Chúng ta đang sống trong bầu khí quyển mở rộng của Mặt trời. Trái đất phản ứng theo cách tuyệt vời nhất bằng cách tạo ra những bức màn ánh sáng tuyệt đẹp nhảy múa trên bầu trời cực bắc và cực nam: cực quang và cực quang. Nhưng làm thế nào hiện tượng đáng kinh ngạc này xảy ra và điều gì thúc đẩy nó?
Chà, câu chuyện đó bắt đầu với Mặt trời.
Lao ra khỏi bầu khí quyển triệu độ của Mặt Trời là gió Mặt Trời; một dòng hạt tích điện thổi khắp Hệ Mặt trời, tạo ra một bong bóng khổng lồ có tâm là ngôi sao của chúng ta.
Ngay cả lực hấp dẫn to lớn của ngôi sao của chúng ta cũng không thể cản trở gió Mặt trời và cứ sau một giây, một triệu tấn bầu khí quyển của Mặt trời lại tràn vào không gian.
Dòng chảy không ngừng của gió mặt trời chỉ dừng lại khi nó va chạm với môi trường giữa các vì sao, nằm ngoài Hệ Mặt trời của chúng ta.
Gió mặt trời được tạo ra chủ yếu từ khí hydro đã được tách ra thành các thành phần gồm các electron mang điện tích âm và các proton mang điện tích dương, tạo ra một loại khí tích điện được gọi là plasma.
Khi dòng plasma này chảy ra từ ngôi sao của chúng ta, nó kéo theo từ trường của Mặt trời. Khi gió mặt trời đến Trái đất, nó đang di chuyển với tốc độ hàng trăm km mỗi giây và có mật độ khoảng 10 hạt trên một cm khối.
So với 100 tỷ tỷ hạt trên mỗi centimet khối trong không khí xung quanh chúng ta, mật độ này có vẻ nhỏ đến kinh ngạc.
Tuy nhiên, nếu bạn đặt đầu ngón tay của mình vào luồng gió mặt trời, bạn sẽ có 500 triệu hạt đi qua nó mỗi giây.
Diện tích mặt cắt ngang của Trái đất lớn hơn diện tích này một tỷ tỷ lần và do đó gây ra một trở ngại lớn hơn nhiều.
Dòng hạt dữ dội này không thể bắn phá trực tiếp Trái đất. Thay vào đó, nó chạy vào một lá chắn vô hình – một bong bóng từ tính khổng lồ bao quanh Trái đất được tạo ra bởi các dòng điện chạy trong lõi ngoài nóng chảy của hành tinh: từ quyển.
Trong hầu hết các điều kiện, gió mặt trời thổi xung quanh từ quyển. Tuy nhiên, nếu từ trường do gió mặt trời mang theo hướng ngược lại với từ trường ở rìa của từ quyển, một quá trình được gọi là kết nối lại từ trường có thể xảy ra.
Điều này kết hợp từ trường của gió mặt trời với lớp ngoài của từ quyển, tạo ra một kênh cho các hạt gió mặt trời di chuyển dọc theo.
Các electron bị mắc kẹt trong từ quyển di chuyển ngược và xuôi dọc theo các đường sức từ.
Nhưng khi kết nối lại xảy ra, chúng có thể được tăng tốc xuống bầu khí quyển trong một quá trình gọi là kết tủa.
Hình dạng của từ trường Trái đất hướng các electron về phía các cực từ – nơi các đường sức hội tụ và lao vào Trái đất.
Các electron chuyển động nhanh nhất lên đến đỉnh của bầu khí quyển nơi chúng va chạm với các chất khí trong khí quyển, nhường một phần năng lượng của chúng cho các hạt khí.
Những hạt khí này sau đó phát ra năng lượng mà chúng nhận được dưới dạng ánh sáng. Nói chung, điều này tạo ra màu sắc lung linh của cực quang ở rìa không gian.
Bước sóng hoặc màu sắc của ánh sáng phát ra trong màn hình cực quang phụ thuộc vào loại nguyên tử được cung cấp năng lượng và năng lượng được trao đổi trong vụ va chạm.
