Bạn đã bao giờ bị mê hoặc bởi những ánh sáng lung linh, đầy màu sắc xoáy tròn trên bầu trời đêm gần hai cực chưa? Bạn biết đấy, Bắc Cực Quang hay Cực Quang Phương Bắc?

Chúng đã khơi nguồn cho những huyền thoại và điều kỳ diệu qua nhiều thế kỷ, nhưng câu chuyện thực sự đằng sau chúng hoàn toàn là khoa học — và thành thật mà nói, nó khá tuyệt vời. Hãy cầm lấy một tách và cùng khám phá khoa học đích thực đã tạo nên màn trình diễn ánh sáng vũ trụ này.

Cực quang chính xác là gì?

Cực quang là hiện tượng ánh sáng tự nhiên, chủ yếu được nhìn thấy ở các vùng vĩ độ cao như Na Uy, Alaska, Canada và Iceland. Chúng xảy ra do sự tương tác giữa các hạt tích điện từ Mặt Trời và môi trường từ trường của Trái Đất. Những ánh sáng này có thể xuất hiện dưới dạng rèm cửa, hình xoắn ốc, hoặc những tia sáng rực rỡ với các màu xanh lá cây, đỏ, tím và xanh lam nhảy múa trên bầu trời đêm.

Vai trò của Mặt Trời: Dòng hạt tích điện liên tục

Mặt Trời của chúng ta luôn phát ra một luồng hạt tích điện được gọi là gió Mặt Trời, chủ yếu bao gồm các electron và proton di chuyển với tốc độ khoảng 400 đến 800 km/giây (khoảng 1,6 đến 3,2 triệu km/giờ). Trong những giai đoạn hoạt động mạnh của Mặt Trời — như các đợt bùng phát năng lượng Mặt Trời hoặc các vụ phun trào vật chất vành nhật hoa — luồng gió này sẽ mạnh lên.

Khi các hạt năng lượng cao này đến Trái Đất, chúng sẽ gặp phải từ quyển, từ trường của Trái Đất trải dài hàng chục nghìn km vào không gian, bảo vệ chúng ta khỏi bức xạ Mặt Trời có hại.

Cực quang hình thành như thế nào?: Một màn trình diễn va chạm hạt

Tại các cực từ, các đường sức từ của Trái Đất dẫn các hạt tích điện từ Mặt Trời xuống tầng điện ly, lớp trên cùng của khí quyển Trái Đất, thường nằm ở độ cao từ 80 đến 500 km (50 đến 310 dặm) so với bề mặt.

Tại đây, các hạt Mặt Trời va chạm với các nguyên tử và phân tử oxy và nitơ. Những va chạm này kích thích các khí quyển này — nghĩa là các electron trong các nguyên tử khí nhảy lên các mức năng lượng cao hơn. Khi các electron rơi trở lại, chúng phát ra các photon — các hạt ánh sáng — tạo ra cực quang rực rỡ mà chúng ta thấy.

Tại sao lại có nhiều màu sắc như vậy?

Màu sắc phụ thuộc vào hai yếu tố chính: loại khí và độ cao của các vụ va chạm.

- Xanh lục: Màu cực quang phổ biến nhất, do các nguyên tử oxy phát ra ánh sáng ở bước sóng khoảng 557,7 nanomet. Những vụ va chạm này xảy ra ở độ cao khoảng từ 100 đến 150 km (60 đến 93 dặm).

- Đỏ: Oxy cũng có thể phát ra ánh sáng đỏ ở bước sóng 630,0 nanomet, nhưng những phát xạ này xảy ra ở độ cao cao hơn — trên 200 km (124 dặm). Cực quang đỏ ít phổ biến hơn và thường được nhìn thấy trong các cơn bão mặt trời mạnh.

- Xanh lam và tím: Chúng đến từ các phân tử nitơ. Nitơ ion hóa phát ra ánh sáng xanh lam ở khoảng 428 nanomet, trong khi nitơ trung tính có thể tạo ra màu tím và hồng. Những cực quang này thường xuất hiện ở độ cao thấp hơn, dưới 100 km (62 dặm).

Bạn có thể nhìn thấy chúng khi nào và ở đâu?

Cực quang thường xuất hiện gần bầu dục cực quang — một vùng hình vòng tròn quanh các cực địa từ. Thời điểm tốt nhất để chiêm ngưỡng chúng là trong các cơn bão địa từ, thường xảy ra vào thời điểm đỉnh điểm của chu kỳ Mặt Trời 11 năm. Cực quang thường xuất hiện từ cuối thu đến đầu xuân, khi đêm dài nhất và bầu trời tối nhất.

Các nhà khoa học có thể dự đoán được Bắc Cực quang không?

Có! Các cơ quan vũ trụ như NASA và NOAA theo dõi hoạt động của mặt trời bằng các vệ tinh như Đài quan sát Động lực học Mặt trời (SDO) và Advanced Composition Explorer (ACE). Các vệ tinh này theo dõi các đợt bùng phát mặt trời và điều kiện gió mặt trời, cung cấp dự báo cực quang dựa trên cường độ và hướng của gió mặt trời tác động vào từ quyển Trái Đất.

Chỉ số Kp là thang đo toàn cầu (từ 0 đến 9) đo lường hoạt động địa từ và giúp dự đoán khả năng hiển thị cực quang — giá trị Kp càng cao thì khả năng xuất hiện cực quang ngoạn mục càng lớn.

Tại sao lại quan trọng?

Ngoài vẻ đẹp ngoạn mục, cực quang còn là chỉ báo quan trọng về thời tiết vũ trụ. Các cơn bão Mặt Trời tạo ra cực quang dữ dội có thể làm nhiễu tín hiệu GPS, thông tin vô tuyến và thậm chí cả lưới điện trên Trái Đất. Nghiên cứu cực quang giúp các nhà khoa học hiểu rõ và chuẩn bị ứng phó với những tác động này do Mặt Trời gây ra.

Lời kết

Vậy nên, lần tới khi bạn may mắn được chiêm ngưỡng Bắc Cực Quang, hãy nhớ rằng bạn đang chứng kiến ​​một vũ điệu tuyệt đẹp giữa các hạt tích điện từ Mặt Trời và lớp vỏ từ trường bảo vệ của hành tinh. Đó là màn trình diễn ánh sáng của thiên nhiên được tạo nên bởi vật lý và hóa học — thực sự tuyệt vời!