Hiện tượng cực quang pptx

Hiện tượng cực quang
Trong thiên văn học, cực quang là một hiện tượng quang học được đặc
trưng bởi sự thể hiện đầy màu sắc của ánh sáng trên bầu trời về đêm, được
sinh ra do sự tương tác của các hạt mang điện tích từ gió mặt trời với tầng
khí quyển bên trên của hành tinh.
Các cực quang mạnh nhất thường diễnra sausự phun tràohàng loạt củaMặt
Trời.Cácdải sángnày liên tụcchuyển độngvà thayđổi làm cho chúng trônggiống
như những dảilụamàutrên bầu trời. Đây có thể coi là một trong nhữnghình
ảnhđẹp củatự nhiên.
TrênTrái Đất,MộcTinh,Thổ Tinh,Thiên Vương TinhvàHải Vương Tinh, các
cực quang đượcsinh rado tương tác củacác hạt tronggió mặt trời vớitừ
trườngcủahành tinh, và vì thế chúng là rõ nét nhất ở cácvĩ độcao gầncáccực từ. Vì
lý do này, cực quang diễn ra ởBắc bán cầuTrái Đất đượcgọi là bắc cựcquang, hay
ánh sáng bắc cực; và ởNambáncầuthì là nam cực quang. Tuynhiên, cựcquang
cũng diễn ra trênKim TinhvàHỏa Tinhmà chúng lại gầnnhư khôngcó từ trường
của hành tinh. Trên KimTinh, cácphântửcủa khí quyển được tíchtụnăng
lượngtrực tiếp từ gió mặt trời;trên HỏaTinh, cáccực quangdiễnra gần cácđiểm
dịtừ khu vực trong lớpvỏhànhtinh, là tàndư của từ trường cũ của hành tinh(giả
thiết) mà ngày naykhôngcòntồn tạinữa.
TrênTrái Đất, cực quangdiễnra khi cácđới bức xạ Van Allentrở nên "quá
tải" với cáchạtcao nănglượng, sauđó chúng đổ xuống cácđường sứctừvà va chạm
với lớp trên của bầu khí quyển Trái Đất.
Nguồn gốc củacác cực quang là khoảng149 triệu km tính từ TráiĐất về
hướngMặt Trời
[cần dẫn nguồn]
. Các hạt cao năng lượng từ Mặt Trời đượcđưa vào
khônggian cùngvớigió mặt trờinóng vàluôn luôn tồn tại. Luồng gió nàyđâm
vớitốcđộ siêu nhanhvề phíaTrái Đất thông qua khoảng khônggianliên hànhtinh
với vậntốc daođộng trongkhoảng300 đếntrên 1.000km/s,mang theo cùngvới
nó làtừ trườngmặt trời. Giómặttrời làm nhiễu loạn từ trường của Trái Đất để tạo
raquyểntừchứađầy plasma và có hìnhdạng tựa saochổi. Từ trường củaTrái Đất

có tác dụng như một vật cản, bảo vệ Trái Đất trướccáchạt tích năng lượngvàbức
xạtrong gió mặt trời. Năng lượng và xunglượng của hạtđược truyềntừ gió mặt
trời sangquyển từ thông qua một quy trình đượcbiết như là "tái kết nối từ". Trong
quá trìnhnày, các đường sức từ liên hànhtinh(xuất pháttừ Mặt Trời) đượckết
hợp với địa từ trường. Các hạt trong gió mặt trời có thể đi vào cácđường sứctừ
mớitạo thành. Các nhà vật lý nghiên cứu về cực quang gọi đó là "đườngsức từ
mở" (các đườngnày mở vào gió mặt trời). Do áp suất động lực của gió mặt trời, các
đườngsức từ mới tạo thành sẽ được di chuyểnđối lưu trên đỉnh cực vàvào trong
đuôicủa quyển từ Trái Đất. Ở đây, sự tái kết nối từ trường mới lại cóthể diễn ra,
tạo ra đường sức từ đóng mới. Đườngtừ trường đốilưu sẽ chứa các hạtgió mặt
trời. Mộtsố hạt sẽ có thể đi tới tầng ion trước khiđường sức từ chạm tới đuôi của
quyển từ.Các hạt nàytạo ra cựcquangban ngày. Cực quangbanđêm được tạo ra
từ các hạt được gia tốctừ đuôi quyển từ về hướng Trái Đất.Các hạtnàybị chặn lại
bởi các đườngsức từ đóng.
Ảnh chụp củanam cựcquang,chụp từ tàu vũ trụ trên quỹ đạo vàotháng5
năm 1991,vớicực đại củađịa từ trường
Các điện tử bị chặn lại trongtừ trường Trái Đất (hiệu ứnggương từ) đượcgia
tốc dọc theo từ trườngvề phíakhu vực vùng cực và sau đó đâm vào khí quyển để
tạo ra cựcquang. Cựcquang diễnra mãnhliệt nhất vào thờigian hoạt độngmạnh
của cáccơn bão từ sinh ra bởihoạt động củavết đen mặttrời. Sự phân bổ
củacườngđộcực quang theocao độ chỉ ramứccực đại rõnhất ở khoảng 100km
phía trênTrái Đất.
Các hạt đâm xuống địatừ trường, chạmtới tầng trung hòa của khí quyển
trong một hình gần tròn gọi là ôvan cực quang. Hình gầntròn này có tâm ở phía
trên cực từ và kích thước khoảng3.000km theo đường kính trong nhữnglúc yên
tĩnh. Vòng tròn này lớn nhanhkhiquyểntừ bị làm nhiễuloạn. Khu vực có ôvancực
quangnói chungtìm thấy trongphạm vi60 và 70 °tínhtheo vĩ độ bắc hay nam.
Trongthời gianMặt Trời hoạt động tích cực thì ôvancực quang mở rộng và các
cực quang có thể được nhìn thấy từ các vĩ độ thấp tới 25-30° bắc và namtrong
một số trường hợp. Ví dụ, ngày7tháng 11năm2004, saukhicó hoạt động phun

