Âm thanh bí ẩn trong tầng bình lưu Trái Đất

Thoạt nghe, tầng bình lưu của Trái Đất có vẻ êm đềm và tĩnh lặng. Nhưng khi các nhà nghiên cứu thả khí cầu chạy bằng năng lượng Mặt Trời lên độ cao khoảng 21.336 m, họ phát hiện ra một thế giới âm thanh ẩn giấu, bao gồm những tiếng động bí ẩn không rõ nguồn gốc.

Những tiếng ồn này là “hạ âm”, tai người không nghe thấy được - giống ánh sáng trong quang phổ hồng ngoại mà mắt người không nhìn thấy.

Khi được ghi lại bằng các dụng cụ chuyên dụng và tăng tốc lên vài nghìn lần, chúng nghe như những âm thanh nhiễu điện xì xào, bị bóp nghẹt, theo Washington Post.

Một số âm thanh do khí cầu thu được có nguồn gốc rõ ràng. Một số tiếng xì xào, tương tự tiếng thở dài nghe thấy khi áp chiếc vỏ sò vào tai - là âm thanh xa xa của sóng biển vỗ vào nhau.

Nhưng những tiếng lạo xạo không liên tục khác vẫn chưa có lời giải thích.

“Chúng tôi dành rất nhiều thời gian để tranh luận xem mọi thứ là gì”, Siddharth Krishnamoorthy, nhà công nghệ nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA ở Pasadena, California (Mỹ), cho biết.

Daniel Bowman, nhà khoa học chính tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia, người chế tạo và phóng khí cầu chạy bằng năng lượng Mặt Trời, chia sẻ: “Tôi đã làm việc này được khoảng 10 năm và thực tế có những âm thanh bí ẩn mà tôi không hiểu được khiến tôi phiền muộn”.

Khinh khí cầu chạy bằng năng lượng mặt trời mang theo nhiều thiết bị, bao gồm thiết bị theo dõi GPS và cảm biến "hạ âm" có thể tái sử dụng. Ảnh: Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia.

Chế tạo đơn giản

Những khinh khí cầu lơ lửng trong tầng bình lưu của Trái Đất hóa ra được tạo ra bởi công nghệ thấp một cách đáng ngạc nhiên.

Ông Bowman chế tạo khinh khí cầu chạy bằng năng lượng Mặt Trời bằng cách sử dụng vật liệu thông thường có ở cửa hàng kim khí: Các tấm nhựa của thợ sơn và băng dính chuyên cho việc vận chuyển, bên trong rắc bột than.

Để tránh nó bị nhầm là khinh khí cầu gián điệp hay gây nguy hiểm cho máy bay, ông đã thông báo cho Cục Hàng không Liên bang Mỹ về các thí nghiệm của mình.

Mặt Trời làm nóng không khí bên trong khí cầu, khiến cho mật độ đậm đặc của nó ít hơn so với không khí bên ngoài và bay đi.

Khinh khí cầu bay đến tầng bình lưu trước khi Mặt Trời lặn, khi sự thay đổi nhiệt độ khiến nó hạ bớt xuống.

Những khí cầu bay đến bất cứ nơi nào mà gió thổi chúng tới. Một khinh khí cầu từng bay suốt từ trung tâm New Mexico đến ngoại ô Houston.

Bowman ban đầu quan tâm đến việc sử dụng khí cầu để đo các vụ phun trào núi lửa ở những điểm không có sự giám sát chặt chẽ trên Trái Đất.

Một khí cầu bay lơ lửng phía trên khu vực núi lửa đang hoạt động có thể phát hiện sóng âm thanh do một vụ phun trào tạo ra và cảnh báo máy bay thay đổi đường bay.

Không chỉ vậy, khinh khí cầu gần đây đã được sử dụng làm máy theo dõi động đất từ trên bầu trời. Sóng địa chấn do động đất tạo ra di chuyển trong lòng đất, đồng thời tạo ra sóng âm thanh di chuyển trong không khí.

Các nhà địa vật lý Daniel Bowman và Sarah Albert trưng bày cảm biến siêu âm và chiếc hộp được sử dụng để bảo vệ nó khỏi nhiệt độ khắc nghiệt mà nó sẽ gặp phải khi bay. Ảnh: Randy Montoya.

Các nhà khoa học gần đây đã chứng minh có thể phát hiện một loạt trận động đất bằng phương pháp này.

Một mạng lưới khinh khí cầu có thể đo trận động đất lớn 7,3 độ từ khoảng cách khoảng 3.218 km. Nếu gần hơn, khinh khí cầu có thể phát hiện ra cả những trận động đất nhỏ hơn nhiều.

