Cực quang

Trong thiên văn học, cực quang là một hiện tượng quang học đặc trưng bởi sự thể hiện đầy màu sắc của ánh sáng trên bầu trời về đêm, được sinh ra do sự tương tác của các hạt mang điện tích từ gió Mặt Trời với tầng khí quyển bên trên của hành tinh. Những dải sáng này liên tục chuyển động và thay đổi làm cho chúng trông giống như những dải lụa đầy màu sắc trên bầu trời. Đây có thể coi là một trong những hình ảnh đẹp của tự nhiên.

Hình ảnh cực quang từ khắp nơi trên thế giới, bao gồm cả những cái có ánh sáng đỏ và xanh lam hiếm hơn

Nam cực quang từ ISS, 2017. Video về lần gặp này: [1]

Trên Trái Đất, Mộc Tinh, Thổ Tinh, Thiên Vương Tinh và Hải Vương Tinh, các cực quang được sinh ra do sự tương tác của các hạt trong gió Mặt Trời với từ trường của hành tinh, và vì thế chúng là rõ nét nhất ở các vĩ độ cao gần các cực từ. Vì lý do đó mà, cực quang được biết đến với tên gọi "Aurora Borealis" khi xuất hiện ở Bắc bán cầu và "Aurora Australis" khi xuất hiện ở Nam bán cầu. Tuy nhiên, cực quang cũng diễn ra trên Kim Tinh và Hỏa Tinh mà chúng lại gần như không có từ trường của hành tinh. Trên Kim Tinh, các phân tử của khí quyển được tích tụ năng lượng trực tiếp từ gió Mặt Trời; trên Hỏa Tinh, các cực quang diễn ra gần các điểm dị từ khu vực trong lớp vỏ hành tinh, là tàn dư của từ trường cũ của hành tinh (giả thiết) mà ngày nay không còn tồn tại nữa.

Trên Trái Đất, cực quang diễn ra khi các đới bức xạ Van Allen trở nên "quá tải" với các hạt cao năng lượng, sau đó chúng đổ xuống các đường sức từ và va chạm với lớp trên của bầu khí quyển Trái Đất.

Nguồn gốc và biểu hiện

Video về cực quang được thực hiện bởi phi hành đoàn của Expedition 28 lên tàu vũ trụ quốc tế

Chuỗi ảnh này được chụp vào ngày 17 tháng 9 năm 2011 từ 17:22:27 đến 17:45:12 GMT,
trên một đường chuyền tăng dần từ phía nam của Madagascar phía bắc nước Úc trên Ấn Độ Dương

Chuỗi ảnh này được chụp vào ngày 7 tháng 9 năm 2011 từ 17:38:03 đến 17:49:15 GMT,
từ Vùng đất phía Nam và châu Nam Cực thuộc Pháp ở Nam Ấn Độ Dương đến miền nam Úc

Chuỗi ảnh này được chụp vào ngày 11 tháng 9 năm 2011 từ 13:45:06 đến 14:01:51 GMT, từ một đường đèo giảm dần gần miền đông Australia, đi vòng qua một đường đèo lên phía đông New Zealand

NOAA bản đồ Bắc Mỹ và Âu-Á

Bắc Mỹ

Lục địa Á-Âu

Những bản đồ này cho thấy ranh giới xích đạo nửa đêm cục bộ của cực quang ở các mức độ khác nhau của hoạt động địa từ.
Kp = 3 tương ứng với mức độ hoạt động địa từ thấp, trong khi Kp = 9 đại diện cho mức độ cao.