trào củaMặt Trời mãnh liệt, chúng đượcnhìn thấy ở xa tới tậnArizona.Ở vĩ độ 45
° cực quang cóthể nhìn thấy vàokhoảng 5 lần/năm, trongkhi ở trên 55 °thì gần
như nhìn thấy chúng mọi đêm.
Hình ảnhcực quangtrên Trái Đất.
Các điểmđặc trưngcủa cực quanglàchúngcó nhiều hìnhdạngvàkích thước.
Các cung và tia cực quang caobắt đầu sáng rõ ở cao độ 100 km trên bề mặt Trái
Đất và kéo dài lên phía trên dọctheo từ trường trong hàngtrăm kilômét. Các cung
hay màn nàycó thể mỏng chỉ khoảng 100 méttkhi mở rộng ra đườngchân trời.
Các cung cựcquang có thể gần như đứngim và sauđó tựa như bàn tay, chúng tạo
ra mộtcái màn cao, bắt đầu nhảy múa vàđổi hướng.Sau nửa đêmquyến rũ, cực
quangcó thể có hình dángloanglổ và các đốm thôngthường nhấp nháy sau
khoảng mỗi 10 giây chođến tậnrạng đông.Phần lớn các cực quang có màu vàng
ánh lụcnhưng đôikhi cáctia cao sẽ có màu đỏ ở đỉnh và dọc theogờ thấp của
chúng. Trong một ít trườnghợp, ánh sángMặt Trời sẽ va phải phầnđỉnh của các
tia cựcquangtạo ra màu lam nhạt. Trong mộtsố rất ít trường hợp (khoảng1 lần
trong 10năm) cực quangcó thể có màu dỏ sẫm như máu từ đỉnh đến đáy. Ngoài ra
để tạora ánh sáng thì các hạt chứanănglượng cũngsinh ranhiệt.Nhiệt bị làm tiêu
tan bởi bức xạhồng ngoạihay bị mangđi xa bởi các trận gió mạnh tronglớp trên
của khíquyển.
Trongnhững năm gần đây, sự phổ biến của 'Du lịch cực quang' đã đem một
lượng lớn du khách tới nhiều điểm về truyềnthống là không ở được trong thời
gian diễn ra mùa đông vùng cực. Nhờ có ảnh hưởng làm ấm củacác dònghải lưu
ấm và tương đốidễ tiếp cận củamình nên Iceland và BắcScandinavia là các điểm
đến phổ biến nhất. Để có thể quan sát cựcquangthì ngoàihoạt động của cực quang
cần có các điều kiện như trời quangmâyvà ít ánh sáng không tự nhiên (ánhsáng
đèn). Việc chụp ảnh cựcquangđòi hỏi các máy ảnh phải được trang bị saocho của
chắn sáng phải mở trên 5 giây.Các pinmáy ảnh kỹ thuậtsố bị haorất nhanhtrong
điều kiện lạnh,vì thế một lời khuyên hữu ích là cần đemtheo cácpin dự phòng.
Bản chất vật lý
KristianBirkelandvà thực nghiệm môhình TráiĐất của ông

