Tất cả các mối quan hệ Mặt trời – Trái đất đều được điều khiển bởi các hành vi của Mặt trời. Tác động của hoạt động Mặt trời, đặc biệt là trong chu kì 23 hiện nay lên tầng điện li Trái đất được tác giả đề cập trong các nghiên cứu của mình. Bài báo này đem lại những hiểu biết về hoạt động Mặt trời, cho biết phương thức thu thập số liệu hoạt động Mặt trời từ Internet và giới thiệu chu kì Mặt trời hiện thời, nhằm mục đích nghiên cứu mối quan hệ giữa Mặt trời và tầng điện li Trái đất.
Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 10 năm 2007 CHU KÌ HOẠT ĐỘNG MẶT TRỜI Trần Quốc Hà* Mở đầu Mặt trời nguồn lượng nguồn xạ vơ to lớn Các xạ ion hố tầng khí cao Trái đất, tạo nên tầng điện li có tầm quan trọng đặc biệt thông tin liên lạc Các biến động lòng Mặt trời, thể qua thay đổi có chu kì bề mặt Mặt trời, làm cho lượng xạ thay đổi, dẫn đến lượng khí bị ion hố tầng điện li thay đổi Như vậy, hoạt động Mặt trời trạng thái tầng điện li Trái đất có mối quan hệ chặt chẽ Để hiểu đặc tính tầng điện li Trái đất, trước hết ta phải nghiên cứu kĩ Mặt trời hoạt động Sơ lược cấu tạo Mặt trời Mặt trời coi cầu khí bán kính cỡ 7.105km, tạo chủ yếu từ khí Hydro khí Helium (98%) với khối lượng cỡ 2.10 30kg Dưới sức ép khối lượng khổng lồ nhiệt độ tâm Mặt trời lên đến hàng chục triệu độ Kelvin, đủ để phản ứng tổng hợp hạt nhân Hydro thành Helium xảy 70% khí Mặt trời tham gia vào phản ứng khiến Mặt trời biến thành khối plasma nóng bỏng khổng lồ, phóng xạ điện từ xạ hạt gần vô tận Bề mặt Mặt trời mà ta nhìn thấy gọi Quang cầu (Photosphere) – phần mỏng khí Mặt trời, với nhiệt độ cỡ 6000K Tiếp phần khí Sắc cầu (Chromosphere) Nhật hoa (Corona) Các xạ từ tâm Mặt trời truyền đường trực xạ sau đối lưu Khi đến bề mặt Mặt trời, cho ta dải phổ tất vùng thang sóng điện từ Nhiệt độ bề mặt Mặt trời xác định coi Mặt trời vật đen tuyệt đối, với công suất xạ toàn phần Q = 3,8.1026W Một điều lạ * ThS, Ban Thanh tra Đào tạo, Trường ĐHSP Tp.HCM 25 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Trần Quốc Hà Mặt trời nhiệt độ vành Nhật hoa cao, cỡ hàng triệu độ Kelvin Điều lí giải chế hoạt động Mặt trời Mặt trời quay quanh trục cách kì lạ khơng phải vật rắn Phần bề mặt Mặt trời, xích đạo chu kì quay cỡ 27 ngày, vùng cực cỡ 35 ngày Trong đó, nghiên cứu gần cho thấy lớp Mặt trời quay vật rắn với chu kì cỡ 27 ngày Mặt trời cấu tạo từ plasma nên có từ tính Từ trường Mặt trời có tính chất phức tạp, liên quan đến chuyển động quay mà thể bề mặt Mặt trời người quan sát gọi hoạt động Mặt trời Hoạt động Mặt trời (Solar Activity) Năm 1612, G Galileo phát bề mặt Mặt trời có vết đen – ông gọi vết đen Mặt trời (Sunspot) Đó vùng sẫm màu có đường kính rộng cỡ 104km, tồn khoảng vài ngày đến khoảng tháng Dường chúng không cố định mà thay đổi cách có quy luật Năm 1849, Wolf đưa cách tính số vết đen Mặt trời sau : R = k(10g + f) Với : R g f k : số vết đen Mặt trời (Sunspot number) : số nhóm vết đen : số vết đen riêng lẻ : hệ số phụ thuộc điều kiện quan