tìm hiểu về mặt trời và những ảnh hưởng của mặt trời lên trái đất

Khối lượng khổng lồ của nó 332.900 lần khối lượng Trái Đất tạo ra nhiệt độ và mật độ đủ lớn tại lõi để xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân, làm giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, ph

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành Sư phạm Vật Lý

TÌM HIỂU VỀ MẶT TRỜI VÀ NHỮNG ẢNH HƯỞNG

CỦA MẶT TRỜI LÊN TRÁI ĐẤT

MSSV: 1100228 Lớp: SP Vật Lý K36

Cần Thơ, 5/2014

Trong thời gian thực hiện đề tài, tôi đã gặp rất nhiều khó khăn, nhưng với sự chỉ bảo tận tâm của quý thầy cô, sự nỗ lực của bản thân và sự động viên của gia đình, bạn bè Tôi đã hoàn thành tốt đề tài luận văn của mình

Vì vậy tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô

Dương Bích Thảo, cô đã tận tình hướng dẫn giúp tôi

định hướng đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn sư phạm vật lý, khoa sư phạm, trường Đại Học Cần Thơ đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức,

kỹ năng và phương pháp sư phạm trong bốn năm học tập Với vốn kiến thức tiếp thu được trong quá trình học tập đã giúp tôi làm nền tảng cho quá trình nghiên cứu và hoàn thành tốt luận văn này

Tuy đã cố gắng hết sức nhưng không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến chân thành của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn chỉnh hơn

Kim Thị Luyến

LỜI CÁM ƠN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Cần Thơ ngày……tháng ……năm 2014

ThS Dương Bích Thảo

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

Phần 1 MỞ ĐẦU 3

1 Lý do chọn đề tài 3

2 Mục đích nghiên cứu 3

4 Đối tượng nghiên cứu 4

5 Phạm vi nghiên cứu 4

6 Bố cục nghiên cứu 4

Phần 2 NỘI DUNG 5

1 TÊN VÀ TỪ NGUYÊN 5

2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MẶT TRỜI 5

2.1 Lõi 8

2.2 Vùng bức xạ của Mặt Trời 10

2.3 Vùng đối lưu của Mặt Trời 11

2.4 Quang quyển Mặt Trời 11

2.5 Khí quyển Mặt Trời 12

2.6 Từ trường 16

3 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA MẶT TRỜI 17

3.1 Các nguyên tố sắc bị ion hóa 18

3.2 Quan hệ sự phân tầng khối lượng giữa hành tinh và Mặt Trời 19

4 SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA MẶT TRỜI 19

Vết đen, số Wolf và chu kỳ hoạt động của Mặt Trời 19

5 CÁC GIAI ĐOẠN SỐNG CỦA MẶT TRỜI 24

5.1 Quá trình hình thành Mặt Trời 24

5.2 Giai đoạn chính của Mặt Trời 24

5.3 Khi nguồn hydro trong lõi cạn kiệt 25

5.4 Số phận của Trái Đất 25

6 MÀU CỦA MẶT TRỜI 25

7 ÁNH SÁNG MẶT TRỜI 28

9 CÁC VẤN ĐỀ VỀ CÁC HỌC THUYẾT 32

9.1 Neutrino Mặt Trời 32

9.2 Nhiệt độ vành nhật hoa 33

9.3 Sao trẻ 34

9.4 Các dị thường hiện tại 34

10 THÁM HIỂM MẶT TRỜI 35

10.1 Những hiểu biết trước đây 35

10.2 Sự hiểu biết cùng với tiến bộ khoa học 35

10.2.1 Trước công nguyên 35

10.2.2 Công nguyên 36

10.2.3 Thuyết nhật tâm 37

10.2.4 Thiên văn học hiện đại 37

10.3 Những thiết bị giúp chúng ta thu thập số liệu về Mặt Trời 38

11 MẶT TRỜI VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG KHỔNG LỒ 39

13 QUAN SÁT VÀ CÁC HIỆU ỨNG 49

14 MẶT TRỜI VÀ TÁC HẠI ĐẾN MẮT 52

15 GIÓ MẶT TRỜI 53

15.1 Gió Mặt Trời là gì? 53

15.2 Đặc điểm 54

15.3 Ảnh hưởng của gió Mặt Trời 55

15.3.1 Bão từ Trái Đất 55

15.3.2 Hiện tượng cực quang 57

16 BÃO MẶT TRỜI 58

16.1 Bão Mặt Trời là gì? 58

16.2 Ảnh hưởng của bão Mặt Trời 59

Phần 3 KẾT LUẬN 61

1 Những kết quả đạt được 61

2 Hạn chế 61

DANH SÁCH BẢNG 62

DANH SÁCH HÌNH 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Phần 1 MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thiên văn luôn là một môn khoa học lí thú và mới lạ, mặt dù đã tồn tại từ rất lâu Những ham muốn khám phá về lĩnh vực này khởi đầu từ việc quan sát các hiện tượng xảy

ra trên bầu trời

Vào giữa thế kỷ XX, kính thiên văn vô tuyến ra đời, cho phép ta quan sát các thiên thể mà không phụ thuộc vào thời tiết Trong các thập kỷ cuối của thế kỷ XX, các trạm vũ trụ bay quanh Trái Đất có người điều khiển, kính thiên văn vũ trụ Hubble đã phát hiện được nhiều đối tượng thiên văn ở rất xa và rất nhỏ mà ở trên Trái Đất không thể quan sát được Việc cho con người đổ bộ lên Mặt Trăng, phóng các trạm tự động lên các hành tinh….đã làm cho ngành khoa học thiên văn có thêm khả năng nghiên cứu mới có tính chất thực nghiệm

Trong đó Mặt Trời là ngôi sao gần gũi và quyết định nhất đến sự ra đời và tồn vong của Trái Đất, của muôn loài sống trên hành tinh đặc biệt này, nên từ lâu đã được nhân loại

để tâm nghiên cứu Nhiều đặc điểm và hiện tượng lý thú diễn ra ở phần ngoài của Mặt Trời khá dễ dàng quan trắc và lý giải được trong khuôn khổ nhận thức và năng lực kỹ thuật của nhân loại trên Trái Đất Bên cạnh đó vẫn còn nhiều điều tỏ ra khá bí ẩn đến kỳ lạ, do đó những mô hình nhằm mô tả cấu trúc, mô tả sự xuất hiện các hiện tượng đặc trưng của Mặt Trời, có lẽ còn lâu mới phản ánh hết mọi chi tiết của các dữ liệu do quan trắc đưa đến

Trong thế giới sao, Mặt Trời chỉ là ngôi sao trung bình yếu cả về khối lượng, kích thước và tuổi đời, tuy nhiên do nó ở vị trí đắc địa là gần chúng ta nhất và nó lại thuộc dãy sao chính (theo cách phân loại của Russel-Hertgsprung), nên nhân loại đã nhìn được rõ nhất các chi tiết bề mặt Vì lẽ đó, nghiên cứu Mặt Trời ngoài ý nghĩa để hiểu đúng hiện tượng, để vận dụng hiểu biết đó vào việc bảo vệ môi trường sống trên Trái Đất, mà còn có

ý nghĩa quan trọng giúp chúng ta có cơ sở để hiểu thế giới vô vàn các sao trong vũ trụ

Trên tinh thần đam mê học hỏi em chọn đề tài “Tìm hiểu về Mặt Trời và những ảnh hưởng của Mặt Trời lên Trái Đất” đề tài này đề cập đến các vấn đề xoay quanh Mặt Trời

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu một số đặc điểm của Mặt Trời, cũng như quá trình hình thành của Mặt Trời

3 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện đề tài em đã thực hiện nhiều phương pháp khác nhau để nghiên cứu Ở đây, chủ yếu em sử dụng phương pháp tổng hợp, khái quát các nguồn tài liệu sưu tầm được Trên cơ sở đó chọn lọc, thống kê lại theo một số hệ thống logic sao cho phù hợp Bên cạnh đó còn sưu tầm, tham khảo các bài báo cáo, các luận văn khác có liên

quan Nhất là tham khảo cách trình bày, cách bố trí từng đề mục của những bài nghiên cứu khác sẽ góp phần giúp cho luận văn thật logic và khoa học

4 Đối tượng nghiên cứu

Mặt Trời

5 Phạm vi nghiên cứu

Vì thời gian thực hiện đề tài tương đối ngắn và song song với việc thực hiện nhiều học phần khác nên đề tài chỉ đề cập đến một số đặc điểm, cũng như quá trình hình thành và một số vấn đề khác xoay quanh Mặt Trời

4 Các chu kỳ trên bầu trời

5 Giai đoạn sống của Mặt Trời

6 Màu của Mặt Trời

7 Ánh sáng Mặt Trời

8 Vị trí và chuyển động trong giải ngân hà

9 Các vấn đề về các học thuyết

10 Thám hiểm Mặt Trời

11 Mặt Trời và nguồn năng lượng khổng lồ

12 Thời gian biểu tiến hóa của Mặt Trời và Hệ Mặt Trời

Phần 2 NỘI DUNG

1 TÊN VÀ TỪ NGUYÊN

Danh từ Sun phát triển từ tiếng Anh cổ là Sunne (trong khoảng 725 trước công nguyên, được chứng thực trong Beowulf) và có thể liên quan đến người nam Có cùng nguồn gốc tiếng Anh xuất hiện trong ánh nắng Mặt Trời Khác với ngôn ngữ Đức, bao gồm Old Frisian sunne, Sonne, Old Saxon Sunna, trung Hà Lan Sonne, hiện đại Hà Lan Zon, Old Cao Đức Sunna, hiện đại Đức Sonne, Old Norse Sunna và Gothic Sunno.[5]

Trong mối quan hệ, Mặt Trời giống như một nữ thần trong Đức ngoại giáo Sol / Sunna Các học giả đưa ra giả thuyết rằng Mặt Trời, như một nữ thần Đức, có thể đại diện cho một phần mở rộng của một đầu Proto-Indo-châu Âu thần Mặt Trời do Ấn Độ- ngôn ngữ châu Âu kết nối giữa Old Norse Sol, tiếng Phạn Surya, Gaulish Sulis, Lithuania

