Nguồn gốc của cực quang nằm ở ngôi sao của chúng ta. Mặt trời luôn ném ra các hạt tích điện – chủ yếu là electron và proton – trong plasma chuyển động mà chúng ta gọi là gió mặt trời.
Đôi khi, nó giải phóng nhiều vật chất hơn vào Hệ Mặt trời khi các đường sức từ xoắn của Mặt trời bị phá vỡ trong một vụ phun trào Mặt trời hoặc thậm chí là một vụ phun trào khối vành nhật hoa khổng lồ.
Một sự phóng đại khối coronal là rất lớn! Mặt trời ném hàng tỷ tấn vật chất vào Hệ mặt trời, di chuyển với tốc độ hàng triệu km một giờ.
Chúng ta và tất cả các hành tinh khác trong Hệ Mặt trời đều ngồi trong biển plasma hỗn loạn này. Gió mặt trời này liên tục tấn công Trái đất, đôi khi yếu ớt, đôi khi mạnh mẽ.
Tất cả những hạt tích điện nhanh này sẽ nguy hiểm đến tính mạng, nhưng Trái đất có từ trường, tạo thành một lá chắn bảo vệ gọi là từ quyển.
Gió mặt trời tương tác với từ trường của Trái đất và nếu từ trường trong gió mặt trời hướng về phía nam, thì tương tác đặc biệt mạnh; nó thiết lập một chu kỳ thay đổi trong mô hình từ trường của Trái đất.
Đây được gọi là Chu kỳ Dungey và liên quan đến các đường sức từ được mở ra ở phía mặt trời của hành tinh và đóng lại ở phía sau trong một quá trình gọi là kết nối lại từ trường, trong đó các đường sức từ bắt và nối lại theo một cấu hình khác.
Quá trình bùng nổ này làm tăng tốc các electron vào bầu khí quyển của Trái đất ở phía đêm của hành tinh, gây ra cực quang.
Cực quang là cách hành tinh của chúng ta tự bảo vệ mình khỏi tác động của gió mặt trời, hấp thụ năng lượng trong từ trường của nó và tiêu tan nó trong một màn trình diễn ánh sáng tuyệt đẹp.
Canada có tầm nhìn đặc biệt rộng về bức tranh cực quang và điều này đã định hình cách thức nghiên cứu cực quang được thực hiện ở đó. Vào tháng 8 năm 2014, tôi đã đến thăm một vài đài quan sát trong số này – Đài quan sát địa vật lý của Đại học Athabasca ở Athabasca và đài quan sát AuroraMAX ở Yellowknife.
Tôi đang nghiên cứu một cuốn sách về Bắc cực quang – một bước tiến tự nhiên đối với một nhà vật lý plasma có niềm đam mê với núi non và tuyết.
Đó là một hành trình đưa tôi đến nhiều địa điểm khác nhau ở Bắc Cực để tìm hiểu về văn hóa, văn hóa dân gian, phong cảnh và khoa học về cực quang.
Bản thân khoa học rất hấp dẫn và đa dạng, kết hợp giữa thiên văn học, địa chất, từ học, vật lý nguyên tử, v.v.
Bề rộng của vùng cực quang của Canada có nghĩa là các nhà khoa học có thể bao phủ một loạt quy mô không gian trong nghiên cứu của họ: điều này có nghĩa là họ có thể xem xét chi tiết một khu vực nhỏ hoặc rộng hơn ở một khu vực rộng lớn.
Các nhà nghiên cứu ở Scandinavia, với lát cắt hẹp của hình bầu dục cực quang, sử dụng các dụng cụ công nghệ cao để thực hiện các phép đo chi tiết ở quy mô nhỏ hơn. Vệ tinh có thể nhìn vào quy mô lớn, toàn cầu.
Những người ở Canada có thể xem xét quy mô trung bình với các nhạc cụ khá rẻ trải rộng trên một khu vực rộng lớn.
Kinh phí đã được đưa vào việc thiết lập cơ sở hạ tầng rộng lớn, trải dài từ bờ biển phía đông tại Vịnh Goose đến Inuvik ở phía tây bắc xa xôi và quản lý lượng lớn dữ liệu được tạo ra.
Các cách tiếp cận khác nhau nhưng bổ sung cho nhau, nhưng chúng được định hình bởi lợi thế về cảnh quan và địa lý.
Có hàng chục trạm quan sát như vậy với các camera tương tự rải rác khắp đất nước rộng lớn.
Ở Athabasca, đó là một cơ sở sáu mái vòm chứa các nhạc cụ khác; ở Yellowknife, một khu vườn bằng gỗ có mái vòm cắt vào đỉnh mái.
Cái này và điện là tất cả những gì bạn cần để chụp ảnh cực quang tự động.
