Hệ thống tự hành: Căn bản (4) - Môi trường không gian
Phần này sẽ cung cấp những kiến thức cơ bản nhất về môi trường không gian.
1. Phân chia tầng không gian
Tùy theo mục đích (thời tiết, bức xạ, thành phần hóa học, liên lạc vô tuyến, hay hàng không vũ trụ), người ta sẽ chia không gian thành các tầng theo một/một số tiêu chí nhất định. Các cách phân chia đôi khi chồng chéo lên nhau. Nên khi nói đến một tầng không gian cụ thể, phải nắm rõ ý nghĩa và mục đích sử dụng.
Dưới đây là một số cách phân chia phổ biến.
a) Chia theo nhiệt độ
Troposphere/Toposphere (Tầng đối lưu): Dành cho thời tiết, mây, mưa. Dải độ cao 1-8/18 km hoặc có nguồn ghi 12 km. Nhiệt độ 15 tới -56.5 độ C. Càng lên cao càng lạnh.
Stratosphere (Tầng bình lưu): Tầng ozone. Dải độ cao 8/18-50 km hoặc 12-50 km. Nhiệt độ từ -56.5 đến -2.5 độ C. Càng lên cao càng nóng.
Mesosphere (Tầng trung lưu): Sao băng cháy. Dải độ cao 50-80/85 km. Nhiệt độ từ -2.5 đến -86.5 độ C. Lạnh nhất trong khí quyển Trái Đất. Càng lên cao càng lạnh.
Thermosphere (Tầng nhiệt): Dành cho cực quang, ISS. Dải độ cao 80/85-600/700 km. Nhiệt độ từ -86.5 đến 1200 độ C. Càng lên cao càng nóng mạnh.
Exosphere (Tầng ngoài): Dành cho các loại vệ tinh. Dải độ cao 600/700~30.000 km. Nhiệt độ >= 1200 độ C. Khí dần thoát ra vũ trụ.
Không gian
b) Chia theo thành phần hóa học
- Homosphere (Tầng đồng quyển): Độ cao 0-80/100 km. Các khí (nitơ, oxy, argon…) được gió và đối lưu trộn đều, tỷ lệ thành phần gần như không đổi.
- Heterosphere (Tầng dị quyển): Độ cao 80/100 - 1000 km. Không khí quá loãng, không còn sự trộn lẫn mạnh. Các khí bắt đầu tách lớp theo trọng lượng phân tử. Phía dưới: oxy nguyên tử và nitơ. Cao hơn: heli. Cao nhất: hydro.
Ranh giới giữa hai tầng này gọi là turbopause (khoảng 100 km), gần với đường Kármán.
c) Chia theo mức độ ion hóa
Tầng này đặc biệt quan trọng cho liên lạc vô tuyến và nghiên cứu thời tiết.
Ionosphere (Tầng điện ly) nằm chồng lên các tầng Mesosphere (Tầng trung lưu) và Thermosphere (Tầng nhiệt), khoảng từ 60 km đến hơn 1000 km. Đây là nơi bức xạ Mặt Trời làm ion hóa các phân tử khí, tạo ra electron tự do và ion.
Nó được chia thành các lớp:
- Lớp D: Độ cao 60-90 km. Chỉ xuất hiện ban ngày. Mật độ electron thấp. Hấp thụ sóng radio ngắn.
- Lớp E: Độ cao 90-150 km. Mật độ electron trung bình. Phản xạ sóng radio trung bình. Yếu đi vào ban đêm.
- Lớp F: Độ cao 150-300/500 km. Mật độ electron cao nhất. Quan trọng nhất cho liên lạc HF (cao tần/sóng ngắn). Ban ngày chia thành hai tầng F1 (tầng điện ly phụ, chỉ xuất hiện rõ vào ban ngày, hấp thụ một phần sóng HF) và F2 (tồn tại cả ngày lẫn đêm, tầng quan trọng nhất cho liên lạc xuyên lục địa/tầm xa, phản xạ mạnh sóng HF).
d) Chia ranh giới cho du hành không gian vũ trụ
- Đường Kármán (ranh giới không gian): Độ cao 100 km so với mực nước biển. Đây là ranh giới quốc tế được Liên đoàn Hàng không Quốc tế (FAI) công nhận là nơi bắt đầu của “không gian". Ở độ cao này, khí quyển đã mỏng đến mức máy bay không thể bay bằng lực nâng khí động học thông thường nữa. Muốn bay cao hơn phải dùng tên lửa. Mọi thứ bay cao hơn 100 km được coi là đã “lên không gian”. Người nào vượt qua độ cao này được gọi là "phi hành gia".