Saule và Slavic Solntse.[5]

Các ngày trong tuần trong tiếng Anh, tên ngày chủ nhật được chứng thực trong

tiếng Anh cổ (Sunnanceg nghĩa là “ngày của Mặt Trời”, từ trước năm 700) Tên Latin của các ngôi sao la sol, nó được biết đến rộng rãi nhưng không phải là phổ biến trong sử dụng

chung với ngôn ngữ tiếng Anh, một tính từ liên quan đến năng lượng Mặt Trời Các Sol cũng được sử dụng bởi nhà thiên văn học hành tinh để tham khảo với thời gian của một ngày năng lượng Mặt Trời trên một hành tinh khác, chẳng hạn như sao Hỏa.[5]

2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MẶT TRỜI

Mặt Trời là ngôi sao ở trung tâm và nổi bật nhất trong Thái Dương Hệ Khối lượng khổng lồ của nó (332.900 lần khối lượng Trái Đất) tạo ra nhiệt độ và mật độ đủ lớn tại lõi để xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân, làm giải phóng một lượng năng lượng khổng

lồ, phần lớn phát xạ vào không gian dưới dạng bức xạ điện từ, với cực đại trong dải quang phổ từ 400 tới 700 nm mà chúng ta gọi là ánh sáng khả kiến.[10]

Mặt Trời được phân loại thành sao lùn vàng kiểu G2V, nhưng tên gọi này hay gây

ra sự hiểu nhầm khi so sánh nó với đại đa số các sao trong Ngân Hà, Mặt Trời lại là một ngôi sao lớn và sáng Các ngôi sao được phân loại theo biểu đồ Hertzsprung-Russell, biểu

đồ thể hiện độ sáng của sao với nhiệt độ bề mặt của nó Nói chung, các gosao sáng hơn thì nóng hơn Mặt Trời nằm ở bên phải của đoạn giữa một dải gọi là dải chính trên biểu đồ Tuy nhiên, số lượng các sao sáng hơn và nóng hơn Mặt Trời là hiếm, trong khi đa phần là các sao mờ hơn và lạnh hơn, gọi là sao lùn đỏ, chúng chiếm tới 85% số lượng sao trong dải thiên hà.[1][10]

Người ta tin rằng với vị trí của Mặt Trời trên dải chính như vậy thì đây là một ngôi sao đang trong "cuộc sống mãnh liệt", nó vẫn chưa bị cạn kiệt nguồn nhiên liệu hyđrô cho

các phản ứng tổng hợp hạt nhân Mặt Trời đang sáng hơn; trong buổi đầu của sự tiến hóa

nó chỉ sáng bằng 70% so với độ sáng ngày nay.[10]

Mặt Trời còn là sao loại I về đặc tính kim loại; do nó sinh ra trong giai đoạn muộn

của sự tiến hóa vũ trụ, và nó chứa nhiều nguyên tố nặng hơn hyđrô và heli (trong thiên văn

học, những nguyên tố nặng hơn hyđrô và heli được gọi là nguyên tố "kim loại") so với các

ngôi sao già loại II Các nguyên tố nặng hơn hyđrô và heli được hình thành tại lõi của các

sao già và sao nổ tung, do vậy thế hệ sao đầu tiên đã phải chết trước khi vũ trụ được làm

giàu bởi những nguyên tố nặng này Những sao già nhất chứa rất ít kim loại, trong khi

những sao sinh muộn hơn có nhiều hơn Tính kim loại cao được cho là yếu tố quan trọng

cho sự phát triển thành một hệ hành tinh quay quanh Mặt Trời, do các hành tinh hình thành

từ sự bồi tụ các nguyên tố "kim loại".[1][10]

Mô hình cấu trúc Mặt Trời:

1 Lõi

2 Vùng bức xạ

3 Vùng đối lưu

4 Quang quyển

5 Sắc quyển 6.Vành nhật hoa

7 Vết đen Mặt Trời

8 Hạt quang quyển

9 Vòng plasma

Hình 2.1: Mô hình cấu trúc Mặt Trời

Từ Trái Đất ta luôn thấy Mặt Trời hiện lên như đĩa sáng có đường kính góc0,5o

Điếu này cho ta kêt luận Mặt Trời là khối cầu nóng sáng Nhờ các thiết bị đo góc chính xác

và nhờ nâng cao độ chính xác của phép đo thị sai chân trời, đến nay người ta đo được góc

mà tâm Mặt Trời nhìn bán kính Trái Đất, nó có giá trị p= 8,794 “±0,007” Nếu coi bán

kính Trái Đất Rđ = 6400 km ta tính được khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời là

D = Rd/p = 150 triệu kilômét (chính xác là 149.597.870 km = 1 đơn vị thiên văn, viết tắt

là 1 đ.v.t.v) Do đó ta biết thêm bán kính Mặt Trời R 1 696.000

2D km

  , tức là gấp 109 lần bán kính Trái Đất.[1]

Biết Trái Đất hằng ngày quay quanh Mặt Trời với chu kỳ gần 365,25 ngày trên

đường elip gần tròn với bán kính 150 triệu kilômét, áp dụng định luật III Kepler tổng

quát:[1]

ở Trái Đất đặt vuông góc với phương tia sáng đến trong thời gian 1 phút, sau khi đã hiệu chỉnh mất mát trên đường đi, người ta nhận được giá trị 8,15 Jun Giá trị đó được đo liên tục trog nhiều năm, ở nhiều nơi cho thấy nó tỏ ra không thay đổi đáng kể Do đó nó có tên gọi là hằng số Mặt Trời a Như vậy

9, 05 J cm min

 Nếu coi rằng Mặt Trời bức xạ đẳng hướng, nó cách Trái Đất gần

150 triệu kilômét, nên ta tính được công suất bức xạ toàn phần của Mặt Trời là:[1]

W = 4 D2.a = 3,9.1026 W (2.3) Công suất này do quả cầu nóng sáng có bán kính R696.000km phát ra, nên mật

độ công suất phát ra của bề mặt Mặt Trời sẽ là:[1]

/ 4 6,5.10 /

2.1 Lõi

Hình 2.2: Cấu trúc của lõi Mặt Trời

Lõi của Mặt Trời chiếm khoảng 0,2 tới 0,25 bán kính Mặt Trời Nó có mật độ lên tới 150g/cm³ (150 lần mật độ nước trên Trái Đất) và có nhiệt độ gần 13.600.000 độ K (so với nhiệt độ bề mặt Mặt Trời khoảng 5.800 K) Những phân tích gần đây của phi

vụ SOHO cho thấy tốc độ tự quay của lõi cao hơn vùng bức xạ Trong hầu hết vòng đời của Mặt Trời, năng lượng được tạo ra bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân thông qua một loạt

bước được gọi là dãy p – p (proton – proton) (xem hình bên dưới) để biến hydro thành heli

Chưa tới 2% heli được tạo ra trong Mặt Trời có từ chu trình CNO (Cacbon-Nitơ-Ôxy).[5][8]

Lõi là vùng duy nhất trong Mặt Trời tạo ra một lượng đáng kể nhiệt thông qua phản ứng tổng hợp, 99% năng lượng được tạo ra do trong 24% bán kính của Mặt Trời, phản ứng tổng hợp phải ngừng như hoàn toàn Phần còn lại của ngôi sao được đốt nóng bởi năng lượng truyền ra ngoài từ lõi Sau đó năng lượng được tạo ra bởi sự hợp nhất trong lõi phải

đi qua nhiều lớp kế tiếp để chiếu sáng Mặt Trời trước khi trốn thoát vào không gian như ánh sáng Mặt Trời hoặc năng lượng động học giữa các hạt.[5][8]

Hình 2.3: Phản ứng tổng hợp hạt nhân

Các chuỗi proton - proton xảy ra xung quanh 9,2.1037 lần trong lõi Từ phản ứng này sử dụng bốn proton (hạt nhân hydro), nó chuyển đổi khoảng 3,7.1038

proton hạt alpha (hạt nhân heli) mỗi giây (trong tổng số  8,9.1056 proton tự do trong Mặt Trời), hoặc khoảng 6,2.1011

Kg Từ phản ứng hydro thành heli tạo ra 0,7% khối lượng hợp nhất như năng lượng Mặt Trời tạo ra năng lượng với tốc độ chuyển đổi năng lượng 4.260.000 tấn mỗi giây Sản xuất năng lượng bằng phản ứng tổng hợp trong lõi khác nhau với khoảng cách từ trung tâm năng lượng Mặt Trời Tại trung tâm của Mặt Trời, các mô hình lý thuyết ước tính nó sẽ có khoảng 276,5 watt / m 3

, một mật độ sản xuất điện mà xấp xỉ như một quả bom nhiệt hạch Công suất đỉnh trong Mặt Trời đã được so sánh với thể tích nóng tạo

ra trong một hoạt động phân đống Sản lượng điện rất lớn của Mặt Trời không phải là do công suất cao của nó cho mỗi khối lượng, nhưng thay vì do kích thước lớn của nó.[5][8]

Tỷ lệ phản ứng tổng hợp trong lõi là một trạng thái cân bằng tự điều chỉnh: một tỷ lệ cao hơn một chút phản ứng tổng hợp sẽ gây ra cốt lõi để làm nóng hơn và mở rộng một chút so với trọng lượng của các lớp bên ngoài, giảm tỷ lệ phản ứng tổng hợp và gây ra các nhiễu loạn, và một tỷ lệ thấp hơn sẽ gây ra cốt lõi để làm mát và giảm nhẹ, tăng tốc độ phản ứng tổng hợp và một lần nữa quay trở lại đến mức hiện tại.[5][8]

Các tia gamma (photon năng lượng cao) trong phản ứng nhiệt hạch được hấp thu trong chỉ một vài milimét plasma năng lượng Mặt Trời và sau đó lại phát ra một lần nữa trong một hướng ngẫu nhiên và năng lượng thấp hơn một chút Do đó phải mất một thời gian dài đối với bức xạ để đạt được bề mặt của Mặt Trời Theo ước tính, khoảng thời gian

