Bão Mặt Trời là gì? Nguồn gốc xuất hiện bão Mặt Trời

Theo dõi KTMT trên

Bão mặt trời là gì?

Năm 1916, nhà nghiên cứu người Na Uy Kristian Birkeland đã là người đầu tiên đưa ra dự đoán về gió Mặt Trời. Ông cho rằng "Theo cái nhìn của vật lý học, thì các luồng tia Mặt Trời không hoàn toàn chỉ là các hạt mang điện tích dương hoặc âm, mà nó chứa đồng thời cả 2 điện tích này". Điều này có nghĩa là gió Mặt Trời mang đồng thời các ion âm và ion dương. Ba năm sau đó, năm 1919, Frederick Lindemann miêu tả luồng điện tích là các hạt này phân cực, các proton và electron đều được phát ra từ Mặt Trời, hình thành nên gió này.

Vào những năm 1930, bằng việc quan sát sự bùng nổ của các luồng hạt trong hiện tượng nhật thực, các nhà khoa học đã cho rằng nhiệt độ của  cực quang Mặt Trời phải hàng triệu độ C. Vào giữa thập niên 1950, nhà toán học người Anh Sydney Chapman đã thu dò và tính toán được các đặc tính của một chất khí có nhiệt độ tương đương với nhiệt độ này và xác định nó là một luồng nhiệt siêu dẫn được lan truyền trong không gian, xa hơn quỹ đạo của Trái Đất. Cũng trong những năm này, một nhà khoa học người Đức có tên là Ludwig Biermann quan sát và lấy làm ngạc nhiên khi thấy các sao chổi, dù đi đến gần hoặc đi ra xa Mặt Trời, đều tạo ra những cái đuôi hướng ra bên ngoài Mặt Trời. Biermann đưa ra giả thuyết rằng do Mặt trời đã tạo ra một luồng hạt ổn định và đẩy đuôi của các sao chổi này ra bên ngoài. Eugene Parker hiểu ra rằng luồng nhiệt từ Mặt Trời trong mô hình của Chapman, và hiện tượng đuôi sao chổi luôn hướng ra bên ngoài Mặt Trời trong giả thuyết của Biermann cùng xuất phát từ một hiện tượng. Parker chỉ ra rằng mặc dù cực quang của Mặt Trời bị hút mạnh mẽ bởi lực hấp dẫn, nó vẫn là một luồng dẫn nhiệt tốt và ở nhiệt độ cao ngay cả khi cách xa với Mặt Trời. Do lực hấp dẫn giảm dần với khoảng cách, cực quang ở vùng khí quyển ngoài của Mặt Trời sẽ thoát vào trong không gian. Tháng 1 năm 1959, lần đầu tiên các quan sát và tính toán về cường độ của gió Mặt Trời đã được vệ tinh nhân tạo Luna 1 của Liên Xô thu thập và thực hiện. Tuy nhiên, việc có tăng gia tốc của các luồng gió mạnh đã không được giải thích hoàn toàn bằng lý thuyết của Parker.

Những năm cuối của thập niên 1990, máy đo phổ cực tím vòng (Ultraviolet Coronagraph Spectrometer - UVCS) trên tàu vũ trụ quan sát Mặt Trời (Solar and Heliospheric Observatory - SOHO) đã phát hiện thấy các vùng tăng gia tốc của gió Mặt Trời mạnh bắt nguồn từ các cực của Mặt Trời, và chỉ ra rằng gia tốc của gió lớn hơn so với các tính toán về sự giãn nở nhiệt động lực học đơn thuần. Mô hình của Parker dự đoán rằng gió Mặt Trời sẽ tạo ra các bước chuyển tiếp từ các dòng vượt âm (supersonic) tại độ cao vào khoảng 4 lần bán kính của Mặt Trời trên quyển sáng (photosphere). Tuy nhiên, điểm chuyển tiếp này nay đã hạ xuống thấp hơn nhiều, chỉ vào khoảng 1 bán kính Mặt Trời trên quyển sáng, điều này dẫn đến những cơ chế khác đã làm tăng gia tốc cho gió Mặt Trời.

Bùng nổ năng lượng Mặt Trời đẩy các sóng ánh sáng ở tất cả các dải quang phổ vào Vũ trụ, hay còn được gọi là bão Mặt Trời. Nó bao gồm cả các bức xạ, trong đó bức xạ tia X và tia gamma có khả năng gây nguy hiểm cho con người và các thiết bị điện tử ngoài không gian, như trên các vệ tinh hay các trạm vũ trụ. Khi các bức xạ mang năng lượng cao này chiếu đến một vệ tinh, nó có thể tách các electron ra khỏi kim loại, ion hóa chúng. Khi các electron này thoát ra, nó có thể tạo ra một từ trường mới và gây tổn hại đến các hệ thống trên vệ tinh. Các quá trình được diễn ra như sau:

- Các dòng hạt mang điện phóng ra từ Mặt Trời sinh ra một từ trường, có độ lớn vào khoảng 6.10⁻⁹tesla.

