Cực quang - vẻ đẹp kì ảo của tạo hoá

Khi bạn cắm trại gần biên giới của Mỹ và Canada, bạn sẽ có cơ hội được thấy những dải sáng chạy ngang bầu trời, rực rỡ đầy màu sắc. Đôi khi trông chúng như những dải ruy-băng bay phấp phới trên bầu trời với đủ các màu xanh, đỏ, xanh lá hay tất cả các màu đó. Nó được gọi là Aurora Borealis, hay ngắn gọn hơn là Aurora – cực quang.

Quan niệm về cực quang khác nhau tuỳ theo các bộ tộc. Người Vikings nghĩ rằng cực quang là sự phản chiếu chiếc áo giáp của Nữ thần chiến tranh Valkyries trong thần thoại Bắc Âu. Còn người Eskimos ở Greenland thì lại cho rằng cực quang có liên quan tới cái chết. Theo người Indians ở Bắc Mỹ, cực quang là ánh sáng từ các đám lửa trại ở phía xa về phương Bắc. 

Vào thời Trung cổ, cực quang báo hiệu điềm xấu về chiến tranh hoặc dịch bệnh, ví dụ như bệnh dịch hạch. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học, chúng ta biết rằng cực quang là hiện tượng ánh sáng xảy ra do các phân tử năng lượng cao từ các cơn gió Mặt trời tương tác với từ trường Trái Đất. Dù sao thì, những kiến thức khoa học khô khan không làm cho người ta hết trầm trồ vì vẻ đẹp của nó.

Vì cực quang được sinh ra do tương tác của các cơn gió Mặt trời với từ trường Trái Đất, nên bạn có thể quan sát cực quang dễ dàng ở các vùng gần hai cực, cả cực Bắc và cực Nam của Trái Đất. Ở phía Bắc, người ta gọi cực quang là Aurora Borealis, tức là Ánh sáng phương Bắc. Aurora là tên của nữ thần Rạng đông, còn “boreal” có nghĩa là “phía Bắc” trong tiếng Latin. Ở bán cầu Nam, cực quang được gọi là Aurora australis (theo tiếng Latin có nghĩa là “phía nam”).

Hiện tượng cực quang xảy ra theo chu kỳ của mặt trời và thường xảy ra vào cuối mùa thu và đầu mùa xuân (chúng ta có thể quan sát hiện tượng này nhiều hơn vào tháng 10, tháng 2 hoặc tháng 3). Xung quanh vòng cực Bắc (vĩ độ 66 độ 33 phút Bắc) ở Bắc Na-uy và Alaska, bạn có thể quan sát được cực quang hầu hết tất cả các buổi tối. Về phía Nam, tần suất xuất hiện cực quang giảm dần. 

Tại phía Nam của Alaska, Nam Na-uy, Scotland và Vương quốc Anh, cực quang có thể xuất hiện từ 01 đến 10 lần mỗi tháng. Gần biên giới Mỹ - Canada, bạn có thể quan sát cực quang 2 đến 4 lần mỗi năm. Và, chỉ một đến hai lần mỗi thế kỉ, cực quang sẽ xuất hiện tại Nam Mỹ, Mexico và vùng gần xích đạo.

Như đã nói ở trên, hình ảnh của cực quang rất đa dạng. Có thể là những dải sáng rực rỡ màu da cam hay màu đỏ ở đường chân trời – giống như khi mặt trời lặn vậy, đôi lúc người ta nhầm chúng như những ánh lửa ở phía xa như người Indians đã nghĩ. Thỉnh thoảng, cực quang trông như những chiếc rèm cửa hay dải ruy-băng lượn sóng suốt buổi đêm.

Về màu sắc, cực quang có thể có màu xanh lá, màu đỏ, màu xanh nước biển hoặc là tổng hợp của tất cả các màu trên. Và khi nhìn vào màu sắc chúng ta có thể đoán được độ cao sinh ra dải cực quang tương ứng:

Màu xanh nước biển: dưới 120km (72 dặm).

Màu xanh lá cây: 120 đến 180km (72 đến 108 dặm).

Màu đỏ: trên 180km (108 dặm).