sát Từ năm đó, Wolf cơng bố số vết đen Mặt trời từ đài thiên văn Zurich (Thụy Sỹ) với k = Số gọi số Wolf (số W) hay số Zurich (số Z) Những nghiên cứu Mặt trời cho thấy Mặt trời có biểu khác thường vụ bùng nổ thường xảy vùng Sắc cầu – Nhật hoa gọi bùng nổ Mặt trời (Solar Flare) phóng khí vành Nhật hoa (Coronal Mass Ejection, viết tắt CME) Chúng gọi chung hoạt động Mặt trời (Solar Activity) Đặc trưng vết đen Mặt trời chúng thẫm màu (đen) vùng xung quanh, tức Quang cầu, nhiệt độ thấp Quang cầu, cỡ 4000K Đó vùng có từ 26 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 10 năm 2007 trường mạnh, cỡ 102 – 10 1 Tesla (so với từ trường trung bình Trái đất 104 Tesla) Nó thường xuất thành cặp, lưỡng cực từ, có định hướng đơng – tây Sự đảo cực xảy có chu kì 22 năm (hai chu kì hoạt động Mặt trời) Còn bùng nổ Mặt trời vụ nổ khủng khiếp xảy vùng Sắc cầu – Nhật hoa với lượng cỡ 1018 KWh, tức tương đương hàng tỉ bom nguyên tử Vụ nổ khiến khí Nhật hoa bị nung nóng lên hàng chục triệu độ Kelvin tạo xạ cực ngắn (EUV) tia X Đồng thời vụ nổ tăng tốc hạt mang điện plasma Mặt trời (p, e) chúng phóng khỏi Mặt trời, lao vào không gian với tốc độ lớn, khí vành nhật hoa (CME) Người ta nhận thấy bùng nổ Mặt trời, CME vết đen Mặt trời có liên quan chặt chẽ, chúng chẳng qua biểu lớp khác Mặt trời tượng nhất, hoạt động điện từ Mặt trời Về chất hoạt động có nhiều vấn đề ta chưa biết tường tận nên chưa thể lí giải đầy đủ Tuy nhiên, theo vật lí học đại ta hình dung đại thể sau : Mặt trời khối khí mang điện (plasma) nên khí chuyển động sinh từ trường, từ trường biến đổi lại sinh điện trường … Vì lớp khí chuyển động khơng đồng trình bày nên đường sức từ nhiều bị xoắn lại, phồng lên trồi lên mặt Quang cầu vết đen Mặt trời Đồng thời, vặn xoắn làm đứt vòng từ vùng Sắc cầu - Nhật hoa tạo nên chập mạch gây nổ khủng khiếp, phóng hàng loạt xạ sóng hạt Tuy chi tiết ta chưa rõ chế phát sinh hoạt động Mặt trời, hậu hoạt động thay đổi xạ từ Mặt trời mà Trái đất thu được nghiên cứu kĩ từ lâu Từ năm 1849, người ta lấy số R làm số biểu thị độ hoạt động Mặt trời Người ta thấy số thay đổi cách có qui luật Chu kì thường gặp thay đổi gọi chu kì Mặt trời (Solar Cycle) có độ dài 11 năm, Schwabe đề năm 1843 Tính từ 1755 đến (các số liệu thật đáng tin) ghi nhận 23 chu kì Mặt trời, số thống kê q ỏi để nghiên cứu Mặt trời 27 Taïp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Trần Quốc Hà Ngồi chu kì trên, năm 1912, G.E Hale phát chu kì 22 năm hoạt động Mặt trời Đây chu kì hoạt động từ (Magnetic Activity Cycle) Mặt trời Đồng thời số R để biểu thị độ hoạt động Mặt trời, người ta dùng số f10,7cm - thơng lượng xạ bước sóng vơ tuyến 10,7cm xạ Mặt trời Người ta thấy cách biểu diễn chu kì Mặt trời qua vết đen qua thơng lượng f10,7cm Mặt trời tương đương Số liệu hoạt động Mặt trời Ngày đài quan trắc Mặt trời có mặt khắp nơi Trái đất (chưa có Việt Nam) Các đài có nhiệm vụ quan trắc Mặt trời thống kê số liệu quan trắc Ngồi có đài thiên văn với kính thiên văn