Hầu hết mọi người đều đã từng nghe nói hoặc nhìn thấy cực quang trong ảnh. Một số người thậm chí còn may mắn được tận mắt chứng kiến chúng. Nhưng nhiều người không biết chúng hình thành như thế nào hoặc tại sao.
Hiện tượng cực quang bắt đầu bằng một vầng sáng huỳnh quang trên đường chân trời . Sau đó, nó mờ dần và một vòng cung phát sáng xuất hiện, đôi khi khép lại thành một vòng tròn rất sáng. Nhưng nó hình thành như thế nào và hoạt động của nó liên quan đến điều gì?
Sự hình thành của Bắc cực quang
Sự hình thành của cực quang có liên quan đến hoạt động của mặt trời và thành phần cũng như đặc điểm của khí quyển Trái đất. Để hiểu rõ hơn về hiện tượng này, bạn nên tìm hiểu về các cơn bão không gian và ảnh hưởng của chúng đến sự hình thành cực quang.
Hiện tượng cực quang có thể được quan sát thấy trong một khu vực hình tròn phía trên các cực của Trái đất. Nhưng chúng đến từ đâu? Chúng đến từ Mặt trời . Có một sự bắn phá của các hạt hạ nguyên tử từ Mặt trời, được hình thành trong các cơn bão mặt trời. Các hạt này có màu từ tím đến đỏ. Gió mặt trời làm biến đổi các hạt này, và khi chúng gặp từ trường của Trái đất, chúng bị lệch hướng, và chỉ một phần của cực quang có thể nhìn thấy ở các cực.
Các electron cấu thành bức xạ mặt trời tạo ra sự phát xạ quang phổ khi chúng tiếp xúc với các phân tử khí trong từ quyển, phần khí quyển của Trái đất bảo vệ hành tinh khỏi gió mặt trời. Điều này gây ra sự kích thích ở cấp độ nguyên tử, dẫn đến hiện tượng phát quang. Ánh sáng phát quang này lan rộng khắp bầu trời, tạo nên một màn trình diễn thiên nhiên ngoạn mục.
Các nghiên cứu về cực quang
Các nghiên cứu đang được tiến hành để điều tra hiện tượng cực quang trong thời kỳ gió mặt trời. Điều này là bởi vì, mặc dù các cơn bão mặt trời được biết là có chu kỳ xấp xỉ 11 năm , nhưng không thể dự đoán khi nào cực quang sẽ xuất hiện. Đối với tất cả những ai muốn chiêm ngưỡng cực quang, đây thực sự là một điều đáng thất vọng. Việc đi đến các cực không hề rẻ, và việc bỏ lỡ cực quang là vô cùng đáng buồn. Hơn nữa, việc biết thông tin về các màn trình diễn cực quang ở Tây Ban Nha có thể hữu ích cho những người không thể đi xa.
Để hiểu được cách hình thành cực quang, điều cần thiết là phải biết hai yếu tố chính liên quan đến sự hình thành của chúng: gió mặt trời và từ quyển. Gió mặt trời là dòng chảy của các hạt mang điện tích, chủ yếu là electron và proton, được phát ra từ vành nhật hoa. Những hạt này di chuyển với tốc độ đáng kinh ngạc , có thể đạt tới 1000 km/giây, và được gió mặt trời mang đi vào không gian giữa các hành tinh.
Về phần mình, từ quyển hoạt động như một lá chắn bảo vệ Trái Đất khỏi hầu hết các hạt trong gió Mặt Trời. Tuy nhiên, ở các vùng cực, từ trường của Trái Đất yếu hơn, cho phép một số hạt xâm nhập vào khí quyển. Sự tương tác này diễn ra mạnh nhất trong các cơn bão địa từ, khi gió mặt trời mạnh nhất và có thể gây ra nhiễu loạn trong từ quyển.
Sự tương tác của các hạt với bầu khí quyển của Trái Đất
Khi các hạt mang điện từ gió mặt trời xuyên qua khí quyển Trái đất, chúng tương tác với các nguyên tử và phân tử có trong đó, chủ yếu là oxy và nitơ. Quá trình tương tác này là nguyên nhân tạo ra cực quang, tạo nên màu sắc và hình dạng mà chúng ta quan sát được trên bầu trời. Các hạt mặt trời truyền năng lượng cho các nguyên tử và phân tử trong khí quyển, kích thích chúng và nâng chúng lên trạng thái năng lượng cao hơn.
