Tiểu luận môn thiên văn học "NHỮNG HIỆN TƯỢNG VẬT LÝ TRÊN BẦU TRỜI"

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Tiểu luận môn: Thiên Văn Học Tên đề tài: Giáo viên hướng dẫn: Ths. Trần Quốc Hà Nhóm thực hiện: Nguyễn Hải Âu Võ Thị Hoa Nguyễn Thị Thúy Liễu Phương Nghĩa Nguyễn Thị Yến Nhi Lê Thanh Nhẫn Đàng Thị Kim Sắc Đỗ Thị Thanh Đỗ Thị Hồng Thấm Nguyễn Thị Phương Thảo (8-4) Hoàng Thị Thanh Thảo Nguyễn Thị Phương Thảo (29-1) Nguyễn Thị Kiều Thu Nguyễn Thanh Ngọc Thuỷ Đoàn Thị Minh Thư Phan Minh Tiến Nguyễn Kiến Trạch Lưu Đình Trác Nguyễn Thành Trung Lâm Hoàng Minh Tuấn Bùi Thị Cẩm Tú Trần Bùi Cẩm Vân Đặng Ngọc Thanh Vân Lớp Lý 3 Chính Qui TPHCM, Tháng 11 Năm 2008 Tiểu luận môn thiên văn học GVHD:Th.S Trần Quốc Hà Trang 1 Mục lục Mục lục 1 I. HIỆN TƯỢNG MÂY DẠ QUANG: . 4 I.1. Giới thiệu hiện tượng: 4 I.2. Giải thích hiện tượng: 6 II. HIỆN TƯỢNG CỰC QUANG: . 8 II.1. Giới thiệu hiện tượng: .8 II.2. Giải thích hiện tượng: .11 II.3. Ứng dụng: .16 III. HIỆN TƯỢNG NHẬT THỰC NGUYỆT THỰC: 17 III.1. Nhật thực .17 III.1.1. Nhật thực là gì? .17 III.1.2. Các loại nhật thực: 17 III.1.3. Quan sát nhật thực: .20 III.2. Nguyệt thực: 23 III.2.1. Nguyệt thực là gì? .23 III.2.2. Các loại nguyệt thực: 23 III.2.3. Quan sát nguyệt thực : 24 III.3. Nguyên nhân xảy ra hiện tượng nhật thực nguyệt thực và chu trình nhật thực nguyệt thực: 24 III.3.1. Nguyên nhân xảy ra nhật thực - nguyệt thực: .25 III.3.2. Chu kì nhật nguyệt thực: .27 IV. HIỆN TƯỢNG BIẾN ĐỔI MÀU SẮC TRÊN BẦU TRỜI: . 28 IV.1. Cơ sở lý thuyết: .28 IV.1.1. Định luật Rayleigh: .28 IV.1.2. Thuyết điện từ về sự tán xạ bởi các hạt nhỏ (xét định tính): 29 IV.2. Giải thích hiện tượng: 31 IV.2.1. Màu xanh của bầu trời : 31 IV.2.2. Màu của Mặt trời : 33 IV.2.3. Màu của mây, sương mù : .35 IV.2.4. Tại sao bầu trời đêm lại đen? 37 V. HIỆN TƯỢNG CẦU VÒNG: 40 V.1. Giới thiệu hiện tượng: .40 V.1.1. Cầu vồng là gì? 40 V.1.2. Làm thế nào để quan sát cầu vòng? 40 V.2. Giải thích hiện tượng: .41 V.2.1. Giải thích hiện tượng: 41 V.2.2. Vài tính toán về cầu vồng: 42 Tiểu luận môn thiên văn học GVHD:Th.S Trần Quốc Hà Trang 2 V.2.3. Tại sao bảy sắc cầu vồng lại được sắp sếp theo thứ tự như vậy? .43 V.2.4. 4/ Tại sao cầu vồng có dạng một vòng cung? .43 V.2.5. Vùng Alexandre là gì? .44 V.2.6. Tại sao không đến được chân cầu vồng? 45 V.3. Một số cầu vồng đặc biệt: 45 VI. HIỆN TƯỢNG MẶT TRỜI GIẢ: 49 VI.1. Giới thiệu hiện tượng: 49 VI.1.1. Hiện tượng mặt trời giả là gì? .49 VI.1.2. Các nơi xuất hiện mặt trời giả: 49 VI.2. Giải thích hiện tượng: 51 VI.2.1. Halo: .51 VI.2.2. Quầng sáng halo được hình thành như thế nào? 53 VI.2.3. Mặt trời giả hình thành như thế nào? .60 Tài liệu tham khảo 62 Tiểu luận môn thiên văn học GVHD:Th.S Trần Quốc Hà Trang 3 Lời ngỏ Thiên văn luôn là một khoa học lí thú và mới lạ mặc 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 vật lí xảy ra trên bầu trời. Các hiện tượng