Trước kia, mọi người chỉ thường nghĩ hiện tượng cực quang đơn giản là bầu trời trở nên phát sáng mạnh và tạo thành các lớp phát sáng, nhưng điều đó chỉ là suy nghĩ khá hư vô và hiện tượng này được giải thích bằng các chứng cứ có cơ sở khoa học của các nhà thiên văn học và vật lí. Vậy thì bạn biết rõ như thế nào về hiện tượng cực quang? Hãy theo dõi bài viết sau đây.

Hiện tượng cực quang là gì?

Trong ngành các nhà thiên văn học, hiện tượng cực quang là một hiện tượng quang học đặc trưng bởi sự thể hiện đầy màu sắc của ánh sáng trên bầu trời khi về ban đêm, chúng được sinh ra do sự tác động của các hạt mang điện từ trong gió nóng Mặt Trời tương tác với tầng bên trên bầu khí quyển của hành tinh Trái Đất . Những dải sáng này luôn chuyển động liên tục  và làm thay đổi màu sắc khiến cho chúng trông giống như những dải lụa đầy màu sắc trên bầu trời. Đây có thể coi là một trong những hình ảnh đẹp của các hiện tự tự nhiên siêu nhiên.

Cực quang được biết đến với tên gọi "Aurora Borealis" khi xuất hiện ở Bắc bán cầu và "Aurora Australis" khi xuất hiện ở Nam bán cầu.

Tại sao lại có hiện tượng cực quang?

Hiện tượng cực quang huyền ảo, lung linh trên bầu trời đêm là kết quả của một quá trình tương tác kỳ diệu giữa Mặt Trời và Trái Đất, một vũ điệu sắc màu được điều khiển bởi các định luật vật lý.  

Nguồn gốc của hiện tượng cực quang bắt nguồn từ gió Mặt Trời, dòng hạt mang điện tích (chủ yếu là electron và proton) được phóng ra liên tục từ Mặt Trời với tốc độ cực nhanh. Khi gió Mặt Trời tương tác với từ quyển của Trái Đất (lớp vỏ từ trường bao quanh hành tinh), một phần các hạt mang điện tích bị dẫn theo các đường sức từ, đi vào bầu khí quyển Trái Đất ở hai vùng cực từ.

Tại đây, những hạt mang điện tích va chạm với các nguyên tử và phân tử khí trong tầng khí quyển cao (tầng điện ly), chủ yếu là oxy và nitơ. Quá trình va chạm này truyền năng lượng cho các nguyên tử khí, khiến chúng bị kích thích và chuyển lên mức năng lượng cao hơn.

Khi các nguyên tử khí quay trở về trạng thái năng lượng ban đầu, chúng giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng ánh sáng. Do đó khiến cho bầu trời xuất hiện các dải sáng lấp lánh

Nguyên nhân có hiện tượng cực quang?

Trên Trái Đất, Mộc Tinh, Thổ Tinh, Thiên Vương Tinh và Hải Vương Tinh, các cực quang được sinh ra do sự tương tác của các hạt trong gió Mặt Trời với từ trường của hành tinh, và vì thế chúng là rõ nét nhất ở các vĩ độ cao gần các cực từ ( Có thể gọi là cực Bắc và cực Nam )

Tuy nhiên, cực quang cũng diễn ra trên Kim Tinh và Hỏa Tinh mà chúng lại gần như không có từ trường của hành tinh. Trên Kim Tinh, các phân tử của khí quyển được tích tụ năng lượng trực tiếp từ gió Mặt Trời; trên Hỏa Tinh, các cực quang diễn ra gần các điểm dị từ khu vực trong lớp vỏ hành tinh, là tàn dư của từ trường cũ của hành tinh (giả thiết) mà ngày nay không còn tồn tại nữa.

Trên Trái Đất, cực quang diễn ra khi các đới bức xạ Van Allen trở nên "quá tải" với các hạt cao năng lượng, sau đó chúng đổ xuống các các đường sức từ  và va chạm với lớp trên của bầu khí quyển Trái Đất.

Nguồn gốc của hiện tượng cực quang?

                                                                                             Bắc Mỹ

                                                                                               Á-Âu

  Những bản đồ này cho thấy ranh giới xích đạo nửa đêm cục bộ của cực quang ở các mức độ khác nhau của hoạt động địa từ. Kp = 3 tương ứng với mức độ hoạt động địa từ thấp, trong khi Kp = 9 đại diện cho mức độ cao.

Các hạt cao năng lượng từ Mặt Trời được đưa vào không gian cùng với gió Mặt Trời nóng và luôn luôn tồn tại. Luồng gió này đâm với tốc độ siêu nhanh về phía Trái Đất thông qua khoảng không gian liên hành tinh với vận tốc dao động trong khoảng 1 đến trên 3 triệu km/h, mang theo cùng với nó là từ trường Mặt Trời.