- Từ trường này ép lên từ trường Trái đất, làm cho từ trường Trái đất tăng lên.

- Khi từ trường Trái Đất tăng lên, từ thông sẽ biến thiên và sinh ra một dòng điện cảm ứng chống lại sự tăng từ trường của Trái Đất (theo định luật Lenz).

- Dòng điện cảm ứng này có thể đạt cường độ hàng triệu ampe chuyển động vòng quanh Trái Đất và gây ra một từ trường rất lớn tác dụng lên từ trường Trái Đất.

- Hiện tượng này tiếp diễn làm cho từ trường Trái Đất liên tục biến thiên và kim la bàn dao động mạnh.

Nếu hướng của từ trường trong tầng điện ly hướng về phía Bắc, giống như hướng của từ trường Trái Đất, bão địa từ sẽ lướt qua hành tinh của chúng ta. Ngược lại, nếu từ trường hướng về phía Nam, ngược với hướng từ trường bảo vệ của Trái Đất, các cơn bão địa từ mạnh sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới Trái Đất. Mặc dù khí quyển Trái đất chặn được các dòng hạt năng lượng cao đến từ Mặt Trời này (gồm electron và proton), song các hạt đó làm xáo trộn từ trường của hành tinh, gây ra rối loạn trong liên lạc vô tuyến hay thậm chí gây mất điện diện rộng.

Những ảnh hưởng từ bão mặt trời

Các vụ phun trào khí và nhiễm điện từ Mặt trời được xếp theo 3 cấp: C là yếu, M là trung bình, X là mạnh. Tùy theo cấp cao hay thấp mà ảnh hưởng của nó lên từ trường Trái đất gây ra bão từ nhiều hay ít.

Bão từ được xếp theo cấp từ G1 đến G5, trong đó G5 là cấp mạnh nhất. Theo nhiều nghiên cứu thì hiện nay các cơn bão từ xuất hiện nhiều hơn và mạnh hơn, điều này cho thấy rằng Mặt trời đang ở vào thời kỳ hoạt động rất mạnh.

Thời kỳ có bão từ là thời kỳ rất nguy hiểm cho người có bệnh tim mạch bởi vì từ trường ảnh hưởng rất mạnh đến hoạt động của các cơ quan trong của con người. Ngoài ra từ trường của Trái Đất cũng giúp cho một số loài động vật thực hiện một số chức năng sống của chúng như là chức năng định hướng, do đó bão từ cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến sự sống của các loài này.

Trong hệ Mặt Trời, các thành phần của gió Mặt Trời là tương đồng với các thành phần trong cực quang của Mặt Trời, ở đó có 73% là Hydro ion hóa, 25% là Heli ion hóa, phần còn lại là các ion tạp chất. Trong khi thành phần của một plasma có 95% là các Hyđro ion bậc 1, 4% là Heli ion bậc 2, và 0,5% là các ion phụ khác. Thành phần chính xác của gió Mặt Trời khó được tính toán, đó là do ảnh hưởng của hiện tượng dao động (fluctuation) diện rộng. Một mẫu thử đã được tàu Genesis mang về Trái Đất năm 2004 để được xét nghiệm, nhưng tàu này đã bị nổ khi vào trong tầng khí quyển của Trái Đất. Cũng có khả năng cho rằng mẫu thí nghiệm Mặt Trời này đã ảnh hưởng đến hoạt động của tàu.

Khi đến gần Trái Đất, vận tốc của gió Mặt Trời biến đổi trong khoảng 200–889 km/s, vận tốc trung bình là vào khoảng 450 km/s. Xấp xỉ 1 × 10⁹ kg/s vật chất của Mặt Trời bị mất qua sự giải phóng gió Mặt Trời, và có khoảng một phần năm trong số đó là do hiện tượng fussion, tương tương với khoảng 4,5 Tg (hay 4,5 × 10⁹ kg) khối lượng chuyển sang năng lượng mỗi giây. Khối lượng tiêu hao này tương tương với một đồi đá cao 125 m trên mặt đất, trên một giây, và với tốc độ này, thì Mặt trời sẽ ngừng hoạt động sau khi tiêu hao hết lượng vật chất của nó vào khoảng 1 × 10¹³ năm.

Tuy nhiên, những hiểu biết của chúng ta về sự hình thành của các ngôi sao chỉ ra rằng gió Mặt Trời hiện tại đã mạnh hơn so với trong quá khứ xa, vào khoảng 1000 lần, điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến lịch sử của các khí quyển các hành tinh, trong đó có khí quyển Sao Hỏa.