Các trạm quan sát được trang bị máy ảnh kỹ thuật số dựa trên CCD thương mại đã được một nhóm nghiên cứu tại Đại học Calgary sửa đổi bằng các thấu kính hiện đại và trên cùng là một thấu kính mắt cá để mang lại trường nhìn rộng, hình tròn.
Hướng trực tiếp lên trên, các máy ảnh nhìn ra ngoài theo hình nón từ chân trời này sang chân trời khác, vì vậy chúng được gọi là máy chụp ảnh toàn bầu trời.
Ở độ cao của cực quang (khoảng 100 km), trường nhìn rộng khoảng 1.000 km, vì vậy khi hình ảnh của một số máy ảnh được hợp nhất với nhau, chúng sẽ tạo thành một bức tranh cực quang khảm trên toàn bộ lục địa.
Các camera bật vào lúc chạng vạng hàng hải, thu thập hình ảnh cứ sau sáu giây và truyền dữ liệu qua vệ tinh trong thời gian thực.
Dữ liệu từ các hình ảnh bầu trời của các máy ảnh này thường được phân tích bằng cách biến nó thành keogram, cho thấy cực quang thay đổi như thế nào trong một đêm, cả theo thời gian và trên mặt đất.
Những điều này quay trở lại thời điểm khi chúng ta không thể tạo các video chuyển động của cực quang một cách dễ dàng, mặc dù hiện tại chúng vẫn có giá trị khoa học để tham khảo nhanh và xuất bản dễ dàng.
Keogram được tạo ra bằng cách lấy một lát cắt bắc-nam duy nhất từ trung tâm của mọi hình ảnh bầu trời được chụp trong suốt một đêm.
Sau đó, chúng được xếp thành hàng tuần tự từ trái sang phải. Điều này tạo ra một loại biểu đồ trong đó trục X là thời gian và trục Y là vị trí bầu trời tương đối
đến máy ảnh; các phần sáng hiển thị vị trí của vòng cung cực quang.
Keograms cho thấy chuyển động bắc-nam của cực quang theo thời gian, từ đó cung cấp thông tin về những thay đổi xảy ra trong từ trường của Trái đất.
Thông tin này rất quan trọng đối với các nhà vật lý cực quang bởi vì mặc dù quá trình tuần hoàn gây ra cực quang – được gọi là Chu kỳ Dungey – hiện
một khái niệm đã được thiết lập, vẫn còn những yếu tố của quá trình mà các nhà khoa học không hiểu.
Sự kết nối lại từ tính gây ra cực quang được kích hoạt bởi sự bất ổn định mà các nhà khoa học vẫn đang cố gắng tìm hiểu.
Jim Wild, giáo sư vật lý vũ trụ tại Đại học Lancaster, cho biết: “Điều gì gây ra sự bất ổn đó để bắt đầu quá trình kết nối lại và bắt đầu tắt từ trường vào ban đêm vẫn chưa được hiểu rõ.
“Cơ chế đó là gì – và nó bắt đầu từ đâu – là một trong những câu hỏi lớn.”
Ngay cả bây giờ chúng tôi có các phép đo dựa trên không gian, hình ảnh từ mặt đất vẫn có giá trị. Đó là sự kết hợp của các công nghệ cung cấp cái nhìn sâu sắc nhất.
Ưu điểm của hình ảnh từ mặt đất là độ phân giải tốt hơn; một nhược điểm là những đám mây chặn cực quang khỏi tầm nhìn.
Chuyên gia chụp ảnh bầu trời cho phép các nhà khoa học xác định các đặc điểm cụ thể của cực quang.
Wild cho biết: “Bạn có thể tìm ra vị trí của đối tượng địa lý từ một số hình học tương đối đơn giản. “Có rất nhiều thứ bạn có thể làm với công nghệ khá đơn giản này.”
Việc nghiên cứu các đặc điểm cực quang mang lại cái nhìn sâu sắc về các cơ chế trong từ quyển – sự không ổn định, hoạt động của sóng, chuyển động của plasma và các ranh giới.
Cực quang mà chúng ta nhìn thấy giống như hình ảnh được chiếu lên màn hình do nhiễu loạn ở xa hơn tạo ra.
Trở lại Yellowknife, tôi đã gặp James Pugsley, chủ tịch Hiệp hội Thiên văn phía Bắc, người chịu trách nhiệm hỗ trợ địa phương cho đài thiên văn.
Anh ấy cũng là người dẫn đầu tự nguyện tại địa phương trong dự án tiếp cận AuroraMAX. Anh ấy coi đó là một cơ hội lớn để có thể hỗ trợ và thúc đẩy khoa học.
“Nếu quan sát là chìa khóa để khám phá thì tôi sẽ làm điều đó! Tôi sẽ ra ngoài và ngắm cực quang vì những điều tốt đẹp hơn,” anh nói đùa.