Cá biệt, sau một chu kỳ hoạt động mạnh của mặt trời, màu đỏ có thể xuất hiện ở những dải cực quang có độ cao từ 90 đến 100km (54 đến 60 dặm).

Ion oxy sẽ phát ra ánh sáng đỏ và vàng. Ion nitơ sẽ phát ra ánh sáng đỏ, xanh da trời và tím. Còn màu xanh lá cây sẽ xuất hiện tại nơi mà có cả ion oxy và nitơ. Chúng ta quan sát được các màu khác nhau tại các độ cao khác nhau là do sự thay đổi nồng độ các khí theo độ cao.

Độ sáng của cực quang rất thay đổi. Người ta thường chia độ sáng của cực quang từ 0 (mờ nhạt) đến độ 4 (rất sáng). Ngoài ra, chúng ta cần quan tâm đến thời gian, ngày tháng, vĩ độ và màu sắc của cực quang trên bầu trời. Những thông tin này rất hữu ích cho các nhà thiên văn học, các nhà vật lý học thiên thể và các nhà nghiên cứu về Trái đất để theo dõi hoạt động của cực quang, từ đó hiểu thêm về từ trường của Trái đất cũng như sự thay đổi của nó theo thời gian.

Vì từ trường của Trái đất có ba chiều, nên cực quang xuất hiện trông như một chiếc nhẫn bao quanh cực. Điều này được quan sát rõ nhất trên vệ tinh, từ trạm Vũ trụ Quốc tế ISS và tàu con thoi. Tuy nhiên, chiếc nhẫn này lại không hoàn chỉnh, vì từ trường Trái đất bị bẻ cong do hoạt động của gió Mặt trời.

Còn về kích thước, chiếc nhẫn cực quang này có kích thước rất đa dạng. Người ta có thể quan sát cực quang từ Nam Mỹ, nhưng không nhiều bằng những nơi khác. Thông thường, cực quang ở gần vị trí hai cực hơn. Và chúng còn xuất hiện thành đôi: khi quan sát được cực quang tại phía Bắc – aurora borealis, chúng ta cũng có thể thấy được một dải cực quang tại phía Nam – aurora australis tại bán cầu Nam. Trong phần tiếp theo chúng tôi sẽ giải thích tại sao.

Bởi vì cực quang xảy ra do sự tương tác giữa các cơn gió Mặt trời và từ trường của một hành tinh, nên một câu hỏi được đặt ra là: cực quang có xảy ra ở các hành tinh khác hay không? Để xảy ra hiện tượng cực quang, chúng ta cần có:

- Bức xạ và các cơn gió Mặt trời để cung cấp năng lượng và các phân tử để tương tác với từ trường của hành tinh.

- Từ trường của hành tinh: để “bẫy” các hạt mang năng lượng trong không gian.

- Khí quyển của hành tinh cần có các đám khí ion để tương tác với hạt mang năng lượng, qua đó chúng được kích thích và phát ra năng lượng dưới dạng các tia sáng.

Với những điều kiện như trên, chúng ta đã quan sát được cực quang trên sao Mộc và sao Thổ. Cả 2 hành tinh này đều có từ trường rất mạnh và bầu khí quyển chứa đầy khí ion, chủ yếu là khí hidro và heli. Kính viễn vọng Hubble đã chụp được ảnh cực quang ở sao Mộc, và tàu thăm dò Cassini trên quỹ đạo sao Thổ đã ghi lại hình ảnh cực quang trên hành tinh này.

Hiện tượng cực quang chính là bằng chứng về mối liên hệ giữa Trái đất và Mặt trời. Tần số xuất hiện cực quang tỉ lệ với tần số hoạt động của Mặt trời cũng như chu kì hoạt động 11 năm của nó.

Trong hoạt động bên trong mặt trời, các phản ứng nhiệt hạch sinh ra năng lượng nhiệt, chúng còn sinh ra các hạt mang năng lượng cao (các ion, electron, proton, neutrino) và các tia phóng xạ trong gió mặt trời. Khi mặt trời hoạt động mạnh, ta có thể quan sát được qua kính viễn vọng hình ảnh các ánh lửa bùng phát trên bề mặt mặt trời mà người ta gọi là “tai lửa Mặt trời”. Từ đây các hạt mang năng lượng được bắn vào vũ trụ và đi khắp nơi trong Mặt trời. Khi bắn vào Trái đất, chúng tương tác với từ trường.

