khảo sát chu kỳ hoạt động thứ 24 của mặt trời

Một trong những biểu hiện được biết đến đầu tiên của hoạt động Mặt trời Solar Activities là vết đen Mặt trời Sunspot, ngày nay, người ta nhận thấy bên cạnh vết đen ở Mặt trời còn có nhữn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp: “KHẢO SÁT CHU KỲ HOẠT ĐỘNG THỨ 24 CỦA MẶT TRỜI” đã được hoàn thành, em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Mạnh Hùng - Trưởng khoa Vật lý, cùng các thầy cô bộ môn trong khoa Vật lý trường ĐHSP – TP HCM đã tận tình dạy bảo và truyền đạt kiến thức làm cơ sở nền tảng điều kiện cho em thực hiện tốt luận văn này

Đặc biệt em xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến Cô Trần Quốc Hà, người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn này Em xin gửi đến Cô mọi lời chúc tốt đẹp nhất

Em cũng xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình em, nguồn động viên tinh thần cho

em trong suốt quá trình học tập, cổ vũ em vượt qua những khó khăn, đồng thời em cũng xin bày tỏ lòng cảm kích đến tất cả các bạn của em đã khuyến khích giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn này

Vì đây là lần đầu tiên em làm quen với việc nghiên cứu khoa học, em chưa có nhiều kinh nghiệm và do thời gian có hạn nên luận văn của em không tránh những sai sót kính mong quý thầy cô và các bạn thông cảm Đồng thời em cũng mong muốn nhận được sự đóng góp chân thành của quý thầy cô và các bạn để sửa chữa những sai sót

TP.HCM, tháng 5 năm 201

Sinh viên thực hiện

Phạm Thị Mỹ Hạnh

1.6.2 Bùng nổ Mặt trời ( Solar Flares)5T 21

5T1.6.3 Sự phóng vật chất trong Nhật hoa (CME)5T 22

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ω: Hiệu ứng tạo trường xoắn

α : Hiệu ứng tái tạo trường cực

F10,7 cm: Thông lượng bức xạ vô tuyến

do mang tính thời sự này, nên tôi quyết định chọn đề tài “ KHẢO SÁT CHU KỲ HOẠT

ĐỘNG THỨ 24 CỦA MẶT TRỜI” để nghiên cứu Ngày nay, chúng ta đều biết hoạt động

Mặt trời mang tính chu kỳ 11 năm, trong quá khứ Mặt trời đã trải qua 23 chu kỳ, hiện tại nó đang bắt đầu chu kỳ thứ 24 (bắt đầu vào cuối năm 2008), để khảo sát trọn vẹn một chu kỳ phải mất nhiều thời gian trung bình khoảng 11 năm nhưng cũng có thể là ít hơn hoặc lâu hơn 11 năm, vì thực tế trong số liệu thống kê được đã có những chu kỳ có thời gian tồn tại rất ngắn, bên cạnh những chu kỳ có thời gian tồn tại kéo dài Trong thời gian hạn hẹp, tôi chỉ khảo sát hoạt động của chu kỳ thứ 24 ở giai đoạn đầu của chu kỳ, dựa trên nền tảng tính chất từ trường còn sót lại của những chu kỳ trước đó

Vì mỗi chu kỳ, Mặt trời hoạt động không giống nhau, chu kỳ trước không hoàn toàn giống với chu kỳ sau, và sau nữa Để khảo sát hoạt động thực tế của một chu kỳ nào đó, thông thường người ta sẽ đưa ra những tiên đoán cho chu kỳ cần khảo sát ,việc tiên đoán được đưa ra vào giai đoạn cực tiểu của chu kỳ trước Sau đó, khi chu kỳ thực sự bắt đầu mới bắt tay vào việc nghiên cứu cụ thể, đồng thời có sự so sánh giữa dự đoán và thực tiễn để có hướng phòng tránh và hạn chế những ảnh hưởng từ Mặt trời đến Trái đất

Một trong những biểu hiện được biết đến đầu tiên của hoạt động Mặt trời (Solar Activities) là vết đen Mặt trời (Sunspot), ngày nay, người ta nhận thấy bên cạnh vết đen ở Mặt trời còn có những dạng hoạt động khác như bùng nổ Mặt trời (Solar Flare) ở Sắc cầu,

sự phóng vật chất ở Nhật hoa (Coronal Mass Ejection –CME) hay gió Mặt trời (Solar

wind), Những dạng hoạt động này ảnh hưởng trực tiếp đến những thông lượng bức xạ được đo đạc trên Trái đất như chỉ số F10,7 cm – thông lượng bức xạ năng lượng Mặt trời, các chỉ số địa từ Dst, Kp, Ap,… Trong quá trình khảo sát chu kỳ thứ 24 tôi sẽ tập trung vào khảo sát những đối tượng này

Các số liệu về Mặt trời ta có thể tìm thấy ở những trang wed uy tín Để khảo sát hoạt động của chu kỳ thứ 24 này tôi sử dụng phương pháp chủ yếu là thống kê, trước hết là tập hợp những dự đoán cho chu kỳ thứ 24 Sau đó, thống kê những số liệu về Mặt trời đang hoạt động thực tiễn, tiếp đến là so sánh giữa tiên đoán và những gì diễn ra thực tiễn có phù hợp với nhau không hay có sự sai lệch và nguyên nhân (nếu có)

Vì thời gian khảo sát tương đối ngắn nên việc đánh giá tổng quan về toàn chu kỳ thứ

