Hiện tượng cực quang

Giới thiệu hiện tượng

Cực quang là một hiện tượng hiếm thấy ở trên Trái Đất, thường xuất hiện vào buổi đêm, trên vùng trời ở hai cực Trái Đất. Cực quang diễn ra ở Bắc bán cầu Trái Đất được gọi là bắc cực quang, hay ánh sáng bắc cực; và ở nam bán cầu thì là nam cực quang hay ánh sáng nam cực..

Trong thiên văn học, cực quang là một hiện tượng quang học được đặc trưng bởi sự thể hiện đầy màu sắc của ánh sáng trên bầu trời về đêm. Các dải sáng này liên tục động và thay đổi làm cho chúng trông giống như những dải lụa màu trên bầu trời. Đây có thể coi là một trong những hình ảnh đẹp của tự nhiên.

Biểu hiện


Màu sắc cực quang:
Những dải ánh sáng màu hồng, lam, vàng, tím… rực rỡ và biến ảo khôn lường. Tia này vừa tắt đi, tia khác lại xuất hiện, nhảy múa, lung linh đủ màu sắc...

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 đỏ sẫm như máu từ đỉnh đến đáy


Hình ảnh cực quang

Các điểm đặc trưng của cực quang là chúng có nhiều hình dạng và kích thước. Có lúc chúng chỉ là một tia sáng mong manh, có khi mang hình dẻ quạt, hình ngọn lửa, rồi lại hóa thành những vòng cung màu lá cây vắt trên nền trời.

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.

Âm thanh 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.

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 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 hoá nhân gian:

Trong thần thoại 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". 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. 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. Tên gọi cổ trong ngôn ngữ của người Scandinavia cho ánh sáng phương bắc 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. 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. Người Sami tin rằng người ta cần phải đặc biệt cẩn thận và im lặng khi bị quan sát bởi guovssahasat. Trong văn hóa dân gian của người Inuit, ánh sáng phương Bắc là các thánh thần của sự chết chóc đang chơi bóng bằng đầu lâu hải mã trên trời.

Giải thích hiện tượng:

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

Vào những năm 80 của thế kỷ 19, người ta khám phá ra rằng từ trường của trái đất có liên quan đến hiện tượng kỳ ảo này. Khi electron va vào một vật thể nào đó, nó có thể tạo ra ánh sáng (điều này cũng tương tự như nguyên lý hoạt động của màn hình tivi và máy tính). Kết quả nghiên cứu khoa học vào các năm 1957-1958 cho rằng khi trên mặt trời xuất hiện các vết đen, gió mặt trời tạt vào trái đất, mang theo một dòng hạt năng lượng cao gây ra hiện tượng cực quang (CQ). Các electron và proton trong dòng hạt này đi vào bầu khí quyển. Dưới ảnh hưởng của địa từ, chúng bị hút về hai cực trái đất. Tại đây, chúng va chạm và kích thích các phân tử khí, làm các phân tử này phát ra bức xạ điện từ dưới dạng ánh sáng nhìn thấy. Bầu khí quyển có rất nhiều chất như ôxy, nitơ, hêli, hyđrô, nêon… Dưới tác động của dòng hạt mang điện, ánh sáng do các chất khí khác nhau tạo ra cũng khác nhau, vì thế CQ có muôn màu ngàn sắc khi các dòng hạt mang điện tích trong vũ trụ va chạm với bầu khí quyển.

CQ mạnh nhất có xu hướng diễn ra sau sự phun trào hàng loạt của Mặt Trời. CQ khi xuất hiện mạnh thường đi kèm với những thay đổi trong địa từ và kéo theo giao thoa sóng vô tuyến, sóng điện thoại…Thời kỳ mạnh, yếu của CQ có liên quan chặt chẽ tới chu kỳ hoạt động của mặt trời. Khi mặt trời ở đỉnh chu kỳ, (hoạt động mạnh nhất), nó bức xạ nhiều hơn mức bình thường. Dòng hạt mang điện va chạm nhiều hơn với khí quyển, do đó, CQ sẽ xuất hiện rất nhiều và kỳ vĩ.

CQ được sinh ra do sự tương tác của các hạt mang điện tích từ gió mặt trời với lớp trên của bầu khí quyển và với từ trường của hành tinh. Vì thế chúng là rõ nét nhất ở các vĩ độ cao gần các cực từ.

Nguồn gốc

Nguồn gốc của các CQ là khoảng 149 triệu km tính từ Trái Đất về hướng Mặt Trời. 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 thanh về phía Trái Đất thông qua khoảng không gian liên hành tinh với vận tốc dao động trong khoảng 300 đến trên 1.000 km/s, 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 CQ 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 CQ ban ngày. CQ 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.

Các hạt đâm xuống địa từ trường, chạm tới tầng trung hòa của khí quyển trong một hình gần tròn gọi là ôvan CQ. 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 CQ 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 CQ mở rộng và các CQ 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.
Âm thanh cực quang

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.

Biến động 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 CQ 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 CQ.

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.

Ứng dụng

Du lịch cực quang

Bức ảnh bên được chụp bởi nhà nhiếp ảnh chuyên nghiệp Jeff Hapeman khi ông tới ngắm sao trên hồ Superior tại Michigan, Hoa Kì.


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 CQ thì ngoài hoạt động của CQ cần có các điều kiện như trời quang mây và ít ánh sáng không tự nhiên (ánh sáng đèn). Việc chụp ảnh CQ 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.