Mặt trời và chu kỳ vệt đen Mặt trời

Nội dung text: Mặt trời và chu kỳ vệt đen Mặt trời

1. VỆT ĐEN MẶT TRỜI Ai trong chúng ta cũng biết rằng sự sống trên Trái đất tồn tại được là nhờ mặt trời. Mặt trời là nguồn cung cấp ánh sáng và nhiệt năng cho Trái đất. Tuy nhiên, rất ít người trong chúng ta hiểu biết tường tận về cấu trúc của mặt trời và các ảnh hưởng của nó đối với môi trường khí hậu. Do đó, trong bài này chúng tôi muốn giới thiệu với các bạn về cấu trúc của mặt trời theo các nghiên cứu của các nhà khoa học làm việc cho Nasa. Thêm vào đó, ngày nay con người đã biết thêm rằng các vệt đen mặt trời và chu kỳ của nó cũng góp phần vào việc gây nên sự nóng dần của Trái đất, từ một công bố vào đầu năm 1997 của ba nhà khoa học người Đan Mạch (xem thêm bài viết của Gs. Lê Huy Bá, Viện Môi Trường và Tài Nguyên Đại Học Quốc Gia, TP. HCM, Tuổi Trẻ Chủ Nhật 8/3/1998). Một chu kỳ mặt trời kéo dài khoảng 11 năm, trong chu kỳ này hoạt động của mặt trời tăng lên trong bốn năm và giảm trong bảy năm sau, liên quan đến sự thay đổi cực liên tiếp của từ trường mặt trời. Ở giai đoạn cực đại của chu kỳ ấy, số lượng các vệt đen mặt trời đạt tới số lượng nhiều nhất. Các vụ nổ của mặt trời cũng nhiều hơn, phát xạ vào vũ trụ các ion tạo thành gió mặt trời, làm cho các tia vũ trụ không thể tới được trái đất để tạo điều kiện cho sự phát triển của "lớp vỏ mây" trên khí quyển trái đất, do đó các tia mặt trời đến trái đất nhiều hơn và làm cho trái đất nóng lên. Vào giai đoạn cực tiểu các tia vũ trụ đến được Trái đất nhiều hơn tạo thành các đám mây hắt ngược lại vào vũ trụ hơi nóng mặt trời, do đó khí hậu Trái đất lạnh đi.
2. Dựa trên lý thuyết này, tại một hội nghị tổ chức tại Hague vào ngày 14-11-1996, Friis Christensen và một số nhà khoa học Hà Lan cho rằng sự nóng dần lên của Trái đất là do Mặt trời. Theo họ, có thể không cần xây dựng mục tiêu nhằm giảm thiểu các khí gây ra hiệu ứng nhà kính. Nhưng theo Viện khí Tượng Hoàng gia Hà Lan (KNMI), Viện Nghiên cứu Môi trường (IUM) thì có mối quan hệ giữa sự tăng nhiệt độ trung bình của Trái đất và sự tăng nồng độ các khí gây hiệu ứng nhà kính. Giờ đây, một phần thay đổi của hệ thống khí hậu có thể qui cho vai trò của các vệt đen mặt trời, nhưng nó nhỏ hơn vai trò của các khí gây hiệu ứng nhà kính, do đó việc cắt giảm các khí thải gây hiệu ứng nhà kính cũng vẫn là vấn đề tối cần thiết. Trong bài này chúng tôi sẽ lược qua về chu kỳ vệt đen mặt trời và các số liệu gần đây nhất về chu kỳ thứ 23 của vệt đen mặt trời. Why We Study the Sun? Tại sao chúng ta nghiên cứu về Mặt Trời? Theo các nhà khoa học ở Nasa có 4 nguyên nhân chính: • Liên quan đến khí hậu Trái đất: số lượng và "chất lượng" của ánh sáng mặt trời thay đổi theo các khoảng thời gian (từ 1/1000 giây đến hàng tỉ năm). Một vài sự thay đổi có thể ảnh hưởng đến khí hậu của Trái đất của chúng ta một cách không rõ ràng. • Liên quan đến thời tiết của vũ trụ: mặt trời tạo nên các luồng gió mặt trời (luồng khí chuyển động từ Mặt trời đến Trái đất với vận tốc lớn hơn 500 km/giây). Những rối loạn của luồng gió mặt trời sẽ làm ảnh hưởng đến từ trường của Trái