Quỹ đạo thấp Trái Đất (Low Earth Orbit – LEO): Trạm vũ trụ quốc tế ISS, kính viễn vọng Hubble, hầu hết các vệ tinh quan sát Trái Đất, các vệ tinh của Starlink.
Thời gian quay một vòng quanh Trái Đất: khoảng 90 – 120 phút.
- Quỹ đạo trung bình (Medium Earth Orbit – MEO): Hệ thống định vị GPS, Galileo, Glonass (khoảng 20.000 km).
Độ cao: khoảng 2.000 km – 35.786 km
Ít bị khí quyển ảnh hưởng hơn LEO, nhưng bức xạ cao hơn (đặc biệt khi đi qua vành đai Van Allen)
- Quỹ đạo địa tĩnh (Geostationary Orbit – GEO): Vệ tinh truyền hình.
Vệ tinh quay quanh Trái Đất đúng 24 giờ, cùng chiều và cùng tốc độ góc với Trái Đất. Nếu nhìn từ mặt đất, vệ tinh đứng yên trên một điểm cố định ở xích đạo. Nhờ đó, anten mặt đất không cần quay theo, rất phù hợp cho truyền hình, thông tin liên lạc, thời tiết. Nhưng do ở xa, tín hiệu yếu hơn, độ trễ cao (khoảng 0,25 giây một chiều). Chỉ phủ được khoảng 1/3 Trái Đất, và không phủ tốt vùng cực.
- Quỹ đạo địa đồng bộ (Geosynchronous):
Có thể nghiêng, nên vệ tinh sẽ dao động theo hình số 8 khi nhìn từ mặt đất.
- Không gian cận Mặt Trăng (Cislunar Space): là vùng từ quỹ đạo Trái Đất ra đến quỹ đạo Mặt Trăng và xung quanh. Đây là khu vực chính của các chương trình liên quan Mặt Trăng, nổi bật nhất là sứ mệnh Artemis.
L2 (phía sau Mặt Trăng): Được xem xét cho các trạm không gian tương lai (như Lunar Gateway của chương trình Artemis).
L1, L2, L3 vốn không ổn định hoàn toàn. Nếu bị lệch, tàu sẽ trôi dần đi, nên vẫn cần điều chỉnh quỹ đạo định kỳ.
L4 và L5 ổn định hơn nhưng ở khá xa.
- Điểm Lagrange: là những vị trí đặc biệt trong hệ thống hai vật thể lớn (ví dụ Trái Đất – Mặt Trời hoặc Trái Đất – Mặt Trăng), nơi lực hấp dẫn của hai vật thể và lực ly tâm cân bằng nhau. Một vật thể nhỏ đặt đúng điểm này có thể “đứng yên” tương đối so với hai vật thể lớn mà gần như không tốn nhiên liệu. Có tất cả 5 điểm Lagrange, ký hiệu L1 đến L5. Cứ hiểu đây là "điểm đỗ xe" cho tàu vũ trụ.
- Không gian sâu (Deep Space): Thông thường được định nghĩa là không gian "xa hơn quỹ đạo Mặt Trăng". NASA và nhiều tổ chức coi “Deep Space” bắt đầu từ khoảng cách vượt quá ảnh hưởng hấp dẫn chính của cặp Trái Đất - Mặt Trăng. Các sứ mệnh đang làm việc ở đây: tàu Voyager 1 & 2 (đã ra ngoài Hệ Mặt Trời), tàu New Horizons (bay qua Sao Diêm Vương), các sứ mệnh đến Sao Hỏa, tiểu hành tinh, sao chổi…
- Không còn được từ trường Trái Đất bảo vệ tốt, bức xạ vũ trụ cao hơn rất nhiều.
- Liên lạc khó khăn, độ trễ tín hiệu lớn (phút đến hàng giờ).
- Nhiệt độ và môi trường khắc nghiệt hơn.
