Ngay từ năm 1849, Schwabe khi nghiên cứu số Wolf qua nhiều năm đã nhận thấy tính quy luật của MT. Đĩ là: số này tăng giảm theo qui luật lặp lại sau 11 năm. Chu kỳ đĩ gọi là chu kỳ MT, hay chu kỳ hoạt động MT. Đầu chu kỳứng với số Wolf cực tiểu, sau đĩ nĩ tăng dần và đạt cực đại, ở giữa chu kỳ, tiếp tới nĩ giảm dần, đạt cực tiểu ở cuối chu kỳ. Sau đĩ lặp lại như vậy, tạo thành chu kỳ nối tiếp. Tính chu kỳ cho phép ta hy vọng về việc dựđốn HĐMT.
Bản chất của chu kỳ MT chưa được biết rõ lắm. Thực ra, năm 1978 Herman và Goldberg cĩ đề xuất 1 số chu kỳ khác như chu kỳ 100 năm, 180 năm, tuy nhiên chu kỳ 11 năm vẫn phổ biến hơn. Dưới đây là hình ảnh một số chu kỳ.
Số liệu đầy đủ về VĐMT đã cĩ từ năm 1749, tuy nhiên chu kỳđầu tiên được tính từ tháng 2 năm 1755. Chu kỳ từ 2/1755 đến 4/1766 được gọi là chu kỳ thứ nhất, tính đến nay đã trải qua 23 chu kỳ, hiện đang vào chu kỳ thứ 24 (năm 2009).
Gần đây, giáo sư S. K. Solanki cĩ tiến hành xây dựng bộ số liệu VĐMT dựa trên phân tích đồng vị phĩng xạ C14 trong thân cây. Kết quả cho thấy tính chu kỳ thể hiện rất rõ, ngoại trừ thời gian gần đây cĩ sự ảnh hưởng của việc tăng độ phĩng xạ do vũ khí hạt nhân. Việc tái lập này cho phép mở rộng nghiên cứu VĐMT
và HĐMT đến 11 400 năm, giúp kiểm chứng các mơ hình về MT và nghiên cứu mối quan hệ MT - TĐ. 2.7.2. Tính chất của chu kỳ - Định luật Sporer Được Sporer phát hiện cùng thời với Wolf, sau này (1922) được Maunder minh họa dưới tên
gọi giản đồ bướm (Butterfly - Diagram). Giản đồ thể hiện sự "trơi" của vĩ độ xuất hiện VĐMT về phía xích đạo: Vào đầu chu kỳ, VĐ thường xuất hiện ở vĩ độ 30o Bắc hay Nam của đĩa MT. Tại cực đại của chu kỳ chúng ở vào vĩ độ 15o Bắc hoặc Nam của đĩa MT. Sau đĩ đến cuối chu kỳ chúng thường xuất hiện gần xích đạo MT. Chu kỳ tiếp theo lặp lại như vậy.
- Định luật Hale - Nicholson
Năm 1912, G.E. Hale phát hiện ra qui luật về sự phân cực các nhĩm VĐ. Những vết dẫn trước trong nhĩm VĐ lưỡng cực ở Bắc bán cầu cĩ sự phân cực giống nhau, nhưng trái dấu với những vết dẫn trước ở Nam bán cầu. Sự phân cực này đảo lại sau mỗi chu kỳ 11 năm.
Tức phải mất hai chu kỳ hay 22 năm thì sự phân cực các nhĩm mới lặp lại (định luật này gắn với định luật Joy nĩi ở mục 2.3.1.1). Chu kỳ 22 năm phản ánh hoạt động từ của MT nên cịn được gọi là chu kỳ hoạt động từ MT (The Solar Magnetic Cycle).
Ngồi sựđảo cực của nhĩm VĐMT cĩ thể nhận thấy sự đảo cực từ trường Bắc - Nam của MT, xảy ra khi chu kỳđạt cực đại. Hiện chưa cĩ lời giải thích thỏa đáng cho vấn đề này, chúng cĩ liên quan đến từ trường MT. Ta sẽ xét một số mơ hình giải thích ở phần sau.
Hình 2.6. Giản đồ bướm [99]
- Hiệu ứng Waldmeier (Waldmeier Effect):
Các chu kỳ HĐMT cĩ thể khác nhau về cường độ, thời gian kéo dài và hình dạng. Chúng cĩ thể khơng đối xứng qua cực đại. Chu kỳ cĩ hoạt động mạnh (cĩ cực đại lớn) sẽ mau đạt đến cực đại hơn (cực đại lệch về phía đầu chu kỳ) thời gian chu kỳ cũng ngắn hơn. Những chu kỳ
hoạt động yếu thì đạt cực đại trễ hơn. Tính chất này được gọi là hiệu ứng Waldmeier, được miêu tả qua hình 2.8.
