Chương 13: Phóng điện của Mặt Trời

Giờ chúng ta đã biết thêm một chút về plasma, chúng ta sẽ tập trung vào các hành vi và tính chất điện của mặt trời. Như đã đề cập ở trên, cặp mặt trời - nhật mãn có thể được so sánh với một tụ điện khổng lồ. Ngoài dòng điện rò rỉ thường trực, tụ điện mặt trời còn trải qua những đợt phóng điện mà chúng ta gọi là "hoạt động của mặt trời". Những phóng điện này thực ra là những dòng điện Birkeland xuyên qua quang quyển (lớp vỏ nóng sáng bao quanh ngôi sao của chúng ta), tạo ra vết đen mặt trời và cho phép lớp vật chất đen và nguội hơn bên trong mặt trời được lộ ra. Như hình dưới cho thấy, quang quyển của mặt trời trông giống như những búi sợi. Những "búi sợi" này được gọi là "cung cực dương" hay "búi cực dương". Do tất cả các búi này có cùng điện cực, các sợi điện tự sắp xếp để tránh nhau. Vậy nên chúng có hình dạng như vậy.
Ảnh
© Swedish Solar Telescope
Cận cảnh vết đen mặt trời. Đây là một trong những bức ảnh rõ nét nhất của mặt trời từng được chụp. Nó được chụp năm 2002, bởi Swedish Solar Telescope.
Tai lửa mặt trời và phun trào nhật hoa (CME) có liên quan đến vết đen mặt trời. Thông thường, sự gia tăng đột biến trong hoạt động mặt trời dẫn đến một lượng hạt cơ bản lớn được phóng ra từ bên trong mặt trời (xem hình dưới). Chùm hạt này trước tiên xuyên qua quang quyển (tạo ra vết đen mặt trời) và đi tiếp ra ngoài mặt trời, thường dưới dạng tai lửa, hoặc CME nếu chùm hạt đủ lớn và mạnh.
Ảnh
© NASA
Tai lửa mặt trời chụp bởi Solar Dynamics Observatory của NASA ngày 8/9/2010

Điều gì gây ra sự gia tăng trong hoạt động mặt trời? Điều gì kích hoạt sự phóng điện từ mặt trời? Nhật mãn, ranh giới bên ngoài của nhật quyển, cách mặt trời gần 100 đơn vị thiên văn (AU) (nghĩa là 100 lần khoảng cách Mặt Trời - Trái Đất). Nhớ lại rằng, về mặt điện, cặp mặt trời - nhật mãn hoạt động như một tụ điện khổng lồ trong đó mặt trời là điện cực dương và khu vực xa nhất của nhật quyển, còn được gọi là "nhật mãn", là điện cực âm.

Những vật thể bên trong nhật quyển, như sao chổi và hành tinh, có thể kích hoạt sự phóng điện của mặt trời (tai lửa mặt trời, vết đen mặt trời và phun trào nhật hoa) cũng giống như việc con muỗi bay giữa hai sợi dây điện của thiết bị diệt muỗi bằng điện gây kích hoạt sự phóng điện, như đã đề cập trước đây. Trong cả hai trường hợp, điện trở giữa hai cực của tụ điện bị giảm đi bởi vật thể lạ và điều đó dẫn đến sự phóng điện.

Ảnh hưởng của một thiên thể lên sự phóng điện của mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố: kích thước, điện tích, quỹ đạo và vị trí của nó.

Một vật thể càng lớn và càng mang điện tích âm bao nhiêu thì càng dễ kích hoạt sự phóng điện của mặt trời mang điện tích dương (tương đối) bấy nhiêu. Do vậy, sao Mộc, sao Thổ và các sao chổi là những tác nhân chính gây phóng điện mặt trời. Sao Mộc và sao Thổ là tác nhân chính vì chúng là những hành tinh khổng lồ và tích điện cao. Ví dụ, từ trường của sao Mộc mạnh gấp 10 lần từ trường của Trái Đất, đạt đến 14 gauss ở hai cực, khiến nó là hành tinh có từ trường mạnh nhất trong hệ mặt trời.

So sánh với sao Mộc và sao Thổ, các sao chổi chỉ là tí hon. Tuy nhiên, đuôi sao chổi tạo thành từ plasma mật độ cao có thể kéo dài hàng triệu km và tích điện rất cao, một phần vì tâm sai quỹ đạo rất lớn của chúng. Điều này được minh họa bởi ánh sáng mạnh mà sao chổi phát ra và việc chúng có thể duy trì một vỏ Langmuir (DL) khổng lồ xung quanh chúng.

