Lá chắn từ của Trái Đất

Trái Đất chặn gió từ Mặt Trời thế nào, và một cơn bão Mặt Trời gây ra điều gì

Từng bước

Trái Đất là một nam châm

Sắt nóng chảy cuộn trào trong lõi ngoài của Trái Đất tạo ra một từ trường. Ở mặt đất, nó yếu hơn một nam châm dán tủ lạnh khoảng một trăm lần, nhưng vươn rất xa vào không gian. Các cực từ của nó lệch khoảng 9° so với trục quay của Trái Đất.

Gần nửa đường tới tâm Trái Đất là lõi ngoài: một đại dương sắt lỏng nóng hàng nghìn độ. Nhiệt bốc lên từ bên dưới khiến nó luôn cuộn chảy, và chuyển động quay của Trái Đất xoắn các dòng chảy thành hình xoắn ốc. Sắt chuyển động mang dòng điện, dòng điện tạo ra từ trường, và từ trường lại duy trì dòng điện: một máy phát điện tự nhiên đã chạy suốt hàng tỉ năm.

Các đường ở đây cho thấy hình dạng của từ trường: kim la bàn xếp thẳng theo chúng. Chúng đi ra khỏi Trái Đất ở bán cầu nam và đi vào lại gần phía bắc, nên cực mà la bàn chỉ tới, nói cho chính xác, là một cực nam từ.

Các cực từ luôn dịch chuyển, và trung bình cứ vài trăm nghìn năm từ trường lại đảo ngược: bắc và nam đổi chỗ cho nhau. Lần đảo gần nhất xảy ra khoảng 780.000 năm trước. Dung nham ghi lại hướng của từ trường khi nguội đi, nên đá cổ giữ một cuốn nhật ký về mỗi lần đảo.

Gió từ Mặt Trời

Khí quyển ngoài của Mặt Trời, vành nhật hoa, nóng hơn bề mặt nhìn thấy hàng trăm lần, nóng đến mức lực hấp dẫn của Mặt Trời không giữ nổi. Nó tuôn vào không gian theo mọi hướng thành gió Mặt Trời. Eugene Parker đã dự đoán điều này năm 1958, và vài năm sau các tàu vũ trụ đã xác nhận.

Gió này là plasma: chất khí nóng đến mức nguyên tử bị vỡ thành các hạt mang điện, chủ yếu là proton và electron. Nó cực kỳ loãng, chỉ vài hạt trong một khoảng bằng viên đường, trống rỗng hơn cả chân không tốt nhất từng tạo ra trong phòng thí nghiệm. Vậy mà nó không bao giờ ngừng, và mang từ trường của Mặt Trời đi khắp hệ Mặt Trời.

Các hạt mang điện khó vượt qua đường sức từ; thay vào đó, chúng xoắn ốc quanh các đường sức. Vì vậy từ trường Trái Đất hoạt động như một tấm khiên, lái gió đi vòng quanh hành tinh. Sao Hỏa không có từ trường toàn cầu như thế, và qua hàng tỉ năm gió Mặt Trời đã tước đi phần lớn không khí của nó.

Lá chắn

Gió Mặt Trời đi nhanh hơn bất kỳ sóng nào có thể chạy trước để báo cho nó biết có vật cản. Vì vậy nó không thể lượn quanh Trái Đất một cách êm ả: nó giảm tốc đột ngột và nóng lên ở sóng xung kích mũi tàu, như con sóng dồn lên trước mũi một con thuyền đang chạy.

Qua khỏi sóng xung kích, gió đã chậm lại chảy vòng quanh từ ranh, nơi lực đẩy của gió và lực đẩy của từ trường Trái Đất cân bằng. Đó là rìa của từ quyển, bong bóng từ của Trái Đất: bên trong, từ trường Trái Đất làm chủ; bên ngoài là gió của Mặt Trời.

Bong bóng bị ép dẹt ở phía hướng về Mặt Trời và kéo dài xa phía sau, như túi gió chỉ hướng. Kích thước của nó thay đổi theo gió: khi gió thổi mạnh hơn, từ ranh bị đẩy lại gần Trái Đất. Trong không gian, cả hai ranh giới đều vô hình; ở đây chúng được vẽ thành những lớp màng phát sáng.