thiên văn vật lí xảy ra trên bầu trời rất phong phú và đa dạng. Việc lí giải chúng đòi hỏi phải có một kiến thức sâu rộng. Mặc dù khoa học ngày càng phát triển cao và đạt được nhiều thành tựu kì vĩ đặc biệt là ngành thiên văn vũ trụ, song tầm nhìn của loài người hạn chế và dĩ nhiên không tránh khỏi vẫn còn những bước mò mẫm trong hành trình chinh phục kho tàng kiến thức sâu rộng ấy. Trên tinh thần đam mê học hỏi, nhóm thực hiện nỗ lực hoàn thành bài tiểu luận “ Những hiện tượng vật lí trên bầu trời” đề cập đến các hiện tượng quang tiêu biểu trong thiên văn. Tài liệu này cung cấp những kiến thức rất cơ bản và tổng quát từ nhiều nguồn tài liệu. Do hạn chế về hiểu biết cũng như trình độ ngoại ngữ nên trong quá trình thực hiện không tránh khỏi sai sót, nhóm 3 rất mong người đọc thông cảm và nhiệt tình đóng góp ý kiến để lần thực hiện sau dược tốt hơn. Chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện Tiểu luận môn thiên văn học GVHD:Th.S Trần Quốc Hà Trang 4 I. HIỆN TƯỢNG MÂY DẠ QUANG: I.1. Giới thiệu hiện tượng:  Những đám mây dạ quang (Noctilucent Cloud hay Night-shining Cloud) là những đám mây cao trong bầu khí quyển (85km) khúc xạ ánh sáng vào lúc trời mờ tối (hoàng hôn hay bình minh) khi mặt trời đã lặn. Lúc đó mây dạ quang toả sáng bầu trời mà không thấy một nguồn sáng rõ rệt nào cả. Những hình ảnh hoàng hôn kỳ thú trên bầu trời về đêm đã trở thành một trong những thú vui thư giãn phổ biến trên toàn thế giới.  Dù mây dạ quang trông giống như ở ngoài không gian, nhưng thực ra chúng vẫn ở trong tầng giữa khí quyển trái đất (độ cao từ 50 đến 85 km). Tầng này không những rất lạnh (-125 0 C) mà còn rất khô - khô gấp 100 triệu lần không khí ở hoang mạc Sahara.  Mây dạ quang là hiện tượng tương đối mới lần đầu tiên được mô tả vào năm 1885, hai năm sau sự kiện phun trào của đảo núi lửa Krakatoa (Indonesia). Núi lửa đã phun một trùm tro bụi và mảnh vụn lên bầu khí quyển Trái Đất đạt tới độ cao 80 km. Sự kiện này đã ảnh hưởng tới khí hậu và thời tiết toàn cầu trong nhiều năm và có lẽ đã tạo ra những đám mây dạ quang đầu tiên.  Ảnh hưởng của vụ phun trào núi lửa Krakatoa dần dần cũng mất đi, nhưng những đám mây tích điện màu xanh lục bất thường thì vẫn còn lại. Chúng náu mình trong tầng giữa mỏng manh của Trái Đất – đây là vùng khí quyển bên trên với áp lực nhỏ hơn 10.000 lần áp lực trong nước biển. Chúng xuất hiện thường xuyên nhất vào các tháng mùa hè từ 50 đến 70 độ Bắc và Nam. Một thế kỷ trước đây, chúng bị hạn chế ở những vĩ độ trên 50, phải đến những nơi như Anh, Scandinavi và Nga, khu vực bắc Âu và Canada mới nhìn thấy được chúng. Trong những năm gần đây, chúng đã xuất hiện ở miền Nam bang Utah và Colorado của Mỹ. Tiểu luận môn thiên văn học GVHD:Th.S Trần Quốc Hà Trang 5  Ngày 18/2/2003, những phi hành gia trên trạm không gian quốc tế ISS đã mục kích một cảnh tượng đẹp mắt: Đó là những đám mây dạ quang, hay còn gọi là mây chiếu sáng về đêm có hình dáng dài mỏng mảnh màu xanh tuyệt đẹp bay lơ lửng quanh quỹ đạo trái đất.  