Ảnh

Ánh sáng cực quang
Các thiên thể cũng có thể kết hợp với nhau để ảnh hưởng đến hoạt động của mặt trời. Thông thường, khi các hành tinh nằm thẳng hàng, khả năng gây phóng điện mặt trời của chúng sẽ được cộng lại với nhau. Dĩ nhiên, nếu những hành tinh có điện tích mạnh như sao Mộc và sao Thổ nằm trong hàng, sự phóng điện sẽ càng lớn hơn rất nhiều. Nếu Trái Đất vô tình nằm trong hàng này, hay ở gần đó, nó có thể phải chịu một cú phóng điện mạnh từ mặt trời. Điều này dẫn đến nhiều hiệu ứng trên Trái Đất. Một trong số đó là sự xuất hiện của cực quang ở hai cực, nơi một lượng lớn các hạt cơ bản từ mặt trời đi vào khí quyển Trái Đất thông qua phần mỏng nhất của nó (vùng cực) và ion hóa bầu trời. Do đó ánh sáng cực quang được quan sát thấy ở những vĩ độ cao.

Bão địa từ là một hệ quả trực tiếp khác của sự gia tăng mạnh trong hoạt động của mặt trời. Cơn "siêu bão mặt trời" năm 1859 là một trong những ví dụ nổi tiếng nhất:
Vào tháng 9 năm 1859, cơn bão địa từ mạnh nhất từng được ghi nhận xảy ra. Từ ngày 28 tháng 8 đến 2 tháng 9 năm 1859, rất nhiều vết đen và tai lửa được quan sát thấy trên mặt trời. Dịp này được gọi là siêu bão mặt trời năm 1859 hay Sự kiện Carrington. Chúng ta có thể kết luận rằng một phun trào nhật hoa (CME) khổng lồ, gắn với tai lửa, được phóng ra từ mặt trời và đến Trái Đất trong vòng 18 giờ - chuyến đi bình thường mất ba đến bốn ngày. Đường dây điện báo ở cả Hoa Kỳ và châu Âu có xung điện từ cảm ứng, trong một số trường hợp thậm chí gây giật điện các điện tín viên và gây cháy. Ánh cực quang được nhìn thấy ở xa phía nam đến tận Hawaii, Mexico, Cuba và Ý - hiện tượng mà bình thường chỉ được nhìn thấy gần các cực.
Những dòng điện cảm ứng được gây ra trên Trái Đất bởi trận siêu bão mạnh đến mức chúng làm mất điện trên toàn bộ Hoa Kỳ. Mặc dù các đường dây điện báo mất điện, chúng vẫn tiếp tục hoạt động, chỉ bằng dòng điện cảm ứng gây ra bởi cơn bão mặt trời.
Kỳ tích gần như không thể tin được này được thực hiện trên đường dây dẫn của American Telegraph Company giữa Boston và Portland, trên đường dây của Old Colony and Fall River Railroad Company giữa South Braintree và Fall River và trên những đường dây khác tại nhiều vùng của đất nước. Điều này xảy ra vào ngày 2 tháng 9 năm 1859, khi mà trong vòng hơn một tiếng họ giữ liên lạc trên đường dây chỉ với sự trợ giúp của dòng điện vũ trụ.
Ngay cả một vật thể nhỏ như Mặt Trăng cũng có thể có tác động rất hữu hình lên Trái Đất, đặc biệt về mặt thời tiết. Ví dụ, một số nhà quan sát thời tiết tính đến vị trí Mặt Trời - Mặt Trăng - Trái Đất khi đưa ra dự báo thời tiết của họ. Điều này làm những dự báo đó chính xác một cách nổi bật.

Trăng non là thời điểm của những rối loạn thời tiết. Ngay trước khi vầng trăng non xuất hiện, nó nằm chính xác giữa mặt trời và Trái Đất, che chắn Trái Đất khỏi hoạt động của mặt trời. Rồi trong vài ngày sau khi trăng non xuất hiện, Trái Đất không còn được che chắn khỏi gió mặt trời và đột ngột nhận một dòng khổng lồ các hạt cơ bản từ mặt trời, dẫn đến những hiện tượng thời tiết gia tăng về cường độ.
Ảnh
© Sott.net
Khi trăng tròn, nó nằm gọn trong đuôi plasma của Trái Đất, làm gia tăng ảnh hưởng của nó
Trăng tròn cũng là thời điểm của những rối loạn và thảm họa liên quan đến thời tiết, bởi vì, như được mô tả ở hình trên, trong giai đoạn này Mặt Trăng đi vào đuôi plasma của Trái Đất (đuôi từ quyển) và ảnh hưởng đến hoạt động điện từ của nó. Trong trường hợp như vậy, Mặt Trăng hoạt động trong tầng điện ly của Trái Đất giống như sao chổi hoạt động trong nhật quyển của mặt trời mà chúng ta đề cập đến ở trên. Như vậy, trăng tròn làm tăng cường sự phóng điện trong tụ điện Trái Đất. Ngoài ra, khi trăng tròn, Mặt Trăng và Trái Đất nằm thẳng hàng với mặt trời và cộng hưởng khả năng gây phóng điện mặt trời của chúng, làm gia tăng hoạt động của mặt trời. Do vậy, có mối tương quan giữa thời kỳ trăng tròn và sự gia tăng trong hoạt động của mặt trời.