Các hạt cao năng lượng từ Mặt Trời được đưa vào không gian cùng với gió Mặt Trời nóng và luôn luôn tồn tại. Luồng gió này đâm với tốc độ siêu nhanh về phía Trái Đất thông qua khoảng không gian liên hành tinh với vận tốc dao động trong khoảng 1 đến trên 3 triệu km/h, mang theo cùng với nó là từ trường Mặt Trời. Gió Mặt Trời làm nhiễu loạn từ trường của Trái Đất để tạo ra quyển từ chứa đầy plasma và có hình dạng tựa sao chổi. Từ trường của Trái Đất có tác dụng như một vật cản, bảo vệ Trái Đất trước các hạt tích năng lượng và bức xạ trong gió Mặt Trời. Năng lượng và xung lượng của hạt được truyền từ gió Mặt Trời sang quyển từ thông qua một quy trình được biết như là "tái kết nối từ". Trong quá trình này, các đường sức từ liên hành tinh (xuất phát từ Mặt Trời) được kết hợp với địa từ trường. Các hạt trong gió Mặt Trời có thể đi vào các đường sức từ mới tạo thành. Các nhà vật lý nghiên cứu về cực quang gọi đó là "đường sức từ mở" (các đường này mở vào gió Mặt Trời). Do áp suất động lực của gió Mặt Trời, các đường sức từ mới tạo thành sẽ được di chuyển đối lưu trên đỉnh cực và vào trong đuôi của quyển từ Trái Đất. Ở đây, sự tái kết nối từ trường mới lại có thể diễn ra, tạo ra đường sức từ đóng mới. Đường từ trường đối lưu sẽ chứa các hạt gió Mặt Trời. Một số hạt sẽ có thể đi tới tầng ion trước khi đường sức từ chạm tới đuôi của quyển từ. Các hạt này tạo ra cực quang ban ngày. Cực quang ban đêm được tạo ra từ các hạt được gia tốc từ đuôi quyển từ về hướng Trái Đất. Các hạt này bị chặn lại bởi các đường sức từ đóng.

Ảnh chụp của nam cực quang, chụp từ tàu vũ trụ trên quỹ đạo vào tháng 5 năm 1991, với cực đại của địa từ trường

Các điện tử bị chặn lại trong từ trường Trái Đất (hiệu ứng gương từ) được gia tốc dọc theo từ trường về phía khu vực vùng cực và sau đó đâm vào khí quyển để tạo ra cực quang. Cực quang diễn ra mãnh liệt nhất vào thời gian hoạt động mạnh của các cơn bão từ sinh ra bởi hoạt động của vết đen Mặt Trời. Sự phân bổ của cường độ cực quang theo cao độ chỉ ra mức cực đại rõ nhất ở khoảng 100 km phía trên Trái Đất.

Các hạt đâm xuống địa từ trường, chạm tới tầng trung hòa của khí quyển trong một hình gần tròn gọi là ôvan cực quang. Hình gần tròn này có tâm ở phía trên cực từ và kích thước khoảng 3.000 km theo đường kính trong những lúc yên tĩnh. Vòng tròn này lớn nhanh khi quyển từ bị làm nhiễu loạn. Khu vực có ôvan cực quang nói chung tìm thấy trong phạm vi 60 và 70 ° tính theo vĩ độ bắc hay nam. Trong thời gian Mặt Trời hoạt động tích cực thì ôvan cực quang mở rộng và các cực quang có thể được nhìn thấy từ các vĩ độ thấp tới 25-30° bắc và nam trong một số trường hợp. Ví dụ, ngày 7 tháng 11 năm 2004, sau khi có hoạt động phun trào của Mặt Trời mãnh liệt, chúng được nhìn thấy ở xa tới tận Arizona. Ở vĩ độ 45°, cực quang có thể nhìn thấy vào khoảng 5 lần/năm, trong khi ở trên 55° thì gần như nhìn thấy chúng mọi đêm.

Các điểm đặc trưng của cực quang là chúng có nhiều hình dạng và kích thước. Các cung và tia cực quang cao bắt đầu sáng rõ ở cao độ 100 km trên bề mặt Trái Đất và kéo dài lên phía trên dọc theo từ trường trong hàng trăm kilômét. Các cung hay màn này có thể mỏng chỉ khoảng 100 mét.

Khi mở rộng ra đường chân trời. Các cung cực quang có thể gần như đứng im và sau đó tựa như bàn tay, chúng tạo ra một cái màn cao, bắt đầu nhảy múa và đổi hướng. Sau nửa đêm quyến rũ, cực quang có thể có hình dáng loang lổ và các đốm thông thường nhấp nháy sau khoảng mỗi 10 giây cho đến tận rạng đông. Phần lớn các cực quang có màu vàng ánh lục nhưng đôi khi các tia cao sẽ có màu đỏ ở đỉnh và dọc theo gờ thấp của chúng. Trong một ít trường hợp, ánh sáng Mặt Trời sẽ va phải phần đỉnh của các tia cực quang tạo ra màu lam nhạt. Trong một số rất ít trường hợp (khoảng 1 lần trong 10 năm) cực quang có thể có màu dỏ sẫm như máu từ đỉnh đến đáy. Ngoài ra để tạo ra ánh sáng thì các hạt chứa năng lượng cũng sinh ra nhiệt. Nhiệt bị làm tiêu tan bởi bức xạ hồng ngoại hay bị mang đi xa bởi các trận gió mạnh trong lớp trên của khí quyển.