Việc chứng minh biện pháp đo này có thể hoạt động chính xác, trên một hành tinh mà các nhà khoa học hầu như hiểu rõ, sẽ cung cấp thông tin cho những phép đo ngoài Trái Đất trong tương lai.

Thách thức là “tìm ra cách thực hiện điều này trên Trái Đất, sau đó chúng tôi sẽ xuất nó lên Sao Kim”, ông Bowman nói.

Khinh khí cầu trên Sao Kim

Vào những năm 1980, các nhà khoa học Liên Xô đã phóng khinh khí cầu lên trên Sao Kim như một phần của sứ mệnh Vega 1 và 2. Các khí cầu, nhằm thực hiện đo khí quyển, đã thu thập và truyền dữ liệu trong khoảng 46 giờ.

Giờ đây, khi khoa học về âm học dựa trên khí cầu phát triển, các nhà nghiên cứu muốn quay trở lại phương pháp này.

Câu hỏi liệu có ngọn núi lửa nào hoạt động trên Sao Kim hay không đã trở thành trọng tâm trong nỗ lực tìm hiểu lý do mà mặc dù rất giống Trái đất, hành tinh này lại không phù hợp để sinh sống.

Hoạt động phần bên trong của hành tinh liên kết chặt chẽ với cách các điều kiện trên bề mặt chúng phát triển và ảnh hưởng tới bầu khí quyển.

Nhưng trên một hành tinh có bề mặt quá nóng và áp suất quá cao như Sao Kim, các thiết bị địa chấn trên mặt đất không thể thực hiện công việc lâu.

Trong khi đó, với bầu khí quyển ôn hòa hơn và áp suất dễ chịu hơn trên cao, một khinh khí cầu chạy bằng khí heli có thể lơ lửng đâu đó trên Sao Kim trong khoảng độ cao 48 km.

Và mật độ của bầu khí quyển hành tinh này cũng mang lại lợi thế cho các phép đo địa chấn trên không: Việc phát hiện sóng áp suất từ ​​những sự kiện địa chấn sẽ dễ dàng hơn.

Quang cảnh Trái Đất từ ​​độ cao hơn 20,9 km, được chụp từ một trong những khí cầu chạy bằng năng lượng mặt trời. Ảnh: Guide Star Engineering LLC.

Ông Krishnamoorthy nói rằng chẳng hạn, nếu một trận động đất mạnh 5 độ làm rung chuyển Sao Kim, thì tín hiệu khí quyển mà khí cầu thu được sẽ mạnh gấp khoảng 60 lần tín hiệu do một trận động đất tương đương trên Trái Đất tạo ra.

Điều đó đã dẫn đến sự cộng tác giữa ông Krishnamoorthy và ông Bowman trong một đề xuất về khinh khí cầu chạy bằng khí heli, có thể bay trong sứ mệnh Sao Kim vào tương lai theo lý thuyết.

Tuy nhiên, hiện tại, trọng tâm của họ là tìm hiểu Trái Đất, nơi nhiều luồng dữ liệu có thể giúp họ tìm ra ý nghĩa của tín hiệu.

Một số âm thanh do con người tạo ra và có thể dễ dàng loại trừ, như tiếng ầm ầm của tàu hỏa hoặc tuabin gió. Một số khác thì không.

“Chúng tôi đã học cách xác định âm thanh từ vụ nổ, va chạm thiên thạch, khí cụ bay, giông bão... Nhưng hầu như mỗi khi chúng tôi thả khí cầu lên, chúng tôi đều tìm thấy những âm thanh mà chúng tôi chưa thể xác định được”, ông Bowman nói.

Những lần khác, các nhà khoa học đã gửi khí cầu vào lúc xảy ra “sự kiện ồn ào" được dự đoán trước để xem thu được âm thanh như thế nào trong tầng bình lưu - chẳng hạn cố gắng bắt thời điểm sấm sét nếu dự báo có bão, hoặc phóng khinh khí cầu gần khu vực có nhiều vết rạn nứt để xem liệu họ có thể đo được động đất hay không.

Trong một thí nghiệm, các nhà khoa học khoanh vùng giới hạn khinh khí cầu, sau đó liên tục thả chiếc "búa địa chấn", nặng 13 tấn, xuống đất để tạo ra trận động đất nhỏ và xem cách các thiết bị trên khí cầu phát hiện.

“Trên Sao Kim, bạn sẽ không có cơ sở hạ tầng tuyệt vời như trên mặt đất” để kiểm tra chéo các chỉ số khí cầu, ông Krishnamoorthy nói.