- Định luật Joy (xem 2.6.1)
- Cực tiểu Maunder (The Maunder Minimum)
Căn cứ vào số liệu lịch sử người ta thiết lập chu kỳ HĐMT trong thế kỷ 17 và nhận thấy giai đoạn từ 1645 đến 1715 hầu như khơng cĩ VĐMT. Nhà thiên văn Anh E.W. Maunder là người phát hiện ra nên giai đoạn này được gọi là cực tiểu Maunder. Đĩ là giai đoạn trùng với thời kỳ TĐ trở nên lạnh lẽo, băng giá. Điều này cho thấy rằng giữa HĐMT và khí hậu TĐ cĩ mối liên hệ chặt chẽ. Do vậy, ngày nay cĩ rất nhiều ngành học cần được nghiên cứu trong mối quan hệ với HĐMT.
Trước kia HĐMT được coi là chỉ gắn liền với VĐMT, vì vậy chu kỳ HĐMT cịn được gọi là chu kỳ VĐMT. Ngày nay, mối liên quan giữa các dạng HĐMT đã được biết rõ và chúng cũng thể hiện qui luật chu kỳ. Thường cĩ nhiều vụ BNMT và CME xảy ra vào vào thời kỳ MT hoạt động mạnh. Nhưng ở cuối chu kỳ, khi HĐMT suy yếu, lại cĩ nhiều BNMT, CME dữ dội, gây tình trạng tồi tệ cho TĐ hơn.
Trong các tài liệu viết về MT thường gọi MT yên tĩnh (Quite Sun) và MT
hoạt động (Active Sun) để chỉ rõ nghiên cứu MT vào giai đoạn nào trong chu kỳ hoạt động của nĩ.
2.8. Từ trường của Mặt trời
MT là một khối plasma, tức các hạt mang điện chuyển động, vậy nên nĩ cĩ từ tính. Tuy nhiên, khác với từ tính của chất rắn, từ tính của plasma rất phức tạp. Gần đây, lý thuyết từ thủy động lực học (Magnetohydrodynamics: MHD) được áp dụng trong nghiên cứu từ trường MT, với các thuật ngữ: “đường sức từ đĩng băng
trong khí” (“Magnetic field lines frozen into the gas” hay “frozen-in magnetic fields”), sĩng Alfven, v.v… cho phép ta giải thích HĐMT một cách sinh động hơn.
Từ trường MT cĩ tính biến động và bao gồm nhiều dạng: từ trường tổng
(Global); từ trường mạng (Network), từ trường của các dạng HĐMT (như trường sáng, VĐMT, v.v…). Về độ lớn trung bình của các dạng từ trường được ghi dưới bảng 2.3.
Bảng 2.3. Các dạng từ trường MT [86]. Tên Giá trị (Tesla) Từ trường tổng
Từ trường mạng Từ trường của VĐMT Từ trường của Trường sáng
0,0001 0,002
0,2 0,02
Như vậy, MT cĩ một mạng từ yếu với từ trường tổng cĩ cực Bắc và cực Nam như một lưỡng cực từ (Dipole), cĩ thểđĩ là kết quả của sự tổng hợp từ trường của các dạng HĐMT đang diễn tiến và đã biến mất, để lại tàn dư. Trong mỗi chu kỳ 11 năm, cực Bắc và cực Nam của từ trường tổng lại đổi chỗ cho nhau, sự kiện này thường xảy ra sau cực đại của chu kỳ HĐMT. Trong giữa quãng thời gian xảy ra thay đổi đĩ, MT cĩ thể cĩ 2 cực Bắc từ, 2 cực Nam từ, đĩ là vì từ trường MT khơng phải là từ trường của vật rắn. Do cĩ sựđảo cực như vậy nên chu kỳ thật của HĐMT, tức biến đổi từ trường MT, phải là 22 năm, như đã trình bày ở trên.
Từ trường của VĐMT là từ trường cục bộ, sự hình thành VĐMT được cho rằng nĩ cĩ liên quan đến sự quay khơng đều nhau của các lớp plasma trong MT. Các chuyển động hỗn loạn làm xoắn các đường sức từ, do MT quay chúng bị cuốn
quanh MT, tạo ra những cuộn xoắn khổng lồ đủ để nổi lên bề mặt MT dưới dạng VĐMT (xem tiếp 2.9).
Trường sáng (Plages) mà ta quan sát thấy trên Sắc cầu chính là nơi tập trung các đường sức từ ở rìa các siêu hạt (Supergranules). Các mảng sáng liên kết với nhau tạo thành mạng lưới Sắc cầu.