Tháng 1/2003, phi hành gia Don Pettit cũng là một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos cho biết: “Trong nhiều tuần qua, chúng tôi đã được thưởng thức quang cảnh đẹp mắt của những đám mây này ở vùng nam bán cầu. Chúng tôi cũng thường thấy chúng khi bay trên bầu trời của đất nước Australia và Nam Mỹ”. Những người ở trái đất cũng có thể nhìn thấy chúng tỏa sáng lấp lánh sau khi mặt trời lặn, dẫu rằng nhìn từ không gian vẫn đẹp hơn. Pettit ước tính chiều cao của chúng có thể lên đến 80-100 km.  Những đám mây không ngừng rực sáng và trôi dần về phía vùng cực, lần đầu tiên được vệ tinh ( vệ tinh Aeronomy of Ice in the Mesosphere của NASA) chụp từ vũ trụ. Loại mây bí ẩn này được gọi là "đèn đêm". Các đám mây hình thành ở độ cao 80 km trên bề mặt đất, trong tầng trên của khí quyển gọi là mesosphere, xuất hiện trong những tháng hè ở cực Nam cũng như trong mùa hè ở cực Bắc. Mây dạ quang phía trên hồ Saimaa Một trong những lần đầu tiên các đám mây sáng rực này được quan sát từ mặt đất, trên bầu trời Budapest, Hungary hôm 15/06/2007. (Ảnh:LiveScience ) Vào ngày 11/06/2007, chiếc cameracủa vệ tinh nhân tạo AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere ) đã cung cấp dữ liệu đầu tiên về những đám mây dạ quang ở Bắc cực thuộc khu vực châu Âu và Bắc Mỹ. Màu trắng và xanh sáng hiển thị cấu trúc đám mây dạ quang, màu đen là những nơi không có dữ liệu. (Ảnh: LiveScience) Tiểu luận môn thiên văn học GVHD:Th.S Trần Quốc Hà Trang 6 I.2. Giải thích hiện tượng: Tro núi lửa Krakatoa có thể là nguyên nhân của năm 1885, nhưng không thể giải thích được cho hiện tượng của ngày nay. Những đám mây gần trái đất có thể lấy bụi từ bão gió sa mạc, nhưng thật khó mà bốc bụi lên đến tận tầng giữa của khí quyển. Điều này có thể là do bụi vũ trụ. Mỗi ngày trái đất tiếp xúc với hàng tấn thiên thạch - những mẩu vụn chất thải từ các sao chổi và hành tinh nhỏ. Đa số chúng có kích thước phù hợp với các đám mây dạ quang. Một nhà vật lý học plasma Paul M. Bellan – giáo sư vật lý ứng dụng tại Viện công nghệ California (Caltech) cuối cùng đã tìm ra lời giải đáp cho đặc điểm kỳ lạ của những đám mây dạ quang, chấm dứt bí ẩn kéo dài nhiều thập kỷ. Ông cho biết : “Phạm vi có mây dạ quang dường như đang tăng lên, có lẽ vì khí hậu toàn cầu đang ấm dần lên”. Mây dạ quang là một hiện tượng xảy ra vào mùa hè bởi bầu khí quyển ở độ cao 85 km lạnh nhất khi mùa hè đến, thúc đẩy quá trình hình thành hạt băng tạo nên đám mây. Các tinh thể nước đá trong mây cần hai điều kiện để phát triển: các phân tử nước và một cái gì đó để chúng bám vào, chẳng hạn như bụi. Nước tụ tập trên bụi để tạo thành những giọt nước hay các tinh thể nước đá là một tiến trình được gọi với cái tên “sự cấu thành hạt nhân” và chúng xảy ra trong tất cả các đám mây bình