Khi gió Mặt Trời trở thành một plasma, thì nó sẽ mang các đặc tính của một plasma hơn là một khí đơn giản. Ví dụ, nó dẫn điện rất tốt vì thế các đường sức từ từ Mặt Trời được mang theo cùng với gió này. Áp suất động của gió chi phối áp suất từ trong cả hệ Mặt Trời vì thế từ trường bị đẩy theo đường xoắn ốc Archimedes bằng việc kết hợp chuyển động hướng ngoại và quy của Mặt Trời. Phụ thuộc vào bán cầu và pha của chu kỳ Mặt Trời, các trường xoắn ốc từ trường sẽ đi vào hoặc đi ra, từ trường sẽ đi theo hình dạng xoắn ốc này trên các phần của cực bắc và cực nam của bán cầu, nhưng với chiều ngược lại. Hai vùng từ này được phân chia bởi một mặt phẳng điện helio (dòng điện được tạo ra trên một mặt cong). Mặt helio này có hình dạng gần giống với mẫu hoa soắn trên áo của diễn viên múa ba lê (ballet), và hình dạng của nó thay đổi theo chu kỳ của Mặt Trời, mỗi khi từ trường của Mặt Trời thay đổi, vào khoảng 11 năm Trái Đất. Gió mặt trời được thổi ra đến ranh giới hệ Mặt Trời rồi trộn lẫn với khí giữa các ngôi sao. Tàu vũ trụ Pioneer 10, phóng vào năm 1972, đi tới Mộc Tinh và Thổ Tinh và tàu Voyager 1 hiện ở cách Mặt Trời 70 đơn vị thiên văn đều ghi nhận gió mặt trời đang thổi qua chúng.

Các hạt từ gió Mặt Trời tiếp xúc với quyển từ của Trái Đất, dẫn đến các trận bão từ, và nó có liên hệ trực tiếp đến hiện tượng cực quang của Trái Đất và trên các hành tinh khác. Khi gió Mặt Trời tới Trái đất, nó có tốc độ khoảng từ 400 km/s đến 700 km/s. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến quyển từ của Trái Đất. Ở phía trước từ quyển, các dòng điện tạo ra lực ngăn chặn gió mặt trời và làm đổi hướng nó ở xung quanh vành đai bảo vệ. Hiện tượng tương tự cũng xảy ra với các hành tinh trong hệ Mặt Trời có quyển từ.

Do được từ trường và bầu khí quyển bảo vệ, Trái Đất không bị ảnh hưởng, hoặc bị ảnh hưởng rất ít từ các cơn bão Mặt Trời. Tuy nhiên, đôi khi bão Mặt Trời giải phóng những khối vật chất cực quang (CME - coronal mass ejections) mang năng lượng rất lớn, có thể gây ra tác hại nghiêm trọng cho các hệ thống điện trên Trái Đất.

Trong quá trình CME, biến động của từ trường Mặt Trời gây ra sự mở rộng bề mặt nhanh chóng, đẩy hàng tỷ tấn các hạt năng lượng vào không gian. Khác với vụ nổ khí nóng đẩy các sóng ánh sáng vào Vũ trụ và tạo ra các bức xạ nguy hiểm, CME tạo ra những đợt sóng từ trường cực mạnh kéo dài hàng tỷ dặm. Nếu Trái Đất nằm trên đường di chuyển của những đợt sóng từ trường đó, từ trường của Trái Đất sẽ bị tác động mạnh mẽ. Giống như việc đặt một nam châm yếu bên cạnh một nam châm rất mạnh, từ trường của nam châm yếu sẽ bị tác động và bị hút vào từ trường mạnh hơn.

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. 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. Ôxy 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 (Hình 12).

Các biến động từ trường trên Trái Đất có thể làm là bàn không hoạt động, tệ hơn nữa nó có thể gây quá tải toàn bộ hệ thống điện. Bởi một từ trường biến thiên có thể tạo ra dòng điện cảm ứng điện từ, gây quá tải tất cả các hệ thống điện. Nó sẽ làm quá tải hệ thống điện cao thế, gây mất điện toàn bộ, thậm chí gây cháy nổ các trạm biến áp (Hình 13).

Mất điện trên diện rộng vẫn chưa phải điều tồi tệ nhất. Sự biến động của từ trường có thể gây ảnh hướng đến sóng radio, tín hiệu từ đài phát thanh, thông tin liên lạc và hệ thống vệ tinh sụp đổ. Chúng ta sẽ hoàn toàn bị cô lập, không có một thông tin cảnh báo nào, không có một sự hướng dẫn nào và không có một sự liên kết nào. Mỗi con người khi bị cô lập sẽ mất đi sức mạnh đoàn kết, không cập nhật được thông tin chúng ta sẽ không biết phải phản ứng hay xử lý thế nào, các đơn vị nhà nước cũng không có cách nào chỉ đạo cả một quốc gia nếu không có hệ thống thông tin. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có những cách hạn chế tác động của hiện tượng CME bằng cách xây dựng các mạng lưới và hệ thống điện thông minh. Phát triển các tấm chắn cho các cơ sở hạ tầng điện để giảm thiểu các tác động càng nhiều càng tốt. Ngay cả một kịch bản tồi tệ nhất, khi có một cơn bão Mặt Trời kèm hiện tượng CME càn quét qua, nó vẫn không đủ sức để quét sạch hệ thống điện trên khắp hành tinh. Vẫn có một số khu vực không bị ảnh hưởng, hoặc ảnh hưởng ít.

P.V