Trong những năm gần đây, sự phổ biến của 'Du lịch cực quang' đã đem một lượng lớn du khách tới nhiều điểm về truyền thống là không ở được trong thời gian diễn ra mùa đông vùng cực. Nhờ có ảnh hưởng làm ấm của các dòng hải lưu ấm và tương đối dễ tiếp cận của mình nên Iceland và Bắc Scandinavia là các điểm đến phổ biến nhất. Để có thể quan sát cực quang thì ngoài hoạt động của cực quang cần có các điều kiện như trời quang mây và ít ánh sáng không tự nhiên (ánh sáng đèn). Việc chụp ảnh cực quang đòi hỏi các máy ảnh phải được trang bị sao cho của chắn sáng phải mở trên 5 giây. Các pin máy ảnh kỹ thuật số bị hao rất nhanh trong điều kiện lạnh, vì thế một lời khuyên hữu ích là cần đem theo các pin dự phòng.

Bản chất vật lý

Kristian Birkeland và thực nghiệm mô hình Trái Đất của ông

Cực quang có thể sinh ra bằng tương tác của các hạt cao năng lượng (thông thường là điện tử) với các nguyên tử trung hòa trong lớp trên của khí quyển Trái Đất. Các hạt cao năng lượng này có thể kích thích (do va chạm) các điện tử hóa trị được liên kết với nguyên tử trung hòa. Các điện tử bị kích thích sau đó có thể trở về trạng thái thấp năng lượng nguyên thủy của chúng và trong quá trình đó giải phóng ra các photon (ánh sáng). Quá trình này giống như sự phóng điện plasma trong đèn neon.

Màu cụ thể nào đó của cực quang phụ thuộc vào loại khí cụ thể của khí quyển và trạng thái tích điện của chúng cũng như năng lượng của các hạt đâm vào khí của khí quyển. Oxy nguyên tử chịu trách nhiệm cho hai màu chính là lục (bước sóng 557,7 nm) và đỏ (630,0 nm) ở các cao độ cao. Nitơ sinh ra màu lam (427,8 nm) (các ion) cũng như màu đỏ biến đổi nhanh từ ranh giới thấp của các cung cực quang đang hoạt động.

Một trong những nhà khoa học đầu tiên tiến hành mô hình hóa cực quang là Kristian Birkeland (người Na Uy). Mô hình từ trường Trái Đất của ông, chỉ ra rằng các điện tử cao năng lượng đâm trực tiếp vào mô hình Trái Đất được dẫn dắt về phía các cực từ và sinh ra các vòng ánh sáng xung quanh các cực. Ông cũng giả thiết xa hơn nữa "Các dòng điện như thế được hình dung là có thể tồn tại chủ yếu nhờ các hiệu ứng thứ cấp của các hạt tích điện từ Mặt Trời bị lôi kéo vào không gian" (năm 1908). Các dòng điện như vậy sau này đã được ủng hộ lớn trong bài báo của Hannes Alfvén. Năm 1969, Milo Schield, Alex Dessler và John Freeman, sử dụng tên gọi "các dòng điện Birkeland" lần đầu tiên, mà sự tồn tại của chúng cuối cùng đã được xác nhận năm 1973 nhờ vệ tinh Triad của hải quân.

Giải thích

Cực quang xuất hiện là do các hạt mang điện trong luồng vật chất từ Mặt Trời phóng tới hành tinh, khi các hạt này tiếp xúc với từ trường của hành tinh thì chúng bị đổi hướng do tác dụng của lực Lorentz. Lực này làm cho các hạt chuyển động theo quỹ đạo xoắn ốc dọc theo đường cảm ứng từ của hành tinh. Tại hai cực các đường cảm ứng từ hội tụ lại và làm cho các hạt mang điện theo đó đi sâu vào khí quyển của hành tinh.

Khi đi sâu vào khí quyển các hạt mang điện va chạm với các phân tử, nguyên tử trong khí quyển hành tinh và kích thích các phân tử này phát sáng. Do thành phần khí quyển hành tinh chứa nhiều khí khác nhau, khi bị kích thích mỗi loại khí phát ra ánh sáng có bước sóng khác nhau, tức là nhiều màu sắc khác nhau do đó tạo ra nhiều dải sáng với nhiều màu sắc trên bầu trời ở hai cực.