24 là rất khó khăn nên tôi mong rằng đề tài nghiên cứu này sẽ vẫn được tiếp tục nghiên cứu trong thời gian sắp tới, nhất là thời gian được giới khoa học dự đoán là chu kỳ thứ 24 sẽ đạt cực đại (năm 2013)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẶT TRỜI

1.1 Các thông số cơ bản về Mặt trời

- Chu kỳ quay trung bình: 27 ngày

- Khoảng cách đến Trái đất (trung bình): 149,6.10P

1.2.1 Tâm (Core):

Phần tâm có bán kính vào khoảng 0,2 bán kính Mặt trời, nhiệt độ ở tâm lên đến 15 triệu độ và giảm dần từ tâm ra ngoài, ở rìa ngoài cùng nhiệt độ giảm xuống còn khoảng 10 triệu độ

Dưới sức ép của các lớp bên ngoài, vật chất bên trong Mặt trời bị ép lại do đó càng đi sâu vào trong lòng Mặt trời mật độ vật chất càng tăng, vào khoảng 160.10P

1.2.3 Vùng đối lưu Mặt trời (Convective Zone):

Vùng đối lưu nằm trong vùng bán kính từ 0,713 đến 1,0 bán kính Mặt trời

Nhiệt độ trong vùng đối lưu khoảng 5700 K và mật độ chỉ còn 0,2 g/m³ Ở vùng này, năng lượng bức xạ bằng sự đối lưu

Giữa vùng bức xạ và vùng đối lưu là một lớp chuyển tiếp được gọi là lớp quay chuyển tiếp (Tachocline) có độ dày vào khoảng 2% bán kính Mặt trời

Khí quyển Mặt trời

Khí quyển được chia làm bốn phần chính theo sự khác nhau về nhiệt độ, thành phần vật chất cũng như các hiện tượng đặc trưng xảy ra trong mỗi phần

1.2.4 Quang cầu (Photosphere):

Lớp quang cầu có bề dày xấp xỉ 400 km Mật độ vật chất trong quang cầu là 10P

Nhiệt độ ở đáy quang cầu là 6600 K và nhiệt độ ở đỉnh của quang cầu là 4400 K

Áp suất ở đáy quang cầu xấp xỉ 100 mb, ở đỉnh quang cầu là 0,868 mb

Trên quang cầu có những đặc điểm đáng chú ý như vết đen (Sunspot), vết sáng (Faculae), thể hạt (Granules), và siêu hạt (Super granules)

Pống khí cùng hoạt động Có hai loại ống khí: loại 1 phụ thuộc vào sóng âm có thời

gian sống từ 5 đến 10 phút; loại hai phụ thuộc vào sóng Alfven thời gian sống từ 10 đến 60

giây, ngoài ra còn có mạng lưới sắc cầu (Chromosphere network) có từ trường vào khoảng 25G; những sợi lửa (Filaments), tai lửa (Prominences) có bề dày khoảng 5000 km, độ cao đạt được là 50000 km, chiều dài của chúng là 200000 km, mật độ vật chất trong chúng là

Hình 1.2 Quang cầu (Internet)

1.2.6 V ùng trung chuyển (Transition Region):

Trên sắc cầu là lớp rất mỏng và bất thường của khí quyển Mặt trời có bề dày khoảng

Sự phát sáng không dừng lại ở bề mặt của Mặt trời, ở trên quang cầu còn có một vùng rộng lớn khí cực kỳ nóng phát ra ánh sáng không nhìn thấy được bằng mắt thường gọi là nhật hoa, nhiệt độ trong vùng nhật hoa từ 10P

PK (hot), thời gian sống từ vài ngày đến vài tuần

Thứ hai là hốc nhật hoa (Coronal holes) có kích thước khoảng 900000 km, mật độ vật chất là 4.10P

Thứ ba, sự phóng vật chất trong nhật hoa CME (Coronal Mass Ejection), khi xảy ra CME lượng vật chất được phóng ra khoảng từ 5.10P

1.3 Nguồn gốc của năng lượng và bức xạ Mặt trời

Nguồn gốc năng lượng của các sao có được là do quá trình tổng hợp hạt nhân của các sao đó, với nguồn nguyên liệu để đốt cháy có thể là hyđrô (H), Hêli (He), Cacbon (C), Neon (Ne), Oxy (O), Magiê (Mg), Lưu hùynh (S),… Việc sử dụng nguồn nguyên liệu nào để đốt cháy là tùy thuộc vào khối lượng của sao đó Như, Mặt trời là một ngôi sao đang đốt hyđro Mặt trời không biến đổi toàn bộ khối lượng của nó thành năng lượng, sự tổng hợp hạt nhân này chỉ diễn ra ở 10% khối lượng ở tâm, nóng nhất của Mặt trời

Quá trình tổng hợp các hạt nhân hyđro thành hêli phát ra dưới dạng các tia bức xạ, trong đó có nhiệt độ và ánh sáng đến Trái đất, việc tổng hợp diễn ra theo các chu trình sau:

 Chu trình proton-proton ( P-P chain):

 Chu trình Carbon- Nitrogen-Oxygen (CNO Cycle):

Nếu Mặt trời sử dụng 70% hydro làm nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch, mỗi giây nó đốt cháy 650 triệu tấn khí hydro thì tổng công suất bức xạ là 3,8.10P

1.4 Sự tự quay của Mặt trời (Internal rotation)

Mặt trời quay quanh trục có góc nghiêng với mặt phẳng Hoàng đạo gần 82P

o

P

48’ Mọi vật chất trong Mặt Trời đều ở dạng plasma vì nhiệt độ cực cao Mặt trời được chia làm nhiều lớp, điều này làm cho Mặt Trời quay nhanh hơn tại xích đạo của nó (khoảng 25 ngày) hơn là ở các vĩ độ cao (35 ngày ở gần cực)