thích hợp để chụp ảnh Mặt trời Ví dụ, kính thiên văn đại để nghiên cứu Mặt trời đặt đảo Canari Thụy Điển, đường kính 1m, chụp ảnh Mặt trời với độ phân giải kỉ lục Để thu thập nhiều thông tin Mặt trời, người ta dùng vệ tinh nhân tạo Đó vệ tinh SOHO (The Solar and Heliospheric Observatory) phóng năm 1995 quan hàng khơng vũ trụ châu Âu NASA (Mĩ) Nó chụp ảnh Mặt trời tia cực tím để nghiên cứu xạ lượng cao Mặt trời ; vệ tinh TRACE (The Transition Region and Coronal Explorer) phóng năm 1998 cho phép chụp ảnh Mặt trời bước sóng ngắn với độ phân giải cao gấp chục lần SOHO ; vệ tinh chụp Nhật hoa Mặt trời tia X Nhật Yokkoh bị trục trặc năm 2001 sau 10 năm phục vụ Gần vệ tinh ACE (Advanced Composition Explorer) với mục đích dự báo bão Mặt trời – tức vụ bùng nổ Mặt trời CME Số liệu hoạt động Mặt trời cơng bố rộng rãi, miễn phí trang web sau : http ://www.ips.gov.au : trang web Mặt trời Úc http ://www.sec.noaa.gov : trang web Mặt trời Mĩ http ://www.sidc.oma.be : trang web Bỉ 28 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 10 năm 2007 Về số Mặt trời trang web thường cho số liệu vết đen Mặt trời ngày (Daili Sunspot Number) Đây số liệu quan sát thực Sau website có cách làm trơn khác để có số làm trơn tháng (Smooth sunspot number) Vì số vết đen hàng ngày thay đổi nên lấy trung bình tháng website có phương pháp thống kê khác Vậy nên số liệu vết đen Mặt trời trung bình tháng website (ví dụ trang web Mĩ Bỉ) sai khác tới 60% (!) Vì vậy, lấy trung bình tháng chu kì dài ta nên lấy từ nguồn thống Số liệu vết đen Mặt trời hàng năm số trung bình Còn chu kì Mặt trời dự đốn dựa theo số liệu hay mơ hình chu kì quan trắc trước Ngồi số vết đen Mặt trời, người ta sử dụng số biểu thị hoạt động Mặt trời thông lượng xạ bước sóng 10,7cm hay tần số 2800 MHz Chỉ số có biến điệu tương tự số vết đen Mặt trời có ưu điểm : thay đổi, đo đạc thường xun, trùng với thơng lượng sóng cực ngắn (EUV) tia X Trong việc khảo sát biến thiên thông số tầng điện li Trái đất theo hoạt động Mặt trời ta nên lấy theo số vết đen R chu kì dài năm, tháng ; chu kì ngắn ngày chu kì quay Mặt trời (81 ngày) nên lấy theo f10,7 Chu kì – chu kì 23 hoạt động Mặt trời Chu kì 23 tiên đốn theo mơ hình xây dựng 12 nhà khoa học từ 10 trạm Mặt trời giới từ ngày 25/9/1996 họp quốc tế Boulder (Colorado – Mĩ) Phương tiện để xây dựng mơ hình dựa số liệu đài mặt đất, vệ tinh gần mặt đất, kính Hubble trạm vũ trụ quốc tế Chu kì dự đoán cuối tháng 4/1996 tháng 3/1997, đạt cực đại vào khoảng 1/1999 hay 3/2000 7/2001 Thời gian tăng từ cực tiểu đến cực đại dự đốn năm Chu kì dự đốn kết thúc vào cuối năm 2006, đầu 2007 Giá trị cực đại số vết đen vào cỡ từ 160 ± 30 Trong thực tế chu kì 23 coi tháng 5/1996 Số vết đen Mặt trời làm trơn cực đại đạt vào tháng 4/2000 với giá trị 120,8 29 Trần Quốc Hà Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Hình Hình dáng hoạt động chu kì 23 thể qua số vết đen thơng lượng 10,7cm tiên đốn từ trước chu kì bắt đầu (trước năm 1996) Bảng Số liệu