Cực quang khác

Cực quang không phải là một hiện tượng riêng biệt của khí quyển Trái Đất. Người ta đã quan sát thấy hiện tượng cực quang trên các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời, và cũng đã tái tạo nó trong phòng thí nghiệm.

Ánh cực quang phát ra từ Sao Thổ
Cực quang trên Sao Thổ
Cực quang trong phòng thí nghiệm năm 2005

Trên Trái Đất, cực quang hình thành khi các hạt mang điện từ Mặt Trời lao vào khí quyển, kích thích các hạt trung hòa và tạo ra ánh sáng sặc sỡ. Cực quang sao Thổ cũng chịu tác động từ Mặt Trời nhưng trông rất khác trên hành tinh xanh. "Vì khí quyển 4 hành tinh phía ngoài của hệ Mặt Trời chứa rất nhiều hydro, không giống Trái Đất, nên cực quang sao Thổ chỉ có thể quan sát với bước sóng cực tím", đại diện ESA cho biết.[2]

Biến động trên Mặt Trời

Bài chính: Biến động của Mặt Trời

Mặt Trời là ngôi sao với một số đặc trưng dao động lớn theo thang thời gian từ vài giờ đến hàng trăm năm. Hướng của từ trường liên hành tinh cũng như vận tốc và mật độ của gió Mặt Trời được điều chỉnh bởi hoạt động của Mặt Trời. Chúng có thể thay đổi rất mạnh và ảnh hưởng tới hoạt động của địa từ trường. Khi hoạt động của địa từ trường tăng lên thì rìa dưới của ôvan cực quang thông thường sẽ dịch chuyển tới các vĩ độ thấp hơn. Tương tự, sự phun trào của Mặt Trời cũng xảy ra đồng thời với sự mở rộng của các ôvan cực quang. Nếu từ trường liên hành tinh có hướng ngược với địa từ trường thì nó làm tăng luồng năng lượng vào trong quyển từ và do đó làm tăng luồng năng lượng trong vùng cực của Trái Đất. Điều này sẽ tạo ra hệ quả là sự tăng cường hoạt động của cực quang.

Nam cực quang trên Swifts Creek, Victoria, Úc

Các nhiễu loạn trong quyển từ Trái Đất gọi là bão từ. Các trận bão từ này có thể tạo ra sự thay đổi đột ngột trong độ sáng và chuyển động của cực quang, gọi là các bão từ phụ. Các dao động từ trường của các trận bão từ và bão từ phụ này có thể sinh ra các thay đổi lớn trong các lưới điện và đôi khi làm hỏng các thiết bị điện trong lưới điện, tạo ra sự mất điện hàng loạt. Chúng cũng ảnh hưởng tới hoạt động của liên lạc viễn thông bằng sóng vô tuyến theo các hệ thống vệ tinh-mặt đất và các hệ thống hoa tiêu. Các trận bão trong quyển từ có thể kéo dài vài giờ hay vài ngày, và các bão từ phụ có thể diễn ra vài lần trong ngày. Mỗi trận bão phụ có thể giải phóng hàng trăm TJ năng lượng, nhiều ngang với lượng điện năng tiêu thụ ở Mỹ trong 10 giờ.

Đo đạc địa từ trường

Địa từ trường có thể được đo với các dụng cụ gọi là từ kế. Dữ liệu của nhiều từ kế cho phép người quan sát lần theo dấu vết của trạng thái hiện tại của địa từ trường. Các số liệu của từ kế thông thường được đưa ra trong dạng các chỉ số 3 giờ để đưa ra phép đo định tính của mức độ hoạt động của địa từ trường. Một trong những chỉ số như vậy gọi là chỉ số K. Giá trị của chỉ số K dao động từ 0 tới 9 và là liên quan trực tiếp với lượng dao động (tương ứng với ngày yên tĩnh) của địa từ trường trong khoảng thời gian 3 giờ. Chỉ số K càng cao thì khả năng diễn ra cực quang càng lớn. Chỉ số K như vậy cần thiết phải gắn liền với một khu vực quan sát cụ thể. Đối với những khu vực không có trạm quan sát, người ta có thể ước tính giá trị cho chỉ số K này bằng cách xem dữ liệu của các điểm quan sát gần đó. Trung bình tổng thể của hoạt động cực quang được chuyển đổi thành chỉ số Kp.

Âm thanh của cực quang

Người ta thường cho rằng việc nhìn thấy cực quang bao giờ cũng kèm theo các tiếng nổ tanh tách hay tiếng kêu rền.