Nhưng thật thú vị khi thông qua hoạt động tiếp cận này, Bắc cực quang có thể khuấy động điều gì đó sâu thẳm bên trong chúng ta – một phản ứng tâm linh đầy kinh ngạc – mặc dù nguồn gốc của chúng không còn là điều bí ẩn.
Vẫn còn nhiều điều cần biết và một điều chắc chắn; mọi người sẽ theo dõi và nghiên cứu cực quang trong một thời gian dài sắp tới.
Trái đất có từ trường giống như một thanh nam châm trong không gian. Trường địa từ là cơ sở để tạo ra cực quang, nơi các hạt tích điện được gia tốc dọc theo các đường sức từ vào bầu khí quyển của Trái đất, do đó, hoạt động cực quang xảy ra trong một vòng có tâm là các cực từ.
Vùng cực quang là vùng đất phía trên mà chúng ta thường nhìn thấy cực quang, theo định nghĩa vào lúc nửa đêm.
Đó là một dải được phân định ranh giới theo vĩ độ từ tính, trải dài khoảng 1.300 km giữa khoảng 61°N và 73°N từ tính, dựa trên xác suất.
Vĩ độ từ khác với vĩ độ địa lý vì trục từ của Trái đất không được định hướng chính xác theo hướng bắc-nam; nó nghiêng về phía Canada ở bán cầu bắc, do đó hình bầu dục cực quang đạt đến các vĩ độ thấp hơn ở Bắc Mỹ so với phía bên kia của hành tinh.
Phần lớn đất đai nằm trong vùng cực quang thuộc về Canada.
Cực quang là một trong những sự kiện tự nhiên ngoạn mục nhất trên Trái đất, một màn trình diễn ánh sáng quyến rũ gây xúc động sâu sắc.
Nhìn thấy nó nằm trong danh sách mong muốn của nhiều người, nhưng nó chắc chắn không được đảm bảo và sự khó nắm bắt này gây ra cảm giác biết ơn khi bạn nhìn thấy nó.
Vì vậy, nơi một người nên đi, và làm thế nào? Chà, có một yêu cầu thiết yếu – bạn cần đi vào vùng cực quang để có cơ hội tốt nhất cho mình.
Có khá nhiều lựa chọn về cách đi vào khu vực này: hành trình theo lịch trình, chuyến bay săn cực quang, chuyến tham quan trên mặt đất hoặc cuộc phiêu lưu tự làm.
Bạn sẽ chọn cái nào?
Nếu bạn muốn thực hiện một chút thiên văn học thực tế trong chuyến đi cực quang của mình, hãy đọc hướng dẫn của chúng tôi về kính thiên văn tốt nhất cho du lịch thiên văn.
Bạn không có thời gian hoặc không muốn dành một tuần ở phía bắc băng giá, nhưng vẫn muốn nhìn thấy cực quang? Cân nhắc tham gia chuyến bay ngắm cực quang – một chuyến du ngoạn vào buổi tối đến vùng trời cận Bắc Cực, trong thời gian đó bạn có thể nhìn thấy cực quang từ trên những đám mây.
Tôi đã đáp chuyến bay cực quang từ London Gatwick. Chuyến bay được lên kế hoạch vào lúc 9 giờ tối, sau một bản tóm tắt theo kiểu bài giảng về cực quang và chính chuyến bay.
Than ôi, cực quang đã quyết định không xuất hiện trước chúng tôi vào đêm đó, điều này khá bất thường đối với chúng tôi. Tuy nhiên, tôi đã may mắn được nhìn thấy cực quang từ máy bay thương mại trong chuyến đi đến Bắc Cực.
Nhìn thấy cực quang từ máy bay và qua một cửa sổ nhỏ không thể so sánh với việc nhìn thấy nó trong một phong cảnh ở Bắc Cực. Nhưng đối với một cách nhanh chóng, dễ dàng và khá rẻ để xem nó, đó là một khởi đầu tuyệt vời.
Du ngoạn trên biển là một cách thoải mái để trải nghiệm vùng hoang dã rộng lớn của Bắc Cực, mặc dù đây là cách mà tôi chưa thử. Một đồng nghiệp đã đi du thuyền Alaska vào tháng 5 năm ngoái, nhưng không nhìn thấy Đèn phía Bắc.
Vấn đề là từ tháng 5 đến tháng 9, khi thời tiết đủ tốt để đi du ngoạn ở Bắc Cực, bầu trời không còn đủ tối để nhìn thấy cực quang – mặc dù bạn có thể gặp may mắn vào cuối mùa.
Tuy nhiên, các chuyến du ngoạn chuyên biệt nhỏ hơn chạy ngoài những tháng này và họ có thể tiếp cận nhiều bờ biển hơn các tàu lớn hơn.
Bộ sưu tập Tàu du lịch nhỏ có một số chuyến đi đến Cực quang và Khám phá thế giới thực hiện một chuyến đi đến Greenland.