Công thức thực nghiệm cho vận tốc quay (Ω) theo vĩ độ Mặt trời (Φ) như sau:

Ω = 14,38 – 2,96 SinP

2

P Φ [ độ/ngày] (1.1)

Theo công thức trên, vĩ độ càng thấp thì vận tốc quay Ω càng lớn và ngược lại Do đó, các dòng plasma gần xích đạo có vận tốc quay nhanh hơn những dòng có vĩ độ cao

Chu kì tự quay (T) được xác định theo công thức:

T = 26,8 + 5,4 SinP

2

PΦ [ngày] (1.2) Chu kỳ quay giữa các dòng plasma cũng phụ thuộc vào vĩ độ Φ, ở những vĩ độ thấp dòng plasma có chu kỳ quay nhanh hơn những dòng plasma ở vĩ độ cao, do đó tương ứng với tần số quay cũng biến thiên giảm dần theo sự tăng dần của vĩ độ, ở xích đạo tần số quay

là lớn nhất

Gần đây có một bộ môn khoa học Mặt trời mang tên Nhật chấn học (helioseismology) chuyên nghiên cứu những rung động của Mặt trời Bộ môn khoa học này do nhà vật lý học Robert Leighton ở Cal Tech khám phá ra dao động có chu kỳ 5 phút trên bề mặt Mặt trời, các dao động này gọi là Nhật chấn được sinh ra bởi sóng âm truyền xuyên qua phần bên trong Mặt trời, nhờ những sóng này mà các nhà khoa học biết được cấu trúc bên trong Mặt trời Ngày nay, người ta nhận thấy giữa vùng bức xạ và vùng đối lưu có một lớp mỏng mà hình thái quay của nó như một vật rắn với chu kỳ quay là 27 ngày, có nhiều giả thuyết cho rằng đây chính là nơi xảy ra quá trình biến cơ năng thành năng lượng từ (Solar Dynamo)

Như vậy chính sự tự quay chênh lệch theo vĩ độ khác nhau của các dòng plasma đã kéo theo các dạng hoạt động Mặt trời, chúng ta sẽ xét sau, có thể coi sự tự quay của các dòng plasma là khởi nguồn của mọi vấn đề liên quan đến các trạng thái của Mặt trời, và công thức tính vận tốc của các dòng plasma nói trên đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích các mô hình hoạt động của Mặt trời

Hình 1.8 Chu kỳ tự quay của MT (Internet)

1.5 Hoạt động Mặt trời (Solar Activities)

 Hoạt động Mặt trời là gì ?

Mặc dù, Mặt trời là một ngôi sao ổn định về cấp sao, độ trưng hay độ sáng nhưng bản thân bên trong Mặt trời luôn diễn ra những hoạt động nội tại làm thay đổi tính chất bức xạ của nó Hoạt động Mặt trời chính là những biến đổi điện từ trường của nó Sự tự quay chênh lệch theo các vĩ độ khác nhau của Mặt Trời làm cho từ trường trở thành xoắn vặn với nhau, phun ra từ bề mặt Mặt Trời và gây nên các hình thái khác nhau trên bề mặt

Đã từ lâu, hoạt động Mặt trời được biết đến qua các vết đen Mặt trời (VĐMT), VĐMT được quan sát đầu tiên bởi Galileo, tiếp sau Galileo, năm 1840, Wolf đã đưa ra khái niệm số VĐMT (Sunspot number) Khi khảo sát số VĐMT người ta nhận thấy rằng tần suất xuất hiện nhiều hay ít của nó liên quan mật thiết đến hoạt động Mặt trời Vì vậy, người ta thường đồng nhất HĐMT với tần suất xuất hiện VĐMT, khi VĐMT nhiều tức là MT hoạt động mạnh, khi MT không có hoặc có ít VĐMT tức là MT tĩnh

Sự xuất hiện các vết đen ảnh hưởng mạnh mẽ đến các hành tinh, trong đó có Trái Đất của chúng ta Khi tần suất vết đen mặt trời tăng cao, các dòng điện tích được phóng ra mạnh

mẽ từ Mặt Trời (còn gọi là gió Mặt Trời), tác động lên khí quyển Trái Đất, tạo ra các cơn bão từ và rối loạn vô tuyến

Song, bên cạnh VĐMT cũng có những HĐMT khác như trường sáng, tai lửa trong Sắc cầu, bùng nổ MT và CME trong nhật hoa Những hoạt động này biến đổi một cách có chu

kỳ nhưng những hiểu biết của chúng ta về chúng còn hạn hẹp, do đó khó mà đưa ra được một dự đoán hoàn toàn chính xác cho những hoạt động này

bức xạ vạch Hα , CaII

- Miền ngưng tụ (Condensation)

- Bùng sáng Nhật hoa (Coronal

flares)

- Hố nhật hoa (Coronal holes)

- Suối nhật hoa (Coronal Streams)

- Phóng ra tia vũ trụ và gió mặt trời

- Phóng ra tia vũ trụ và gió mặt trời

- Phóng ra hàng tỉ vật chất từ nhật hoa với tốc độ hàng trăm

km

1.6 Các dạng hoạt động Mặt trời chính

1.6.1 Vết đen Mặt trời (Sunspots)

- Cấu tạo: VĐMT có cấu tạo gồm hai phần: một vùng tối đen (umbra) và

vùng tối mờ (preumbra), đường kính vết đen rộng nhất vào cỡ 10P

4

P km, gấp vài lần đường kính Trái đất Thời gian tồn tại của nó phụ thuộc vào kích thước, những vết đen rộng nhất tồn tại trong khoảng 2 tháng Khoảng thời gian này là đủ dài để các vết đen biến mất ở một phía của đĩa Mặt trời và tái xuất hiện ở phía khác hai tuần sau đó Hầu hết các vết đen được quan sát trong vài ngày và sau đó biến mất, để được thay thế bởi những vết đen khác