Trên Nhật hoa, từ trường tạo thành một mạng lưới phức tạp. Các đường sức từ cuốn thành vịng (Magnetic Loops), liên kết giữa các VĐMT trong nhĩm và giữa các VĐMT với cực từ Bắc – Nam, được gọi là đường sức “đĩng” (“Closed” Magnetic field lines). Phần cịn lại của mạng lưới đĩ là
những đường sức gần như thẳng gĩc với bề mặt MT, được gọi là đường sức “mở”
(“Open” magnetic field lines). Ảnh chụp tia X của MT thể hiện sự liên hệ giữa mạng lưới từ trường và plasma trong Nhật hoa.
Vị trí tương ứng với các đường sức mở gọi là hốc Nhật hoa (Corona Holes)
thường tìm thấy ở vùng cực MT. Khu vực tập trung các VĐMT người ta cĩ thể thấy những vịng sáng đậm đặc hơn khí xung quanh, tương ứng với đường sức đĩng. Một cấu trúc khác cũng tương đương với các đường sức đĩng là Helmet Streamer.
BNMT cũng được coi là hậu quả của sự cuộn xoắn đường sức từ tạo nên VĐMT, dẫn đến kết quả là các đường sức đĩ dính vào nhau, gây ra BNMT, sau đĩ là sự tái nối các đường sức từ (Magnetic Reconnection). Điều này cho phép hy vọng việc đo độ xoắn của từ trường xung quanh VĐMT sẽ dự đốn được BNMT. Giả thuyết khác của BNMT là một tia lửa điện khổng lồ diễn ra do sự chập mạch của các dịng điện - các khối khí plasma- chạy trong Nhật hoa.
Câu hỏi vì sao Nhật hoa lại nĩng như vậy cũng cĩ thểđược trả lời bằng các quá trình gọi là sự tái nối các đường sức từở trên. SOHO đã phát hiện ra các mạng nhỏ liên tục được sinh ra trên tồn bộ bề mặt MT. Các thảm từ đĩ tạo ra những dịng nhỏ uốn cong lên khỏi Quang cầu. Nền tảng của những vịng đĩ được tạo nên
bởi plasma. Khi những vịng đĩ gặp nhau chúng liên kết lại tạo ra năng lượng điện rất lớn. Khi tách rời nhau chúng tạo nên các cấu hình năng lượng thấp hơn. Quá trình đĩ làm năng lượng sinh thêm được thốt ra liên tục với trị giá cỡ hàng tỷ kwh.
Cho đến nay việc giải thích nguồn gốc và bản chất từ trường VĐMT, từ trường MT nĩi riêng và vấn đề từ trường thiên thể, từ trường Vũ trụ nĩi chung là những vấn đề rất lớn và nan giải đối với thiên văn vật lý. Việc tìm hiểu từ trường MT liên quan chặt chẽ đến nghiên cứu HĐMT. Dưới đây là một số mơ hình giải thích HĐMT hiện nay.
2.9. Các mơ hình giải thích chu kỳ hoạt động Mặt trời (Model of the Solar
Cycle)
Theo các định luật điện từ thì điện trường biến thiên (do các hạt mang điện chuyển động cĩ gia tốc) sẽ sinh ra từ trường và ngược lại. Ngày nay người ta đã biết rõ MT cấu tạo từ khí plasma, chuyển động của chúng sinh ra từ trường và ngược lại, từ trường trong plasma sẽ cĩ những tác động gây ra muơn vàn hiện tượng thú vị trên MT. Tất cả các dạng HĐMT như VĐMT, trường sáng, vịng Nhật hoa, BNMT, CME… đều liên quan đến từ trường MT. Bằng nhiều phương pháp, kể cả sự hỗ trợ của vệ tinh, các nhà khoa học đã đề xuất những giả thuyết, mơ hình giải thích chu kỳ HĐMT, gắn liền với việc giải thích nguồn gốc từ trường MT.
