng với bảy hành tinh khác, quay xung quanh Mặt trời – vốn chỉ là một ngôi sao nhỏ trong khoảng hơn 200 tỉ ngôi sao trong thiên hà của chúng ta. Và thiên hà của chúng ta – dải Ngân Hà, Milky Way – cũng chỉ là một phần của vũ trụ, gồm hàng triệu thiên hà khác cùng với các sao và hành tinh bên trong. Trái đất chỉ giống như một hạt cát ở bờ biển vậy.

So với loài người, thì ngược lại, Trái đất quả thực quá to lớn. Nó có đường kính 7.926 dặm (khoảng 12.756 km) ở xích đạo, với khối lượng khoảng 6 x 10^24 kg. Trái đất quay xung quanh Mặt trời với vận tốc khoảng 66.638 dặm một giờ (29,79 km một giây). Những con số khổng lồ. Nhưng nó vẫn là rất nhỏ so với kích thước của Mặt trời.

 

Nhìn từ Trái đất, Mặt trời có vẻ rất nhỏ. Bởi vì nó cách Trái đất những 93 triệu dặm. Thực tế, đường kính Mặt trời lớn hơn Trái đất khoảng 100 lần, một Mặt trời có thể chứa trong đó khoảng 1.000.000 Trái đất.

Nếu không có Mặt trời, Trái đất không thể tồn tại được. Bạn có thể tưởng tượng, Trái đất là một cỗ máy khổng lồ, một hệ thống vô cùng phức tạp. Nó cần năng lượng để hoạt động, và nguồn năng lượng đó chính là Mặt trời. Mặt trời là một nguồn năng lượng hạt nhân khổng lồ - phản ứng nhiệt hạch tạo một nguyên tử Heli từ bốn nguyên tử Hidro giúp sinh ra nhiệt và ánh sáng. Mỗi mét vuông trên Trái đất tiếp nhận năng lượng khoảng 342 Watt mỗi năm. Tổng cộng là 1,7 x 10^17 Watt, tương đương với lượng năng lượng sinh ra bởi khoảng 1,7 tỉ nhà máy điện.

Khi năng lượng này đến Trái đất, nó cung cấp năng lượng cho rất nhiều phản ứng, chu trình và hệ thống. Nó điều khiển sự đối lưu của khí quyển và đại dương. Nó giúp cây cối phát triển. Nó giúp cho nhiệt độ Trái đất ổn định, và rồi sự sống có thể tồn tại trên hành tinh của chúng ta.

 

Ngày và đêm

Một trong những ảnh hưởng lớn nhất của Mặt trời lên Trái đất là thứ bạn trải qua hàng ngày: hiện tượng ngày và đêm. Khi tự quay quanh trục của mình, một phần Trái đất nhận ánh sáng Mặt trời, trong khi phần kia chìm trong bóng đêm. Nói cách khác, khi nhìn từ Trái đất, đó là hiện tượng Mặt trời mọc và lặn. Bất kì nơi nào trên Trái đất đều nhận ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời vào ban ngày, sau đó sẽ mất nhiệt vào ban đêm.

Bốn mùa trên Trái đất cũng là một trong những bằng chứng rõ ràng nhất về mối quan hệ giữa Trái đất và Mặt trời. Trục Trái đất nghiêng khoảng 23,5 độ. Một nửa bán cầu đối diện với Mặt trời sẽ nhận được nhiều ánh sáng hơn - ở những nơi này sẽ là mùa hè, và sẽ là mùa đông ở bán cầu bên kia. Ảnh hưởng này không lớn lắm ở gần Xích đạo – nơi đây nhận được lượng ánh sáng Mặt trời mỗi ngày gần tương đương nhau trong suốt cả năm. Trong khi, ở hai cực, không nhận được một chút ánh sáng Mặt trời nào trong suốt mùa đông, đây là một trong những lý do khiến thời tiết ở nơi đây lại băng giá như vậy.

 

Trong khi nhiều người chỉ nghĩ đơn giản, sự khác biệt giữa ngày và đêm (hay mùa hè và mùa đông) là một điều tất nhiên, thì thực tế sự thay đổi về ánh sáng và nhiệt độ tạo nên ảnh hưởng vô cùng lớn tới sự hoạt động của các hệ thống trên Trái đất. Một trong số đó là sự lưu thông không khí trên Trái đất.