Cái đuôi vươn qua Mặt Trăng

Ở phía ban đêm, gió Mặt Trời kéo từ trường Trái Đất thành một cái đuôi dài, gọi là đuôi từ. Không ai biết chính xác nó dài bao nhiêu. Tàu vũ trụ đã tìm thấy nó ở rất xa phía sau Mặt Trăng, và có thể nó trải dài hơn 15 lần khoảng cách tới Mặt Trăng.

Chạy dọc giữa đuôi là tấm plasma, một lớp các hạt mang điện nóng. Phía trên và phía dưới nó, các đường sức hướng ngược chiều nhau, căng như dây chun và tích trữ năng lượng từ gió Mặt Trời. Khi chúng bật trở lại, năng lượng đó thắp sáng cực quang, như một bước sau sẽ cho thấy.

Mỗi tháng, Mặt Trăng ở trong đuôi khoảng sáu ngày, từ ba ngày trước trăng tròn đến ba ngày sau. Ở đó nó được che chắn khỏi gió Mặt Trời, và tàu Kaguya của Nhật Bản đã phát hiện oxy từ tầng khí quyển cao của Trái Đất rơi xuống nó.

Các vành đai bức xạ

Một hạt mang điện xoắn ốc quanh một đường sức từ. Gần các cực, nơi các đường sức chụm lại và từ trường mạnh lên, vòng xoắn hẹp dần cho đến khi hạt bị đẩy quay lại, như bị gương phản xạ. Thế là nó nảy qua lại giữa hai cực trong một giây hoặc ít hơn, đồng thời trôi dạt vòng quanh cả Trái Đất, và có thể bị giam giữ nhiều năm.

Vành đai trong chứa chủ yếu proton có năng lượng khổng lồ, và hầu như không thay đổi. Vành đai ngoài chủ yếu là electron và thay đổi liên tục: một cơn bão Mặt Trời có thể làm nó trống rỗng hoặc đầy lên trong vài giờ.

Explorer 1, vệ tinh đầu tiên của Mỹ, mang theo một máy đếm bức xạ do nhóm của James Van Allen chế tạo. Ở trên cao, nó chẳng đếm được gì cả, điều thật vô lý cho đến khi Explorer 3 cho thấy lý do: bức xạ mạnh đến mức làm máy đếm bị quá tải.

Khi bật âm thanh, bạn đang nghe các vành đai: sóng vô tuyến được tàu Van Allen của NASA ghi lại. Tần số của chúng trùng với tần số âm thanh ta nghe được, nên loa có thể phát chúng trực tiếp. Những sóng như thế tăng tốc một số electron và đánh rơi một số khác xuống khí quyển.

Một cơn bão Mặt Trời

Vết đen Mặt Trời là những vùng tối hơn, mát hơn, nơi từ trường của Mặt Trời xuyên qua bề mặt, rối rắm và xoắn vặn. Khi một từ trường xoắn bật về hình dạng đơn giản hơn, nó giải phóng năng lượng khổng lồ: một chớp sáng và tia X gọi là bùng phát, và thường kèm một đám mây khí bị phóng vào không gian với từ trường riêng, gọi là vụ phóng khối lượng vành nhật hoa.

Ánh sáng của vụ bùng phát tới Trái Đất sau khoảng tám phút; một đám mây mất từ một đến bốn ngày. Kính thiên văn theo dõi Mặt Trời báo trước vài ngày, nhưng đám mây mạnh đến đâu chỉ lộ ra khi nó đi qua các tàu vũ trụ đặt xa gấp bốn lần Mặt Trăng, chưa đầy một giờ trước khi tới chỗ ta.

Tháng 5 năm 2024, nhóm vết đen AR 3664 rộng hơn Trái Đất hơn 15 lần, đủ lớn để nhìn thấy qua kính xem nhật thực mà không cần kính thiên văn. Mặt Trời đang gần đỉnh chu kỳ 11 năm, và vào ngày 8 và 9 tháng 5, nhóm vết đen phóng hết đám mây này đến đám mây khác về phía Trái Đất.

