Vũ Nguyễn
Writer
Bạn có thể đã nghe thấy rằng thành phần của vũ trụ chủ yếu là vật chất tối và năng lượng tối, không có vật chất nào trong số đó được phát hiện trên Trái đất. Ngay cả vật chất baryon mà đôi khi chúng ta gọi là "vũ trụ quan sát được" cũng có ba phần tư là hydro và 23% heli, theo khối lượng, và thậm chí còn ít hơn nếu bạn đếm các nguyên tử. Đó là một vật chất rất khác trên Trái đất, nơi heli nằm trong số các nguyên tố hiếm nhất, và hydro chỉ chiếm một phần nhỏ của 1% lớp vỏ và ít hơn nhiều so với toàn bộ Trái đất.
Trên quy mô vũ trụ, hydro dồi dào chủ yếu là do phần lớn nó được tạo ra trong Vụ nổ lớn. Trong những khoảnh khắc đầu tiên sau khi vũ trụ ra đời, vũ trụ là một mớ hỗn độn của các quark và gluon. Khi mọi thứ ổn định, hầu hết vật chất quan sát được bao gồm các electron, proton và neutron, cùng với một số hạt hạ nguyên tử kỳ lạ hơn. Các electron và proton thường tìm thấy nhau để tạo thành hydro. Một lượng nhỏ heli và thậm chí ít lithium hơn cũng được tạo ra.
Phần lớn lithium nguyên thủy đó đã bị phá hủy trong các ngôi sao, nhưng chính những ngôi sao đó đã hợp nhất hydro để trở thành heli và sau đó, thành phần còn lại của bảng tuần hoàn. Tuy nhiên, nếu bạn nhìn vào vũ trụ như một cỗ máy chuyển đổi hydro thành các nguyên tố khác, thì nó vẫn còn trẻ, với hầu hết hành trình của nó vẫn còn ở phía trước.
Tuy nhiên, chỉ nhìn vào Trái Đất, công việc đó có vẻ gần như đã hoàn tất. Đại dương của chúng ta gồm hai phần hydro và một phần oxy (với natri, clo và các nguyên tố tạo muối khác). Một số cũng bị ràng buộc trong đá hoặc gắn vào các phân tử carbon dưới dạng mêtan trong khí quyển. Tuy nhiên, xét theo tỷ lệ các nguyên tử trong toàn bộ hành tinh, không có nhiều hydro.
Tuy nhiên, lượng heli ít hơn nhiều; ít đến mức không ai để ý cho đến khi các vạch quang phổ của nó được phát hiện trong một lần nhật thực.
Giống như tất cả các hành tinh, Trái Đất được hình thành từ một đĩa tiền hành tinh. Đĩa này được tạo thành từ hydro và heli từ Vụ nổ lớn, cùng với một ít các nguyên tố nặng hơn hợp nhất trong các thế hệ sao trước đó và lan rộng khắp thiên hà trong các vụ nổ siêu tân tinh và kilonova.
Mặt trời và các hành tinh khí khổng lồ của Hệ Mặt trời bên ngoài có thành phần gần như phản ánh điều này, mặc dù tất nhiên phần lớn hydro ban đầu của Mặt trời hiện là heli. Trái đất và các hành tinh bên trong khác hoàn toàn khác.
Thêm vào đó, Trái Đất gần Mặt Trời hơn nhiều so với các hành tinh khí khổng lồ. Các khí nóng lên nhiều hơn, cung cấp cho chúng năng lượng làm tăng khả năng thoát ra.
Heli đặc biệt hiếm vì là một loại khí hiếm, nó hầu như không bao giờ kết hợp với bất kỳ nguyên tử nào khác có thể buộc nó đủ chặt để ngăn không cho thoát ra. Hầu hết các nhà khoa học hành tinh đều nghi ngờ bất kỳ heli ban đầu nào từ đĩa hành tinh còn tồn tại trên Trái đất, mặc dù một cơ chế đã được đề xuất có thể giải thích một chú. Heli mà chúng ta có phần lớn là kết quả của sự phân rã phóng xạ của các nguyên tố nặng hơn. Một dạng phân rã phổ biến liên quan đến việc tạo ra các hạt alpha, có hai proton và hai neutron giống với hạt nhân của nguyên tử heli-4. Sau khi được giải phóng, các hạt alpha có thể bắt các electron từ môi trường để trở thành heli.