Hiệu ứng Coriolis, một sản phẩm sinh ra do Trái đất tự quay, giúp tạo nên hệ thống mùa phong phú và đa dạng. Nó còn giúp tạo nên nhiều loại gió, như gió Tín phong thổi đến xích đạo, hay loại gió Tây ôn đới thổi từ đường chí tuyến đến vòng cực. Những hình thái gió mùa này giúp cho không khí và hơi ẩm di chuyển giữa các vùng, và tạo nên sự đa dạng về mùa.

Mặt trời cũng góp phần trong quá trình tạo ra mưa và gió. Khi Mặt trời làm nóng không khí ở một khu vực nào đó, áp suất tại đó sẽ giảm đi. Không khí từ vùng lân cận sẽ lập tức tràn vào, đây chính là cơ chế tạo nên gió. Không có Mặt trời, sẽ không có gió trên Trái đất. Và còn hơn thế, không có Mặt trời, chúng ta cũng không có không khí để thở. Hãy thử tìm hiểu ở phần tiếp theo.

 

Đường và carbon

Phần lớn trong bầu khí quyển Trái đất là khí nitơ. Oxy chỉ chiếm 21% trong không khí chúng ta hít thở. Ngoài ra còn có khí carbon dioxid, argon, ozone, hơi nước, và rất nhiều loại khí khác, tạo nên khoảng gần 1% thành phần khí quyển. Những loại khí này đến từ nhiều nguồn, kể từ khi Trái đất hình thành.

Nhưng các nhà khoa học lại tin rằng, trên Trái đất sẽ không có khí oxy, nếu không có cây xanh. Cây xanh (và một số loài vi khuẩn), bằng quá trình quang hợp, chúng chuyển hóa nước và khí carbon dioxid thành đường và khí oxy.

Quang hợp là một quá trình phức tạp. Về cơ bản, nó giống như cách mà cơ thể chúng ta phân hủy thức ăn để tạo năng lượng cho cơ thể hoạt động. Về bản chất, sử dụng năng lượng ánh sáng từ Mặt trời, cây xanh có thể chuyển hóa carbon dioxid và nước thành glucose và khí oxy qua phản ứng:

6CO2 + 12H2O + ánh sáng -> C6H12O6 + 6O2+ 6H2O

 

Nói cách khác, trong khi chúng ta thì hít khí oxy và thải ra khí carbonic, thì cây xanh lại ngược lại, chúng hít khí carbonic và thải ra khí oxy. Một số nhà khoa học tin rằng, trên Trái đất không hề có oxy trước khi cây xanh xuất hiện và khởi động quá trình quang hợp.

Nếu không có Mặt trời cung cấp ánh sáng cho quá trình quang hợp, chúng ta sẽ không thể có không khí để thở. Nếu không có cây cối cung cấp lương thực cho con người và các loài động vật khác, chúng ta cũng sẽ không có gì để ăn.

Hiển nhiên, cây cối rất quan trọng cho sự tồn tại của loài người. Không chỉ vì nó cung cấp khí oxy và thức ăn, chúng còn giúp điều chỉnh lượng khí carbonic, hay còn gọi là khí nhà kính, trong khí quyển. Chúng còn giúp phòng tránh sự xói mòn, bạc màu của đất do gió và nước. Thêm nữa, chúng còn đưa hơi nước vào không khí trong quá trình quang hợp. Lượng hơi nước này, tiếp tục tham gia vào chu trình nước, được điều khiển bởi Mặt trời. Hãy cùng tìm hiểu về chu trình nước trong phần tiếp theo.

 

Nước và lửa

Mặt trời tác động rất lớn đến nguồn nước của chúng ta. Nó làm nóng các đại dương ở gần xích đạo, ngược lại, nước ở hai cực thì lạnh đi. Chính vì lẽ đó mà tồn tại các dòng biển nóng và lạnh, chúng di chuyển một lượng lớn nước ấm và nước lạnh đi khắp nơi, ảnh hưởng đến thời tiết và khí hậu khắp thế giới. Mặt trời cũng điều khiển chu trình nước, nó làm bay hơi khoảng 495.000 kilomet khối hơi nước vào khí quyển mỗi năm.