Khi các nguyên tử và phân tử đạt đến trạng thái kích thích này, chúng có xu hướng trở lại trạng thái cơ bản, giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng ánh sáng. Quá trình phát xạ ánh sáng này tạo ra màu sắc đặc trưng của cực quang. Bước sóng của ánh sáng phát ra phụ thuộc vào loại nguyên tử hoặc phân tử liên quan và mức năng lượng đạt được trong quá trình tương tác, điều này có thể được nghiên cứu sâu hơn trong các tầng khí quyển của Trái đất.
Oxy là nguyên nhân tạo ra hai màu cơ bản của cực quang. Màu xanh lục/vàng được tạo ra ở bước sóng năng lượng cao 557,7 nm , trong khi màu đỏ tím được tạo ra ở bước sóng ít phổ biến hơn trong hiện tượng này, 630,0 nm . Cụ thể, một nguyên tử oxy bị kích thích cần gần hai phút để phát ra photon đỏ, và nếu một nguyên tử va chạm với nguyên tử khác trong thời gian đó, quá trình có thể bị gián đoạn hoặc chấm dứt. Do đó, khi chúng ta nhìn thấy cực quang đỏ, chúng rất có thể xảy ra ở các tầng trên của tầng điện ly, ở độ cao khoảng 240 km, nơi có ít nguyên tử oxy hơn để gây nhiễu lẫn nhau.
Màu sắc và khí: oxy và nitơ
Màu sắc của cực quang là kết quả của sự tương tác giữa các hạt mặt trời với các loại khí khác nhau trong khí quyển Trái đất. Oxy và nitơ là hai thành phần chính tạo nên sự đa dạng về màu sắc mà chúng ta quan sát được trên bầu trời trong hiện tượng cực quang. Khi bị kích thích bởi các hạt mặt trời, oxy có thể phát ra ánh sáng xanh lục hoặc đỏ, tùy thuộc vào độ cao nơi xảy ra tương tác. Ở độ cao thấp hơn, khoảng 100 km, oxy phát ra ánh sáng xanh lục, trong khi ở độ cao cao hơn, khoảng 200 km, nó phát ra ánh sáng đỏ. Để hiểu rõ hơn về hiện tượng này, bạn nên tìm hiểu thêm về hiện tượng cực quang xuất hiện nhiều nhất vào những đêm trời quang đãng.
Về phần mình, nitơ góp phần tạo nên màu xanh lam và tím của cực quang. Khi các hạt mặt trời kích thích các phân tử nitơ, chúng có thể phát ra ánh sáng xanh lam hoặc tím , tạo ra sự tương phản với màu sắc do oxy tạo ra. Sự kết hợp của các màu sắc này tạo nên những dải cực quang đa sắc màu ngoạn mục, chiếu sáng bầu trời đêm ở các vùng cực.
Màu sắc của cực quang phương bắc
Mặc dù hiện tượng cực quang thường được liên tưởng đến màu xanh lục rực rỡ, nhưng thực tế nó có thể hiển thị nhiều màu sắc khác nhau. Màu xanh lục là màu phổ biến nhất do sự kích thích của các nguyên tử oxy ở độ cao khoảng 100 km. Tuy nhiên, ở các độ cao khác nhau và với các loại khí khác nhau, các màu sắc khác cũng có thể xuất hiện.
- Màu xanh lá cây: được tạo ra do sự kích thích oxy ở độ cao 100 km.
- Màu đỏ: được tạo ra bởi oxy ở độ cao lớn hơn, khoảng 200 km.
- Màu xanh lam: do sự tương tác của các hạt mặt trời với nitơ.
- Màu tím: cũng là kết quả của sự kích thích nitơ, tạo nên độ tương phản với ánh sáng xanh lá cây và đỏ.
Cực quang trên các hành tinh khác
Hiện tượng cực quang không chỉ có trên Trái Đất. Nhờ những quan sát của Kính viễn vọng không gian Hubble và các tàu thăm dò không gian, chúng ta đã có thể phát hiện cực quang trên các hành tinh khác trong hệ mặt trời, chẳng hạn như Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương. Mặc dù cơ chế cơ bản hình thành cực quang tương tự nhau trên tất cả các hành tinh này, nhưng vẫn có những khác biệt đáng kể về nguồn gốc và đặc điểm của chúng. Để hiểu rõ hơn về những khác biệt này, người ta có thể nghiên cứu các hiện tượng thời tiết ngoạn mục.