Độ sáng bề mặt của chúng vào khoảng ¼ độ sáng của môi trường xung quanh, nhiệt độ của các vết đen vào khoảng 4.10P

3

P

K

- Từ trường vết đen Mặt trời:

Ban đầu vết đen xuất hiện như một chấm mờ sau đó lan rộng ra và ngày càng mờ dần

so với miền kề cận Qua chụp phổ và phân tích phổ bức xạ đi từ vết đen thì vết đen bức xạ

như một vật đen Các vạch phổ hấp thụ trên nền phổ liên tục đều bị tách ra một số vạch kề cạnh, độ rộng vạch phổ cũng nới rộng ra chứng tỏ nó chịu hiệu ứng Zeemann và hiệu ứng Doppler Từ trường vết đen có giá trị từ 0,1 0,2 T, hướng gần thẳng góc với bề mặt vết đen và định xứ trong vùng quanh tâm vết, có đường kính hàng nghìn km

Mặt trời là một khối khí plasma nóng bỏng, có nhiều nguyên tử trong khí Mặt trời bị ion hóa thành các electron tự do, các electron tự do chuyển động tương đối đối với các nguyên tử và ion nên có một dòng điện chạy trong chất khí Có thể lấy hình ảnh Solenoid như một mô hình cho vết đen Mặt trời: các lớp khí Mặt trời cuộn lại thành dạng ống dây được quấn chặt theo dạng ống hình trụ, mỗi dây có bề dày khoảng 10P

Thỉnh thoảng người ta thấy các tai lửa bắn ra từ Mặt trời, ta thấy chúng như những vòng khí màu đỏ Chúng tồn tại bên trên Mặt trời trong một số ngày Chính từ trường của vết đen đã tạo nên các tai lửa phun cao đến 10P

- Số liệu VĐMT:

Số VĐMT nói lên mức độ hoạt động của MT Nó được theo dõi một cách có hệ thống nhờ kính thiên văn ngay từ thời Galileo và đã được thu thập thành một tập hợp dữ liệu khá lớn cho đến ngày nay Các vết đen xuất hiện trên dĩa Mặt trời thay đổi từng ngày,và sự biến thiên có tính chu kỳ 11 năm của nó đã được Schwabe phát hiện đầu tiên (1844) Tiếp sau

đó, Rudolf Wolf ở đài quan sát Thụy Sĩ ở Zurich đưa ra cách tính số VĐMT Ông nhận thấy việc phân biệt các nhóm VĐMT thì sẽ dễ dàng hơn việc phân biệt các vết đen riêng lẻ, do

đó, ông đã đưa ra công thức tính số VĐMT có giá trị tương đối như sau:

Với Rz, Wolf lấy k = 1

Số Zurich này đã được thu thập hằng ngày từ năm 1848 Wolf đã mở rộng dữ liệu trở ngược về đến năm 1749

Đến năm 1998, Hoyt và Schatten đã đề nghị số vết đen dựa trên số nhóm vết đen quan sát được Kí hiệu là: RR G.

N : số người quan sát

KR i R: là hệ số điều chỉnh cho người quan sát thứ i

gR i R: là nhóm VĐ mà người thứ i quan sát được

Với cách hiệu chỉnh này ta có thể mở rộng bộ dữ liệu của VĐMT về đến tận năm

1610 Thời gian gần đây hai bộ dữ liệu này được các nhà khoa học dùng trong việc tiên đoán cũng như khảo sát các chu kỳ hoạt động Mặt trời

1.6.2 Bùng nổ Mặt trời ( Solar Flares)

Bùng nổ Mặt trời (BNMT) được định nghĩa là sự biến đổi đột ngột, nhanh chóng và mãnh liệt về độ chói sáng của Sắc cầu hay Nhật hoa BNMT xảy ra khi năng lượng từ trường ở khí quyển Mặt trời đột ngột tăng Bức xạ được phát ra hầu như trên toàn bộ quang phổ điện từ, từ sóng vô tuyến đến tia X, tia Gamma Năng lượng bức xạ tương đương với hàng triệu tấn quả bom hydro nổ cùng một lúc Vụ BNMT đầu tiên được ghi nhận vào ngày

1 tháng 9 năm 1859 được hai nhà khoa học Richard C Carrington và Richard Hodgson phát hiện, hai ông đã quan sát thấy một ngọn lửa lớn ánh sáng trắng, trong lúc độc lập quan sát vết đen Mặt trời vào cùng một thời điểm Bùng nổ Mặt trời gây ra những hiệu ứng về vật