Bạn hãy nhớ lại xem, khi bạn đi bơi, lúc bạn lên bờ và nằm phơi nắng, chỉ một lúc sau cơ thể bạn sẽ lại khô như lúc trước khi bơi. Khi ấy, quá trình bay hơi đã xảy ra. Ngược lại, nếu bạn từng thấy hơi nước đọng trên thành cốc trà đá, thì bạn đã thấy hiện tượng ngưng tụ rồi đấy. Đây chính là hai quá trình chính, trong chu trình nước. Chu trình nước này là nguyên nhân sinh ra mây và mưa, cũng như nguồn nước ngọt mà bạn đang sử dụng.

 

Nếu không có Mặt trời khởi phát quá trình bay hơi nước, chu trình nước sẽ không tồn tại. Trên Trái đất sẽ không có mây, mưa hay thời tiết. Nước trên Trái đất sẽ chỉ ở yên trên mặt đất, chính xác hơn, nước sẽ bị đóng băng, do không có Mặt trời để sưởi ấm, và Trái đất sẽ băng giá mãi mãi.

Tia cực tím và gió Mặt trời

Nguồn năng lượng khổng lồ của Mặt trời có hai mặt hại chính: tia cực tím và gió Mặt trời. Tia cực tím có thể gây ung thư, đục thủy tinh thể và những vấn đề về sức khỏe khác. Gió Mặt trời, bản chất là một luồng dịch chuyển mang điện tích, hay dòng ion hoá, sẽ thổi bay khí quyển Trái đất. May mắn thay, Trái đất có hàng rào bảo vệ tự nhiên chống lại cả hai tác nhân này. Tầng ozon bảo vệ con người khỏi tia cực tím, và từ trường bảo vệ chúng ta khỏi gió Mặt trời.

 

Tầng bình lưu của Trái đất có một lớp mỏng ozone (O3), được sinh ra nhờ Mặt trời. Phân tử ozone cấu tạo bởi 3 nguyên tử oxy – đây là một phân tử không bền vững, tuy nhiên phải mất rất nhiều năng lượng để tạo ra được nó. Khi tia cực tím đến Trái đất và va chạm với các phân tử oxy, phân tử oxy sẽ bị tách ra thành hai oxy nguyên tử. Mỗi oxy nguyên tử này khi gặp một phân tử oxy sẽ tạo thành một phân tử ozone. Đây là một phản ứng thuận nghịch: khi tia cực tím va chạm với phân tử ozone, nó lại bị tách ra thành phân tử oxy và một oxy nguyên tử.

Quá trình này gọi là chu trình oxy – ozone, và nó giúp chuyển năng lượng của tia cực tím thành nhiệt năng, từ đó giúp ngăn ngừa tác dụng có hại của tia cực tím đến con người. Nếu không có Mặt trời, Trái đất sẽ không có tầng ozone; nhưng nếu không có Mặt trời, thì chúng ta cũng chẳng cần tầng ozone nữa.

Đó là cơ chế giúp bảo vệ con người khỏi tia cực tím. Còn về gió Mặt trời, Trái đất đã tự tạo ra được hàng rào bảo vệ. Nếu không có từ trường, các hạt mang điện từ gió Mặt trời sẽ thổi bay bầu khí quyển của Trái đất. Từ trường được sinh ra từ bên trong lòng của Trái đất – đó là kết quả của sự tương tác giữa các lớp bên trong và bên ngoài của Trái đất.

 

Trong nhân Trái đất có chứa một lượng lớn sắt. Phần lõi trong cùng ở dạng đặc, tiếp theo là lớp kim loại nóng chảy – hai lớp này ở sâu trong lòng đất. Chúng được ngăn cách với lớp vỏ Trái đất bằng một lớp mantle rất dày. Lớp mantle này ở thể rắn, tuy nhiên lại rất mềm, đây là nguồn gốc của dòng dung nham trong các ngọn núi lửa. Quay lại với hai lớp kim loại trong cùng, chúng cũng quay quanh trục giống như Trái đất, nhưng do mật độ hai lớp khác nhau, nên chúng có vận tốc quay khác nhau, từ đó sinh ra hiệu ứng dynamo, hình thành dòng điện và tạo nên từ trường của Trái đất – giống như một nam châm điện khổng lồ vậy. Khi gió Mặt trời đến Trái đất, chúng sẽ tương tác với từ trường của Trái đất và bị đẩy ra xa, từ đó bảo vệ Trái đất khỏi tác động của gió Mặt trời.