Ánh sáng xanh được tạo ra bởi các nguyên tử oxy ở độ cao khoảng 100-150km, trong khi ánh sáng đỏ được phát ra bởi các nguyên tử oxy ở độ cao cao hơn.
Cực quang màu xanh lam và tím được tạo ra bởi các nguyên tử nitơ ở độ cao trên 100km.
Về mặt thẩm mỹ, những ánh sáng này cũng là biểu hiện trực quan của dòng điện chạy giữa từ quyển và tầng khí quyển bên trên.
Hầu hết thời gian, cực quang có thể được coi là những dải ánh sáng mờ nhạt ở vĩ độ cao phía trên phía bắc Canada, Siberia và Nam Cực.
Hình bầu dục của hoạt động cực quang hình thành xung quanh các cực từ bắc và nam; vị trí của chúng phản ánh các điểm gốc của các đường sức từ dọc theo đó các electron ‘kết tủa’.
Vào thời điểm hoạt động địa từ cao, cực quang trở nên sáng hơn nhiều, được tăng cường bởi năng lượng được mang theo bởi các luồng gió mặt trời di chuyển nhanh và
các vụ phun trào khổng lồ của từ trường và các hạt tích điện của Mặt trời – được gọi là sự phun trào khối vành nhật hoa – va chạm với từ quyển.
Trong những sự kiện năng lượng này, các hình bầu dục cực quang lan rộng theo vĩ độ để sau đó có thể nhìn thấy các màn hình sáng trên khắp châu Âu, có thể đạt tới
miền nam nước Anh.
Tần suất xuất hiện cực quang cũng cho thấy sự thay đổi theo mùa, nhiều hơn được báo cáo từ tháng 3-tháng 4 và tháng 9-tháng 10
Đây là một tình huống kỳ lạ dường như ngụ ý rằng Mặt trời ‘biết’ về vị trí của Trái đất trên quỹ đạo của nó!
Tất nhiên, đây không phải là trường hợp: chính độ nghiêng của hành tinh chúng ta – và do đó là từ quyển – vào những thời điểm này khiến cho sự kết nối lại giữa gió mặt trời và từ trường của Trái đất có nhiều khả năng xảy ra hơn, dẫn đến dòng hạt và dòng điện tăng cường .
Một lời giải thích khác cho sự thay đổi này có thể nằm ở ánh sáng mà Mặt trời phát ra – đặc biệt là ánh sáng cực tím bước sóng ngắn có khả năng thay đổi tính chất của tầng khí quyển phía trên của Trái đất bằng cách phân tách các nguyên tử thành các thành phần tích điện của chúng, một quá trình gọi là quá trình ion hóa.
Mức độ chiếu sáng của mỗi bán cầu thay đổi khi Trái đất di chuyển quanh Mặt trời, nghĩa là mức độ ion hóa cũng thay đổi.
Đến lượt mình, điều này làm thay đổi mức độ dễ dàng của các dòng điện tạo ra cực quang.
Khi một màn hình mạnh nổ ra, các dải ruy băng nhấp nhô gợn sóng trên bầu trời, đôi khi vỡ thành các tia và vòng cung.
Những hình dạng ấn tượng này được cho là được tạo ra bởi các quá trình trong từ quyển khiến các electron rơi vào bầu khí quyển của chúng ta, nhưng vật lý cơ bản hiện nay vẫn chưa được hiểu rõ.
Dự đoán trước một màn hình cực quang tốt có nghĩa là dự báo khi nào Mặt trời sẽ phát ra một luồng gió mặt trời nhanh, hoặc một sự phóng ra khối lượng vành nhật hoa, mang theo một từ trường được căn chỉnh chính xác có khả năng mở ra từ quyển (nếu nó chạm tới chúng ta).
Đây không phải là một nhiệm vụ tầm thường và ngay cả những mô hình tốt nhất cũng chỉ có thể đưa ra dự đoán trước vài ngày.
Chúng ta biết rằng các màn hình cực quang mạnh nhất được tạo ra khi từ quyển của Trái đất bị xáo trộn nghiêm trọng do tương tác của nó với gió Mặt trời đang tác động hoặc sự phun trào khối lượng vành nhật hoa.