Nếu được giải phóng gần bề mặt, nguyên tử heli có khả năng đi vào khí quyển, rồi vào không gian. Tuy nhiên, heli được tạo ra từ phóng xạ sâu dưới lòng đất có thể bị mắc kẹt trong các khoang rỗng bên trong Trái Đất.
Mặc dù thường được liên tưởng đến bóng bay tiệc tùng, heli có nhiều ứng dụng quan trọng hơn như làm mát thiết bị khoa học và máy MRI xuống nhiệt độ quá lạnh đối với các giải pháp thay thế như nitơ lỏng. Các kho dự trữ của chúng tôi phụ thuộc vào việc khoan vào các không gian cổ đại nơi heli đã tích tụ trong hàng triệu năm. Các không gian tương tự cũng thường chứa các loại khí khác với số lượng lớn hơn nhiều và hầu hết các kho dự trữ heli được thu thập như một sản phẩm phụ trong quá trình khoan tìm mêtan. Tuy nhiên, khi thế giới quay lưng lại với nhiên liệu hóa thạch, các nguồn heli có nồng độ cao hơn có thể trở thành ưu tiên.
Hydro có nhiều trên Trái Đất hơn heli vì nó liên kết dễ dàng với các nguyên tố như oxy. Một phân tử hơi nước nặng gấp chín lần một phân tử H2, khiến nó ít có khả năng thoát ra hơn. Tuy nhiên, hầu hết hydro trong các hành tinh nhỏ kết hợp để tạo thành Trái Đất được cho là đã thoát ra từ lâu, đặc biệt là khi các vụ va chạm biến bề mặt hành tinh thành biển magma.
Có một cuộc tranh luận kéo dài về việc liệu nước của Trái đất có bao gồm hydro từ quá trình hình thành hành tinh tồn tại sâu trong lớp phủ hay không, hay Trái đất đã cạn kiệt tại một thời điểm nào đó, trước khi được làm mới bằng hydro trong sao chổi và tiểu hành tinh. Tuy nhiên, bất kể bên nào đúng, Trái đất vẫn may mắn khi có nhiều hydro như vậy. Mặt trăng và các hành tinh bên trong khác có ít hơn nhiều, đã mất hầu hết thông qua các quá trình tương tự như trên Trái đất, nhưng với lực hấp dẫn thậm chí còn nhỏ hơn để ngăn chặn sự thoát ra.
Nơi chúng ta bắt đầu
Trên quy mô vũ trụ, hydro dồi dào chủ yếu là do phần lớn nó được tạo ra trong Vụ nổ lớn. Trong những khoảnh khắc đầu tiên sau khi vũ trụ ra đời, vũ trụ là một mớ hỗn độn của các quark và gluon. Khi mọi thứ ổn định, hầu hết vật chất quan sát được bao gồm các electron, proton và neutron, cùng với một số hạt hạ nguyên tử kỳ lạ hơn. Các electron và proton thường tìm thấy nhau để tạo thành hydro. Một lượng nhỏ heli và thậm chí ít lithium hơn cũng được tạo ra.
Phần lớn lithium nguyên thủy đó đã bị phá hủy trong các ngôi sao, nhưng chính những ngôi sao đó đã hợp nhất hydro để trở thành heli và sau đó, thành phần còn lại của bảng tuần hoàn. Tuy nhiên, nếu bạn nhìn vào vũ trụ như một cỗ máy chuyển đổi hydro thành các nguyên tố khác, thì nó vẫn còn trẻ, với hầu hết hành trình của nó vẫn còn ở phía trước.
Tuy nhiên, chỉ nhìn vào Trái Đất, công việc đó có vẻ gần như đã hoàn tất. Đại dương của chúng ta gồm hai phần hydro và một phần oxy (với natri, clo và các nguyên tố tạo muối khác). Một số cũng bị ràng buộc trong đá hoặc gắn vào các phân tử carbon dưới dạng mêtan trong khí quyển. Tuy nhiên, xét theo tỷ lệ các nguyên tử trong toàn bộ hành tinh, không có nhiều hydro.
Tuy nhiên, lượng heli ít hơn nhiều; ít đến mức không ai để ý cho đến khi các vạch quang phổ của nó được phát hiện trong một lần nhật thực.
Giống như tất cả các hành tinh, Trái Đất được hình thành từ một đĩa tiền hành tinh. Đĩa này được tạo thành từ hydro và heli từ Vụ nổ lớn, cùng với một ít các nguyên tố nặng hơn hợp nhất trong các thế hệ sao trước đó và lan rộng khắp thiên hà trong các vụ nổ siêu tân tinh và kilonova.
