Từ lâu con người đã tìm cách vô vọng khám phá bí ẩn trong lòng hành tinh. Khoa học đã dần dần hé lộ bức màn này.
“Không ai biết chắc chắn điều gì xảy ra bên trong hành tinh” – câu nói của nhân vật Otto Lidenbrock trong quyển Du hành vào tâm trái đất của Jules Verne cách đây hơn một thế kỷ rưỡi dường như luôn luôn đúng. Thật khó tin… Trong khi đã đặt chân lên mặt trăng và sắp sửa chinh phục sao Hỏa, con người vẫn không thể khám phá lòng của hành tinh nhỏ bé đang mang con người. Mơ ước êm đềm của nhà văn Pháp đó vẫn còn thuộc về giả tưởng do thiếu phương tiện kỹ thuật.
Ý tưởng đơn giản là đào đất, từ lâu vẫn là giải pháp duy nhất. Nhiều nhà khoa học thực hiện những cuộc đào khám phá: họ đo lường nhiệt độ và áp suất dưới lòng đất và nhất là lấy lên những mẩu đất sau đó phân tích trong phòng thí nghiệm.
Ngoài các sứ mệnh hiện đang được thực hiện tại Nhật dưới đại dương nhờ chiếc tàu chuyên dụng “Chikyu”, cái lỗ sâu nhất do các nhà khoa học Nga đào trong vùng lãnh nguyên gần Mourmansk đã đạt đến 12,3km vào năm 1989. Đó là một kỷ lục khiến người ta mơ tưởng: 19 năm lao động để khám phá khoảng… 0,2% cấu trúc bên trong của trái đất mà đường kính là 6.371km.
“Những công trình đào vẫn còn chưa đủ. Chưa đến một nửa bề dày của vỏ trái đất, lớp địa chất bên trên khởi sự dưới chân chúng ta và xuống sâu 35km” – Henri- Claude Nataf, giám đốc nghiên cứu ở Viện Khoa học Trái đất (Đại học Grenoble). Nếu trái đất là một quả táo, lớp vỏ của nó tượng trưng đúng sự mỏng của lớp vỏ trái đất. Và dưới đại dương, lớp vỏ này bị ép và càng mỏng hơn.
Nhưng khó khăn kỹ thuật không phải là sự cản trở duy nhất. “Lợi ích của những công trình đào khai thác đó tỏ ra hạn chế vì nhiều lý do khác. Một giả thuyết được nêu ra cách đây 50 năm đã làm thay đổi sự tiếp cận vấn đề. Nó giải thích rằng lớp vỏ nằm trên một lớp thấp hơn, lớp áo, tạo thành cùng với phần trên là lớp vỏ. Nó cứng và được cấu thành bởi 12 mảng chính to bằng các lục địa” – Henri- Claude Nataf thừa nhận.
Ở biên giới của chúng, những sự cọ sát và chồng chất làm xuất hiện các cơn địa chấn, núi lửa hay núi non. “Nguyên tắc kiến tạo các mảng đó đã làm cách mạng sự thấu hiểu của chúng ta” – Yann Klinger, điều hành một nhóm nghiên cứu về vấn đề này tại Viện Vật lý Trái đất Paris (IPGP) của Đại học Paris-Diderot, giải thích.
- Xem thêm: Trái đất sẽ ra sao vào năm 2120?
Tất cả những sự chuyển động đó là kết quả của một cơ chế mạnh mẽ bên trong hành tinh : sự đối lưu nhiệt. Để dể hiễu, chỉ cần một sự thí dụ: đun nóng một nồi nước nhưng chưa sôi, lấy nồi ra khỏi lửa rồi bỏ vào một nút chai. Nó sẽ trôi ra bên ngoài, bị đẩy bởi một dòng tròn: nước nóng trồi lên ở giữa, nguội đi rồi đi ra bên ngoài.
Cái nút chai là hình tượng của tác động kiến tạo, chất lỏng và cái nồi tượng trưng cho ruột của trái đất. “Động cơ đó là tấm thảm lăn trong lớp áo, trên đó lớp vỏ được tạo ra rồi bị đưa đi” – Yann Klinger đơn giản hóa mô hình. Kết quả là ở một số nơi, các chất liệu dưới sâu trồi lên bề mặt. Giống như tại Oman nơi có những lớp khoáng ophiolite ở bề mặt từ lớp áo và có tuổi hơn 90 triệu năm.
Do không thường xuyên khám phá ra những khoa báu đó và không thể đi sâu xuống các vực nên những nhà khoa học đã phát triển nhiều môn học quan sát gián tiếp. Trước tiên là môn địa chấn học nghiên cứu sự lan truyền của các sóng địa chấn vì tốc độ lan truyền thay đổi tùy theo vật chất và nhiệt độ mà chúng đi qua. “Phương pháp này giúp chúng tôi “nhìn” bên trong trái đất” – nhà địa chấn học và địa vật lý Barbara Romanowicz ở Đại học Berkeley giải thích. Một lĩnh vực khác đã phát triển: ngành vật lý các chất liệu. Ngành này dùng để hiểu cấu tạo của đất đá lân cận lớp áo vốn nặng khoảng 2/3 khối lượng trái đất. Với nhệt độ 5000C dưới lớp vỏ, nhiệt độ lên đến 4.0000C ở dưới đáy lớp áo dưới độ sâu 2.900km. Tại đấy áp suất cao hơn áp suất của khí quyển 1,4 triệu lần.