Vì vậy, theo dõi các phép đo trên mặt đất cho thấy sự nhiễu loạn trong từ trường của Trái đất là cách tốt nhất để quyết định xem bạn có thể nhìn thấy cực quang hay không và từ đâu.
Các trang web như AuroraWatch UK và Space Weather là một nơi tốt để bắt đầu.
Trạng thái hiện tại của từ quyển được đo trên quy mô toàn cầu bằng cái được gọi là ‘chỉ số Kp’, một thuật ngữ được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1949.
Cái tên này bắt nguồn từ tiếng Đức ‘planetarische Kennziffer’, được dịch là ‘chỉ số hành tinh’.
Chỉ số Kp mô tả, trên thang điểm từ 0 đến 9, từ trường của Trái đất bị xáo trộn như thế nào.
Giá trị càng cao, cực quang có xu hướng được nhìn thấy càng xa về phía nam.
Vì hiện nay đã có nhiều thập kỷ quan sát nên có thể tra cứu chỉ số Kp cần thiết để bạn có thể nhìn thấy cực quang từ vị trí của mình.
Lưu ý rằng cực quang không cần phải ở ngay trên đầu mới có thể nhìn thấy được – những người quan sát ở bán cầu bắc với tầm nhìn rõ ràng đến đường chân trời phía bắc và bầu trời tối nên tìm kiếm chúng ngay cả khi chúng cách xa vài độ theo vĩ độ.
Nhìn thấy cực quang là một trải nghiệm kỳ diệu xứng đáng với vị thế là một trong những hiện tượng tự nhiên tuyệt vời mà mọi người nên cố gắng phát hiện ít nhất một lần.
Bằng mắt thường, hầu hết các hiện tượng cực quang – chắc chắn là loại thỉnh thoảng được nhìn thấy từ Vương quốc Anh – xuất hiện dưới dạng ánh sáng xanh lục, có lẽ là rung động.
Du lịch đến Vòng Bắc Cực hoặc chứng kiến màn trình diễn đặc biệt ấn tượng từ Vương quốc Anh và bạn có thể thấy nhiều màu sắc hơn cũng như nhiều cấu trúc phức tạp, được minh họa bên dưới, khiến cực quang trở nên vô cùng hấp dẫn.
Nếu bạn muốn chụp ảnh Cực quang, bạn cần thực hiện một số việc để chụp được ảnh.
Máy ảnh DSLR là tốt nhất để chụp ảnh cực quang vì chúng cho phép bạn mở cửa trập trong thời gian dài.
Một số máy ảnh ngắm và chụp có khả năng mở cửa chớp trong 30 giây, nhưng hình ảnh có thể sẽ nhiễu hơn so với hình ảnh được chụp bằng máy ảnh DSLR.
Để bắt đầu chụp ảnh cực quang, trước tiên hãy đặt máy ảnh của bạn lên giá ba chân. Điều này rất quan trọng – bạn không thể giữ yên máy ảnh đủ để có được một bức ảnh sắc nét trong khoảng thời gian phơi sáng cần thiết.
Đặt ống kính máy ảnh của bạn ở tiêu cự ngắn nhất và mở mống mắt của ống kính lên.
Tiếp theo, hãy thử một số độ phơi sáng – với chụp ảnh cực quang, bạn cần cân bằng thời lượng phơi sáng với lượng chi tiết được chụp.
Phơi sáng quá lâu và chuyển động của cực quang sẽ làm mờ bất kỳ cấu trúc đẹp nào trong màn hình, phơi sáng quá ngắn và bạn sẽ không nhận được gì cả.
Đồng thời thay đổi cài đặt độ nhạy ISO – nếu màn hình rất sáng, bạn có thể thấy rằng bạn có thể đặt ISO thành khoảng 400 để giảm nhiễu trong hình ảnh của mình.
Hoặc, nếu bạn muốn “đóng băng” màn hình và chụp các cấu trúc mịn như tia sáng, hãy thử phơi sáng ngắn hơn với ISO từ 1600 trở lên, mặc dù hình ảnh có thể nhiễu hơn.
Giáo sư Lucie Green là Giáo sư Vật lý và là Nghiên cứu viên của Đại học Hiệp hội Hoàng gia có trụ sở tại Phòng thí nghiệm Khoa học Vũ trụ Mullard.