Cực quang của Trái Đất, hiểu một cách đơn giản là một dải sáng mà đôi khi người ta có thể thấy ở vùng khí quyển gần 2 địa cực của Trái Đất khi đứng tại các vĩ độ cao (gần địa cực) với nhiều hình dáng, màu sắc và chu kì khác nhau.
Lịch sử
Những người đầu tiên quan sát được hiện tượng này là những người Inuit, những người sống gần Bắc cực của Trái Đất rải rác trên các vùng Bắc Canada, Greenland, Alaska và Syberia. Họ đã tin rằng hiện tượng này là các luồng sáng chiếu tới Trái Đất từ các lỗ hở trên vòm trời ngăn cách mặt đất với thiên đường. Trong khi đó người Alaska lại tin rằng cực quang là điệu nhảy của linh hồn các loài động vật.
Thế kỉ thứ 8 trước Công Nguyên, nhà thơ Hy Lạp Héiod đã gọi hiện tượng này bằng những cụm từ như "bầu trời rực lửa" (blazing sky) hay "những con rồng lửa của bầu trời" (Flaming sky dragons).
Người đầu tiên cố gắng giải thích hiện tượng này một cách khoa học là Aristole, một nhà toán học và thiên văn nổi tiếng của Hy Lạp, ông đã cho rằng cực quang chẳng qua chỉ là những đám mây phát sáng.
Nhiều thế kỉ sau, vào thời kì trung cổ ở châu Âu, người ta có xu hướng tin rằng khi cực quang xuất hiện là điềm báo cho những điều xấu sẽ xảy ra. Nếu cực quang bỗng xuất hiện ở chân trời lúc đang xảy ra một trận chiến, trận chiến đó cần được ngừng lại để tránh những điều không lường trước.
Năm 1619 Galileo Galilei (cha đẻ của vật lý thực nghiệm, tác giả của chiếc kính thiên văn đầu tiên ...) là người đầu tiên tìm cách giải thích hiện tượng này. Đến năm 1622, nhà triết học người Pháp Gassendi đã đặt cho hiện tượng cực quang ở Bắc bán cầu cái tên là Aurora Borealis (có nghĩa là ánh sáng ở phía Bắc/ Northern lights), cái tên này vẫn được sử dụng cho tới tận bây giờ.
Đến tận thế kỉ 18, người ta mới biết đến sự tồn tại của cực quang tại Nam bán cầu của Trái Đất nhờ có chuyến thám hiểm châu Úc của thuyền trưởng James Cook. cực quang ở phía nam này được gọi là Aurora Australis (ánh sáng ở phương Nam/Southern lights)
Năm 1716, Edmund Halley cho rằng các luồng sáng này có nguồn gốc từ các hạt mang điện chuyển động trên đường sức từ của Trái Đất.
Năm 1733, nhà khoa học Pháp De Mairan đề xuất rằng chúng có thể xuất phát từ sự va chạm của các hạt mang điện với khí quyển Trái Đất và có thể chúng được gây ra bởi các vết đen Mặt Trời.
Cuối thế kỉ 19, Birkeland đề xuất rằng cực quang sinh ra từ các electron đến từ các vết đen Mặt trời được dẫn đi theo từ trường của Trái Đất về phía các địa cực.
Vào năm địa vật lý quốc tế 1957-1958, Yasha Feldstein đề xuất lý thuyết về Oval (ô van) cực quang, nơi thường xuất hiện hiện tượng cực quang, nó là các vùng có dạng hình ovel (hay elip) xung quanh 2 cực của Trái Đất với đường kính tới 2500km và dày vài trăm km. Đây là mô hình đã được xác nhận ngày nay.
(Hình trên: cực quang tại Alaska)
Nguyên nhân và tính chất
Trái Đất của chúng ta là một hành tinh có từ trường mạnh, nó giống như một nam châm khổng lồ với 2 cực từ nằm gần trùng với 2 cực địa lý của hành tinh. Các đường sức từ do đó chạy giữa 2 cực từ tạo thành một lớp từ trường bọc quanh Trái Đất gọi là từ quyển (magnetosphere).
Hàng ngày, các phản ứng hạt nhân ở Mặt trời làm nó bức xạ ra ánh sáng cùng nhiều dạng năng lượng khác trong đó có dòng mang các hạt mang điện như electron, gọi là gió Mặt Trời. Gió mặt Trời này khi gặp Từ quyền Trái Đất bị đánh dạt ra xung quanh, làm biến dạng phần tử quyền phía sau của Trái Đất (phía đang là ban đêm), đồng thời nhiều electron gặp từ quyển Trái Đất bị kéo theo các đường sức từ về phía địa cực của Trái Đất và đi vào khí quyển Trái Đất qua oval cực quang. Chúng va chạm mạnh với các phân tử khí ở tầng cao khí quyển (nitơ và oxy), kích thích và làm ion hóa chúng, tạo thành sự phát sáng như chúng ta đã biết. Hình dạng, màu sắc và cả chu kì dài hay ngắn của cực quang đều phụ thuộc vào mật độ và năng lượng của các electron này.