Bị ép lại

Điều quan trọng nhất là từ trường riêng của đám mây hướng về đâu. Ở phía hướng về Mặt Trời, từ trường Trái Đất hướng về phía bắc. Khi từ trường của đám mây hướng về phía nam, hai bên ngược chiều và có thể nối vào nhau, như hai cực trái dấu của nam châm hút dính lấy nhau. Tấm khiên mở ra: các đường sức của Trái Đất bị móc vào gió, và gió kéo chúng qua các cực vào đuôi, dồn năng lượng vào trong.

Một đám mây có từ trường hướng bắc thường chỉ trượt qua, và ngay cả đám mây nhanh cũng gây ít thiệt hại. Vì thế các nhà dự báo không thể biết cơn bão sẽ mạnh đến đâu cho tới khi đám mây tới các tàu vũ trụ đang chờ nó.

Cực quang phương bắc và phương nam

Năng lượng dồn vào đuôi không nằm yên ở đó. Các đường sức bị kéo căng bật trở lại về phía Trái Đất như máy bắn đá và ném các electron dọc theo từ trường. Các đường sức đổ xuống gần các cực, nên electron đâm vào tầng khí quyển cao theo một vòng quanh mỗi cực từ: vành cực quang đang phát sáng ở đây.

Khi một electron va vào nguyên tử oxy hay phân tử nitơ, nó trao thêm năng lượng, và năng lượng ấy thoát ra lại thành ánh sáng có đúng một màu, giống như biển đèn neon phát sáng. Oxy cho màu xanh lục. Cao hơn nữa, nơi không khí loãng nhất, nó lại cho màu đỏ: ánh sáng đỏ đó mất gần hai phút mới thoát ra, và ở thấp hơn, một cú va chạm sẽ cướp mất năng lượng trước. Nitơ phát sáng màu xanh lam và tím.

Cực quang ở phương bắc và phương nam tỏa sáng cùng lúc, gần như ảnh phản chiếu của nhau. Các hành tinh khác có từ trường cũng có cực quang: cực quang của Sao Mộc còn lớn hơn cả Trái Đất.

Cơn bão tháng 5/2024

Đây là cơn bão mạnh nhất kể từ năm 2003. Cực quang được nhìn thấy xa hai cực tới tận Mexico, Ấn Độ và Namibia, và vào tháng 6, vệ tinh CIRBE của NASA phát hiện hai vành đai hạt mới mà nó để lại giữa các vành đai Van Allen.

Khi cơn bão dồn năng lượng vào, các vòng sáng lan rất xa về phía xích đạo, và hàng triệu người lần đầu tiên nhìn thấy cực quang. Camera điện thoại bắt được nhiều hơn mắt thường: chúng ghi lại những sắc đỏ và hồng mờ mà ban đêm mắt ta khó thấy.

Bão không gian cũng chạm tới công nghệ của chúng ta. Vị trí GPS bị lệch, khiến máy kéo lái bằng vệ tinh chệch khỏi luống giữa mùa gieo trồng mùa xuân ở Bắc Mỹ. Tầng khí quyển cao bị đốt nóng phình ra và cản các vệ tinh bay thấp, hàng nghìn vệ tinh phải đốt động cơ để giữ quỹ đạo.

Cơn bão còn để lại một điều mới. Vào tháng 6, CIRBE, một vệ tinh của NASA cỡ hộp giày, đã tìm thấy hai vành đai mới giữa các vành đai Van Allen, một trong số đó có proton, thành phần chưa từng thấy. Vành đai electron mờ đi sau khoảng ba tháng; vành đai kia tồn tại lâu hơn nhiều.

Dù vậy, đây chưa phải cơn bão mạnh nhất từng được ghi nhận. Năm 1859, Sự kiện Carrington thắp cực quang tới tận vùng nhiệt đới và làm dây điện báo tóe lửa. Một cơn bão như thế ngày nay có thể gây thiệt hại lớn hơn nhiều, vì vậy Mặt Trời được theo dõi suốt ngày đêm.