Quá trình vật lý sinh ra từ trường MT, hay cơ chế MT biến cơ năng thành năng lượng từ, được gọi là Dynamo MT (Solar Dynamo). Một mơ hình Dynamo thành cơng phải giải thích được những hiện tượng như: chu kỳ 11 năm, định luật Hale, giản đồ bướm, định luật Joy, sựđảo cực của từ trường Bắc – Nam…
Một trong số mơ hình được chú ý nhiều nhất là mơ hình do H.Babcock đề xuất năm 1961 và được Leighton bổ sung năm 1964, 1969. Cơ sở thực nghiệm dựa trên các số liệu đo đạc bởi các từ kế (Magnetograph) do Babcock chế tạo và cơ sở lý thuyết để xây dựng mơ hình là thuyết từ thủy động học (MHD) với các khái niệm từ trường bị “đĩng băng” vào khí plasma do Alfven đề xuất (1939). Ý tưởng của mơ hình này được mơ tả tĩm tắt như sau:
Theo mơ hình này chu kỳ MT là sự tuần hồn của 2 thành phần chính của từ trường MT: trường cực (Poloidal Field) và trường xoắn (Toroidal Field). Khởi đầu chu kỳ, từ trường MT cĩ giá trị thấp (≈1G) và phân cực qua trục như một lưỡng cực từ. Các đường sức chạy theo mặt phẳng kinh tuyến và trồi lên bề mặt ở vĩ độ gần ±550. Do MT quay quanh trục theo hướng từ tây sang đơng, với vận tốc khác nhau, tùy thuộc vĩ độ, nên kết quả là các đường sức từ- dây điện (mà thực chất là từ trường đĩng băng trong khí plasma) bị xoắn lại, tạo thành từ trường xoắn. Quá trình biến dạng này gọi là hiệu ứng Ω. Khi đĩ các đường sức từ bị quấn vịng quanh, làm chúng bị dồn nén lại thành từng bĩ. Khi những bĩ đường sức cĩ cường độ đủ mạnh, chúng sẽ nổi lên bề mặt với sự vặn xoắn theo đường kinh tuyến. Kết quả tạo thành những cặp VĐMT trên bề mặt MT cĩ định hướng Đơng – Tây như định luật Joy, với các vết dẫn ở phía đơng, vết kéo theo ở phía tây; vết kéo theo ở gần cực hơn và cĩ phân cực ngược với cực từ ở bán cầu đĩ vào đầu chu kỳ - Điều đĩ giải thích được định luật Hale. Babcock cũng đã tính được thời gian để các đường sức quấn quanh MT là sau 3 năm được 5 vịng rưỡi và từ trường được tăng cường lên cỡ hàng kilo gamma. Thoạt đầu, sự
quay làm từ trường tăng cường ở khoảng vĩ độ ±300 nên các vùng HĐMT xuất hiện ở đầu chu kỳ ở các vùng đĩ, sau đĩ mới chuyển dần xuống các vĩđộ thấp hơn (giải thích định luật Sporer). Giai đoạn tiếp theo là sự tái sinh từ trường cực, quá trình này gọi là hiệu ứng α. Khi đĩ các cặp VĐMT sẽ yếu dần, mất liên kết với vành đai các đường sức bên trong chúng bị trơi
dần về cực, các vết kéo theo ở vĩđộ cao hơn các vết dẫn. Khi trơi về cực các vết kéo theo sau khi triệt tiêu với tàn dư từ trường cũở cực thì làm nên cực mới của trường lưỡng cực, ngược hướng với từ trường cũ, cịn các vết dẫn ở 2 bán cầu thì hủy nhau ở xích đạo. Như vậy trường Poloidal được tái sinh với sự phân cực bị đảo ngược.
Mơ hình Babcock cơ bản đã giải thích được các tính chất của HĐMT, nhưng vẫn chưa giải thích được tại sao chu
kỳ VĐMT lại là 11 năm, nguyên nhân của hiệu ứng α cũng như nguồn gốc của từ trường cực ban đầu.
Từ thập niên 80 của thế kỷ 20, nhờ sự phát triển của mơn Nhật chấn học, các vệ tinh MT thu thập được nhiều số liệu, hình ảnh, người ta phát hiện được sự quay của các lớp bên trong MT và lớp quay chuyển
tiếp, được coi là nơi sản sinh ra dynamo MT. Đồng thời SOHO cũng phát hiện ra
những dịng chảy trên bề mặt MT theo hướng kinh tuyến (dịng chảy kinh tuyến) cho phép người ta nghĩ tới việc hồn thiện mơ hình trên. Gần đây, bà Mausumi Dikpati và Paul Chabonneau (Mỹ) đã đề xuất mơ hình Dynamo với dịng chảy kinh tuyến cho phép cĩ một sự giải thích đơn giản về chu kỳ 11 năm. Theo bà Dikpati thì dịng chảy kinh tuyến (Meridional Flow) phải là một vịng kín, chảy trong nền của vùng đối lưu. Hướng dịng chảy từ cực về xích đạo là nguyên nhân gây ra sự trơi vành đai hình thành VĐMT về phía xích đạo (định luật Sporer). Dịng chảy này “chở” các VĐMT khác cực đến các cực từ cũ, làm triệt tiêu chúng và thiết lập cực