Sự lan truyền của các âm thanh này trong khí quyển (giống như khi người ta nói làm dao động các phân tử trong không khí) là không chắc chắn. Cực quang diễn ra khoảng 100 km phía trên Trái Đất trong các điều kiện không khí cực kỳ loãng, có nghĩa là chúng không thể truyền các âm thanh nghe được đủ xa để có thể chạm tới mặt đất.

Một khả năng là các sóng điện từ được biến đổi thành sóng âm bởi các vật thể gần với người quan sát, hoặc trực tiếp ảnh hưởng tới cơ quan thính giác của người quan sát.

Đối với người Inuit và các nền văn hóa bắc Canada, người ta đã biết một thực tế là sự diễn ra của các tiếng kêu hay các tiếng hát là điều có thật. Các âm thanh này nghe thấy chủ yếu khi người quan sát đã rời xa các chỗ ồn ào hay có chiếu sáng - thông thường trong các chỗ lạnh giá và không có gió của đêm đông. Việc nghe thấy các âm thanh lạ được ví với các sự kiện tâm linh và nó được khắc sâu trong trí nhớ của mỗi cá nhân trong cuộc đời họ.

Các âm thanh cực quang này được so sánh với âm thanh của hợp xướng rạng đông.

Trường đại học công nghệ Helsinki đã thực hiện việc kiểm tra và ghi âm các âm thanh này. Theo báo Kaleva, người ta đã ghi nhận có các tiếng kêu rền, tiếng ầm và tiếng nổ khi có các cực quang vùng cực với mức độ sáng cao.

Cực quang trong văn hóa dân gian

Trong thần thoại của Bullfinch năm 1855 của Thomas Bulfinch đã có khẳng định rằng trong thần thoại Na Uy có kể:

Các Valkyrie là các cô gái đồng trinh tựa chiến binh cưỡi ngựa được trang bị áo giáp và giáo. /.../ Khi họ đi về phía mục tiêu của mình, áo giáp của họ tỏa ra ánh sáng lập lòe kỳ lạ, nó chiếu sáng toàn bộ bầu trời phương bắc, tạo ra cái mà con người gọi là "bắc cực quang" hay "ánh sáng phương bắc"^[1].

Trong khi nó là một khái niệm gây ấn tượng thì lại không có gì trong văn học của Na Uy cổ hỗ trợ việc xác nhận nó. Mặc dù cực quang là phổ biến ở Scandinavia và Iceland ngày nay, nhưng khả năng là cực bắc của địa từ trường đã ở xa một cách đáng kể với khu vực này trong các thế kỷ trước khi có các tư liệu về thần thoại Na Uy, điều này giải thích sự thiếu vắng các mối liên quan^[2].

Thay vì thế, tư liệu cổ nhất của người Na Uy về norðrljós được tìm thấy trong biên niên sử của người Na Uy Konungs Skuggsjá có vào khoảng năm 1250. Người ghi chép sử đã nghe về hiện tượng này từ những đồng bào trở về từ Greenland, và ông ta đã đưa ra ba giải thích có khả năng nhất: Đại dương được bao quanh bằng các ngọn lửa bao la hay ánh sáng Mặt Trời có thể đến được tới phần đêm của thế giới hoặc các sông băng có thể tích trữ năng lượng để cuối cùng chúng trở thành huỳnh quang^[3].

Một trong các tên gọi cổ trong tiếng Thụy Điển cho ánh sáng phương bắc là sillblixt, được dịch ra như là ánh sáng cá trích. Người ta tin rằng ánh sáng phương Bắc là sự phản chiếu màu sắc của các đàn cá trích lớn lên bầu trời^[3].

Trong tiếng Phần Lan, tên gọi của ánh sáng phương Bắc là revontulet, lửa của cáo. Theo truyền thuyết, những con cáo tạo ra lửa sống ở Lapland, và revontulet là các tia lửa tạo ra khi chúng phất đuôi của chúng lên trên trời^[3]^[4].

Người Sami tại Lapland cổ (Sápmi) tin rằng người ta cần phải đặc biệt cẩn thận và im lặng^[3] khi bị quan sát bởi guovssahasat.

Trong văn hóa dân gian của người Inuit (Eskimo) tại Greenland và miền bắc Canada, ánh sáng phương Bắc là linh hồn của người chết đang chơi bóng bằng đầu lâu hải mã trên trời^[3]^[5]. Tên gọi của họ để chỉ Bắc cực quang là aqsalijaat, dấu vết của những người chơi bóng^[3].