Hai cực của từ trường Trái đất gần với hai cực địa lý của nó (hai cực địa lý là nơi trục Trái đất đi qua và Trái đất quay xung quanh trục này, khác với hai cực của từ trường Trái đất). Các nhà khoa học tin rằng lượng sắt nóng chảy trong lòng Trái đất chính là nguyên nhân gây nên từ trường này.

 Từ trường Trái đất bị bóp méo đi bởi sự hoạt động của gió mặt trời, tạo nên sự nén lại ở mặt đối diện với Mặt trời (bow shock) và sự kéo giãn ra ở bên đối diện (magnetotail). Gió mặt trời đã mở ra một khe hở trong từ trường tại polar cusps. Polar cusps có thể được tìm thấy tại mặt đối diện với mặt trời của từ trường Trái đất. Vậy sau đó thì cái gì diễn ra?

2. Một vài hạt bị làm lệch hướng đi, số khác thì tương tác với từ trường Trái đất, tạo nên dòng điện và tiếp tục đi về phía 2 cực – đây là lý do tại sao cực quang thường xảy ra đồng thời ở cả hai bán cầu (dòng điện này được đặt tên là Birkeland sau khi Kristian Birkeland, nhà vật lý người Na-uy tìm ra nó).

3. Khi một hạt mang điện đi qua từ trường, nó sẽ sinh ra dòng điện. Dòng điện này có hướng đi vào khí quyển, nó sẽ tích nhiều năng lượng hơn. Khi chúng tương tác với tầng ion của Trái đất chúng sẽ truyền năng lượng cho các hạt mang điện ở đây.

4. Các hạt này va chạm với ion oxy và nitơ và truyền năng lượng của chúng cho các ion này.

5. Việc hấp thụ năng lượng từ các hạt này làm cho các electron của ion oxy và nitơ chuyển sang trạng thái kích thích mang năng lượng cao hơn.

6. Khi các ion chuyển sang trạng thái nghỉ, các electrons của oxy và nitơ quay trở về các orbital ban đầu, đồng thời giải phóng ra năng lượng dưới dạng các tia sáng. Và các tia sáng này tạo nên hiện tượng cực quang với các màu sắc khác nhau từ các ion khác nhau.

Vậy làm thế nào người ta tìm được nguyên nhân sinh ra cực quang?

Năm 1895, nhà vật lý người Na-uy Kristian Birkeland đã suy nghĩ về câu hỏi cái gì tạo nên cực quang. Birkeland tin rằng cực quang là do các electron từ mặt trời tác động với từ trường Trái đất. Ông đã làm một thí nghiệm, sử dụng một nam châm hình cầu (terrella) đặt trong phòng chân không cùng với một súng bắn electron. Khi kích hoạt súng bắn, electron tương tác với từ trường của nam châm và cực quang “nhân tạo” xuất hiện. Điều này khẳng định giả thiết của ông.

Cực quang nhân tạo của Birkeland không có hình dạng giống chiếc nhẫn tròn. Điều này được một sinh viên Nhật Bản tên Shun-ichi Akasofu dự đoán vào năm 1964. Ông đã kiểm tra kĩ lưỡng các bức ảnh chụp cực quang và đưa ra kết luận rằng các cực quang có dạng chiếc nhẫn. Vậy tại sao cực quang được Birkeland tạo ra lại không có hình dạng giống như vậy? Birkeland nghĩ rằng các electron kích thích ion nitơ và oxy đến trực tiếp từ Mặt trời. 

Chỉ khi bắt đầu sử dụng vệ tinh để nghiên cứu cực quang và từ trường xung quanh các hành tinh, các nhà khoa học mới đưa ra giả thiết rằng các electron này thuộc về tầng từ trường của Trái đất, năng lượng được mang tới từ các hạt phóng ra từ Mặt trời, và các tính toán đã cho thấy giả thiết này là hoàn toàn hợp lý.