1.6.3 Sự phóng vật chất trong Nhật hoa (CME)

Là hiện tượng hàng tỉ tấn plasma

chủ yếu bao gồm3T electron3T 3Tvà3T 3Tproton3T,

3T

nhưng3T 3Tcó thể3T 3Tchứa3T 3Tmột lượng3T 3Tnhỏ3T 3Tcác

nguyên tố nặng3T 3Tnhư3T 3Theli3T, 3Toxy3T, 3Tvà3T 3Tthậm

chí cả3T 3Tsắt3Tđột ngột được phóng ra, mang

theo cả các đường sức từ của Mặt trời

Các CME này di chuyển với vận tốc lớn hơn vận tốc nền của gió Mặt Trời thoát ra theo phương xuyên tâm từ 500 1000 km/h và sau thời gian khoảng 3  4 ngày thì những luồng vật chất này đến được Trái đất Nếu như CME có vận tốc đủ lớn thì nó sẽ dẫn trước gió Mặt trời để hình thành nên các sóng xung kích sẽ tác động đến từ trường của Trái Đất, tác động đến từ quyển và tạo ra các thăng giáng của từ trường Trái đất, gọi là bão từ Các quá trình hình thành của bão từ có thể được miêu tả như sau:

Các dòng hạt mang điện phóng ra từ Mặt Trời sinh ra một từ trường, có độ lớn vào khoảng 6,1 T - 9 T

Từ trường này ép lên từ trường Trái Đất làm cho từ trường nơi bị ép tăng lên

Khi từ trường Trái Đất tăng lên, từ thông sẽ biến thiên và sinh ra một dòng điện cảm ứng chống lại sự tăng từ trường của Trái Đất (theo định luật Lenz)

Dòng điện cảm ứng này có thể đạt cường độ hàng triệu Ampere chuyển động vòng quanh Trái Đất và gây ra một từ trường rất lớn tác dụng lên từ trường Trái Đất Hiện tượng

này tiếp diễn làm cho từ trường Trái Đất liên tục biến thiên

1.6.4 Gió Mặt trời ( Solar wind)

Gió Mặt Trời là một luồng hạt điện tích giải phóng từ vùng thượng quyển của Mặt Trời Gió Mặt Trời mang các hạt electron và proton có năng lượng cao, khoảng 500 KeV, nhờ năng lượng nhiệt cao này chúng có khả năng thoát ra khỏi lực hấp dẫn của các ngôi sao

Gió mặt trời được thổi ra đến ranh giới hệ Mặt Trời rồi trộn lẫn với khí giữa các ngôi sao Tàu vũ trụ Pioneer 10, phóng vào 1972, đi tới Mộc Tinh và Thổ Tinh và tàu Voyager 1 hiện ở cách Mặt Trời 70 đ.v.t.v đều ghi nhận gió mặt trời đang thổi qua chúng

7T

Ảnh hưởng:

Khi gió Mặt Trời tới Trái Đất, nó có vận tốc khoảng từ 400 km/s đến 700 km/s, vận tốc trung bình là khoảng 450 km/s Nó ảnh hưởng trực tiếp đến từ quyển của Trái Đất Ở phía trước từ quyển, các dòng điện tạo ra lực ngăn chặn gió mặt trời và làm đổi hướng nó ở xung quanh vành đai bảo vệ Gió Mặt Trời là nguyên nhân dẫn đến các trận bão từ, và nó có liên hệ trực tiếp đến hiện tượng cực quang của Trái Đất và trên các hành tinh khác có từ quyển

1.7 Chu kỳ Mặt trời ( Solar Cycle)

Qua nhiều năm nghiên cứu chỉ số VĐMT người ta nhận thấy có sự lặp lại của chỉ số này nó có tính chu kỳ, vì vậy đã có khá nhiều chu kỳ được đề xuất như chu kỳ 11 năm (Schwabe cycle), 22 năm (Hale cycle), 87 năm (Gleissberg cycle), 210 năm (Suess cycle),

2300 năm (Hallstatt cycle), 6000 năm (Xapsos and Burke) Hiện nay, người ta còn dùng đồng vị phóng xạ CP

14

Pđể xây dựng số liệu VĐMT, có một số chu kỳ được đề xuất như chu

kỳ 105 năm, 131 năm, 232 năm, 385 năm, 504 năm, 805 năm, 2,241 năm (Damon and Sonnett, 1991)

Nhìn chung trong những chu kỳ đề xuất phổ biến nhất vẫn là chu kỳ 11 năm và 22 năm Chu kỳ 11 năm thường được sử dụng hơn chu kỳ 22 năm, đối với chu kỳ 11 năm số vết đen tăng lên trong bốn năm đầu và giảm đi trong bảy năm sau, khi chu kỳ đạt cực đại ứng với số vết đen cao nhất, sau cực đại số vết đen giảm dần rồi sau đó đạt cực tiểu ở cuối chu kỳ Khi khảo sát hình dạng chu kỳ VĐMT, người ta nhận thấy nó có dạng hoạt động của một chiếc nôi, nâng lên rồi giảm xuống; riêng chu kỳ 22 năm liên quan đến sự đảo cực

từ của Mặt trời, tôi sẽ đề cập ở phần sau

Về tài liệu VĐMT thì có khá nhiều, người ta chọn năm 1755 làm mốc để bắt đầu tính chu kỳ thứ nhất, từ 02/1755 đến 04/1766 là chu kỳ thứ nhất, tính cho đến nay đã trải qua 23 chu kỳ, hiện tại, Mặt trời đang bước vào chu kỳ thứ 24 (bắt đầu vào năm 2008) Tuy nhiên cũng cần lưu ý là không phải chu kỳ nào cũng là 11 năm, trong quá khứ có những chu kỳ kết thúc rất sớm 9 năm (chu kỳ 2 từ 1766 - 1775 ) có chu kỳ kéo dài đến gần 14 năm (chu

kỳ 4 từ 1784 - 1798)

Bản chất và nguyên nhân của các chu kỳ Mặt trời vẫn còn đang là điều bí ẩn đối với các nhà khoa học mặc dù hiện tại ta đã biết khá nhiều thông tin cũng như những quá trình đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo nên các VĐMT