Theo cách tương tự, sao Kim cũng có thể có ảnh hưởng mạnh mẽ lên Trái Đất (xem hình dưới) do khoảng cách gần của nó. Thật vậy, đuôi plasma của sao Kim kéo dài khoảng 45 triệu km về hướng quỹ đạo Trái Đất. Đuôi plasma này gần như chạm đến Trái Đất khi hai hành tinh ở khoảng cách gần nhất. Do đó, nó có thể gây rối loạn mạnh mẽ trạng thái điện của Trái Đất. Đuôi plasma lướt qua này tạo ra một mạch điện tạm thời khiến điện tích di chuyển giữa hai hành tinh cạnh nhau. Ngoài ra, trong trường hợp như vậy, sao Kim và Trái Đất nằm thẳng hàng với mặt trời, gây cộng hưởng khả năng làm phóng điện mặt trời của chúng.
Ảnh

Đuôi plasma của sao Kim gần như chạm đến quỹ đạo Trái Đất
Ảnh

Vết đen mặt trời quan sát vào năm 2001
Chương 14: Thay đổi trong hoạt động của mặt trời

Như đã đề cập ở trên, hoạt động của mặt trời là kết quả của sự phóng điện gây ra bởi các thiên thể tích điện trong hệ mặt trời và sự sắp xếp thẳng hàng của các hành tinh. Ba hiện tượng phóng điện chính (tai lửa, CME và vết đen mặt trời) có tương quan mật thiết và chúng báo hiệu sự gia tăng trong hoạt động của mặt trời. Chúng ta sẽ tập trung vào vết đen mặt trời như chỉ số chính của hoạt động mặt trời.

Vết đen mặt trời đã được quan sát, nghiên cứu và ghi lại trong nhiều thế kỷ nay. Các học giả phương Đông, bắt đầu với nhà thiên văn học Trung Quốc Cam Đức, đã bắt đầu nghiên cứu chúng từ năm 364 trước Công nguyên. Đề cập đầu tiên đến vết đen mặt trời bởi một nhà quan sát phương Tây là vào khoảng năm 325 trước Công nguyên, bởi Theophrastus, một học trò của Plato và Aristotle.

Từ giữa thế kỷ 18, các nhà khoa học bắt đầu đếm số vết đen mặt trời có thể quan sát được một cách có hệ thống. Nó cung cấp cho chúng ta dữ liệu rất hữu ích về hoạt động của mặt trời trong hơn 250 năm (từ năm 1750 đến nay). Như có thể thấy ở hình dưới, số vết đen mặt trời trung bình trong khoảng thời gian này thay đổi rất lớn, từ 0 vết đen mặt trời một tháng cho đến hơn 250.
Ảnh
© Spaceweather.com
Số vết đen mặt trời trung bình hàng tháng (1750 đến nay)
Tính đến năm 2013, chúng ta đang trải qua chu kỳ mặt trời 24 (SC24). Chu kỳ này có mức độ hoạt động của mặt trời thấp một cách bất thường và bất ngờ. Theo dự đoán chính thức, SC24 được cho là bắt đầu vào năm 2006, nhưng hoạt động của mặt trời là cực kỳ thấp trong bốn năm sau đó (2006 - 2010). Chu kỳ này chỉ bắt đầu một cách rụt rè vào năm 2010. Ngoài sự khởi đầu chậm và yếu ớt này, NASA, lúc đầu dự đoán số vết đen mặt trời tối đa hàng tháng là 180 cho chu kỳ mặt trời 24, đã phải dần dần điều chỉnh con số này xuống còn 80 vết đen mặt trời / tháng.