Trong khi xuống sâu, các khoáng chất thành phần chủ yếu là khoáng olivine xuất hiện dưới những dạng tinh thể khác nhau và tỉ trọng tăng lên. Giống như carbon, có thể đi từ than thành kim cương. Đôi khi có thể gây cho các nhà địa chất những khám phá đáng ngạc nhiên. Vào năm 2014, 1 viên kim cương đã được đào lên tại Brazil, có lẽ được đưa lên bởi một vụ phún xuất từ xa xưa. Nó quý hơn những viên khác vì chứa một trong các loại olivine: đó là khoáng ringwoodite.
Khoáng này không có trong tự nhiên bởi vì chỉ nằm ở độ sâu từ 400km đến 600km. Phân tich nó thật lạ lùng: loại khoáng này bắt chước như bọt biển : nó có thể chứa nước đến 2% trọng lượng. “Từ đó các công trình nghiên cứu dự đoán khả năng một thể tích nước bị giam như thế, chiếm đến 2 lần tất cả các đại dương” – Barbara Romanowicz ước đoán.
Xuống sâu hơn, dưới lớp áo rắn chắc, có một nơi mà vật chất chỉ ở dạng lỏng. Ở tâm trái đất là 2/3 khối lượng: một cái nhân bán kính 3.470km, lớn như sao Hỏa. Nó gồm 2 phần: một lớp ngoài lỏng (nhân ngoài), bên trong là hạt nhân rắn nhỏ hơn 3 lần. Các mô hình số hóa cho thấy thành phần của nó chủ yếu là 80% sắt, cũng có nickel. Những sự mô phòng mới cho thấy nhiệt độ ở đấy đạt đến tối đa khoảng 5.5000C, bằng bề mặt mặt trời!
Bất chấp các dữ liệu, các chuyên gia thừa nhận còn lâu mới hiểu hết hoạt động của guồng máy địa ngục đó. Có 1 điều chắc chắn: hạt nhân giữ vai trò hàng đầu. Cực nóng nhưng nguội lại rất chậm. Dưới áp suất khổng lồ, nó hóa rắn dần dần lớp sắt nóng chảy bao quanh. “Nói cách khác, cái hạt lớn dần trong nhân” – Henri-Claude Nataf tóm tắt. Tiến trình tinh thể hóa đó đẩy các chất bẩn kim loại nhẹ hơn lên lớp áo. Lưu chất đó kéo theo một sự đối lưu mới, tạo ra và duy trì từ trường trái đất như một dynamo khổng lồ. Lớp chắn vô hình đó làm lệch bức xạ ion hóa của Mặt trời và bảo vệ mọi dạng sống trên Trái đất.
- Xem thêm: Trong nửa kỳ quái của trái đất
Để thoán nhìn qua các hoạt động phức tạp đó, những phòng thí nghiệm lao vào sự bé vi ti. Một số thí nghiệm dùng các máy ép đặc biệt với đe là kim cương – chất liệu cứng nhất được biết – mô phỏng trên những thề tích cực nhỏ một áp suất gần giống như ở nhân trái đất. Chung quanh là hàng chục máy laser chiếu chéo nhau để tạo ra nhiệt độ cực lớn. Với các máy này, IPGP đã vẽ ra những thời điểm đầu tiên của trường từ trái đất.
Khởi thủy của trái đất và cấu trúc của nó khiến các nhà nghiên cứu quan tâm. Nhưng thường khi giải đáp cho các tò mò của họ lại… nằm ở chỗ khác. “Những chất thải của sự hình thành hành tinh cách đây 4,5 ti năm khi nhiều mảnh vụn đá đi lang thang trong không gian, giờ đây nằm trong các tiểu hành tinh di chuyển giữa sao Hỏa và sao Thổ” – nhà hóa học vũ trụ Frédéric Moynier ở IPGP mô tả.
Chỉ cần thu lượm những thứ đi đến chúng ta – dưới dạng thiên thạch – để có một ý niệm về thành phần hóa học nguyên thủy của hành tinh. Trừ phi mở ra các sứ mệnh như các cơ sở không gian Nhật, châu Âu và Mỹ đã làm để đến các tiểu hành tinh nhằm thu gom các mẫu vật.
Vẫn còn khác biệt với những hành tinh láng giềng khiến các chuyên gia thắc mắc. “Trong không gian chúng ta không quan sát được sự kiến tạo các mảng tương tự” – Barbara Romanowicz ngạc nhiên. Được NASA phóng lên vào tháng 5 vừa qua, tàu thăm dò InSight sẽ hạ cánh xuống sao Hỏa ngày 26-11 mang theo một máy dò địa chấn do Pháp chế tạo. Vén màn trên hoạt động bên trong của hành tinh chị em với trái đất hẳn sẽ giúp soi sáng số mệnh của chính chúng ta.
Có thể dự báo địa chấn không?
Đối với Yann Klinger ở Viện IPGP, câu trả lời là không. “Chúng ta chỉ có 60 năm ghi nhận địa chấn, đó là xem xét quá ít để lập ra một giả thuyết”. Phương pháp thống kê về xác suất, “đã thích đáng” tại các khu vực có nguy cơ, như vết nứt San Andreas ở California, vẫn là cách tiếp cận duy nhất đáng giá trị hiện nay.
Tuy nhiên việc nghiên cứu vẫn tiến triển. Từ năm 2001, một hiện tượng “địa chấn chậm” đã được phát hiện, trải dài nhiều ngày, thậm chí nhiều tuần, nhất là trong dải Cascades ở Canada. Tuy nhiên con người không thể nhận ra được.