đi của photon từ 10.000 đến 170.000 năm Ngược lại, nó chỉ mất 2,3 giây cho các neutrino, trong đó chiếm khoảng 2% tổng sản lượng năng lượng của Mặt Trời, để đạt được bề mặt Kể từ khi vận chuyển năng lượng trong Mặt Trời là một quá trình liên quan đến trạng thái cân bằng nhiệt động lực học photon trong với vật chất, quy mô thời gian vận chuyển năng lượng trong Mặt Trời dài hơn, vào thứ tự của 30.000.000 năm Đây là thời gian nó sẽ

có Mặt Trời để trở lại trạng thái ổn định nếu tỷ lệ năng lượng trong cốt lõi của nó đột nhiên thay đổi.[5][8]

Tốc độ phản ứng tổng hợp hạt nhân phụ thuộc nhiều vào mật độ và nhiệt độ, vì tốc

độ phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra ở lõi trong trạng thái cân bằng tự điều chỉnh: nếu tốc độ phản ứng hơi lớn hơn sẽ khiến lõi nóng lên nhiều và hơi mở rộng chống lại trọng lượng của các lớp bên ngoài, làm giảm tốc độ phản ứng và điều chỉnh sự nhiễu loạn, và nếu tốc độ hơi nhỏ hơn sẽ khiến lõi lạnh đi và hơi co lại, làm tăng tốc độ phản ứng và một lần nữa lại đưa nó về mức cũ Các photon (tia gamma) nhiều năng lượng phát ra trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân bị hấp thụ trong một plasma Mặt Trời chỉ vài milimét, và sau

đó tái phát xạ theo hướng ngẫu nhiên (và ở mức năng lượng khá thấp) Vì thế cần một thời gian dài các bức xạ mới lên tới bề mặt Mặt Trời Những ước tính về thời gian di chuyển

của photon trong khoảng từ 10.000 tới 170.000 năm Sau chuyến du hành cuối cùng qua lớp đối lưu bên ngoài để tới bề mặt trong suốt của quang quyển, các photon thoát ra như ánh sáng khả kiến Mỗi tia gamma trong lõi Mặt Trời được chuyển thành hàng triệu photon ánh sáng nhìn thấy được trước khi đi vào không gian Các neutrino cũng được phát sinh từ các phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi, nhưng không giống như photon, chúng hiếm khi tương tác với vật chất, vì thế hầu như toàn bộ chúng thoát khỏi Mặt Trời ngay lập tức Trong nhiều năm những đo đạc về số lượng neutrino do Mặt Trời tạo ra cho kết quả thấp hơn các dự đoán lý thuyết khoảng 3 lần Sự không nhất quán này gần đây đã được giải quyết thông qua sự khám phá các hiệu ứng dao động neutrino Vì trên thực tế Mặt Trời toả ra số lượng neutrino như các lý thuyết dự đoán, nhưng các máy dò tìm neutrino để lọt mất 2/3 trong số chúng bởi vì các neutrino đã thay đổi hướng.[5][8]

2.2 Vùng bức xạ của Mặt Trời

Trong khoảng từ 0,25 tới khoảng 0,7 bán kính Mặt Trời, vật liệu Mặt Trời đủ nóng

và đặc đủ để bức xạ nhiệt chuyển nhiệt độ từ trong lõi ra ngoài Trong vùng này không

có đối lưu nhiệt, tuy các vật liệu lạnh đi khi độ cao tăng lên (từ 7.000.000 °C tới khoảng 2.000.000 °C) làm gradient nhiệt độ này nhỏ hơn giá trị tỷ lệ khoảng đoạn nhiệt (adiabatic lapse rate) và vì thế không thể gây ra sự đối lưu Nhiệt được truyền bởi sự bức xạ - ion của hydro và heli phát ra các photon, nó chỉ di chuyển một khoảng cách ngắn trước khi bị tái hấp thụ bởi các ion khác Các photon thực tế bật lên rất nhiều lần xuyên qua vật chất đặc này tới mức của một photon riêng lẻ mất khoảng một triệu năm để tới được lớp bề mặt và

vì thế, năng lượng chuyển ra ngoài rất chậm Mật độ giảm sút hàng trăm lần (từ 20 g/cm³ xuống chỉ 0,2 g/cm³) từ đáy lên đỉnh vùng bức xạ.[5][8]

Giữa vùng bức xạ và vùng đối lưu là một lớp chuyển tiếp được gọi là tachocline Đây là vùng, nơi có sự thay đổi mạnh giữa chuyển động xoay đồng tốc của vùng bức xạ và chuyển động chênh lệch của vùng đối lưu dẫn tới một sự trượt mạnh - một điều kiện nơi các lớp ngang giáp nhau trượt trên nhau Các dạng chuyển động giống chất lỏng trong vùng đối lưu bên trên dần biến mất từ đỉnh của lớp này xuống đáy của nó, phù hợp với các đặc điểm yên tĩnh của vùng bức xạ trên đáy Hiện tại, có giả thuyết cho rằng một nguồn phát điện từ bên trong lớp này tạo ra từ trường của Mặt Trời.[5][8]

2.3 Vùng đối lưu của Mặt Trời

Trong lớp ngoài của Mặt Trời, từ bề mặt nó xuống xấp xỉ 200.000 km (hay 70% bán kính Mặt Trời), plasma Mặt Trời không đủ đặc hay đủ nóng để chuyển năng lượng nhiệt từ bên trong ra ngoài bằng bức xạ Vì thế, đối lưu nhiệt diễn ra khi các cột nhiệt mang vật liệu nóng ra bề mặt (quyển sáng) của Mặt Trời Khi vật liệu lạnh đi ở bề mặt, nó đi xuống dưới đáy vùng đối lưu, để nhận thêm nhiệt từ đỉnh vùng bức xạ Ở bề mặt nhìn thấy được của Mặt Trời, nhiệt độ đã giảm xuống 5.700K và mật độ chỉ còn 0,2 g/m³ (khoảng 1/10.000 mật độ không khí ở mực nước biển).[5][8]

Các cột nhiệt trong vùng đối lưu tạo nên một dấu vết trên Mặt Trời, dưới hình thức hột Mặt Trời (solar granulation) và siêu hột Sự hỗn loạn đối lưu của bộ phận phía ngoài này của phần bên trong lòng Mặt Trời hình thành một máy phát điện tỷ lệ nhỏ xuất hiện tạo ra từ trường bắc và nam cực trên toàn bộ bề mặt Mặt Trời Các cột nhiệt của Mặt Trời là các pin Bénard và vì thế thường có hình lăng trụ năm cạnh.[5][8]

2.4 Quang quyển Mặt Trời

Bề mặt nhìn thấy được của Mặt Trời hay quang quyển là lớp mà ở bên dưới nó, Mặt Trời trở nên mờ đục với ánh sáng nhìn thấy được Trên quang quyển ánh sáng khả kiến của Mặt Trời tự do đi vào không gian, và năng lượng của nó thoát hoàn toàn khỏi Mặt Trời Sự thay đổi trong độ mờ đục xảy ra vì sự giảm số lượng ion H−, mà chúng dễ dàng hấp thụ ánh sáng Trái lại, ánh sáng khả kiến mà chúng ta nhìn thấy được tạo ra khi các electron phản ứng với các nguyên tử hydro để tạo ra các ion H− Quang quyển thực tế dày

từ hàng chục tới hàng trăm kilômét, mờ hơn chút ít so với không khí trên Trái Đất Bởi vì phần phía trên của quang quyển lạnh hơn phần phía dưới, hình ảnh Mặt Trời hiện lên sáng hơn ở trung tâm so với ở cạnh hay rìa của đĩa Mặt Trời trong một hiện tượng được gọi là

rìa tối (limb darkening) Ánh sáng Mặt Trời có phổ gần giống với quang phổ vật đen cho

thấy nhiệt độ khoảng 6.000K (các vùng sâu có nhiệt độ tới 6.400K trong khi những vùng nông hơn là 4.400K), rải rác với các vạch hấp thụ nguyên tử từ các lớp loãng trên quang quyển Quang quyển có mật độ hạt ~1023

/m3 (khoảng 1% mật độ hạt của khí quyển Trái Đất ở mực nước biển).[5][8]

Những nghiên cứu ban đầu về phổ quang học của quang quyển, một số đường hấp thụ được tìm ra không tương ứng với bất kỳ một nguyên tố hoá học nào từng biết trên Trái Đất khi ấy Năm 1868, Norman Lockyer đưa ra giả thuyết rằng các đường hấp thụ đó là bởi một nguyên tố mới mà ông gọi là "heli", theo tên thần Mặt Trời Hy Lạp Helios Mãi đến 25 năm sau, heli mới được phân lập trên Trái Đất.[5][8]

2.5 Khí quyển Mặt Trời

Hình 2.4: Vùng bí ẩn nằm trong khí quyển thấp của Mặt Trời

Khác với các thiên thể không tự phát sáng, Mặt Trời là một quả cầu khí nóng sáng Các lớp khí ngoài gồm quang cầu, sắc cầu, nhật hoa hợp thành một lớp gọi là khí quyển Mặt Trời Tại lớp này bức xạ do chúng phát ra mới có khả năng trực tiếp đi đến Trái Đất chúng ta Quan niệm này hơi khác với trước đây người ta chỉ xem sắc cầu và nhật hoa mới

là khí quyển Mặt Trời Theo tôi, cách phân chia này hợp lý hơn, vì rằng vật chất trên Mặt Trời đều ở trạng thái khí, nhưng do khối lượng toàn bộ Mặt Trời rất lớn nên mật độ khí tại đó rất cao, nhất là càng đi gần tâm của nó Do mật độ khí lớn, nên hệ số hấp thụ bức

xạ điện từ, đặc biệt là bức xạ vùng quang học rất lớn Do đó ánh sáng do Mặt Trời phát ra dọi trực tiếp vào mắt ta phải đi từ những lớp ngoài cùng của Mặt Trời Lớp này được xem

là khí quyển Mặt Trời với hàm ý nó trong suốt đối với bức xạ quang học Chụp ảnh Mặt Trời qua ánh sáng trắng (có gắn bộ phận giảm độ dọi) và chụp bằng máy ghi hình Mặt Trời trong ánh sáng đơn sắc (spectroheliograph) H; CaII, tia X của đài quan sát thiên văn quốc gia Hoa Kỳ năm 1978 cho kết quả ứng với ảnh Mặt Trời ở những mức khác nhau trong khí quyển của nó.[1]

a Quang cầu (Photosphere)