2. Đặc điểm của môi trường không gian
Môi trường không gian hoàn toàn khác với bất kỳ nơi nào trên Trái Đất. Nó cực kỳ khắc nghiệt và là một trong những thách thức lớn nhất khi chúng ta muốn bay vào vũ trụ. Dưới đây mình giải thích từng yếu tố một cách chi tiết.
(1) Chân không gần như tuyệt đối (Vacuum), không có áp suất khí quyển
Trong không gian, mật độ không khí cực kỳ thấp.
Ở độ cao khoảng 100 km (ranh giới Kármán), không khí đã rất mỏng.
Ở quỹ đạo thấp (LEO tầm 300–400 km), mật độ không khí chỉ còn khoảng 1/1.000.000.000 so với mặt đất.
Càng lên cao, chân không càng “tuyệt đối” hơn.
Hậu quả quan trọng:
- Sóng âm cần môi trường vật chất (như không khí) để truyền đi. Không gian không có không khí nên không thể truyền âm thanh. Do đó trong không gian hoàn toàn im lặng.
- Không có truyền nhiệt bằng đối lưu (convection). Nhiệt chỉ truyền bằng bức xạ (radiation) hoặc tiếp xúc trực tiếp.
- Chất lỏng sẽ sôi ở nhiệt độ rất thấp nếu không được giữ áp suất. Chênh lệch áp suất cực lớn. Bên trong tàu vũ trụ phải duy trì áp suất nhân tạo để con người hô hấp. Sự chênh lệch áp suất giữa trong và ngoài đòi hỏi vỏ tàu phải có cấu trúc cực kỳ vững chắc, kín tuyệt đối để tránh nổ hoặc rò rỉ khí.
- Con người và thiết bị phải được đặt trong môi trường kín, có áp suất. Nếu phi hành gia ở ngoài mà không có bộ đồ du hành tạo áp suất, các chất lỏng trên bề mặt cơ thể như nước bọt, nước mắt sẽ sôi hoặc bay hơi nhanh do áp suất bằng không. Con người sẽ bất tỉnh rất nhanh do thiếu oxy.
- Không có oxy trong không gian để đốt nhiên liệu. Động cơ tên lửa bắt buộc phải mang theo cả nhiên liệu và chất oxy hóa riêng biệt. Khi đã đạt quỹ đạo, tàu vũ trụ không bị cản trở bởi không khí nên có thể bay liên tục mà không tốn nhiên liệu duy trì tốc độ. Tuy nhiên, điều này cũng làm việc giảm tốc, đổi hướng hay hạ cánh trở nên khó khăn, đòi hỏi phải dùng động cơ ngược hoặc dựa vào khí quyển khi trở về Trái Đất.
(2) Nhiệt độ cực đoan
Không gian không có “nhiệt độ không khí” theo cách chúng ta hiểu. Nhiệt độ phụ thuộc vào việc vật thể có bị chiếu sáng bởi Mặt Trời hay không.
- Phía được Mặt Trời chiếu: có thể nóng tới +120°C đến +150°C (thậm chí cao hơn).
- Phía tối (không có ánh sáng Mặt Trời): có thể lạnh tới –150°C đến –180°C, thậm chí thấp hơn.
Trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS), nếu không có hệ thống điều khiển nhiệt, một phía sẽ rất nóng trong khi phía còn lại đóng băng.
Tàu vũ trụ phải dùng:
- Lớp phủ phản xạ (multi-layer insulation – MLI)
- Bộ tản nhiệt (radiators)
- Hệ thống ống dẫn nhiệt và máy bơm chất lỏng để cân bằng nhiệt.
(3) Bức xạ vũ trụ (Space Radiation)
Đây là một trong những mối nguy hiểm lớn nhất với con người và thiết bị điện tử.
Có 3 nguồn chính:
a) Gió Mặt Trời (Solar Wind)
Là dòng hạt tích điện (chủ yếu proton và electron) liên tục phun ra từ Mặt Trời. Khi Mặt Trời hoạt động mạnh (bão Mặt Trời), cường độ tăng đột biến.
b) Bức xạ vũ trụ gốc galactic (Galactic Cosmic Rays – GCR)
Là các hạt năng lượng cực cao đến từ ngoài Hệ Mặt Trời (siêu tân tinh, lỗ đen…). Rất khó chắn vì chúng có năng lượng lớn.
c) Vành đai bức xạ Van Allen
Vành đai trong: độ cao 1.000-12.000 km, chứa các hạt proton năng lượng cao. Do hạt nặng và năng lượng lớn, nên gây nguy hiểm cao.