Từ hiệu ứng dynamo, Trái đất trở thành một nam châm lớn có hai cực. Hai cực của Trái đất thay đổi theo chu kì – khoảng 400 lần trong vòng 330 triệu năm. Từ trường sẽ yếu đi khi hai cực thay đổi, tuy nhiên, qua nghiên cứu, người ta dự đoán rằng Mặt trời sẽ “hỗ trợ” Trái đất trong giai đoạn này, bằng cách tương tác với lớp khí quyển để tăng cường thêm từ trường.

 

Hành tinh và các ngôi sao

Một trong những lý thuyết nổi trội nhất về nguồn gốc hình thành Trái đất, là về một đám mây bụi quay tròn có tên gọi là tinh vân Mặt trời. Tinh vân này là một sản phẩm sau vụ nổ Big Bang. Các nhà triết học, người theo đạo và các nhà khoa học có vô vàn những ý kiến khác nhau về nguồn gốc của vũ trụ, nhưng nổi tiếng nhất và được chấp nhận nhiều nhất, là lý thuyết về vụ nổ Big Bang. Theo lý thuyết này, vũ trụ được sinh ra sau một vụ nổ cực lớn.

Trước khi xảy ra vụ nổ Big Bang, tất cả vật chất và năng lượng tập trung tại một điểm có tên gọi là điểm kì dị - singularity. Đây là một điểm có nhiệt độ cực cao và mật độ lên đến vô hạn – giống như ở điểm trung tâm của các lỗ đen. Điểm kì dị trôi trong chân không, cho đến khi nó bùng nổ - khí, hơi, vật chất, năng lượng tỏa ra theo mọi hướng.

 

Sau khi các loại khí nguội đi, rất nhiều lực tác động lên các hạt và khiến chúng gắn vào với nhau. Càng nguội, chúng di chuyển càng chậm, và dần dần hình thành các ngôi sao. Quá trình này xảy ra mất khoảng một tỉ năm.

Khoảng 5 tỉ năm trước, một phần của đám khí sau vụ nổ Big Bang, đã sinh ra Mặt trời của chúng ta. Ban đầu, nó rất nóng, đám mây bụi quay xung quanh nó chứa vô vàn các nguyên tố khác nhau. Khi Mặt trời tiếp tục quay, các nguyên tố này tạo thành một đĩa có tên gọi là tinh vân Mặt trời. Trái đất và các hành tinh khác hình thành trong chiếc đĩa này. Trung tâm đám mây tiếp tục ngưng tụ, tiếp tục bốc cháy và tạo thành Mặt trời.

Hiện tại chưa có bằng chứng chắc chắn về việc Trái đất hình thành như thế nào trong đám mây bụi đó. Các nhà khoa học đưa ra hai giả thiết, và cả hai giả thiết này đều liên quan đến việc các phân tử và các hạt kết dính vào nhau. Chúng có chung ý tưởng cơ bản: khoảng 4.6 tỉ năm trước, Trái đất được hình thành từ các hạt quay xung quanh chiếc đĩa khổng lồ hình thành nên Mặt trời: khi Mặt trời đốt cháy, nó thổi các hạt ra không gian xung quanh, và hình thành nên hệ Mặt trời ngày nay. Mặt trăng cũng là một phần của tinh vân Mặt trời.

 

Thuở ban đầu, Trái đất rất nóng. Dần dần, khi nó nguội đi, lớp vỏ Trái đất hình thành. Thiên thạch rơi xuống Trái đất tạo nên các hố sâu. Nhiệt độ tiếp tục giảm xuống, đồng nghĩa với việc nước sẽ ngưng tụ, và tạo nên hồ, biển và các đại dương.

Trải qua hàng ngàn quá trình như động đất, núi lửa,... bề mặt Trái đất mới có thể giống như hiện tại. Khối lượng khổng lồ của nó giúp tạo nên trọng lực giữ mọi thứ lại trên bề mặt, và giúp chúng ta có nơi để sống. Tất cả các quá trình này, tất cả các vật chất này, sẽ không thể tồn tại nếu không có Mặt trời