thường. Theo các nhà nghiên cứu tại Poker Flat (Alaska), hai mươi lăm năm về trước họ đã phát hiện đặc tính khác thường rằng đám mây phản chiếu mạnh với ra-đa. Giải thích: các hạt băng trong mây dạ quang được bao phủ bởi một lớp kim loại mỏng có thành phần bao gồm natri và sắt. Lớp màng kim loại đã khiến sóng ra-đa phản xạ gợn sóng trong đám mây giống như hiện tượng tia X phản xạ từ lưới tinh thể (Theo số ra tháng 8 tờ Journal of Geophysical Research-Atmospheres). Nguyên tử Natri và sắt thu thập được trong tầng khí quyển bên trên sau khi sao băng siêu nhỏ nổ tung trên bầu trời. Các nguyên tử kim loại này định cư trong lớp hơi nước mỏng ở ngay trên độ cao nơi xảy ra mây dạ quang. Các nhà thiên văn học mới đây đã sử dụng lớp Natri để tạo ra ngôi sao chỉ dẫn nhân tạo chiếu sáng nhờ tia laze cho chiếc kính viễn vọng quang học thích nghi nhằm loại bỏ hiệu ứng gây nhiễu loạn của bầu khí quyển để có được những bức hình về bầu trời rõ nét hơn. Các biện pháp xác định độ đậm đặc của các lớp hơi nước có nguyên tử natri và sắt cho thấy hơi nước kim loại giảm đi tới 80% khi có mây dạ quang hiện diện. Giáo Tiểu luận môn thiên văn học GVHD:Th.S Trần Quốc Hà Trang 7 sư Bellan cho biết: “Mây dạ quang giống như một cái bẫy ruồi đối với nguyên tử natri và sắt”. Qua các thí nghiệm thực hiện trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu khác cũng phát hiện ra rằng ở nhiệt độ lạnh lẽo (-123 độ C) bên trong đám mây dạ quang, nguyên tử trong hơi nước có natri sẽ nhanh chóng đọng lại trên bề mặt băng để hình thành màn kim loại. Giáo sư Bellan nói: “Nếu có các hạt băng phủ kim loại trong mây dạ quang thì rađa sẽ phản ứng rất mạnh. Hiện tượng này không phải là tổng hợp của các phản ứng đối với từng hạt băng. Trên thực tế các hạt băng không gây ra phản ứng mạnh đến thế. Điều mấu chốt chính là các đường gợn sóng của đám mây có chứa hạt băng phủ kim loại đã phản xạ cùng nhau và củng cố cho nhau, hiện tượng này giống như một đoàn diễu hành đều bước qua cầu và khiến cây cầu rung chuyển”. Kết luận: Mây dạ quang được cấu tạo từ những tinh thể nước đá nhỏ xíu, tương đương với kích thước của các phân tử khói thuốc lá. Ánh mặt trời phản chiếu từ những tinh thể này khiến cho chúng có màu xanh đặc trưng. Các hạt băng trong mây dạ quang được bao phủ bởi một lớp kim loại mỏng có thành phần bao gồm Natri và sắt. Natri và sắt ở đâu ra ?  Do tro bụi và mảnh vụn phun trào từ núi lửa lên bầu khí quyển Trái Đất đạt tới độ cao vào cỡ 80 km.  