- Gây hại cho phi hành gia (tăng nguy cơ ung thư, ảnh hưởng hệ thần kinh).
- Làm hỏng thiết bị điện tử, pin mặt trời và cảm biến.
- Tàu vũ trụ khi bay lên quỹ đạo cao hoặc đi ra Mặt Trăng thường phải bay nhanh qua vành đai để giảm thời gian tiếp xúc.
(4) Vi trọng lực (Microgravity)
Trong quỹ đạo, tàu vũ trụ và mọi thứ bên trong đều rơi tự do liên tục quanh Trái Đất, tạo cảm giác “không trọng lượng”. Thực ra vẫn có lực hấp dẫn (khoảng 90% so với mặt đất ở độ cao ISS), nhưng vì đang rơi cùng gia tốc nên cảm giác như không có trọng lực.
Sơ đồ thao tác bay theo quỹ đạo parabol và lịch trình lấy mẫu vật liệu sinh học (chữ và mũi tên màu đỏ). Từ chuyến bay bình thường với gia tốc 1g, máy bay tăng tốc và sau đó bay lên cao đột ngột, tạo ra gia tốc 1,8g trong khoảng 20 giây. Sau đó, động cơ máy bay gần như dừng lại, tạo ra trạng thái vi trọng lực, trong trường hợp này là 0g trong khoảng 22 giây. Để bám theo hình dạng parabol, máy bay phải thực hiện các chuyển động điều khiển độ cao như chỉ dẫn. Để kết thúc giai đoạn 0g, máy bay được kéo lên, tạo ra trạng thái siêu trọng lực 1,8g cho đến khi máy bay bay bình thường trở lại, thiết lập lại gia tốc 1g. Chu kỳ này được lặp lại 15 lần. (Researchgate)
Ảnh hưởng đến con người:
- Cơ bắp và xương bị teo nếu không tập luyện.
- Chất lỏng trong cơ thể dồn lên phần trên (mặt sưng, chân nhỏ).
- Hệ thống tiền đình bị rối loạn - còn gọi là chứng say vũ trụ (space sickness).
- Tim và hệ tuần hoàn thay đổi.
Ảnh hưởng đến thiết bị:
- Chất lỏng và khí không tách lớp như trên Trái Đất.
- Lửa cháy theo hình cầu.
- Bụi và mảnh vụn bay lơ lửng khắp nơi.
(5) Bụi vũ trụ và rác không gian (Micrometeoroids & Orbital Debris)
- Micrometeoroid: các hạt bụi và mảnh đá nhỏ từ không gian (tốc độ có thể lên tới 20–70 km/s).
- Rác vũ trụ: mảnh vỡ từ tên lửa, vệ tinh cũ, ốc vít… do con người tạo ra.
Dù rất nhỏ, nhưng với tốc độ cao, chúng có thể xuyên thủng tàu vũ trụ.
ISS được thiết kế với lớp khiên bảo vệ (Whipple shield) để chống lại các hạt nhỏ.
(6) Oxy nguyên tử (Atomic Oxygen) – Đặc biệt ở quỹ đạo thấp
Ở độ cao LEO, bức xạ cực tím của Mặt Trời tách phân tử oxy (O₂) thành oxy nguyên tử (O).
Oxy nguyên tử phản ứng rất mạnh, có thể “ăn mòn” dần các vật liệu trên bề mặt tàu vũ trụ (đặc biệt là một số loại sơn và polymer).
(7) Plasma
Plasma trong không gian là trạng thái vật chất thứ tư (bên cạnh rắn, lỏng, khí), gồm một hỗn hợp khí bị ion hóa mạnh mẽ gồm các ion mang điện dương và các electron tự do mang điện âm. Đây là dạng vật chất phổ biến nhất, chiếm tới hơn 99% khối lượng nhìn thấy được trong vũ trụ, tạo nên các cấu trúc như Mặt Trời, các ngôi sao, tầng điện ly, và môi trường giữa các vì sao.