Lớp dưới cùng của khí quyển Mặt Trời đúng theo nghĩa đen của từ “quang cầu” là lớp “cầu sáng” (light sphere) phân bố đối xứng qua tâm Mặt Trời có độ dày khoảng 300 đến 500km Đáy của lớp là mặt cầu chứa những điểm sâu nhất mà ta có thể nhìn được, đỉnh lớp cầu chứa những điểm từ đó các photon của ánh sáng có thể thoát ra khỏi Mặt Trời Như vậy, quang cầu là lớp đối xứng cầu bao quanh tâm Mặt Trời trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy Chụp ảnh quang cầu trong ánh sáng nhìn thấy, ta được một đĩa sáng có

độ sáng trung bình giảm dần từ tâm ra phía mép đĩa Các nhà thiên văn gọi đó là hiện tượng tối dần về mép đĩa Nó là bằng chứng nói lên rằng nhiệt độ trong lòng Mặt Trời tăng dần từ ngoài vào trong Thật vậy, giả sử ta có thể nhìn sâu vào trong lòng Mặt Trời một

khoảng mà ta gọi là khoảng trình l kể từ bên ngoài của quang cầu Khi đó nếu nhìn thẳng vào tâm đĩa ta nhìn thấy điểm A0, nhìn hơi xa tâm ta lần lượt đến điểm A1, A2… trong mặt phẳng kinh tuyến.[1]

Hình 2.5: Hình ảnh minh họa

Rõ ràng A0 gần tâm O hơn A1, A2… Vị trí ảnh của A0, A1, A2,…ứng với các điểm

0, 1, 2, … Do đó độ sáng ảnh quang cầu phải giảm dần từ tâm tới đĩa Nếu chụp có đô phân giải cao ta sẽ phát hiện những hạt sáng kích cỡ 700km nằm rãi rác khắp trên nền sẫm tối hơn Đây là hiện tượng tạo thành hạt sáng trong quang cầu (granulation) Qua phân tích phổ ánh sáng phát ra từ các hạt sáng và miền sẫm tối kề cạnh người ta thấy rằng quang phổ của bức xạ đi từ hạt sáng dịch về phía tím, trong khi đó bức xạ đi từ miền sẫm kế đó lại dịch về phía đỏ Áp dụng công thức v r

Vật chất trong quang cầu ở thể khí, nhưng do mật độ cao (từ 1016

Bằng cách đó đến nay đã tìm được ít nhất 82 nguyên tố có trong số 92 nguyên tố bền ở Trái Đất đều có mặt trong miền khí quyển Mặt Trời Tuy nhiên đại bộ phận là hyđro, hêli, các nguyên tố khác nặng hơn hêli chỉ chiếm 2% tổng khối lượng quang cầu (Lý thuyết bức xạ của nguyên tử, phân tử; phương trình Boltzmann, phương trình Saha mô tả điều kiện cân bằng nhiệt động của khí trung hoà và khí ion hoá sẽ cho ta sơ đồ để phân tích định hướng nhờ nghiên cứu phổ vạch hấp thụ).[1]

b Sắc cầu (chromosphere)

Sắc cầu là lớp kế tiếp quang cầu có độ dày khoảng 2000km, vật chất tại đó có mật

độ quá thấp, chủ yếu là hyđrô, nên hằng ngày nhìn bằng mắt thường hay kính thiên văn thông thường ta không thấy được nó bởi quang cầu ở phía dưới quá sáng Chỉ khi xảy ra nhật thực toàn phần ta mới thấy sắc cầu sáng lên và có màu hơi đỏ Nếu cho ánh sáng đó qua máy ghi phổ ta sẽ được phổ vạch phát xạ tương ứng với đường H(6563A o ) của hyđrô trung hoà, tiếp đến là những đường ứng với nguyên tố Na, Ca, Mg và của ion He Qua máy

đó còn thấy rằng vị trí vạch phát xạ có nhiều đường trùng với những đường của vạch hấp thụ xuất hiện ở lớp phía trên quang cầu mà ta đề cập ở phần trước Vì lẽ đó sắc cầu có tên gọi là lớp đảo sắc.[1]

Phân tích chi tiết phổ vạch phát xạ người ta thấy nhiệt độ của khí trong sắc cầu tăng theo độ cao được thể hiện qua hình (2.6) trong phạm vi từ 4500K đến 400000K.[1]

Hình 2.6: Phân tích chi tiết phổ vạch phát xạ

Từ hình vẽ này ta thấy rằng tại lớp dưới cùng của sắc cầu khí loãng, lại ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ quang cầu nên tại đó sẽ có phổ hấp thụ Fraunhofer đặc biệt là phổ hấp thụ của dãy Balmer Tại vùng ở phía trên của sắc cầu, những nơi nhiệt độ là 104K trở lên, khi đó khí sẽ cho phổ vạch phát xạ Tại sao nhiệt độ sắc cầu càng lên cao càng tăng lên Điều này được lý giải nếu ta nghiên cứu chi tiết về sự hấp thụ bức xạ đi từ quang cầu lên

sự truyền sóng xung kích của sóng âm và sóng âm từ do dao động của vật chất trong quang cầu gây ra.[1]

Nếu chụp ảnh Mặt Trời từ máy ghi ảnh trong bức xạ đơn sắc cho thấy hình dạng phía trên của sắc cầu hiện lên trên tia sáng và chi tiết hơn còn sẽ thấy trong sắc cầu tồn tại những thớ sáng hình răng cưa trải ra tận miền tiếp giáp giữa sắc cầu và nhật hoa.[1]

c Nhật hoa (Corona)

Nhật hoa là lớp khí quyển cao nhất của Mặt Trời, nó trải dài từ lớp tiếp giáp với sắc cầu đến tận miền không gian chứa các hành tinh như Trái Đất Tuy nhiên, phía ngoài của nhật hoa không có hình dạng ổn định mà tuỳ thuộc rất nhiều vào mức độ hoạt động của Mặt Trời Bình thường ta không nhìn thấy nhật hoa vì độ sáng của nó quá yếu so với quang cầu, sắc cầu Nếu che được ánh sáng đi từ hai lớp ở dưới nó thì nhật hoa sẽ hiện lên như vàng sáng trắng màu ngọc trai Ảnh chụp Mặt Trời lúc nhật thực toàn phần cho hình ảnh đó Nếu dùng thiết bị chụp ảnh nhật hoa (coronagraph) ta ghi được phổ nhật hoa trong ánh sáng trắng Nó chia làm hai phần là nhật hoa dưới (K- Corona) và nhật hoa trên (F- Corona) Trong đó phổ liên tục của nhật hoa dưới chứa các thành phần đơn sắc khá giống với phổ liên tục của quang cầu nhưng độ sáng chỉ bằng 10-6 so với độ sáng tương ứng với bức xạ do quang cầu phát ra Đây là kết quả ánh sáng do quang cầu gửi tới nó bị các electron trong nhật hoa làm tán xạ gây ra Phổ liên tục của nhật hoa trên (F- Corona) là do ánh sáng trắng từ quang cầu gửi tới bị các hạt vật chất trong không gian giữa các hành tinh làm tán xạ gây ra, nó chứa vạch hấp thụ và nó trùng với phổ của ánh sáng hoàng đạo (zodiacal light) Những khi Mặt Trời hoạt động mạnh, thành phần phổ nhật hoa dưới biến đổi rất mạnh, độ sáng của nó tăng nhanh và hình dạng nhật hoa trong như những chùm tia sáng trải rộng tạo thành các dòng suối nhật hoa (Corona streamers) Vào những năm Mặt Trời tĩnh, suối nhật hoa quy tụ vùng xích đạo Mặt Trời, nó trải dài xa tâm hơn so với suối

ở vùng cực Phân tích chi tiết phổ liên tục của nhật hoa dưới, người ta xác định được nồng

độ electron tự do trong đó khá lớn, nó chiếm ½ nồng độ tổng cộng các hạt tại K-corona Tuy nhiên, không thấy vạch phổ hấp thụ xuất hiện trên nền phổ tán xạ, mọi sự nhoè của vạch phổ chỉ có thể do hiệu ứng Doppler vì chuyển động nhiệt của các electron tự do Điều này cho ta đi đến kết luận là nhiệt độ của nhật hoa vào thời kỳ Mặt Trời tĩnh đạt tới vài triệu độ Kết quả này khá phù hợp với phương pháp xác định phổ nhật hoa qua phổ bức xạ

ở miền sóng vô tuyến Một đặc điểm là trong phổ vạch của nhật hoa xuất hiện một số vạch ứng với sự chuyển giữa các mức siêu bền, các vạch phổ này là bị cấm theo cơ học lượng

tử, đồng thời có những vạch ứng với phổ đặc trưng của các nguyên tố nặng bị ion hoá bậc cao phát ra ví dụ Fe X, Fe XIV hay Ca XV Điều này cũng chứng tỏ mật độ các hạt trong nhật hoa rất gần đạt đến chân không lý tưởng và nhiệt dộ khí ion trong nhật hoa đạt đến một vài triệu độ Kenvin.[1]

Nếu chụp ảnh nhật hoa trong bức xạ Roentgen, ta thấy nhật hoa có chứa những

“vòng sáng” và những “hố tối” được gọi tương ứng là vòng xoắn nhật hoa và hố nhật hoa Phép trắc phổ đi từ những miền này cho thấy vật chất trong vòng xoắn nhật hoa chạy dọc theo đường sức từ trường hình vòng cung rồi lại men theo phía bên kia của đường đó để trở lại bề mặt xuất phát, khí ion bị nhốt trong ống đường sức từ trường hình vòng cung

đó.[1]

Tại những miền có mặt hố nhật hoa, khí ion ở đó thưa hơn, nguội hơn Các hố nhật hoa thường xuất hiện ở gần miền cực thì tỏ ra ít biến đổi Nhưng nếu ở những miền ngay trên miền hoạt động của quang cầu (nơi xuất hiện các vết đen) lại tỏ ra biến đổi nhanh Những miền phát xạ mạnh tia X ở trong nhật hoa chỉ tồn tại trong vòng vài giờ, sau đó nó hoà tan vào trong hố nhật hoa.[1]