 Tính chất của chu kỳ:

Đến thế kỷ XX, các nhà thiên văn học đã nắm được một số tính chất diễn biến của chu

kỳ Mặt trời thông qua các định luật Sporer, Joy, Waldmerier, Hale_ Nicholson

 Định luật Sporer:

Định luật Sporer dự đoán sự xuất hiện của VĐMT theo vĩ độ trong thời gian một chu

kỳ hoạt động Vào đầu chu kỳ, các vết đen thường xuất hiện trong khoảng 30 ° - 45 ° vĩ Bắc hay Nam trên bề mặt của Mặt trời Trong suốt chu kỳ, các vết đen có dấu hiệu trôi dần về phía xích đạo, khi chu kỳ đạt cực đại vết đen ở vào khoảng 15 ° vĩ Bắc hoặc Nam Đến cuối chu kỳ các vết đen vẫn tiếp tục trôi về vĩ độ thấp hơn, khoảng 7 ° tiến gần về xích đạo Mặt trời Chu kỳ tiếp theo lặp lại như vậy Mô hình này đã được Maunder minh hoạ dưới dạng giản đồ bướm (Butterfly- Diagram)

Hình 1.16 Giản đồ bướm (Internet)

 Định luật Joy: Các vết đen Mặt trời không xuất hiện riêng lẻ mà chúng tồn tại

thành từng cặp đôi, vết đen xuất hiện trước gọi là vết dẫn trước, vết đen xuất hiện sau gọi là vết kéo theo và đặc biệt giữa chúng có sự định hướng Đông –Tây, vết dẫn trước ở phía Đông và vết kéo theo ở phía Tây Sự định hướng này không phải theo vĩ tuyến mà vị trí của chúng có sự chênh lệch về vĩ độ (Ảnh minh hoạ)

 Định luật Hale- Nicholson:

Định luật Hale- Nicholson nói về hiện tượng phân cực của các nhóm VĐMT Hầu hết các vết đen xuất hiện thành cặp, định hướng Đông -Tây (định luật Joy), các vết dẫn trước ở cùng một bán cầu sẽ có sự phân cực giống nhau, nhưng sẽ là ngược lại với các vết dẫn trước

ở bán cầu kia Trong chu kì tiếp theo sự phân cực của các vết dẫn trước ở bán cầu đó sẽ ngược lại với chu kỳ trước đó Như vậy phải sau 22 năm, sự phân cực của các cặp vết đen ở mỗi bán cầu mới được lặp lại Bên cạnh sự đảo cực của các cặp vết đen, người ta còn nhận thấy rằng cực từ Mặt trời cũng có sự đảo cực trong mỗi chu kỳ 11 năm, sự đảo cực này sẽ được giải thích ở phần sau, và Mặt trời cũng phải mất 22 năm mới lặp lại sự phân cực như trước đó.Vì vậy, chu kì 22 năm liên quan đến hoạt động từ trường của Mặt trời hay còn gọi

là chu kỳ hoạt động từ Mặt trời (The Solar Magnetic Cycle)

Hình 1.18 Định luật Hale –Nicholson

(Internet) Hình 1.17 Định luật Joy (Internet)

 Hiệu ứng Waldmeier ( Waldmeier Effect)

Các chu kỳ hoạt động của Mặt trời diễn ra không giống nhau về cường độ, thời gian kéo dài của một chu kỳ, cũng như thời điểm chu kỳ đạt cực đại, (tức là thời điểm trong chu

kỳ mà Mặt trời có nhiều vết đen nhất), cực tiểu (tức là thời điểm trong chu kỳ mà Mặt trời

có ít vết đen nhất)

Những chu kỳ mà Mặt trời hoạt động mạnh thì thời gian đạt đến cực đại của chu kỳ nhanh hơn những chu kỳ hoạt động yếu, và cực đại lệch về phía đầu chu kỳ nhiều hơn những chu kỳ hoạt động yếu

Người ta nhận thấy rằng giữa thời gian đạt cực đại và cực tiểu cũng như biên độ (giá trị cực đại của số VĐMT) của chu kỳ trước có liên quan đến cực đại và cực tiểu cũng như biên độ của chu kỳ tiếp theo

D(n) : là khoảng thời gian tính từ cực đại của chu kỳ thứ n đến cực tiểu của chu kỳ thứ n+1

K (n,n+1) : là khoảng thời gian giữa cực đại của chu kỳ thứ n và n+1

M (n) : là biên độ cực đại của chu kỳ thứ n

Hoạt động Mặt trời bao gồm hai nhóm: HRV (high rising velocity): tức là có A(n) tăng nhanh, và LRV (low rising velocity) : tức là có A(n) tăng chậm

HRV bao gồm các chu kỳ 1, 5, 7, 9,19 và 21

LRV bao gồm các chu kỳ 2, 3, 4, 6, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 20, 22, và 23

M(n) = 311,64 – 36,96 A(n) (1.5), đối với các chu kỳ nhóm HRV

M(n) = 263,30 – 37,93 A(n) (1.6), đối với các chu kỳ nhóm LRV

Và: K (n,n+1) = 1,95 D(n) -3,14 (1.7)

Trên thực tế khi nghiên cứu về chu kỳ hoạt động Mặt trời ta vẫn có thể vận dụng tính chất này để phục vụ cho việc tiên đoán cho những chu kỳ kế tiếp sau chu kỳ hiện tại

Sự sụt giảm các vết đen tức là sự sụt giảm của hoạt động Mặt trời có thể gây ra các