3. đất làm tăng dòng điện trong các dây dẫn, làm hư hại các thiết bị điện và hệ thống truyền tải điện ở một khu vực lớn. Bề mặt của Mặt trời thường xảy ra các vụ nổ phóng ra tia UV và tia X vào phần trên của khí quyển Trái đất. Việc tăng các tia phóng xạ có thể làm hư hại các vệ tinh nhân tạo và gây nguy hiểm cho các nhà du hành vũ trụ. • Mặt trời là một vì sao: mặt trời là vì sao duy nhất gần Trái đất của chúng ta. Do đó, chúng ta có thể nghiên cứu về mặt trời để hiểu biết thêm về các vì sao khác và phần còn lại của vũ trụ. Ngày nay con người đã biết được tuổi của mặt trời, đường kính, trọng lượng, độ sáng của nó và nhiều chi tiết về cấu trúc bên trong và khí quyển của nó. • Mặt trời có thể coi như là một phòng thí nghiệm lý học: mặt trời tạo nên nguồn năng lượng của nó bằng các phản ứng hợp nhân - 4 hạt nhân của hydrogen hợp lại thành hạt nhân của helium. Các nhà khoa học đang tìm cách tạo nên những phản ứng tương tự. The Big Questions Các câu hỏi lớn Nguồn gốc của chu kỳ vệt đen mặt trời (Sunspot cycle)? Khoảng hơn 11 năm số lượng của các vệt đen mặt trời tăng từ gần bằng 0 đến hơn 100 (gần 200) sau đó giảm xuống đến gần bằng 0 khi chu kỳ mới bắt đầu. Bản chất và nguyên nhân của các chu kỳ vệt đen mặt trời vẫn còn là điều bí ẩn đối với các nhà thiên văn học vì hiện tại dù họ đã biết được nhiều chi tiết cũng như những quá trình đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo nên các vệt đen mặt trời, họ vẫn chưa thể lập nên các mô hình để tiên đoán chính xác số lượng vệt đen mặt trời ở các chu kỳ sắp tới. Bản chất của các vụ nổ (solar flares) ở bề mặt mặt trời Khu vực xung quanh các vệt đen mặt trời thường nổ tung, làm cho vật chất ở đây bị nung lên đến hàng triệu độ trong vòng vài giây và phóng ra vũ trụ hàng tấn các vật chất. Nguyên nhân chính xác gây ra các vụ nổ này cũng là điều bí ẩn đối với các nhà
4. khoa học, họ đã biết được cơ chế của các vụ nổ nhưng chưa thể tiên đoán chính xác được nơi nào và khi nào sẽ xảy ra các vụ nổ và cường độ của nó là bao nhiêu? Quá trình nung nóng vầng sáng chung quanh mặt trời (Corona): Nhiệt độ của Corona lên đến hơn 1.000.000 oC (1.800.000 oF), trong khi nhiệt độ bề mặt mặt trời chỉ khoảng 6.000 oC (10.000 oF). Bản chất của quá trình nung nóng Corona và duy trì nhiệt độ cao như vậy cũng là điều bí ẩn đối với các nhà khoa học. Thông thường thì nhiệt độ giảm dần khi xa dần nguồn nhiệt. Điều này đúng đối với nhiệt độ của mặt trời khi đi từ trong lõi của nó ra đến bề mặt. Các nhà khoa học đã đưa ra một số cơ chế để giải thích, nhưng chưa có một cơ chế nào được sự tán đồng. Sự biến mất của các hạt neutrios Các hạt neutrios được tạo ra từ các phản ứng hạt nhân trong lõi của mặt trời và phóng thích vào vũ trụ. Việc phát hiện các hạt neutrinos rất khó khăn. Tuy nhiên, một số các nghiên cứu độc lập đã cùng đi đến kết luận rằng chỉ có khoảng 1/3 số lượng của các neutrinos này hiện diện ở Trái đất. Magnetism - The key to Understanding the Sun Từ học - Chìa khóa để hiểu rõ Mặt trời Từ trường của Mặt trời: từ trường được tạo ra trên Mặt trời bởi sự di chuyển của các ion mang điện tích và các electron. Vệt đen mặt trời là những chỗ các đường từ trường mạnh xuyên qua bề mặt mặt trời. Chu kỳ vệt đen mặt trời được tạo ra bởi sự tái tạo lại từ trường do các dòng vật chất bên trong mặt trời. Dự báo thời tiết vũ trụ: hiểu rõ về từ trường của mặt trời giúp ta có những dự đoán chính xác về thời tiết vũ trụ. Các nhà khoa học đã xác định được rằng các vụ nổ ở bề mặt mặt trời diễn ra ở những nơi mà từ trường giữa hai vệt đen mặt trời bị biến dạng hay xoắn lại.