Các nhà vật lý Mặt Trời cho rằng những chỗ xuất hiện hố nhật hoa đánh dấu những miền tại đó từ trường từ Mặt Trời vươn ra xa tâm Mặt Trời hơn là chảy ngược trở lại Do

đó khí nhật hoa có xu hướng thoát khỏi Mặt Trời chứ không chạy ngược xuống, từ đó hình thành nên gió Mặt Trời, tức là các dòng hạt điện tích đi ra khỏi nhật hoa với tốc độ v = 300 km/s đến 700 km/s tại miền cách nơi phóng ra khoảng 2 lần bán kính Mặt Trời Gió Mặt Trời đi vào không gian giữa các hành tinh gặp từ trường của hành tinh gây ra hiện tương bão từ, còn khi gặp tầng ion trong khí quyển hành tinh, chúng sẽ tương tác với tầng ion

Đây là vấn đề mà địa vật lý phải quan tâm [1]

2.6 Từ trường

Hình 2.7: Hình ảnh mô phỏng từ trường của Mặt Trời

Mặt Trời là một sao có hoạt động của từ trường Nó có từ trường biến đổi mạnh mẽ hàng năm và đổi hướng sau 11 năm Từ trường của Mặt Trời tăng lên gây ra một số hiệu ứng gọi chung là hoạt động của Mặt Trời bao gồm vết đen trên bề mặt của Mặt Trời, vết sáng Mặt Trời, và các bức xạ trong gió Mặt Trời, chúng mang vật chất vào trong Hệ Mặt Trời Các ảnh hưởng của hoạt động bức xạ này lên Trái Đất như cực quang ở các vĩ độ trung bình đến cao, và sự gián đoạn việc truyền sóng radio và điện năng Hoạt động của Mặt Trời có vai trò rất lớn trong sự hình thành và tiến hóa của Hệ Mặt Trời và làm thay đổi cấu trúc tầng điện ly của Trái Đất.[5][8]

Tất cả vật chất trong Mặt Trời đều ở thể khí và plasma do có nhiệt độ cao Điều này

có thể làm cho vận tốc quay ở vùng xích đạo (khoảng 25 ngày) nhanh hơn ở các vùng có vĩ

độ cao hơn (khoảng 35 ngày ở gần các cực) Vận tốc quay khác nhau ở các vĩ độ của Mặt Trời tạo ra các đường sức từ xoắn vào nhau theo thời gian, tạo ra các vòng hoa từ trường phun ra từ bề mặt của Mặt Trời và tạo ra các vết đen Mặt Trời Sự xoắn vào nhau này làm tăng quá trình phát sinh từ trường của Mặt Trời và gây ra sự đảo từ của Mặt Trời theo chu kỳ 11 năm.[5][8]

Từ trường của Mặt Trời mở rộng ra ngoài ranh giới của nó Plasma trong gió Mặt Trời bị từ hóa mang từ trường của Mặt Trời vào không gian tạo ra từ trường giữa các hành tinh Vì plasma chỉ có thể chuyển động trên các đường sức từ, từ trường giữa các hành tinh được mở rộng xuyên tâm từ Mặt Trời ra ngoài không gian Do từ trường ở trên và dưới xích đạo khác nhau về cực hướng vào và hướng ra khỏi Mặt Trời, nên tồn tại một lớp dòng điện mỏng trên mặt phẳng xích đạo được gọi là dải dòng điện nhật quyển (heliospheric current sheet) Ở khoảng cách lớn, sự quay của Mặt Trời xoắn từ trường và dải dòng này thành cấu trúc giống xoắn ốc Archimedes gọi là xoắn ốc Parker Từ trường giữa các hành tinh mạnh hơn từ trường ở hai cực của Mặt Trời Từ trường ở hai cực của Mặt Trời 50–400 μT (trong quang quyển) giảm theo hàm mũ bậc ba của khoảng cách và đạt 0,1 nT

ở Trái Đất Tuy nhiên, theo các thăm dò từ tàu không gian cho thấy từ trường giữa các hành tinh ở vị trí của Trái Đất cao hơn khoảng 100 lần so với con số trên, vào khoảng

5 nT Sự khác biệt này là do từ trường tạo ra bởi dòng điện trong plasma xung quanh Mặt

Trời.[5][8]

3 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA MẶT TRỜI

Vào năm 1814 lần đầu tiên Joseph Von Fraunhofer (1787 – 1826) đã ghi được ảnh vạch phổ hấp thụ của Mặt Trời.[1]

Theo quy tắc hấp thụ Kirchoff, ta thấy rằng phổ vạch phát xạ hoặc hấpthụ là cơ sở

để ta nhận biết sự có mặt của nguyên tố đã sản sinh ra phổ vạch đó Kết hợp với cơ học lượng tử và vật lý thống kê ta biết thêm giá trị số lượng các hạt đã tham gia bức xạ, từ đó biết được độ phổ biến tỷ đối của các nguyên tố có mặt trong môi trường vật chất

Kết quả phân tích phổ vạch hấp thụ cho ta kết quả ở bảng 3.1 [1]

Tên nguyên tố Ký hiệu

nguyên tố

Nguyên tử số Số hạt trong

cùng một thể tích

Độ phổ cập tương đối

ni/N (%) Hyđrô

Hyđrô Hêli Ôxy Cácbon Sắt Các nguyên

tố khác 78,5% 19,7% 0,86% 0,4% 0.14% 0,54%

Bảng 3.2 : Thành phần hóa học của Mặt Trời

3.1 Các nguyên tố sắc bị ion hóa

Trong thập niên 1970, nhiều nghiên cứu tập trung vào sự phong phú của các nguyên

tố nhóm sắt trong Mặt Trời Mặc dù các nghiên cứu này mang lại nhiều ý nghĩa, nhưng

việc xác định sự phong phú của các nguyên tố nhóm sắt (như coban và mangan) vẫn còn là khó khăn vào thời điểm đó do các cấu trúc siêu mịn của chúng

Một bộ hoàn chỉnh về độ mạnh dao động đầu tiên của các nguyên tố nhóm sắt bị ion hóa riêng lẻ được thực hiện thành công vào thập niên 1960, và được nâng cấp vào năm

1976 Năm 1978, sự phong phú về các nguyên tố thuộc nhóm sắt bị ion hóa đã được nhận dạng.[5][8]

3.2 Quan hệ sự phân tầng khối lượng giữa hành tinh và Mặt Trời

Nhiều tác giả khác nhau đề cập đến sự tồn tại của mối quan hệ phân tầng khối lượng giữa các thành phần đồng vị của Mặt Trời và khí trơ trên các hành tinh, ví dụ như sự tương quan giữa thành phần đồng vị của hành tinh và Mặt Trờ là Ne và Xe Tuy nhiên, người ta tin rằng toàn bộ Mặt Trời có cùng thành phần như nhau trong khi bầu khí quyển của Mặt Trời vẫn trải rộng và ít nhất là đến năm 1983 Năm 1983, người ta cho rằng có sự phân tầng trên Mặt Trời, chính vì vậy đã tạo ra mối quan hệ phân tầng giữa các thành phần đồng vị của hành tinh và gió Mặt Trời là các khí hiếm.[5][8]

4 SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA MẶT TRỜI

Vết đen, số Wolf và chu kỳ hoạt động của Mặt Trời

Vết đen là những miền trên quang cầu, có nhiệt độ thấp hơn miền bao quanh (ở cùng một khoảng cách đến tâm Mặt Trời) khoảng vài nghìn độ, có kích thước 104km Vết đen càng rộng có thời gian tồn tại trên quang cầu càng dài, dài nhất khoảng vài tháng Đặc điểm này lần đầu tiên đã được Galileo sử dụng để phát hiện sự tự quay của quang cầu Mặt Trời Theo Galieo Mặt Trời tự quay quanh trục với chu kỳ trung bình 28 ngày Những quan sát chính xác hơn cho thấy Mặt Trời tự quay quanh trục với chu kỳ thay đổi theo vĩ độ

B của điểm đó trong hệ toạ độ vật lý Mặt Trời Sự thay đổi đó thoả mãn biểu thức:

Nếu quan sát kỹ một vết ta sẽ thấy: thoạt đầu nó xuất hiện như một chấm mờ sau đó lan rộng ra và ngày càng mờ dần so với miền kề cạnh Qua chụp phổ và phân tích phổ bức

xạ đi từ vết đen ta thấy rằng vết đen bức xạ như một vật đen có nhiệt đô 4000K Các vạch phổ vạch 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 Qua đo đạc

dộ tách hiệu ứng Zeemann thấy rằng từ trường vết đen có giá trị 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 kilômét Trong quá trình phát triển các vết đen, từ trường tăng dần đến cực đại Vết đen thường xuất hiện thành từng nhóm, bao gồm nhiều nhóm đôi nhỏ Trong nhóm đôi, cực

từ của hai vết kề cạnh nhau bao giờ cũng ngược nhau Lý thuyết từ thuỷ động MHD (Magnet hyđrôdynamic theory) do Cawling và Alfven đề xướng giúp ta giải thích một cách

định tính sự xuất hiện vết đen Theo Alfven do có nhiễu động nào đấy làm xuất hiện miền plasma có mật độ electron và nhiệt độ khác nhau, từ đó hình thành các dòng điện có cường

độ lớn và kéo theo sinh ra từ trường lớn ở vúng lân cận Nếu có cơ chế nào đó để chuyển động năng của khối plasma 2

từ B ở địa phương sẽ tăng dần Vì plasma có độ dẫn điện lớn nên dường như từ trường bị

“đóng keo” vào vật chất đó Nếu khối plasma đứng yên thì mọi biến thiên của từ trường đều bị từ trường của dòng cảm ứng ngăn lại và từ trường chỉ có thể biến đổi khi các đường sức cảm ứng từ cùng dịch chuyển với dòng vật chất đó Chính dòng đối lưu trong lòng Mặt Trời đã “nắn thẳng” các đường sức từ, kéo dài nó, dồn nó lại, làm cho từ trường mạnh hơn Theo cơ chế đại từ trường trong plasma do Fermi đề xướng thì quá trình khuếch đại sẽ dừng lại khi thoả mãn:

