m ột vai tr ò quan tr ọng trong việc phổ bi ế n các s ố liệu quan trắc v ề Mặt trời, phục v ụ cho tất cả các nghi ên c ứu về mối quan hệ Mặt trời và Trái đất tr ên toàn th ế gi ới. T[r]
(1)Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 10 năm 2007
CHU KÌ HOẠT ĐỘNG MẶT TRỜI
Trần Quốc Hà*
1. Mở đầu
Mặt trời nguồn lượng nguồn xạ vơ to lớn Các xạ
đó 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,
được 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
2. 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 2.1030kg 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 ngồi 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 cơng suất xạ tồn phần Q = 3,8.1026W Một điều lạ
*
(2)Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Trần Quốc Hà
về Mặt trời nhiệt độ vành Nhật hoa cao, cỡ hàng triệu độ Kelvin Điều
này 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
3. Hoạt động Mặt trời (Solar Activity)
Năm 1612, G Galileo phát bề mặt Mặt trời có vết đen –
ơng 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 : số vết đen Mặt trời (Sunspot number) g : số nhóm vết đen
f : số vết đen riêng lẻ
k : 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 cịn gọi số Wolf (số W) hay số Zurich (số Z)
(3)Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 10 năm 2007
trường mạnh, cỡ 102 – 101 Tesla (so với từ trường trung bình Trái đất
104 Tesla) Nó thường xuất thành cặp, lưỡng cực từ, có định
hướng đông – 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)và tia X Đồng thời vụ nổ tăng tốc hạt mang điện plasma Mặt trời (p, e) chúng phóng khỏi Mặt trời, lao vào
khơng 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,
nhưng 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
một 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
(4)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
Đồng thời số R để biểu thị độ hoạt động Mặt trời, người ta cịn 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 thông lượng f10,7cm Mặt trời tương đương
4. 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 cịn 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 cịn dùng vệ tinh nhân tạo Đó vệ tinh SOHO (The Solar and Heliospheric Observatory) phóng năm 1995 quan hàng không 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 :
1 http ://www.ips.gov.au : trang web Mặt trời Úc
2 http ://www.sec.noaa.gov : trang web Mặt trời Mĩ
(5)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 Cịn 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 thơng 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 ; cịn
các chu kì ngắn ngày chu kì quay Mặt trời (81 ngày) nên lấy
theo f10,7
5. 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,
các 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 đoán
là 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
(6)Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Trần Quốc Hà
Hình Hình dáng hoạt động chu kì 23 thể qua số vết đen thông 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 Số Rz
1996 8,6
1997 21,5
1998 64,3
1999 93,3
2000 119,6
2001 111,0
2002 104,0
2003 63.7
2004 40.4
Bảng Bảng biến động bão từ chu kì 23
Năm (Ngày)/ (tháng)
1998 4/5 ; 27/8 ; 25/9
2000 15/7 ; 12/8 ; 5/10
2001 31/3 ; 6,24/11
(7)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
6. 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
nay việc nghiên cứu Mặt trời có nhiều phương tiện hơn, Internet đóng
một vai trị 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