5. Solar Structure Cấu trúc của Mặt trời Phần bên trong của mặt trời: phần bên trong của mặt trời được chia làm 4 khu vực theo các quá trình khác nhau diễn ra ở từng khu vực. Từ trong ra ngoài ta có phần lõi (the core), vùng bức xạ, mặt phân giới và khu vực đối lưu nhiệt. Phần lõi của mặt trời là nơi xảy ra các phản ứng hợp nhân, sử dụng hydrogen để tạo ra helium. Những phản ứng này tạo nên năng lượng và cuối cùng năng lượng này được phóng thích ra khỏi mặt trời dưới dạng ánh sáng. Nhiệt độ ở tâm của mặt trời lên đến 15.000.000oC (27.000.000 oF) và tỉ trọng lên đến 150 g/cm3 (khoảng 10 lần lớn hơn tỉ trọng của vàng hoặc chì). Đi dần ra tới gần khu vực phóng xạ (175.000 km kể từ tâm), nhiệt độ giảm xuống chỉ còn khoảng phân nửa nhiệt độ ở tâm và tỉ trọng giảm xuống còn 20 g/cm3. Khu vực phóng xạ: đặc điểm của khu vực này là năng lượng được truyền đi theo dạng bức xạ. Tỉ trọng giảm từ 20 g/cm3 (ở phần bên trong của khu vực này) xuống còn 0,2 g/cm3 (ở phần bên ngoài của khu vực) và nhiệt độ giảm từ 7.000.000 oC xuống còn 2.000.000oC.
6. Mặt phân giới là mặt phân chia khu vực phóng xạ và khu vực đối lưu nhiệt. Các nhà khoa học cho rằng từ trường của mặt trời được sinh ra từ khu vực này. Khu vực đối lưu: kể từ mặt phân giới (200.000 km) đến bề mặt mặt trời. Nhiệt độ ở phần trong cùng của khu vực này khoảng 2.000.000oC. Nhiệt độ này đủ "mát" để các ion nặng (carbon, nitrogen, oxygen, calcium và sắt) giữ các electron của nó lại. Nó tạo nên một lớp chắn sáng không cho bức xạ đi qua. Quá trình truyền nhiệt ở đây theo kiểu đối lưu nhiệt. Nhiệt độ ở bề mặt mặt trời giảm xuống chỉ còn 5.700oC và tỉ trọng còn 0,0000002 g/cm3 (khoảng một phần mười nghìn tỉ trọng của không khí ở mực nước biển). Quang quyển: là bề mặt của mặt trời. Do mặt trời là một quả cầu khí, đây không phải là bề mặt rắn nhưng nó là một lớp dầy khoảng 100.000 km (rất, rất mỏng so với phần còn lại của mặt trời). Sắc quyển: đây là một lớp bất thường ngay trên quang quyển, nơi mà nhiệt độ tăng lên 20.000 oC. Ở nhiết độ này hydron phát ra ánh sáng có màu đỏ nhạt (có thể quan sát thấy ở những ngày nhật thực). Khu vực chuyển tiếp: khu vực chuyển tiếp là một mặt rất mỏng phân cách phần Corona (rất nóng) với sắc quyển (nguội hơn). Nhiệt được truyền từ Corona đến sắc quyển thông qua khu vực này và quá trình này làm nhiệt độ hạ xuống từ 1.000.000 oC (ở Corona) còn 20.000.000oC (ở sắc quyển). Ánh sáng phát ra ở khu vực chuyển tiếp là do các ion carbon, oxygen và silicon. Vầng sáng xung quanh mặt trời (Corona): Corona là lớp khí quyển ngoài cùng của mặt trời. Chúng ta có thể quan sát thấy vào những ngày nhật thực, nó là một vầng sáng trắng bao quanh mặt trời. Coronal holes: là vùng sậm màu của Corona. Các lỗ này được phát hiện khi con người
7. đưa các viễn vọng kính X quang vào vũ trụ. Các lỗ này thường xuất hiện ở vùng cực của Mặt trời, và coronal holes thường đi đôi với một từ trường "mở". Gió mặt trời: gió mặt trời là dòng chuyển động của các chất khí ở vận tốc khoảng 1.000.000 mi/giờ. Gió mặt trời được sinh ra từ Corona và thổi đi mọi hướng xung quanh mặt trời. Tuy nhiên, vận tốc của gió mặt trời không đồng nhất theo từng khu vực. Vệt đen mặt trời Vệt đen mặt trời: vệt đen mặt trời là những vệt có màu sậm trên bề mặt mặt trời. Thường chúng tồn tại khoảng vài ngày, các vệt lớn có thể tồn tại vài tuần. Các vệt đen mặt trời là nơi mà từ trường của mặt trời mạnh hơn từ trường của Trái đất hàng ngàn lần. Các vệt đen mặt trời thường tập hợp lại thành nhóm và có hai loại, một loại mang cực dương, một loại mang cực âm của từ trường. Từ trường mạnh hơn ở khu vực có màu sậm hơn. Vệt sáng mặt trời: là các khu vực sáng nằm ở rìa của mặt trời. Từ trường ở đây yếu hơn nhiều so với từ trường của các vệt đen mặt trời. Trong khi các vệt đen mặt trời có khuynh hướng làm cho mặt trời tối hơn các vệt sáng mặt trời có khuynh hướng làm cho mặt trời sáng hơn.