 Gió Mặt Trời làm nhiễu loạn từ trường của Trái Đất để tạo ra quyển từ chứa đầy plasma và có hình dạng tựa như sao chổi. Từ trường của Trái Đất có tác dụng như một vật cản, bảo vệ Trái Đất trước các hạt tích năng lượng và bức xạ trong gió Mặt Trời. Năng lượng và xung lượng của hạt được truyền từ gió Mặt Trời sang quyển từ thông qua một quy trình được biết như là "tái kết nối từ".

 Trong quá trình này, các đường sức từ liên hành tinh (xuất phát từ Mặt Trời) được kết hợp với địa từ trường. Các hạt trong gió Mặt Trời có thể đi vào các đường sức từ mới tạo thành. Các nhà vật lý nghiên cứu về cực quang gọi đó là "đường sức từ mở" (các đường này mở vào gió Mặt Trời). 

Do áp suất động lực của gió Mặt Trời, các đường sức từ mới tạo thành sẽ được di chuyển đối lưu trên đỉnh cực và vào trong đuôi của quyển từ Trái Đất. Ở đây, sự tái kết nối từ trường mới lại có thể diễn ra, tạo ra đường sức từ đóng mới. Đường từ trường đối lưu sẽ chứa các hạt gió Mặt Trời.

Các điện tử bị chặn lại trong từ trường Trái Đất (hiệu ứng gương từ ) được gia tốc dọc theo từ trường về phía khu vực vùng cực và sau đó đâm vào khí quyển để tạo ra cực quang. Cực quang diễn ra mãnh liệt nhất vào thời gian hoạt động mạnh của các cơn bão từ sinh ra bởi hoạt động của vết đen Mặt Trời. Sự phân bổ của cường độ cực quang theo cao độ chỉ ra mức cực đại rõ nhất ở khoảng 100 km phía trên Trái Đất.

Phân loại các hiện tượng cực quang?

1.Các kiểu cực quang?

Cực quang ban ngày

Như đã nói ở trên, khi các đường từ trường đối lưu sẽ chứa các hạt gió Mặt Trời. Một số hạt sẽ có thể đi tới tầng ion trước khi đường sức từ chạm tới đuôi của quyển từ. Các hạt này tạo ra cực quang ban ngày. 

Cực quang ban đêm

Cực quang ban đêm được tạo ra từ các hạt được gia tốc từ đuôi quyển từ về hướng Trái Đất. Các hạt này bị chặn lại bởi các đường sức từ đóng.

Ôvan cực quang

Các hạt đâm xuống địa từ trường, chạm tới tầng trung hòa của khí quyển trong một hình gần tròn gọi là ôvan cực quang. Hình gần tròn này có tâm ở phía trên cực từ và kích thước khoảng 3.000 km theo đường kính trong những lúc yên tĩnh.

 Vòng tròn này lớn nhanh khi quyển từ bị làm nhiễu loạn. Khu vực có ôvan cực quang nói chung tìm thấy trong phạm vi 60 và 70 ° tính theo vĩ độ bắc hay nam. Trong thời gian Mặt Trời hoạt động tích cực thì ôvan cực quang mở rộng và các cực quang có thể được nhìn thấy từ các vĩ độ thấp tới 25-30° bắc và nam trong một số trường hợp. 

Ví dụ, ngày 7 tháng 11 năm 2004, sau khi có hoạt động phun trào của Mặt Trời mãnh liệt, chúng được nhìn thấy ở xa tới tận Arizona. Ở vĩ độ 45°, cực quang có thể nhìn thấy vào khoảng 5 lần/năm, trong khi ở trên 55° thì gần như nhìn thấy chúng mọi đêm

2. Các dạng cực quang?

Cực quang không chỉ đơn giản là một đám mây sáng mà còn có nhiều loại và hình thức khác nhau, tùy thuộc vào cường độ và điều kiện khí quyển. Dưới đây là các loại cực quang phổ biến:

Cực quang dạng dải

Cực quang dạng dải là hình thức phổ biến nhất, với những dải sáng kéo dài bắc – nam trên bầu trời. Những dải này có thể kéo dài từ vài kilomet đến hàng trăm kilomet và thường có màu xanh lá cây đặc trưng. Các dải sáng này thường xuất hiện ở vùng gần các cực, nơi mà từ trường của Trái Đất mạnh mẽ nhất.

Cực quang dạng chùm

Cực quang dạng chùm xuất hiện dưới dạng các tia sáng mạnh mẽ, thường là những tia sáng nhỏ, sáng hơn và mạnh hơn dải quang phổ. Cực quang dạng này thường xuất hiện khi có sự thay đổi mạnh trong hoạt động của mặt trời hoặc khi Trái Đất trải qua các sự kiện từ trường đặc biệt

Cực quang dạng nhảy múa

Cực quang dạng nhảy múa là hiện tượng mà các dải sáng di chuyển và thay đổi hình dạng, tạo thành những sóng ánh sáng như những vũ điệu sống động. Điều này thường xảy ra khi gió mặt trời mạnh và tác động mạnh vào từ trường của Trái Đất