Cực quang có thể có nhiều màu, nhiều hình dạng và chu kì là do số lượng, mật độ và năng lượng mang theo của các electron khi nó lao vào khí quyển Trái Đất. Cực quang có thể kéo dài 10, 20 phút hay thậm chí 1, 2 giờ tùy thuộc vào mật độ của electron như đã nói, loại cực quang này gọi là cực quang gián đoạn, các cực quang sáng và không xuất hiện thường xuyên. Loại cực quang thứ hai gần như không được quan tâm là cực quang khuếch tán, loại này là cực quang thường xuyên và liên tục nhưng rất mờ nhạt và không thể nhìn thấy bằng mắt thường ngay cả vào những đêm lý tưởng nhất. Do vậy thường khi người ta nói tới việc quan sát cực quang tức là cực quang gián đoạn.
Vào những thời điểm có bão từ, oval cực quang được mở rộng hơn và nếu cực quang gián đoạn xuất hiện, bạn có thể quan sát nó kể cả ở các vĩ độ tương đối thấp chứ không cần phải đến quá gần Bắc cực như thông thường.
Ngoài ra bản thân Mặt Trời có trục không phải vuông góc mà nghiêng khoảng 8 độ so với mặt phẳng quĩ đạo của Trái Đất nên điều này ảnh hưởng để cường độ của cực quang trên Trái Đất. Mặt Trời giải phóng ra nhiều electron hơn ở gần các cực của nó và do đó khi Trái Đất di chuyển đến vị trí tương ứng với đầu tháng 9 và đầu tháng 3 thì cực quang ở các cực sẽ mạnh nhất trong năm vì khi đó cực từ của mặt Trời hướng nhiều nhất về phía chúng ta, đó là lí do tại sao trong nhiều tài liệu thiên văn hoặc địa vật lý bạn đọc được rằng cực quang thường mạnh hơn gần các ngày xuân phân và thu phân trong khi lại rất yếu khi gần các ngày chí.
Chúng ta có thể nhìn thấy cực quang không?
Cực quang chỉ xuất hiện tại khu vực của oval cực quang như đã nói bên trên, ngoài ra độ cao của nó so với mặt nước biển chỉ khoảng xấp xỉ 100-130km, do đó trên thực tế ngay cả khi oval cực quang mở rộng vào các thời điểm có bão từ thì người sống ở các khu vực có vĩ độ quá thấp như Việt Nam, rất tiếc, cũng không thể nhìn thấy hiện tượng này. Ở bắc bán cầu ngoài Bắc cực thì dân cư ở các vùng Bắc Canada, Alaska, Greenland, Bắc Nauy, Syberia là có thể quan sát được hiện tượng này vào mùa đông khi Bắc cực đang là đêm, các vùng thấp hơn 1 chút từ nam Nauy đổ xuống đầu trung Âu chỉ có thể quan sát được rất hiểm hoi hiện tượng này ở chân trời Bắc, đôi khi phải khá nhiều năm mới xảy ra một lần.
Cực quang trên các hành tinh khác
Để có cực quang như Trái Đất, hành tinh cần có đủ 2 yếu tố: có khí quyển dày và có từ quyển. Trong Hệ Mặt Trời chỉ có 2 hành tinh không có từ quyển là Sao Kim và Sao Hỏa, so đó chúng không có cực quang mà các electron từ gió Mặt Trời sẽ va đập trực tiếp trên khắp khí quyển của chúng. Sao Thủy là hành tinh nhỏ không có khí quyển, do đó nó cũng không thể có cực quang như chúng ta.
Sao Mộc và Sao Thổ là hai hành tinh đã có từ trường mạnh nhất Hệ mặt Trời và khí quyển rất dày, do đó đương nhiên chúng có cực quang.
Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương đến nay được xác nhận là cũng có cực quang nhưng khá mờ nhạt do chúng quá xa Mặt Trời nên mật độ electron trong gió Mặt Trời đã giảm nhiều. Ngoài ra cực quang tại 2 hành tinh này có xư hướng nằm gần xích đạo do trục từ của chúng không gần với trục quay như của Trái Đất.
Bài viết này được thực hiện nhân việc có một câu hỏi về cực quang và một câu hỏi liên quan đến bắc cực trong cuộc thi thiên văn của VACA ngày 31 tháng 7 năm 2011
(Vui lòng ghi rõ tên tác giả và nguồn Thienvanvietnam.org khi bạn copy và sử dụng bài viết này)