“thời kì băng giá nhỏ”, làm nhiệt độ trên toàn cầu giảm từ 0,5  1 độ Thực tế trong quá khứ có một thời kì dài từ năm 1645 đến 1715 Mặt trời ít hoạt động, gọi là “cực tiểu Mauder”, đặt theo tên của nhà thiên văn người Anh đã phát hiện ra nó Khoảng thời gian này cũng tỏ ra khá phù hợp với “thời kì băng giá nhỏ” ở Bắc Âu vào cuối thế kỉ XVII Trước kia, người ta biết đến hoạt động Mặt trời qua vết đen Mặt trời, ngày nay, các nhà khoa học đã biết được những dạng hoạt động khác của Mặt trời như tai lửa, trường sáng, bùng nổ Mặt trời trong Sắc cầu và Nhật hoa hay CME, tất cả các dạng hoạt động này

có mối liên hệ với nhau, cái này có thể là nguyên nhân của cái kia, và tất cả chúng cũng thể hiện tính quy luật hoạt động có chu kỳ Ở những thời điểm chu kỳ đạt cực đại, Mặt trời hoạt động mạnh, có nhiều vụ BNMT, BNMT tuỳ mức độ có thể dẫn đến hiện tượng CME BNMT và CME thường đi cùng nhau Có BNMT sẽ có CME nhưng có CME lại chưa chắc

có BNMT, vào cuối chu kỳ lại hay xảy ra các trận bão Mặt trời (gồm BNMT và CME), như chu kỳ 23 vừa qua Ngoài ra, khi khảo sát thông lượng bức xạ của Mặt trời như bức xạ UV, EUV và thông lượng bức xạ vô tuyến F10,7 cm (hay 2800 MHz) cũng có sự biến thiên theo chu kỳ 11 năm, tương tự như chu kỳ VĐMT, ở giai đoạn đầu chu kỳ các bức xạ này được ghi nhận có giá trị thấp và sau đó tăng dần đến cực đại của chu kỳ và giảm xuống đạt cực

tiểu vào cuối chu kỳ, vì vậy, đây cũng là một thông số được dùng để đánh giá cũng như tiên đoán chu kỳ hoạt động Mặt trời

1.8 Từ trường Mặt trời

Mặt trời có từ trường rất mạnh và phức tạp, từ trường tại một điểm trên bề mặt trung bình vào khoảng 1 Gauss gấp hai lần từ trường Trái đất Từ trường Mặt trời mở rộng ra không gian và đến tận hành tinh xa nhất (Pluto), được gọi là từ trường liên hành tinh IMF (Interplanetary Magnetic Field), khi gió mặt trời phát ra đi vào không gian vũ trụ mang theo IMF đến các hình tinh tương tác với từ trường của các hành tinh tạo nên hiện tượng cực quang

Từ trường đóng một vai trò quan trọng trong hầu hết các khía cạnh hoạt động của Mặt Trời (các vết đen, trường sáng, BNMT, CME, gió mặt trời, và tính chất của quầng nhật hoa)

Việc giải thích nguồn gốc và bản chất từ trường của Mặt trời còn là một câu hỏi lớn và nan giải với giới khoa học Việc tìm hiểu từ trường Mặt trời liên quan đến việc nghiên cứu hoạt động Mặt trời Ngày nay, nhờ sử dụng lý thuyết từ thuỷ động học (Magneto- hydro-dynamics: MHD), người ta nhận thấy rằng từ trường Mặt trời có nhiều biến động hơn từ trường Trái đất, đồng thời được chia thành các thành phần sau: từ trường tổng (Global), từ trường mạng (Network), từ trường của các dạng hoạt động Mặt trời

Bảng 1.3 Các dạng từ trường Mặt trời

Tên Giá trị (Tesla)

Từ trường tổng 0,0001

Hình 1.20 Dự đoán F10,7cm (Internet)

Từ trường mạng

Từ trường của VĐMT

Từ trường của trường sáng

0,002 0,2 0,02

Từ trường tổng của Mặt trời là một từ trường yếu trong tất cả các dạng từ trường, có

sự phân cực Bắc –Nam, từ trường tổng thay đổi theo chu kỳ 11 năm, nó có thể là sự tổng hợp những tàn dư của từ trường còn sót lại vào giai đoạn cực tiểu của mỗi chu kỳ, sau mỗi chu kỳ lại có sự đảo cực từ, điều này liên quan đến chu kỳ 22 năm của HĐMT Như vậy, chu kỳ hoạt động thực sự của Mặt trời là 22 năm và chu kỳ vết đen 11 năm mà tôi sẽ khảo sát sau đây được xem là một phần riêng của chu kỳ hoạt động năng lượng từ trường của Mặt trời2T

Từ trường của vết đen là mạnh nhất của Mặt trời, Mặt trời được xem là một nam châm khổng lồ với các đường sức từ xuyên qua nó và ló ra ở gần các cực từ Bắc và Nam Do Mặt trời chuyển động vi sai làm kéo, dãn, xoắn, trộn các đường sức từ thành những vòng sức từ, một số ló ra ở bề mặt Mặt trời hình thành nên các vết đen Mặt trời, vành khí và tai lửa

Ở nhật hoa từ trường tạo nên một mạng lưới phức tạp Các đường sức từ liên kết giữa các vết đen trong nhóm và giữa các nhóm vết đen tạo thành những vòng dây từ trường có cực từ Bắc –Nam gọi là các đường sức đóng, những đường sức từ còn lại gần như thẳng góc với bề mặt Mặt trời gọi là đường sức mở Ở vị trí những đường sức mở là hốc nhật hoa, thường xuất hiện ở vùng cực