Hình dưới cho thấy chu kỳ mặt trời 24 yếu ớt (đường màu xanh dương) và các đường dự đoán bị điều chỉnh giảm liên tục (đường tím = dự đoán năm 2006; đường xanh lá cây = dự đoán năm 2008; đường vàng = dự đoán năm 2009; đường đỏ = dự đoán năm 2010).
Ảnh
© Sott.net
Số vết đen mặt trời trong SC24: dữ liệu quan sát và dự đoán của NASA
Như Joe Gurman, một nhà khoa học làm việc cho dự án quan sát mặt trời STEREO của NASA, gần đây tuyên bố về chu kỳ mặt trời 24 hiện tại:
Có nhiều khả năng nó là đỉnh hoạt động của mặt trời thấp nhất, tính theo số vết đen mặt trời, trong hơn một thế kỷ nay.
Để so sánh, mức tối đa của chu kỳ 23 vào năm 2000 có 120 vết đen mặt trời. Như có thể thấy trong hình dưới, chu kỳ mặt trời 23 (đường màu tím) đã là yếu so với những chu kỳ trước đó. Chu kỳ mặt trời 22 (đường xanh dương) và 21 (đường xanh lá cây) đạt mức tối đa là gần 160 vết đen mặt trời. Nó cao hơn mức tối đa của chu kỳ 23 là 35% và hơn mức tối đa dự đoán của chu kỳ 24 là 100%.
Ảnh
© Wattsupwiththat.com
So sánh các chu kỳ mặt trời 19, 20, 21, 22 và 23
SC23 không chỉ có mức tối đa thấp, nó còn có giai đoạn khởi đầu yếu hơn so với các chu kỳ trước đó, như được minh họa bởi số vết đen mặt trời cho SC21, SC22 và SC23 vào năm thứ 2 (đường thẳng đứng màu đỏ trong hình trên). Do đó, có vẻ như hoạt động của mặt trời bắt đầu suy giảm ngay sau khi chu kỳ mặt trời 23 bắt đầu, nghĩa là vào khoảng năm 1998. Kể từ đó, sự suy giảm trong hoạt động của mặt trời có vẻ như càng nhanh hơn.

Những "điều chỉnh" liên tục trong dự đoán về SC24 cho thấy rõ ràng rằng NASA không hiểu hết tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của mặt trời. Nó cũng đặt ra một số câu hỏi. Dựa vào cơ sở nào mà họ đưa ra những dự đoán thường xuyên là quá lạc quan như được mô tả ở trên? Làm thế nào mà mức tối đa quan sát được của SC24 hoàn toàn khác hẳn với mức tối đa dự đoán? Những yếu tố nào khác đang ảnh hưởng đến hoạt động của mặt trời mà có lẽ thậm chí cả NASA cũng không nhận thức được?

Một điều nữa làm chu kỳ mặt trời 24 nổi bật lên là mức độ hoạt động mặt trời thấp bất thường của nó trùng hợp với con số đặc biệt cao của các thiên thạch trên bầu trời của chúng ta. Chúng tôi sẽ thảo luận vấn đề này chi tiết hơn ở những chương sau nhưng bây giờ hãy cứ giả định rằng sự gia tăng trong số lượng những quả cầu lửa quan sát được trên bầu trời là do sự gia tăng trong hoạt động của sao chổi bên trong hệ mặt trời.

Biểu đồ dưới được xây dựng dựa trên số liệu của Hội Thiên thạch Mỹ (American Meteor Society - AMS). Số lượng các quả cầu lửa trên bầu trời được tường thuật lại tăng 1931% trong khoảng thời gian 2005 - 2010. Không may là AMS không có số liệu trước năm 2005, mặc dù các nhà quan sát đã bắt đầu để ý đến những báo cáo về cầu lửa và thiên thạch từ khoảng năm 2002.
Ảnh
© Sott.net
Gia tăng của số lượng cầu lửa trên bầu trời (2005 đến nay)
Vậy là, một mặt chúng ta có mặt trời đặc biệt yên tĩnh, và mặt khác chúng ta có mức độ hoạt động của sao chổi / thiên thạch đặc biệt cao. Nhưng hoạt động mạnh của sao chổi lẽ ra phải kích hoạt sự phóng điện thường xuyên và mạnh mẽ của mặt trời. Thay vào đó, mặt trời đang hoạt động ở mức thấp nhất trong vòng hơn một thế kỷ nay.

Chúng ta đã bỏ qua điều gì chăng?

Làm thế nào chúng ta có thể dung hòa mức độ hoạt động cao của sao chổi và mức độ hoạt động suy giảm của mặt trời? Điều gì gây ra sự suy giảm trong hoạt động của mặt trời? Điều gì gây ra sự gia tăng trong hoạt động của sao chổi? Liệu cả hai có phải do cùng một nguyên nhân?