Plasma là môi trường diễn ra các phản ứng tổng hợp hạt nhân cung cấp năng lượng cho Mặt Trời và các vì sao, tạo ra ánh sáng và nhiệt lượng cần thiết cho sự sống. Khi gió mặt trời (dòng plasma phóng ra từ Mặt Trời) tương tác với từ trường Trái Đất, nó tạo ra các dải sáng cực quang (aurora) tuyệt đẹp ở hai bán cầu.
Nghiên cứu plasma giúp con người hiểu rõ hơn về tiến hóa của các thiên hà, hố đen, và phát triển công nghệ năng lượng sạch như lò phản ứng nhiệt hạch.
Nhưng chúng cũng mang tới nhiều nguy cơ lớn.
Các vụ phun trào nhật hoa lớn (CME) phóng những khối plasma tốc độ cao vào không gian. Khi chạm vào từ quyển Trái Đất, chúng gây ra bão địa từ.
Bão plasma có thể làm hỏng linh kiện điện tử của vệ tinh nhân tạo trên quỹ đạo, phá hỏng hệ thống định vị GPS, tín hiệu vô tuyến, và gây quá tải hoặc sập lưới điện mặt đất.
Plasma năng lượng cao mang theo các hạt phóng xạ nguy hiểm, đe dọa sức khỏe của phi hành gia khi thực hiện nhiệm vụ ngoài không gian sâu hoặc khi không có lá chắn từ trường bảo vệ đủ mạnh.
(8) Từ trường
Từ trường của Trái Đất hoạt động giống như một thanh nam châm khổng lồ nghiêng khoảng 11,3° so với trục quay của hành tinh. Nó được tạo ra bởi hiệu ứng "động cơ điện tự nhiên" nằm ở vùng lõi ngoài của Trái Đất (cách bề mặt khoảng 2.900 km đến 5.100 km). Lõi ngoài chứa sắt và niken ở trạng thái lỏng đang chuyển động đối lưu kết hợp với lực Coriolis do Trái Đất tự quay, tạo ra các dòng điện mạnh và sinh ra từ trường.
Cường độ trên bề mặt dao động từ 25 đến 65 microtesla (μT), mạnh nhất ở hai vùng cực và yếu nhất ở vùng xích đạo. Cực Bắc địa lý thực chất lại là cực Nam từ trường và ngược lại. Từ trường không chỉ giới hạn trên mặt đất mà mở rộng ra không gian bao quanh hành tinh, tạo thành một vùng gọi là từ quyển.
Phạm vi của từ quyển rất rộng. Phía hướng về Mặt Trời kéo dài khoảng hàng chục nghìn kilomet (từ 10.000 đến 65.000 km) ngoài khí quyển. Phía đối diện Mặt Trời (đuôi từ trường) bị gió Mặt Trời thổi dạt đi và có thể kéo dài tới hàng triệu kilomet trong không gian.
Từ quyển hoạt động như một "chiếc khiên vô hình" bảo vệ sự sống trên Trái Đất bằng cách làm chệch hướng các hạt mang điện năng lượng cao từ gió Mặt Trời và bức xạ vũ trụ. Nhưng càng ra xa thì từ trường càng yếu.
Môi trường không gian không “thù địch” theo nghĩa nó muốn hại chúng ta, nhưng nó hoàn toàn không phù hợp với sự sống và công nghệ của con người. Mọi tàu vũ trụ và bộ đồ phi hành gia đều là những “bong bóng sự sống” nhỏ bé được thiết kế để chống lại môi trường này.
======
Các bạn tham khảo chi tiết tài liệu gốc hoàn toàn miễn phí của NASA, ESA, SpaceX... (Dùng web hay Youtube đều xài được tính năng Google dịch tự động sang tiếng Việt rất xịn, một số tài liệu cũng đã có sẵn bản tiếng Việt)
- Kênh Youtube của NASA: https://www.youtube.com/user/NASAtelevision
- Kênh Youtube của ESA: https://www.youtube.com/@EuropeanSpaceAgency
- Kênh Youtube của SpaceX: https://www.youtube.com/@SpaceX
- Kênh Youtube siêu dễ hiểu cho người chưa biết gì - số 1 thế giới hiện nay về vũ trụ Kurzgesagt - In a Nutshell: https://www.youtube.com/user/Kurzgesagt
Nhận xét
Đăng nhận xét