/ 8 / 2

B  v (4.2) Tại vùng đối lưu = 3.10-1kgm-3, v = 0,5kms-1, do đó B đạt đến giá trị gấp hàng trăm lần từ trường Trái Đất chúng ta.[1]

Gần đây có người đã cho rằng có thể xem mỗi vết đen như một cuộn dây sôlenôit,

“dây” cuốn quanh ống có tiết diện cỡ tiết diện vết đen Do đó đường kính của ống dây cỡ

103km Coi rằng “ống dây” dài vô hạn, khi đó trong lòng “ống dây” cảm ứng từ

Một điểm khá lý thú là tại điểm vết đen tụ lại thành nhóm lớn, khi các vết đen kề cạnh nhau đến mức nào đó, những chỗ B ngược dấu nhau sẽ xảy ra vụ nổ đột ngột làm tăng cường độ bức xạ đến hàng triệu lần trong vài chục phúc rồi từ từ giảm xuống ở khắp mọi bước sóng của thang sóng điện từ kèm theo phóng ra các tia vũ trụ năng lượng thấp hơn các electron, proton, với tốc độ cỡ (500 600)  kms-1 Dòng hạt này thực sự là mối nguy hiểm cho các nhà du hành vũ trụ khi đi ra ngoài khoang tàu bảo vệ và có ảnh hưởng lớn đến tầng ion của khí quyển Trái Đất Vụ nổ ta vừa đề cập có tên gọi là bùng nổ sắc cầu Công suất bức xạ của một bùng nổ sắc cầu lớn gấp nhiều lần các vụ nổ hạt nhân mà ta đã biết ở Trái Đất Nếu cơ chế tương tự nhưng xảy ra ở miền nhật hoa ở phía trên nơi có nhóm vết đen có tính chất đã nêu thì ta gọi là bùng nổ nhật hoa Bùng nổ nhật hoa diễn ra ở vùng bức xạ cực ngắn, vùng tia X của sóng điện từ Phép đo nhiệt đô cho thấy 7

2.10

T  K tức là gấp 10 lần nhiệt độ vật chất quanh đó Đây thực sự là vụ nổ cực lớn ở nhật hoa mà cho đến nay vẫn

chưa lý thuyết đoán nhận nó, nhưng có thể cho rằng bùng nổ sắc cầu và bùng nổ nhật hoa

có liên quan đến sự “huỷ diệt” từ trường dẫn đến sự phóng nhanh năng lượng từ trường đó vào trong miền rất hẹp.[1]

Khi trên quang cầu xuất hiện vết đen, nếu ta quan sát Mặt Trời qua ánh sáng đơn sắc

(6365 )

o

H A , các vạch H, K của ion canxi hoặc ghi ảnh Mặt Trời nhờ máy ghi ảnh phổ (spectroheliograms), ta sẽ thấy rằng lúc đó trên khí quyển Mặt Trời cũng xuất hiện các vết khác như tai lửa (prominences), gai lửa (spicules) vv… Vì thế các vết đen có thể được coi

là vết đại diện để khảo sát sự hoạt động của Mặt Trời.[1]

Đến đây ta có thể nói thời kỳ trên Mặt Trời có nhiều vết đen được gọi là thời kỳ hoạt động của Mặt Trời Sự hoạt động này không phải thay đổi một cách ngẫu nhiên mà theo quy luật tuần hoàn với chu kỳ xác định Qua nhiều số liệu đã ghi chép từ thời Galileo và liên tục tiếp sau đó, lần đầu tiên Henrich Schwate đã nhận xét rằng: “Số vết đen quan sát ghi chép lại được tỏ ra biến thiên với chu kỳ 10 năm” Rudolf Wolf người Thuỵ Sỹ đã tiếp tục quan sát thu thập và xử lý số liệu vết đen do những người khác trước đó và do chính bản thân ông cùng các cộng sự ghi lại được Ông thấy rằng nếu gọi

( 10 )

Wk f  g (4.3) Với k là hệ số tương quan đo thực nghiệm quyết định, f là tổng số vết đen đếm được trên quang cầu (kể cả đứng riêng và quy tụ lại thành nhóm nhỏ), g là số nhóm vết đen thì W

tỏ ra biến thiên với chu kỳ 11 năm Số W được gọi là số Wolf Wolf đề nghị:

Khi W Wmax là thời kỳ hoạt động mạnh của Mặt Trời còn khi WWmin là thời kỳ Mặt Trời tĩnh.[1]

Nếu để ý chu kỳ lập lại của cực đại trong các cực đại “địa phương” thì số W tỏ ra biến thiên với chu kỳ dài 90 năm, nghĩa là gần một thế kỷ Nếu để ý đến cực đại của vết thì chu kỳ phải là 22 năm như G H.Hale đã nêu ra vào năm 1908 Từ giữa cuối thế kỷ XVIII

số liệu quan trắc vết đen được ghi lại đầy đủ và xử lý theo quy định thống nhất, vị trí vết đen được cho trong hệ toạ độ vật lý Mặt Trời mang tên hệ toạ độ Kêringtơn Do đó chu kỳ bắt đầu từ năm 1755 được coi là chu kỳ thứ nhất Năm 2006 2007 là cuối của chu kỳ thứ

23 và đầu năm 2008 được coi là đầu của chu kỳ 24, năm hoặc sáu năm sau sự hoạt động của Mặt Trời sẽ đạt cực đại Một điều lý thú khác là quy luật thay đổi của số Wolf W tỏ ra trùng lặp với quy luật biến thiên của một số hiện tượng địa vật lý, từ quyển, sinh quyển ở Trái Đất chúng ta Ví dụ độ rộng ở các vành sinh trưởng trên cây cổ thụ, một số nạn dịch bệnh trên Trái Đất, số lượng bão từ, … Có tác giả còn cho rằng hoạt động của Mặt Trời có liên quan tới biến thiên giá trị áp suất trung bình hàng năm ở tầng thấp của khí quyển.[1]

Người ta quan niệm ảnh hưởng đó diễn ra theo phác đồ sau:

Hình 4.1: Hình ảnh minh hoạ

Ta hình dung như sau: Khi Mặt Trời hoạt động mạnh, trên sắc cầu và nhật hoa sẽ xuất hiện bùng nổ làm tăng cường đột ngột bức xạ điện từ ở bước sóng ngắn (tia X, tia tử ngoại), tăng cường bức xạ hạt mang điện và các tia vũ trụ Những bức xạ điện

từ chỉ cần hơn 8 phút sau là chúng có thể xâm nhập vào khí quyển Trái Đất và tương tác với các ion ở tầng điện ly làm tăng cường mật độ điện tích và thay đổi độ cao của tầng điện

ly, kết quả làm thay đổi chất lượng liên lạc vô tuyến sóng cực ngắn.[1]

Nếu dòng bức xạ từ Mặt Trời phóng ra, tuỳ thuộc vào động năng ban đầu mà nó phải mất khoảng thời gian từ vài chục giờ đến vài ngày sau nó mới xâm nhập vào từ quyển Trái Đất Bản thân các hạt này mang một phần từ trường vết đen có đặc tính phản từ, nó ép đường sức từ trường Trái Đất cộng với từ trường của dòng cảm ứng làm cho từ trường của Trái Đất thăng gián liên tục gây nên sự dao động của kim la bàn đặt tại đó Hiện tượng này gọi là bão từ.[1]

Chính thông qua cơ chế tương tự, dòng hạt đi từ bùng nổ Mặt Trời khi đến Trái Đất đã làm rối loạn sự hoạt động của các thiết bị tự động đóng ngắt đường dây tải điện cao thế, hoặc thiết bị tự động điều khiển đóng ngắt mạch điện đặt trên các vệ tinh nhân tạo bay quanh Trái Đất Ngày 06/03/1989 trên Mặt Trời có bùng nổ sắc cầu lớn nhất trong số các bùng nổ cùng loại ghi lại được trong suốt 20 năm trước đó, có thể là nguyên nhân gây

ra sự cố mất điện trên đường tải điện xuyên Đông Tây ở Quebec (Canada) vào giữa tháng 3 năm đó, khiến hơn 6 triệu dân phải sống trong đêm không ánh điện.[1]

Mặt Trời hoạt động mạnh làm rối loạn tầng khí quyển Trái Đất, làm thay đổi độ cao của tầng đó Chính điều này đã ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ của các vệ tinh nhân tạo, đến các con tàu vũ trụ, đến tính mạng của các nhà du hành vũ trụ Việt Nam đã gia nhập cộng đồng khai thác thành tựu của khoa học vũ trụ đưa lại, do đó chúng ta cần phải lưu ý đến các vấn đề này Nó được đề cập kỹ trong lĩnh vực gọi là khí hậu và thời tiết vũ trụ (Cosmic’s

Climate and Weather) Ta biết rằng áp lực do áp suất ánh sáng gây ra cho vệ tinh, sức cản môi trường và tương tác giữa từ trường Trái Đất với dòng điện cảm ứng xuất hiện trong các

vỏ kim loại của vệ tinh… là những lực nhiễu loạn làm vệ tinh nhân tạo lẹch khỏi quỹ đạo

đã dự tính cho nó Những lực này đếu có xu hướng làm giảm cơ năng của vệ tinh, kết quả

là vệ tinh càng giảm độ cao quỹ đạo và nhanh chóng rơi vào tầng thấp khí quyển rồi bốc cháy Sự cố tàu Skylab của Mỹ xảy ra vào năm 1997, sự cố trạ vũ trụ mang tên Hoà Bình (The Mir) của Nga vào đầu năm 2001 đều xảy ra xung quanh thời kỳ Mặt Trời hoạt động mạnh.[1]

Dòng bức xạ hạt đi từ Mặt Trời còn có tên là gió Mặt Trời, chủ yếu chứa các proton, electron Dòng hạt này khi gặp từ trường Trái Đất làm biến dạng từ trường đó và có xu hướng đẩy từ trường Trái Đất ra xa Mặt Trời Bản thân từ trường Trái Đất phản ứng lại không cho dóng gió Mặt Trời xâm nhập vào từ quyển của mình Một số hạt có năng lượng