vết đen thực tế chu kì 23 (tính đến n m 2005) Năm 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Số Rz 8,6 21,5 64,3 93,3 119,6 111,0 104,0 63.7 40.4 Bảng Bảng biến động bão từ chu kì 23 Năm 1998 2000 2001 2002 2003 30 (Ngày)/ (tháng) 4/5 ; 27/8 ; 25/9 15/7 ; 12/8 ; 5/10 31/3 ; 6,24/11 2/4 16/8 ;28/10 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 10 năm 2007 Như vậy, chu kì 23 xảy giống tiên đốn Tuy nhiên, có bất thường Đó xuất cực đại phụ vào tháng 11.2002 đảo cực chậm chạp so với chu kì khác Nhiều mơ hình Mặt trời với cách lí giải chế hoạt động Mặt trời xây dựng sở nghiên cứu chu kì 23 Hình Hình dáng hoạt động chu kì 23 thể qua số vết đen thực tế Kết luận Vết đen Mặt trời hoạt động Mặt trời biết đến từ lâu ảnh hưởng chúng đến đời sống người nói chung, tầng điện li nói riêng Ngày việc nghiên cứu Mặt trời có nhiều phương tiện hơn, Internet đóng vai trò quan trọng việc phổ biến số liệu quan trắc Mặt trời, phục vụ cho tất nghiên cứu mối quan hệ Mặt trời Trái đất toàn giới TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Asgeis Brekke (1997), Physics Of The Upper Polar Atmosphere, Praxis Publishing Ltd 31 Trần Quốc Hà Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM [2] Curt Suplee (2004), A Stormy Star, Nat Geog Paper 8, Juli 2004 [3] Harold Zirin (1998), Astrophysics Of The Sun, Cambridge University Press [4] J.K Hargreaves (1942), The Solar Terrestrial Environment, Cambridge University Press [5] Trần Quốc Hà (2004), Giáo Trình Thiên Văn Học Đại Cương, NXB ĐHQG Tp.HCM Tóm tắt : Chu kì hoạt động Mặt trời Tất mối quan hệ Mặt trời – Trái đất điều khiển hành vi Mặt trời Tác động hoạt động Mặt trời, đặc biệt chu kì 23 lên tầng điện li Trái đất tác giả đề cập nghiên cứu Bài báo đem lại hiểu biết hoạt động Mặt trời, cho biết phương thức thu thập số liệu hoạt động Mặt trời từ Internet giới thiệu chu kì Mặt trời thời, nhằm mục đích nghiên cứu mối quan hệ Mặt trời tầng điện li Trái đất Abstract : The Solar cycle All Solar – Terrestrial relations are driven by Solar behaviour The effect of Solar Activity, especially in the 23th Cycle on the Earth ‘s Ionosphere, is investigated in the author’s research This paper is about the Solar Cycle and shows how to collect the data of the Solar Activity from Internet in order to study the relation between the Sun and the Earth’s Ionosphere 32 ... ta nên lấy theo số vết đen R chu kì dài năm, tháng ; chu kì ngắn ngày chu kì quay Mặt trời (81 ngày) nên lấy theo f10,7 Chu kì – chu kì 23 hoạt động Mặt trời Chu kì 23 tiên đốn theo mơ hình xây... Cương, NXB ĐHQG Tp.HCM Tóm tắt : Chu kì hoạt động Mặt trời Tất mối quan hệ Mặt trời – Trái đất điều khiển hành vi Mặt trời Tác động hoạt động Mặt trời, đặc biệt chu kì 23 lên tầng điện li Trái đất... cứu Mặt trời 27 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Trần Quốc Hà Ngồi chu kì trên, năm 1912, G.E Hale phát chu kì 22 năm hoạt động Mặt trời Đây chu kì hoạt động từ (Magnetic Activity Cycle) Mặt trời