Hình 1.21 Mô hình giải thích sự hình thành VĐMT (Internet) Magnetic Flux: đường sức từ

Differential rotation: chuyển động vi sai

Do Mặt trời có cấu trúc lớp, mỗi lớp lại chuyển động với vận tốc khác nhau nên những đường sức từ bị xoắn chặt vào nhau tạo thành những bó cuộn đường sức từ, đây chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng bùng nổ Mặt trời, bản thân những bó đường sức từ này là những dòng plasma, khi các đường vòng xoắn chặt vào nhau có thể xảy ra hiện tượng phun trào plasma (CME)

1.9 Mô hình giải thích hoạt động Mặt trời

Như chúng ta đã biết hoạt động Mặt trời chính là sự biến đổi điện từ trường của nó Nguyên nhân chính gây nên từ trường của Mặt trời là các dòng chuyển động plasma Từ trường của Mặt trời rất lớn và phức tạp, do đó để có thể giải thích cặn kẽ cơ chế hoạt động của Mặt trời là điều không dễ dàng Các nhà khoa học với sự trợ giúp của kĩ thuật hiện đại

và những vệ tinh họ đã đề xuất một số mô hình giải thích các hoạt động của Mặt trời nhằm mục đích giải thích cơ chế hoạt động từ trường của Mặt trời Đã có nhiều mô hình được nêu

ra nhưng trong số đó đáng chú ý nhất là mô hình của Babcock (1961) sau đó được Leighton

bổ sung (1964,1969), mô hình Babcock dựa trên nền cơ sở là thuyết từ thủy động học MHD (the magnetohydrodynamical ), theo Babcock từ trường Mặt trời gồm hai thành phần là trường cực (Poloidal field lines), dọc theo kinh tuyến, và trường xoắn (Toroidal field lines), bao quanh Mặt trời theo vĩ tuyến

Vào đầu mỗi chu kỳ, từ trường phân cực Bắc – Nam dọc theo trục cực như một lưỡng cực từ (diople), các đường sức từ phân bố dọc theo kinh tuyến Do chuyển động vi sai giữa các lớp Mặt trời có vận tốc khác nhau tùy thuộc vào vĩ độ nên các đường sức từ bị xoắn lại tạo thành trường xoắn Quá trình này gọi là hiệu ứng Ω

Do Mặt trời quay từ Tây sang Đông các đường sức từ bị kéo dãn quấn quanh Mặt trời, khi cường độ đủ mạnh chúng trồi lên bề mặt và có sự vặn xoắn các đường sức từ theo

Hình 1.22 Từ trường Nhật hoa (Internet)

phương kinh tuyến tạo thành những vòng đường sức từ (magnetic loops), kết quả tạo thành những cặp vết đen định hướng Đông – Tây, vết dẫn trước ở phía Đông, vết kéo theo ở phía Tây (giải thích được định luật Joy) Vết dẫn trước ở hai nửa bán cầu có phân cực ngược nhau Vết kéo theo thì gần cực hơn và có phân cực ngược với cực từ của vết dẫn trước ở bán cầu đó

Quá trình tiếp theo là sự tái lặp từ trường cực, vào giai đoạn cuối của mỗi chu kỳ các cặp vết đen lưỡng cực mất dần liên kết với các đường sức từ Vết dẫn trước trôi về xích đạo, tại đây có sự triệt tiêu từ trường lẫn nhau, còn vết kéo theo ở hai bán cầu sẽ trôi về phía cực

từ, tại cực từ có sự triệt tiêu với từ trường ban đầu và hình thành nên lưỡng cực từ mới, ngược hướng với từ trường ban đầu, giải thích sự đảo cực từ của từ trường Mặt trời, kết thúc một chu kỳ hoạt động Mặt trời, quá trình này gọi là hiệu ứng α , như vậy, sau một chu kỳ kế tiếp thì sự phân cực từ trường Mặt trời mới được lặp lại

Mô hình Babcock đã cơ bản giải thích được một số tính chất của hoạt động Mặt trời nhưng vẫn chưa đề cập đến chu kỳ 11 năm, nguyên nhân hiệu ứng α và nguồn gốc từ trường ban đầu

 Mô hình dòng chảy kinh:

Ngày nay ta biết rằng Mặt trời có cấu trúc lớp và sự tự quay của các lớp khí không giống nhau, giả thuyết đặt ra là lớp quay chuyển tiếp giữa vùng bức xạ và vùng đối lưu là nguyên nhân gây nên hiện tượng Dynamo Mặt trời

Mô hình dòng chảy kinh do bà Mausumi Dikpati và Paul Chabonneau đề xướng, trong

đó dòng chảy kinh (Meridional Flow) là những dòng chảy trên bề mặt trời theo hướng kinh tuyến, dòng chảy này thực chất là những dòng plasma và là một vòng khép kín, dòng chảy bắt đầu từ vĩ độ thấp gần xích đạo đi ngược về phía cực từ sau đó chuyển xuống dưới vùng đối lưu (≈ 0,7 R) trở về xích đạo, tốc độ dòng chảy ở nhánh trên lớn hơn tốc độ dòng chảy ở nhánh dưới

Những dòng chảy này “chở” các vết đen về phía vùng cực làm triệt tiêu chúng và thiết lập cực từ mới gây nên sự đảo cực từ trường Mặt trời, như vậy, theo bà Mausumi Dikpati việc đảo cực từ trường nhanh hay chậm là do tốc độ của dòng chảy kinh và chiều dài của một chu kỳ có liên quan đến tốc độ này

Hình 1.25 Mô hình dòng chảy kinh (Internet)