8. Số lượng vệt đen mặt trời Vệt đen mặt trời được phát hiện bởi Galileo vào năm 1610 khi ông sử dụng kính viễn vọng mới để quan sát mặt trời. Việc quan sát vệt đen hàng ngày bắt đầu từ năm 1749 ở Đài Quan Sát ở Zurich và sau đó ở các Đài khác từ năm 1849. Số lượng vệt đen mặt trời được tính toán bằng cách đếm các nhóm vệt đen mặt trời và đếm từng vệt đen riêng biệt. Số lượng vệt đen mặt trời sẽ là số lượng của từng vệt đen riêng biệt cộng với 10 nhân cho số lượng nhóm vệt đen mặt trời (do trung bình mỗi nhóm vệt đen mặt trời chứa khoảng 10 vệt đen mặt trời). Biểu đồ hình bướm Những quan sát chi tiết về vệt đen mặt trời được tiến hành từ năm 1874 bởi Đài Quan sát Hoàng Gia Anh (Greenwich). Các thông tin mà đài này ghi nhận bao gồm kích thước, vị trí, và số lượng các vệt đen mặt trời. Những số liệu này cho thấy vệt đen mặt trời không xuất hiện một cách ngẫu nhiên, nó xuất hiện ở hai bên xích đạo của mặt trời (nằm trong khoảng 30 độ Bắc và 30 độ Nam). Đầu tiên nó xuất hiện ở khoảng giữa của hai vĩ độ này sau đó lan rộng dần và tiến dần về phía xích đạo khi chu kỳ vệt đen mặt trời diễn ra. Dự báo về chu kỳ vệt đen mặt trời Có nhiều phương pháp để dự báo chu kỳ về vệt đen mặt trời: • Phương pháp của Ohl and Ohl [Sola-Terrestrial Prediction Proceeding, Vol. II. 258 (1979)]
9. • Phương pháp của Joan Feynman • Phương pháp của Richard Thompson [Solar Physics 148, 383 (1993)] • Cả ba phương pháp trên đều dựa vào việc đo đạc Địa Từ Trường Các vệt đen mặt trời ảnh hưởng đến Trái đất như thế nào? Trái đất chúng ta bị ảnh hưởng bởi các vụ nổ trên bề mặt mặt trời và các vệt đen mặt trời. Các hạt phóng thích từ các vụ nổ có thể làm mất sóng radio, phóng xạ của các vụ nổ làm cho các hành khách di chuyển bằng máy bay chịu ảnh hưởng phóng xạ bằng với liều lượng của X quang dùng trong y học. Các vệt đen mặt trời có thể có các mối quan hệ lâu dài với khí hậu Trái đất. Các nhà khoa học đang tranh luận về vấn đề kỷ băng hà có thể có liên quan đến giai đoạn mặt trời có ít các vệt đen hơn bình thường. Chu kỳ 23 của vệt đen mặt trời Chu kỳ 23 của vệt đen mặt trời đang diễn ra. Cực đỉnh của chu kỳ được dự báo vào năm 2000. Số lượng vệt đen hàng ngày được thông báo trên web site (cập nhật hàng ngày). • Ngày 6 tháng 10 năm 1998 số lượng vệt đen mặt trời là 21 • Ngày 13 tháng 11 năm 1998 số lượng vệt đen mặt trời là 85 • Ngày 2 tháng 12 năm 1998 số lượng vệt đen mặt trời là 153.