Nguyên tử Natri và sắt thu thập được trong tầng khí quyển bên trên sau khi sao băng siêu nhỏ nổ tung trên bầu trời. Các nguyên tử kim loại này định cư trong lớp hơi nước mỏng ở ngay trên độ cao nơi xảy ra mây dạ quang. ************** Tiểu luận môn thiên văn học GVHD:Th.S Trần Quốc Hà Trang 8 II. HIỆN TƯỢNG CỰC QUANG: II.1. Giới thiệu hiện tượng:  Cực quang là một hiện tượng hiếm thấy ở trên Trái Đất, thường xuất hiện vào buổi đêm, trên vùng trời ở hai cực Trái Đất. Cực quang diễn ra ở Bắc bán cầu Trái Đất được gọi là bắc cực quang, hay ánh sáng bắc cực; và ở nam bán cầu thì là nam cực quang hay ánh sáng nam cực  Nơi đã xảy ra hiện tượng cực quang: Ở Alaska (Mỹ), phần lớn lãnh thổ Canada, hay vùng nằm từ vĩ độ 60 trở lên. Bắc cực quang Nam cực quang Cực quang ở vùng nam Australia Bắc cực quang trên South Dakota Một ảnh chụp cực quang ở Canada. Cực quang ở Na Uy, thường xảy ra từ tháng 9 đến tháng 10 và từ tháng 3 đến tháng 4. Sau đây là một số hình ảnh Bắc cực quang được nhìn thấy trên bầu trời Longyearbyen, Na Uy sáng sớm 10-3-2008. Tiểu luận môn thiên văn học GVHD:Th.S Trần Quốc Hà Trang 9  Trong thiên văn học, cực quang là một hiện tượng quang học được đặc trưng bởi sự thể hiện đầy màu sắc của ánh sáng trên bầu trời về đêm. Các dải sáng này liên tục động và thay đổi làm cho chúng trông giống như những dải lụa màu trên bầu trời. Đây có thể coi là một trong những hình ảnh đẹp của tự nhiên.  Biểu hiện:  Màu sắc cực quang: Những dải ánh sáng màu hồng, lam, vàng, tím… rực rỡ và biến ảo khôn lường. Tia này vừa tắt đi, tia khác lại xuất hiện, nhảy múa, lung linh đủ màu sắc . Phần lớn các cực quang có màu vàng ánh lục nhưng đôi khi các tia cao sẽ có màu đỏ ở đỉnh và dọc theo gờ Tại Juneau, Alaska, Mỹ Bắc cực quang ở Alaska Nam cực quang trên Swifts Creek, Victoria, Úc [...]... khuynh hư ng dõi theo hình nh cho t i khi nó ư c võng m c thu nh n t t nh t, gây nên thương t n Trang 22 Ti u lu n môn thiên văn h c GVHD:Th.S Tr n Qu c Hà III.2 Nguy t th c: III.2.1 Nguy t th c là gì? Nguy t th c là hi n tư ng thiên văn khi M t Trăng i vào hình chóp bóng c a Trái t, Trên t t c các i m n m i di n v i M t Tr i bán c u quay v M t Trăng u có th nhìn th y nguy t th c Vào các êm r m M t... Tr i c a h Trang 24 Ti u lu n môn thiên văn h c GVHD:Th.S Tr n Qu c Hà Khi có nh t th c toàn ph n, trên m t t xu t hi n nh ng bóng nh như nh ng làn sóng lư t i, còn chân tr i thì loé lên nh ng v ng hào quang r c l a S gia Herodot ã ghi l i m t tr n ánh k t thúc b t ng gi a quân Lidia và quân Midia vì các binh sĩ 2 bên u kinh hoàng khi th y hi n tư ng này ngành thiên văn h c, ngư i ta d dàng xác n... th c hình khuyên m ts i m trên Trái t, nó ư c quan sát th y là nh t th c toàn ph n; nh ng nơi khác nó l i là nh t th c hình khuyên Thu t ng chung cho nh t th c toàn ph n, hình khuyên hay nh t th c lai là nh t th c m t ph n nh t th c trung tâm Trang 18 Ti u lu n môn thiên văn h c GVHD:Th.S Tr n Qu c Hà Nh t th c m t ph n: x y ra khi M t Tr i và M t Trăng không n m chính xác trên cùng m t ư ng th ng,... không cho ai ư c nhìn tr c ti p qua th u kính (kính thiên văn, l kim, v.v ) Quan sát ĩa M t tr i trên m t màn hình video (c a m t máy quay phim ho c m t máy quay phim k thu t s ) là an toàn, m c dù chính thi t b l i có th b hư h i do ánh sáng tr c ti p c a M t tr i Nhìn qua ô nhìn th