đủ lớn có thể xâm nhập vào từ quyển Nhưng dưới tác dụng của lực Lorent, các hạt này phải chuyển động theo đường xoắn ốc men theo đường sức từ trường Trái Đất.[1]

Vì từ trường Trái Đất có giá trị lớn ở gần hai địa cực và nhỏ dần ở xích đạo nên quỹ đạo xoắn ốc có “bước xoắn” giảm dần về phía cực từ: một ở gần cực bắc, một ở gần cực nam Hai điểm này tựa như các điểm trên gương làm phản xa ánh sáng dọi tới nên gọi là các điểm gương (Mirro points).[1]

Các điểm gương thuộc vành đai Alen trong nằm ở tầng thấp khí quyển, do đó các hạt mang điện sẽ va cham với phân tử khí làm ion hoá khí và khi tái kết hợp khí ion hoá sẽ phát ra ánh sáng đặc trưng gọi là cực quang (aurorae) Cực quang xảy ra ở những điểm gương gần phía địa cực bắc gọi là bắc cực quang, nếu xảy ra ở gần địa cực nam gọi là nam cực quang Những năm Mặt Trời hoạt động mạnh, mật độ hạt và năng lượng dòng hạt trong gió Mặt Trời đều tăng cường dẫn đến hạ thấp độ cao các điểm gương, kết quả dẫn đến cơ hội xảy ra cực quang thuận lợi hơn vì thế thời kỳ này dễ quan sát thấy cực quang.[1]

Sự hoạt động của Mặt Trời có ảnh hưởng đến khí hậu, thời tiết trên Trái Đất không? Đến nay câu trả lời này có thể có, nhưng theo cơ chế nào thì chưa thật sự rõ Nhưng chắc chắn nếu có thì phải chịu sự chi phối rất lớn của kgí quyển Trái Đất nên phải có độ trễ nhất định và phải chiếm vị trí đứng sau các yếu tố do chính môi trường Trái Đất gây ra Do đó cần thấy hết ý nghĩa của các hoạt động bảo vệ môi trường sống trong phạm vi toàn cầu do Liên Hợp Quốc khởi xướng và chỉ đạo thực hiện.[1]

Từ năm 1980 đến nay nhiều thiết bị đo đạc cao không đã xác định chính xác công suất bức xạ của Mặt Trời gửi đến Trái Đất Theo số liệu này thì những năm trên Mặt Trời

có nhiều vết (năm Mặt Trời hoạt động mạnh) lượng bức xạ gửi đến Trái Đất tăng lên 0,1%

so với năm Mặt Trời tĩnh Trong khi đó hoạt động của con người ở Trái Đất làm tăng lượng khí gây hiệu ứng nhà kính, bằng chứng là khí hậu toàn cầu đang ấm lên, băng ở hai cực

đang tan ra, mực nước đại dương đang dâng lên lấn dần nơi sinh sống của các loài vật trên cạn trong đó có con người, làm ảnh hưởng tới nền văn minh của nhân loại.[1]

Nghiên cứu Mặt Trời để thấy rõ hơn vai trò của nó đối với sự thay đổi khí hậu trong quá khứ, hiện tại và tương lai trân Trái Đất chúng ta là rất cần thiết.[1]

5 CÁC GIAI ĐOẠN SỐNG CỦA MẶT TRỜI

Mặt Trời hôm nay đã đạt được khoảng nữa phần ổn định nhất trong giai đoạn tồn tại của

nó Nó không thay đổi đáng kể trong vài tỷ năm và có thể kéo dài hơn nữa Tuy nhiên sau khi phản ứng tổng hợp hydro trong lõi của nó đã dừng lại, Mặt trời sẽ trải qua những thay đổi nghiêm trọng cả trong lẫn ngoài.[5][8]

5.1 Quá trình hình thành Mặt Trời

Mặt Trời được hình thành cách đây khoảng 4,57 tỉ năm từ sự sụp đổ một phần của một đám mây phân tử khổng lồ thành phần chủ yếu là hydro và heli từ đó cho ra đời những ngôi sao khác nhau Tuổi của các sao được xác định thông qua các mô hình máy tính của sự kiện tiến hóa sao và niên đại học phóng xạ hạt nhân vào khoảng 4,57 tỉ năm Trong khi phương pháp định tuổi bằng đồng vị phóng xạ của các vật liệu cổ nhất từ Hệ Mặt Trời vào khoảng 4,567 tỉ năm.[5][8]

Các nghiên cứu về thiên thạch cổ đại tiết lộ dấu vết của các hạt nhân Chẳng hạn như sắt-60 được hình thành chỉ trong vụ nổ sao ngắn ngủi Điều này cho thấy rằng một hoặc nhiều sao tân tinh phải xảy ra gần vị trí mà Mặt Trời hình thành Một sóng siêu kích từ, một siêu tân tinh có thể đã kích hoạt sự hình thành của Mặt Trời bằng cách nén khí trong các đám mây phân tử và gây ra một số vụ nổ dưới trọng lực của chính nó Và Mặt Trời là một trong những mãnh của vụ nổ đó, nó cũng bắt đầu quay, do để bảo toàn động lượng và nóng lên với áp lực ngày càng tăng Phần lớn khối lượng tập trung ở trung tâm, trong khi các phần còn lại phăng ra tạo thành một đĩa và trở thành các hành tinh và các cơ quan hệ thống năng lượng Mặt Trời khác Trọng lực và áp lực trong lõi của các đám mây tạo ra rất nhiều nhiệt, cuối cùng gây ra phản ứng tổng hợp hạt nhân Do đó, Mặt Trời được sinh ra.[5][8]

5.2 Giai đoạn chính của Mặt Trời

Mặt Trời hiện đã tồn tại nửa vòng đời của nó theo tiến hóa của các dãy sao chính, trong khi các phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi của nó chuyển hydro thành heli Mỗi giây có hơn 4 triệu tấn vật chất trong lõi của Mặt Trời được chuyển thành năng lượng, tạo

ra neutrino và các dạng bức xạ năng lượng Mặt Trời Với tốc độ này cho đến nay, Mặt Trời

đã chuyển đổi khoảng 100 lần khối lượng vật chất Trái Đất thành năng lượng Mặt Trời sẽ mất tổng cộng khoảng 10 tỷ năm để kết thúc sự tồn tại của nó trước khi trở thành sao lùn trắng.[5][8]

5.3 Khi nguồn hydro trong lõi cạn kiệt

Mặt Trời không có khối lượng đủ lớn để kết thúc vòng đời bằng một vụ nổ tung như siêu tân tinh Ngược lại, trong vòng 4-5 tỷ năm tới nó sẽ đi tới trạng thái sao khổng lồ

đỏ của mình, trạng thái này sẽ diễn ra khi nguồn hyđrô trong lõi cạn kiệt Sau đó nó bắt đầu phun trào heli và nhiệt độ phần lõi sẽ tăng lên đến 10 triệu độ K và sẽ tạo ra cacbon để trở thành gần như là sao khổng lồ Các phản ứng nhiệt hạch sẽ sử dụng heli làm nguyên liệu tổng hợp nên các nguyên tố nặng hơn heli, làm cho lớp ngoài cùng của Mặt Trời sẽ giãn

nở, đạt đến vị trí bên ngoài quỹ đạo Trái Đất hiện tại, 1AU (1,5.1011

m), gấp 250 lần bán kính hiện tại của Mặt Trời Tuy nhiên, theo thời gian, khi đạt tới gần một sao khổng lồ đỏ, Mặt Trời sẽ mất đi khoảng 30% khối lượng hiện tại do gió Sao, vì thế các quỹ đạo của các hành tinh sẽ dần chuyển động ra xa Nếu như thế sẽ làm quỹ đạo Trái Đất dịch ra xa hơn về phía bên ngoài, ngăn không cho nó bị nhấn chìm, nhưng các nghiên cứu mới cho thấy rằng Trái Đất sẽ bị Mặt Trời nuốt chửng do các tương tác thủy triều.[5][8]

5.4 Số phận của Trái Đất

Về lâu dài, nước trên Trái Đất và hầu hết không khí của nó cuối cùng sẽ thoát ra không gian Trong suốt cuộc đời của mình trong dãy chính , Mặt Trời đang trở nên sáng hơn (khoảng 10% mỗi năm 1 tỷ USD) và nhiệt độ bề mặt của nó đang dần tăng lên Mặt Trời đã từng là mờ nhạt trong quá khứ đầu Sự gia tăng nhiệt độ năng lượng Mặt Trời là như vậy mà trong khoảng một tỷ năm bầu khí quyển của Trái Đất sẽ không còn đủ lạnh để đóng băng hơi nước ở độ cao cao Những phân tử nước sau đó sẽ có thể đạt đến đỉnh của bầu khí quyển, mà sẽ dẫn đến nước của Trái Đất thoát vào không gian, làm cho hành tinh không thích hợp cho tất cả cuộc sống trên mặt đất được biết đến Trái Đất có thể sẽ không tồn tại quá trình chuyển đổi của Mặt Trời thành một người khổng lồ màu đỏ Tại nơi lớn nhất của nó, Mặt Trời sẽ có bán kính tối đa bên ngoài quỹ đạo hiện tại của Trái Đất,

1 AU (1,5 × 10 11 m ), 250 lần bán kính hiện tại của Mặt Trời Vào lúc Mặt Trời đã bước vào khổng lồ đỏ tiệm cận, quỹ đạo của các hành tinh sẽ trôi dạt ra ngoài do mất khoảng 30% khối lượng hiện tại của Mặt Trời Đa phần khối lượng này sẽ bị mất khi tăng gió Mặt Trời Ngoài ra, khả năng tăng tốc thủy triều sẽ giúp thúc đẩy Trái Đất đến một quỹ đạo cao hơn Nếu đó chỉ cho điều này, Trái Đất có thể sẽ ở lại bên ngoài Mặt Trời.[5][8]

Sau giai đoạn đỏ khổng lồ, các xung nhiệt khổng lồ sẽ làm cho Mặt Trời phun ra các lớp bên ngoài của nó để tạo ra tinh vân Mặt Trời sau đó sẽ trở thành sao lùn trắng, nguội dần đi vĩnh viễn Quá trình tiến hóa sao này là rất điển hình đối với những sao có khối lượng thấp đến trung bình.[5][8]