Cực quang có thể sinh rabằng tươngtác của các hạt cao năng lượng (thông
thường làđiện tử) vớicác nguyên tử trung hòa trong lớp trên của khí quyển Trái
Đất. Các hạt cao năng lượng này có thể kích thích(do va chạm) cácđiện tử hóa trị
được liên kếtvới nguyên tử trung hòa.Các điện tử bị kích thích sauđó có thể trở
về trạng thái thấp nănglượng nguyên thủy củachúng vàtrongquá trìnhđó giải
phóngra cácphoton(ánh sáng). Quá trìnhnày giống như sự phóng
điệnplasmatrong đènneon.
Màu cụ thể nào đó của cực quang phụ thuộc vào loại khí cụ thể củakhí quyển
và trạng tháitích điện của chúng cũngnhư năng lượng của các hạt đâmvào khí của
khí quyển.Ôxynguyêntử chịu trách nhiệm cho hai màu chínhlà lục(bước
sóng557,7nm)và đỏ (630,0nm) ở các cao độ cao.Nitơsinhramàu lam(427,8nm)
(các ion)cũng như màu đỏ biến đổinhanh từ ranh giới thấp củacác cung cực
quangđang hoạtđộng.
Một trong những nhàkhoa học đầu tiên tiến hànhmô hình hóa cực quang
làKristianBirkeland(ngườiNaUy). Mô hình từ trường trái đất củaông, chỉ rarằng
các điện tử cao năng lượngđâm trực tiếp vào mô hình trái đất được dẫndắt về
phía cáccựctừ và sinhra các vòng ánhsáng xungquanh các cực.Ông cũnggiả
thiết xahơn nữa "Các dòng điện như thế được hình dung là có thể tồn tại chủ yếu
nhờ các hiệu ứng thứ cấp củacác hạt tích điện từ mặt trời bị lôi kéo vàokhông
gian" (năm1908). Các dòngđiệnnhư vậy sau nàyđã đượcủng hộ lớn trong bài báo
củaHannes Alfvén. Năm1969, MiloSchield, AlexDessler và John Freeman, sử dụng
tên gọi "cácdòng điện Birkeland" lần đầu tiên,mà sự tồn tại của chúngcuối cùngđã
được xác nhận năm1973nhờ vệ tinh Triad của hải quân.
Giải thích
Hình ảnhcực quangtrênSao Mộc
Cực quang xuấthiện làdo các hạt mangđiện trongluồngvật chấttừMặt
Trờiphóng tới hành tinh, khi các hạt này tiếp xúcvớitừ trườngcủa hànhtinh thì
chúng bị đổi hướng dotác dụng củalực Lorentz.Lực này làm chocác hạtchuyển
độngtheo quỹ đạo xoắnốc dọc theođường cảm ứngtừcủa hành tinh.Tại hai cực
các đườngcảm ứng từ hội tụ lại và làmcho các hạt mangđiện theođó đi sâu

vàokhí quyểncủa hànhtinh.
Khi đi sâu vàokhí quyểncác hạtmang điện va chạm với cácphântử,nguyên
tửtrongkhí quyển hànhtinh và kích thích các phân tử này phát sáng. Dothành
phần khíquyểnhành tinh chứa nhiều khí khác nhau,khi bị kích thích mỗi loại khí
phátra ánh sáng cóbước sóngkhác nhau,tức lànhiều màu sắc khác nhau dođó tạo
ra nhiều dải sángvới nhiều màusắc trên bầu trời ở hai cực.
Cực quang khác
Cực quang khôngphảilà một hiện tượng riêng biệt của khí quyển trái đất.
Ngườita đã quan sát thấy hiệntượng cực quang trên cáchành tinhkhác tronghệ
MặtTrời, và cũng đã tái tạo nótrong phòngthí nghiệm.
Cực quang
trênsao Thổ
Cực quang trongphòng thínghiệm
năm 2005
Âm thanh của cực quang
Ngườita thường cho rằng việcnhìn thấycực quangbao giờ cũng kèm theo
các tiếng nổ tanh tách hay tiếngkêu rền.
Sự lan truyền của các âm thanhnày trong khí quyển (giống như khi ngườita
nói làm daođộngcác phân tử trong khôngkhí) là không chắc chắn.Cực quangdiễn
ra khoảng 100km phíatrên Trái Đất trongcác điều kiện không khí cực kỳ loãng,
có nghĩalà chúng khôngthể truyền cácâm thanh ngheđược đủ xa để có thể chạm
tới mặt đất.
Một khả năng làcác sóngđiện từ đượcbiến đổithành sóng âm bởicác vật thể
gần vớingườiquan sát,hoặc trựctiếpảnh hưởng tới cơ quan thính giác củangười
quan sát.
Đối vớingười Inuitvà các nềnvăn hóa bắcCanada, người ta đã biết một thực
tế là sự diễnra củacác tiếng kêu hay các tiếng hát làđiều có thật. Các âm thanhnày
nghe thấy chủ yếu khi người quansát đã rời xa các các chỗ ồn ào haycó chiếu sáng
- thông thường trong các chỗ lạnh giávà không có giócủa đêm đông.Việc nghe
thấycác âm thanhlạ đượcví với các sự kiện tâmlinh và nó đượckhắc sâu trong trí