Ở Na Uy, còn có Hurtigruten – một chuyến phà chở khách và chở hàng hàng ngày chạy dọc theo bờ biển của Na Uy, cũng cung cấp các gói hàng với các chuyến bay từ Vương quốc Anh.
Các chuyến tham quan bằng xe van rất tuyệt nếu bạn đang ở trong thị trấn và cần tránh xa ánh đèn hoặc nếu bạn lo lắng về những đám mây che khuất tầm nhìn của mình.
Hướng dẫn viên sẽ theo dõi hoạt động cực quang, có kinh nghiệm về khu vực và biết nơi lái xe để tìm thời tiết rõ ràng.
Tôi đã thực hiện một chuyến tham quan bằng xe van từ Alta ở phía bắc Na Uy vào tháng 3 năm 2014 và nhìn thấy màn hình cực quang tĩnh lặng.
Tất nhiên, có thể có nhiều lái xe tham gia và cuối cùng bạn có thể ngắm cực quang từ bên đường, nhưng nếu bạn đang đi nghỉ ở một khu vực đông dân cư thì một chuyến tham quan bằng xe van sẽ cho bạn cơ hội nhìn thấy thứ gì đó cách xa ánh đèn đô thị.
Nếu bạn thích mạo hiểm thì một chuyến du lịch trượt tuyết xuyên quốc gia là một cách tuyệt vời để trải nghiệm môi trường hoang dã lạ thường.
Nhưng bạn có thể không muốn đi vào tháng Hai như tôi đã làm. Tôi đã trượt tuyết khắp Spitsbergen ở Svalbard với hướng dẫn viên cá nhân trong một tuần vào tháng 2 năm 2015.
Sau ngày đầu tiên, chúng tôi không gặp một người nào khác. Nó rộng lớn và đẹp đẽ, nhưng lạnh cóng.
Nhược điểm của điều này là khi nói đến Cực quang, bạn sẽ không muốn ra khỏi lều!
Điều đó nghe có vẻ điên rồ, nhưng đó là sự thật: các ưu tiên của bạn hoàn toàn thay đổi khi bạn ở trong một tình huống căng thẳng như vậy.
Đi vào mùa xuân khi trời ấm hơn một chút nhưng không quá muộn đến mức quá sáng đối với cực quang sẽ là một sự thỏa hiệp tốt.
Nếu một chuyến tham quan hoặc hành trình có tổ chức không hấp dẫn, hãy cân nhắc việc đi du lịch đến một nơi nào đó trong vùng cực quang và làm việc của riêng bạn.
Với một chiếc ô tô, bạn có thể lái xe vòng quanh để ngắm cảnh hoặc tìm thời tiết trong lành hơn để quan sát cực quang.
Nếu bạn chọn ở lại trong thị trấn, thì để ngắm cực quang tốt nhất, bạn nên lái xe ra ngoài vào ban đêm đến một địa điểm tối, quang đãng và đẹp như tranh vẽ.
Bạn cũng có thể chọn một nơi nào đó ở vùng nông thôn nơi bạn có thể ngắm cực quang từ cửa nhà mình.
Chỉ cần để đèn ở mức thấp bên trong, nếu không bạn sẽ làm hỏng tầm nhìn ban đêm của mình và bạn sẽ không nhìn rõ cực quang.
Một nhà nghỉ bằng gỗ hẻo lánh trong vùng cực quang là cơ sở cho một kỳ nghỉ thư giãn, với cơ hội tốt để xem một màn hình được trưng bày.
Tại một nhà nghỉ ở đúng vị trí, một nơi nào đó tránh xa ô nhiễm ánh sáng, tất cả những gì bạn phải làm là khoác thêm vài lớp quần áo và ra ngoài sau bữa tối.
Nếu bạn may mắn như tôi trong một kỳ nghỉ ở nhà trọ ở Canada vào tháng 2, cực quang sẽ chờ đợi bạn hầu như mỗi đêm. Khi bạn cảm thấy lạnh hoặc mệt mỏi, nhà nghỉ sẽ ở ngay đó với đống lửa bập bùng và trà nóng.
Một số khu nghỉ dưỡng thậm chí còn cung cấp phòng ngủ trong bong bóng thủy tinh hoặc lều tuyết, từ đó du khách có thể ngắm cực quang khi nằm trên giường.
Bạn cũng nên kiểm tra các hoạt động theo mùa tại các nhà nghỉ khác nhau. Bạn có thể thử trượt tuyết xuyên quốc gia hoặc trượt tuyết bằng xe trượt tuyết hoặc cưỡi chó kéo.
Tiến sĩ Melanie Windridge là một nhà vật lý plasma, diễn giả, nhà văn và tác giả của Aurora: In Search Of The Northern Lights.