Trên sao Thổ, cực quang có nguồn gốc tương tự như trên Trái Đất vì chúng cũng là kết quả của sự tương tác giữa gió Mặt Trời và từ trường của hành tinh này. Tuy nhiên, trên Sao Mộc, quá trình này lại khác do ảnh hưởng của plasma do vệ tinh Io tạo ra, góp phần tạo nên cực quang mạnh và phức tạp. Những khác biệt này khiến việc nghiên cứu cực quang trên các hành tinh khác trở thành một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn, cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về các quá trình vật lý diễn ra trong hệ mặt trời.
Cực quang trên sao Thiên Vương và sao Hải Vương cũng có những đặc điểm riêng biệt do độ nghiêng của trục từ trường và thành phần bầu khí quyển của chúng. Sự khác biệt trong cấu trúc và động lực của từ trường các hành tinh này ảnh hưởng đến hình dạng và hành vi của cực quang, mang đến cơ hội khám phá cách các hiện tượng này thay đổi trong các môi trường hành tinh khác nhau.
Hơn nữa, hiện tượng cực quang đã được phát hiện trên một số mặt trăng của Sao Mộc, chẳng hạn như Europa và Ganymede, cho thấy sự hiện diện của các quá trình từ tính phức tạp trên các thiên thể này. Trên thực tế, tàu vũ trụ Mars Express đã quan sát thấy cực quang trên Sao Hỏa trong các quan sát được thực hiện vào năm 2004. Sao Hỏa không có từ trường tương tự như Trái Đất, nhưng nó lại sở hữu các từ trường cục bộ, liên quan đến lớp vỏ của nó, chịu trách nhiệm cho hiện tượng cực quang trên hành tinh này.
Hiện tượng này gần đây cũng đã được quan sát thấy trên Mặt Trời; đó là hiện tượng cực quang được tạo ra bởi các electron tăng tốc khi đi qua vết đen trên bề mặt Mặt Trời. Cũng có bằng chứng về hiện tượng cực quang trên các ngôi sao khác. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của cực quang ngoài hành tinh của chúng ta, vì chúng cung cấp thông tin quan trọng về từ trường và khí quyển của các thiên thể khác.
Quan sát cực quang phương Bắc
Chứng kiến hiện tượng cực quang là một trải nghiệm khó quên, tuy nhiên nó đòi hỏi sự lên kế hoạch và kiên nhẫn. Để tăng cơ hội nhìn thấy chúng, việc chọn đúng thời gian và địa điểm là rất quan trọng . Từ giữa tháng 8 đến tháng 4, đêm dài hơn và tối hơn ở các vùng cực, làm tăng khả năng chứng kiến hiện tượng này. Đối với những người quan tâm, việc tìm hiểu về Kiruna, thành phố của cực quang , sẽ rất hữu ích.
Những vùng tốt nhất để ngắm cực quang bao gồm Na Uy, Iceland, Phần Lan, Thụy Điển, Canada và Alaska, nơi bầu trời trong xanh và điều kiện thời tiết thuận lợi tạo nên một cảnh tượng hoàn hảo. Nên tìm những địa điểm xa thành phố để tránh ô nhiễm ánh sáng và có tầm nhìn tốt hơn. Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm, hãy xem cơn bão cực quang ngoạn mục ở Canada.
Ngoài ra, điều quan trọng là phải chuẩn bị cho thời tiết lạnh và mặc quần áo phù hợp khi nhiệt độ xuống thấp. Sự kiên nhẫn đóng vai trò quan trọng vì cực quang có thể xuất hiện và tan biến nhanh chóng. Việc cập nhật thông tin về dự báo hoạt động địa từ và sở hữu một chiếc máy ảnh phù hợp sẽ giúp ghi lại được hiện tượng này một cách trọn vẹn nhất.
Tuy nhiên, biến đổi khí hậu cũng bắt đầu ảnh hưởng đến khả năng nhìn thấy cực quang. Nhiệt độ tăng cao và băng ở hai cực tan chảy có thể ảnh hưởng đến mật độ và thành phần của khí quyển, có khả năng làm thay đổi cách nhìn cực quang từ bề mặt Trái Đất. Hơn nữa, tình trạng ô nhiễm ánh sáng ngày càng tăng ở các khu vực đô thị khiến việc ngắm hiện tượng tự nhiên này trở nên khó khăn, buộc người ta phải đi đến những vùng xa xôi để tận hưởng trọn vẹn trải nghiệm này.
Cực quang phương Bắc là lời nhắc nhở về sự hùng vĩ và phức tạp của vũ trụ chúng ta. Khi chúng ta hiểu sâu hơn về những hiện tượng này, nhiều cơ hội sẽ mở ra để khám phá vẻ đẹp hấp dẫn của chúng và các quá trình vật lý đằng sau chúng.