nhớ của mỗi cá nhân trong cuộcđời họ.
Các âmthanhcực quang này được so sánh với âm thanhcủahợpxướng rạng
đông.
Trườngđại học công nghệ Helsinkiđã thực hiệnviệc kiểmtra và ghi âm các
âm thanh này. Theo báoKaleva,người ta đã ghi nhận có các tiếng kêu rền,tiếng ầm
và tiếng nổ khi có các cực quang vùng cực với mức độ sáng cao.
Cực quang trong văn hóa dân gian
Trongthần thoại của Bullfinch năm1855củaThomasBulfinchđã có khẳng
định rằng trongthần thoại NaUycó kể :
CácValkyrielà các cô gái đồngtrinh tựachiến binh cưỡi ngựa đượctrang bị
áo giáp và giáo./ / Khi họ đi về phía mục tiêu của mình,áo giápcủa họ tỏa ra ánh
sáng lập lòekỳ lạ, nó chiếu sáng toàn bộ bầu trời phương bắc,tạo ra cái mà con
người gọi là "bắc cực quang" hay"ánh sáng phương bắc"
[1]
.
Trongkhi nó là một khái niệm gây ấntượng thìlại không có gìtrong văn học
của Na Uy cổ hỗ trợ việc xác nhận nó. Mặcdù cực quang là phổ biến ở Scandinavia
và Iceland ngày nay, nhưng khả năng là cực bắc của địa từ trường đã ở xamột cách
đáng kể với khu vực nàytrong các thế kỷ trước khi có cáctư liệu về thần thoại Na
Uy, điềunày giải thích sự thiếu vắng các mối liên quan
[2]
.
Thay vì thế, tư liệu cổ nhất của người NaUy về norðrljós được tìmthấy trong
biên niên sử của ngườiNa Uy Konungs Skuggsjá có vàokhoảng năm1250.Người
ghi chépsử đã nghe về hiện tượngnày từ những đồng bào trở về từGreenland,và
ông ta đã đưa raba giải thích cókhả năng nhất: Đại dương đượcbao quanh bằng
các ngọnlửa baola hay ánh sángmặt trời có thể đến đượctới phần đêm của thế
giới hoặc cácsôngbăngcó thể tích trữ năng lượng để cuốicùng chúngtrở
thànhhuỳnhquang
[3]

.
Một trong các tên gọi cổ trong tiếng Thụy Điểncho ánh sáng phương bắc là
sillblixt, đượcdịch ranhư là ánh sáng cá trích. Người ta tinrằng ánhsáng phương
Bắc là sự phảnchiếu màu sắc củacácđàncá tríchlớn lên bầu trời
[3]
.
Trongtiếng PhầnLan, tên gọi củaánh sángphươngBắc làrevontulet, lửacủa
cáo. Theotruyền thuyết,những concáotạo ra lửasống ởLapland, vàrevontulet là
các tia lửa tạora khi chúng phấtđuôi của chúng lên trên trời
[3][4]
.
NgườiSamitạiLaplandcổ (Sápmi) tin rằngngười ta cần phải đặc biệt cẩn
thận vàim lặng
[3]
khi bị quan sátbởi guovssahasat.
Trongvăn hóadân giancủangười Inuit(Eskimo)tạiGreenlandvàmiền
bắcCanada,ánh sáng phương Bắc là linhhồn củangười chết đangchơi bóng bằng
đầu lâuhải mãtrên trời
[5][3]
. Tên gọicủa họ để chỉ Bắc cực quanglà aqsalijaat,dấu
vết củanhữg người chơibóng
[3]
.