6 MÀU CỦA MẶT TRỜI

Nếu ánh sáng khuếch tán chứa nhiều tia màu chàm là bởi vì nó tùy thuộc vào ánh sáng được chuyển đến (mắt ta) Ánh sáng càng thiếu mất màu chàm khi đường đi của nó

trong bầu khí quyển càng lớn Mặt Trời có màu trắng dưới mắt các phi hành gia ngoài vũ trụ (vì không qua một "lăng kính" thiên nhiên nào hết) Nhìn từ Trái Đất, nó có màu vàng khi ở đỉnh đầu Khi Mặt Trời di chuyển xuống chân trời, nó càng lúc càng đỏ hơn vì ánh sáng của nó đi xuyên qua một lớp khí quyển càng lúc càng dày hơn.[8]

Màu của mặt trời hoàng hôn:

Hình 6.1: Hình ảnh minh ho ạ Mặt Trời lúc hoàng hôn

Buổi hoàng hôn, ánh sáng Mặt Trời chiếu một khoảng cách dài hơn (đường xéo d2 dài hơn đường d1) trước khi đến mắt ta Số phân tử mà ánh sáng dội (bondir) lên đó nhiều hơn rất nhiều nên những màu chàm và tím có nhiều thời gian để bị khuếch tán hoàn toàn Do sự vắng mặt của thành phần chàm và tím mà thành phần còn lại

là vàng và đỏ với một ít xanh lá cây tạo cho bầu trời có màu đỏ tía (pourpre) [8]

Hình 6.2: Sơ đồ đường truyền tia sáng Mặt Trời

Màu của Mặt Trời bình minh:

Hình 6.3: Hình ảnh minh hoạ Mặt Trời lúc bình minh

Cũng như Mặt Trời hoàng hôn, Mặt Trời bình minh ở sát chân trời vì trong quá trình

xa xôi ánh sáng của nó đã mất đi phần lớn ánh sáng màu chàm và xanh nên còn lại màu cam và đỏ Mặt Trời bình minh có màu đỏ cam Mây khuếch tán màu đỏ này khắp mọi hướng nên truyền những màu này đến mắt ta cả một không gian nhuộm đỏ cam thật đẹp.[8]

Lúc Mặt Trời mới mọc hoặc sắp lặn không phải toàn bộ ánh sáng Mặt Trời đều tán

xạ qua tầng khí quyển dày hơn để đi đến mắt ta, mà một số ánh sáng đã thoát lên phần khí quyển ở ngay phía trên đầu của chúng ta Mặc dù chỉ có một phần nhỏ ánh sáng đi được tới phần trên này, nhưng đó toàn là các tia sáng màu có bước sóng ngắn trong ánh sáng trắng

đã bị tán xạ Do đó bầu trời trên đầu chúng ta vẫn có sắc thái xanh lam trong khi Mặt Trời bình minh và hoàng hôn có màu vàng, cam và đỏ.[8]

Mặt trời xanh :

Hình 6.4: Hình ảnh minh hoạ Mặt Trời màu xanh

Mặt Trời xanh là kết quả của sự tán sắc dị thường của ánh sáng Mặt Trời trong điều kiện các tạp chất có kích thước so sánh được với bước sóng của phần ánh sáng nhìn thấy Như đã nói ở phần lí thuyết, định luật Rayleigh chỉ áp dụng được nếu các hạt tạp chất có kích thước bé hơn nhiều lần so với bước sóng của ánh sáng tới (khoảng 0,001μm) Khi các

vi thể tạp chất có kích thước r = 0,7 μm thì ánh sáng Mặt Trời sẽ tán xạ một cách dị thường: phần màu đỏ của quang phổ Mặt Trời bị tán xạ mạnh hơn nên phải thoát ra ngoài đường nhìn của ta, còn phần màu xanh bị tán xạ yếu hơn lại lọt vào mắt người quan sát Lúc này Mặt Trời không còn sáng như bình thường hoặc đỏ như lúc mới mọc mà lại trông thấy có màu xanh.[8]

Trong khí quyển có chứa các hạt nước, nhỏ nhất là các hạt chứa trong mây có kích thước r = 3 -5 μm Trong sương mù các giọt có r = 5 - 50 μm, còn trong mưa thì các giọt nước có r = 0,1- 2,5 μm Không có giọt nước có kích thước vào cỡ r = 0,7 μm, cho nên ta

dễ hiểu vì sao bình thường không có thấy hiện tượng Mặt Trời xanh Tuy nhiên vào ngày

26 tháng 9 năm 1951 người dân ở nhiều nước Tây Âu đã sững sờ xúc động vì một cảnh

tượng kì lạ: Mặt Trời ban ngày có màu xanh biển thẳm, còn về buổi tối thì Mặt trăng cũng

có màu xanh.[8]

Được trang bị bằng lí thuyết tán xạ ánh sáng, người ta đã mau chóng tìm ra nguyên nhân gây nên hiện tượng dị thường về màu sắc này Là do gió thổi từ Canada ở bên kia bờ Đại Tây Dương đã đem theo những đám mây khổng lồ gồm các hạt nhựa cây bốc bay lên

từ những đám cháy rừng rộng lớn tại đỉnh Albert của nước này Đo đạc kích thước của các hạt nhựa cây và các tham số ứng với tán xạ dị thường của ánh sáng trong không khí, người

ta thu được kết quả hoàn toàn đúng như lí thuyết đã dự đoán Người dân Tây Âu hiểu rõ cơ

sở khoa học của hiên tượng Mặt Trời và Mặt Trăng màu xanh nên không còn lo sợ vì những…điềm báo dữ của một tai họa mơ hồ nào đó mà một số người vì tư lợi thường hay tung tin để lừa bịp dân chúng.[8]

7 ÁNH SÁNG MẶT TRỜI

Hình 7.1: Hình ảnh minh hoạ

Ánh sáng Mặt Trời là một phần của bức xạ điện từ, đặc biệt là các tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy và các tia cực tím Trên Trái Đất, ánh sáng Mặt Trời được lọc qua bầu khí quyển của Trái Đất và khi Mặt Trời ở trên đường chân trời thì lúc đó là ban ngày Khi bức xạ Mặt Trời trực tiếp không bị chặn bởi các đám mây, thì ánh nắng Mặt Trời là sự kết hợp của ánh sáng và bức xạ nhiệt Khi bị chặn lại bởi những đám mây hoặc phản chiếu các đối tượng khác thì nó là ánh sáng khuếch tán Các tổ chức Khí tượng Thế giới sử dụng thuật ngữ "thời gian ánh nắng Mặt Trời" có nghĩa là thời gian tích lũy Trong thời gian đó một khu vực nhận trực tiếp bức xạ từ Mặt Trời ít nhất là 120 watt cho mỗi mét vuông.[6][7]

Ánh sáng Mặt Trời trong không gian ở trên cùng của bầu khí quyển củaTrái Đất với mức công suất 1.366 watt/m2

bao gồm (bằng tổng số năng lượng) khoảng 50% ánh sáng hồng ngoại, 40% ánh sáng nhìn thấy, và 10% tia cực tím Ở cấp độ mặt đất này giảm khoảng 1120-1000 watt/m2

, và phần năng lượng đến 44% ánh sáng nhìn thấy, 3% tia cực tím (với Mặt Trời ở đỉnh cao, nhưng ít hơn ở góc độ khác), và phần còn lại là tia hồng ngoại Như vậy, ánh sáng Mặt Trời của thành phần trên mặt đất, mỗi mét vuông, với ánh nắng Mặt Trời ở đỉnh cao, khoảng 527 watt của bức xạ hồng ngoại, 445 watt của ánh sáng nhìn thấy, và 32 watt của tia cực tím bức xạ.[6][7]

Ánh sáng Mặt Trời có thể được ghi lại bằng cách sử dụng máy ghi âm ánh nắng Mặt Trời, pyranometer hoặc pyrheliometer Ánh sáng Mặt Trời có khoảng 8,3 phút để tới được Trái Đất Trên trung bình, phải mất năng lượng từ 10.000 đến 170.000 năm để lại bên trong của Mặt Trời và sau đó được phát ra từ bề mặt như ánh sáng.[6][7]

Ánh sáng Mặt Trời trực tiếp có hiệu quả chiếu sáng khoảng 93 lumen trên mỗi watt của thông lượng bức xạ Ánh sáng Mặt Trời cung cấp độ rọi

khoảng100.000 lux hoặc lumen trên mỗi mét vuông trên bề mặt của Trái Đất Tổng lượng năng lượng nhận được trên mặt đất từ Mặt Trời ở đỉnh cao là 1004 watt cho mỗi mét

vuông, trong đó gồm có 527 watt của bức xạ hồng ngoại, 445 watt của ánh sáng nhìn thấy

và 32 watt của tia cực tím bức xạ Ở trên cùng của ánh sáng Mặt Trời không khí chiếm khoảng 30% dữ dội hơn, với hơn ba lần so với phần nhỏ của tia cực tím (UV), với hầu hết các tia cực tím thêm bao gồm sinh học gây hại sóng ngắn cực tím

chia thành năm khu vực theo thứ tự tăng bước sóng :

Tia cực tím C (UVC) kéo dài từ 100nm đến 280 nm Các tia cực tím thực tế là các

bức xạ ở tần số cao hơn so với ánh sáng màu tím (và do đó cũng thấy được bằng mắt thường ) Do sự hấp thụ bởi bầu không khí rất ít đạt đến bề mặt Trái Đất Phổ bức xạ này có tính sát trùng và được sử dụng trong đèn diệt khuẩn

Tia cực tím B (UVB) mở rộng phạm vi 280nm - 315 nm Nó cũng được hấp thụ rất

nhiều bởi khí quyển, cùng với UVC chịu trách nhiệm về phản ứng quang hóa dẫn đến việc sản xuất của tầng ozone Trực tiếp làm tổn hại DNA và gây cháy nắng

Tia cực tím A (UVA) kéo dài 315nm đến 400 nm, từng được tổ chức để ít gây tổn

hại cho DNA và do đó được sử dụng trong mỹ phẩm.Tuy nhiên, tia cực tím A bây giờ gây