Mặt trời và các hành tinh khí khổng lồ của Hệ Mặt trời bên ngoài có thành phần gần như phản ánh điều này, mặc dù tất nhiên phần lớn hydro ban đầu của Mặt trời hiện là heli. Trái đất và các hành tinh bên trong khác hoàn toàn khác.
Vậy những nguyên tố này đã biến đi đâu?
Bên cạnh sự phong phú trong vũ trụ, điểm chung của hydro và heli là chúng đều là khí rất nhẹ. Điều đó có nghĩa là chúng có thể dễ dàng thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất. Một hành tinh lớn hơn, chẳng hạn như Sao Mộc, đã giữ được nhiều hơn mỗi loại nhờ có lực hấp dẫn lớn hơn nhiều; Trái Đất đơn giản là không đủ lớn.Thêm vào đó, Trái Đất gần Mặt Trời hơn nhiều so với các hành tinh khí khổng lồ. Các khí nóng lên nhiều hơn, cung cấp cho chúng năng lượng làm tăng khả năng thoát ra.
Heli đặc biệt hiếm vì là một loại khí hiếm, nó hầu như không bao giờ kết hợp với bất kỳ nguyên tử nào khác có thể buộc nó đủ chặt để ngăn không cho thoát ra. Hầu hết các nhà khoa học hành tinh đều nghi ngờ bất kỳ heli ban đầu nào từ đĩa hành tinh còn tồn tại trên Trái đất, mặc dù một cơ chế đã được đề xuất có thể giải thích một chú. Heli mà chúng ta có phần lớn là kết quả của sự phân rã phóng xạ của các nguyên tố nặng hơn. Một dạng phân rã phổ biến liên quan đến việc tạo ra các hạt alpha, có hai proton và hai neutron giống với hạt nhân của nguyên tử heli-4. Sau khi được giải phóng, các hạt alpha có thể bắt các electron từ môi trường để trở thành heli.
Nếu được giải phóng gần bề mặt, nguyên tử heli có khả năng đi vào khí quyển, rồi vào không gian. Tuy nhiên, heli được tạo ra từ phóng xạ sâu dưới lòng đất có thể bị mắc kẹt trong các khoang rỗng bên trong Trái Đất.
Mặc dù thường được liên tưởng đến bóng bay tiệc tùng, heli có nhiều ứng dụng quan trọng hơn như làm mát thiết bị khoa học và máy MRI xuống nhiệt độ quá lạnh đối với các giải pháp thay thế như nitơ lỏng. Các kho dự trữ của chúng tôi phụ thuộc vào việc khoan vào các không gian cổ đại nơi heli đã tích tụ trong hàng triệu năm. Các không gian tương tự cũng thường chứa các loại khí khác với số lượng lớn hơn nhiều và hầu hết các kho dự trữ heli được thu thập như một sản phẩm phụ trong quá trình khoan tìm mêtan. Tuy nhiên, khi thế giới quay lưng lại với nhiên liệu hóa thạch, các nguồn heli có nồng độ cao hơn có thể trở thành ưu tiên.
Hydro có nhiều trên Trái Đất hơn heli vì nó liên kết dễ dàng với các nguyên tố như oxy. Một phân tử hơi nước nặng gấp chín lần một phân tử H2, khiến nó ít có khả năng thoát ra hơn. Tuy nhiên, hầu hết hydro trong các hành tinh nhỏ kết hợp để tạo thành Trái Đất được cho là đã thoát ra từ lâu, đặc biệt là khi các vụ va chạm biến bề mặt hành tinh thành biển magma.
Có một cuộc tranh luận kéo dài về việc liệu nước của Trái đất có bao gồm hydro từ quá trình hình thành hành tinh tồn tại sâu trong lớp phủ hay không, hay Trái đất đã cạn kiệt tại một thời điểm nào đó, trước khi được làm mới bằng hydro trong sao chổi và tiểu hành tinh. Tuy nhiên, bất kể bên nào đúng, Trái đất vẫn may mắn khi có nhiều hydro như vậy. Mặt trăng và các hành tinh bên trong khác có ít hơn nhiều, đã mất hầu hết thông qua các quá trình tương tự như trên Trái đất, nhưng với lực hấp dẫn thậm chí còn nhỏ hơn để ngăn chặn sự thoát ra.