u kính c a các máy trên l i không an toàn Các phòng b an toàn như trên áp d ng cho vi c quan sát m t tr i b t kỳ lúc... Thu ) — có th c bi t m t hành tinh (thư ng là ư c quan sát th y g n i m m c hay l n c a m t tr i trên ư ng chân tr i nơi không th nhìn th y ư c n u không x y ra nh t th c • S x y ra ng th i c a nh t th c và s vư t ngang qua c a m t hành tinh: Trang 21 Ti u lu n môn thiên văn h c GVHD:Th.S Tr n Qu c Hà Trên nguyên t c, vi c x y ra ng th i c a nh t th c và s lư t qua c a m t hành tinh là có th Nhưng... như nguyên lý ho t ng c a màn hình tivi và máy tính) K t qu nghiên c u khoa h c vào các năm 1957-1958 cho r ng khi trên m t tr i xu t hi n các v t en, gió m t tr i t t vào trái t, mang theo m t dòng h t năng lư ng cao gây ra hi n tư ng c c quang (CQ) Các electron và proton trong dòng h t này i vào b u khí quy n Dư i nh hư ng c a a t , chúng b hút v hai c c trái Trang 11 Ti u lu n môn thiên văn h c GVHD:Th.S... khác nhau, t c là nhi u màu s c khác nhau do ó t o ra nhi u d i sáng v i nhi u màu s c trên b u tr i Ngoài ra hai c c t o ra ánh sáng thì các h t ch a năng lư ng cũng sinh ra nhi t Nhi t b làm tiêu tan b i b c x h ng ngo i hay b mang i xa b i các tr n gió m nh trong l p trên c a khí quy n Trang 14 Ti u lu n môn thiên văn h c GVHD:Th.S Tr n Qu c Hà Âm thanh c c quang: S lan truy n c a các âm thanh này... và không nh n ư c ánh sáng M t Tr i, do ó x y ra nguy t th c Cũng vì nón bóng t i c a Trái nt t l n hơn r t Trang 25 Ti u lu n môn thiên văn h c GVHD:Th.S Tr n Qu c Hà nhi u so v i M t Trăng nên nguy t th c x y ra trong m t th i gian dài và th y ư c nhi u nơi trên Trái t Hình trên bi u di n chuy n ph ng qu o chuy n ng c a M t Trăng và c a Trái t, cho th y m t ng c a M t Trăng gi nguyên phương trong không... nguy t th c trong m i chu kì di n ra ít hơn nh t th c, nhưng trên Trái m i nơi t ngư i ta th y nguy t th c ư c nhi u hơn Ngày nay ngư i ta ã có các b ng cho bi t các l n nh t nguy t th c hàng ngàn năm trong quá kh cũng như trong tương lai ************** Trang 27 Ti u lu n môn thiên văn h c GVHD:Th.S Tr n Qu c Hà IV HI N TƯ NG BI N I MÀU S C TRÊN B U TR I: T i sao b u tr i mùa thu trong xanh, t i sao... khí quy n trái t, g p ph i các phân t nh nitơ và Trang 31 Ti u lu n môn thiên văn h c GVHD:Th.S Tr n Qu c Hà ôxy trên b u tr i, nó b tán x , ho c khúc x Các tia sáng có bư c sóng ng n nh t (xanh và tím) b tán x m nh hơn các tia sóng dài ( và vàng) Và chính nh ng tia tán x này i t i m t chúng ta Vì th , khi chúng ta nhìn theo m t hư ng trên b u tr i, chúng ta nhìn th y nh ng ánh sáng bư c sóng b tán x . này khởi đầu từ việc quan sát các hiện tượng vật lí xảy ra trên bầu trời. Các hiện tượng thiên văn vật lí xảy ra trên bầu trời rất phong phú và đa dạng rộng ấy. Trên tinh thần đam mê học hỏi, nhóm thực hiện nỗ lực hoàn thành bài tiểu luận “ Những hiện tượng vật lí trên bầu trời” đề cập đến các hiện tượng