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 từ mới. Bà phỏng đốn rằng chu trình dịng chảy kinh tuyến xác định chiều dài của chu kỳ HĐMT – tức độ dài chu kỳ xác định bởi vận tốc dịng chảy kinh tuyến. Vận tốc này khác nhau giữa các chu kỳ, chu kỳ cĩ vận tốc trơi nhanh hơn thì kết thúc mau hơn. Mơ hình này cho phép giải thích đặc điểm của chu kỳ thứ 23 (sựđảo cực chậm chạp và bất thường, cực Nam đảo chậm 9 tháng sau cực Bắc). Tuy nhiên mơ
hình này được xây dựng trên số liệu vệ tinh thu thập được mới chỉ trong 8 năm nên chưa thể cho phép đi đến kết luận đáng tin cậy, cĩ thể thuyết phục được giới khoa học.
2.10. Dự báo chu kỳ hoạt động Mặt trời
Cho đến nay vẫn chưa cĩ một mơ hình Dynamo nào cĩ khả năng tiên đốn một cách chính xác chu kỳ HĐMT. Về nguyên tắc, MT cĩ sự nhớ từ, sự tiên đốn cho chu kỳ này dựa vào ước tính từ trường sĩt lại từ các chu kỳ trước, thậm chí của vài chu kỳ trước. Vì thế, việc dự báo chu kỳ HĐMT dựa trên sự nghiên cứu về các chu kỳ HĐMT trước đĩ (hình dạng, cường độ, thời gian kéo dài của chu kỳ…). Từ đĩ người ta xây dựng một hàm đặc trưng cho hình dạng của chu kỳ, cho phép tính giá trị VĐMT hàng tháng theo giá trị cực đại Rmax của chu kỳđĩ. Giá trị Rmax liên hệ với độ dài của chu kỳ trước, giá trị cực tiểu liền đĩ, vận tốc trơi của vành đai hình thành VĐMT về xích đạo (vận tốc dịng chảy kinh tuyến), các chỉ số địa từ v.v…Tuy nhiên, kết quả dự đốn tương đối chính xác chỉ cĩ thể cĩ được sau khi chu kỳđạt cực tiểu từ 2 – 3 năm. Hơn nữa, mỗi nơi sử dụng một phương pháp khác nhau nên kết quả cũng cĩ thể khác nhau. Mặc dù vậy, hiện nay việc dự báo chu kỳ HĐMT đã cĩ những tiến bộ đáng kể, với các tiên đốn khá chính xác, giúp con người cĩ thể chủ động trong việc phịng tránh các tác động do HĐMT gây ra. Việc khảo sát chu kỳ HĐMT thứ 23 trong luận án sẽ trở lại vấn đề này.
2.11. Ảnh hưởng của hoạt động Mặt trời đến sự tiếp nhận bức xạ Mặt trời của Trái đất Trái đất
Bức xạ MT thay đổi theo chu kỳ HĐMT. Điều đĩ ảnh hưởng đến trạng thái của tầng điện ly TĐ. Trong khi quang phổ cĩ bước sĩng từ 0,2 đến 3,2µm thường khơng thay đổi thì tia UV, EUV và tia X thường bị thay đổi mạnh và tăng lên rõ rệt khi cĩ sự kiện BNMT. Bức xạ EUV và tia X (cĩ bước sĩng < 50 nm) thường liên quan đến VĐMT và các dạng HĐMT khác, trong đĩ thay đổi nhiều nhất là bước sĩng < 300 nm
Vùng sĩng vơ tuyến của MT (từ mm đến m) thay đổi nhiều trước những HĐMT như VĐMT và trường sáng. Nĩ chiếm ưu thế ở vùng sĩng cm đến dm và
thay đổi với chu kỳ ngày đêm, thường được gọi là thành phần S. Nĩ thường cĩ quan hệ mật thiết với bức xạ tử ngoại và tia X phát ra từ MT. Vì thế thơng lượng này thường được dùng trong vật lý tầng điện ly với tên gọi thơng lượng bức xạ 10,7 cm (hay 2,8 GHz), được trạm thiên văn Dominion Otawa phát đi với ký hiệu F10,7 hay Sa với đơn vị 10-22 W.m-2.Hz-1 đối với 1 đơn vị thiên văn. Bức xạ này cĩ thể được ghi nhận bởi các thiết bị vơ tuyến trên mặt đất, cịn bức xạ UV, EUV, tia X chỉ hiện diện trên tầng cao và được ghi nhận bởi các rocket và vệ tinh.
Đặc biệt, khi xảy ra BNMT một lượng năng lượng lớn được thốt ra trong khoảng thời gian rất ngắn. Theo mơ hình BNMT (xem 2.6.2) ta thấy các nguồn cĩ thể của năng lượng từ bắt đầu ở điểm trung tính trên hai VĐMT trái dấu. Khi từ trường sụp đổ, các hạt được gia tốc vượt qua điểm trung tính dọc theo các đường sức, một số hạt proton chuyển động vọt ra ngồi gây ra hiện tượng gọi là sự kiện
proton MT (Solar Proton Event) trên TĐ. Tuy nhiên, cần chú ý rằng cĩ nhiều vụ BNMT tạo ra những dịng proton năng lượng cao (1-1000 MeV), gây ra những sự kiện proton trên TĐ (chủ yếu ở vùng vĩ độ cao), nhưng mối liên kết giữa BNMT và sự kiện proton là chưa chắc chắn. Cĩ những vụ bùng nổ lớn nhưng khơng cĩ sự kiện proton kèm theo. Nhưng sự kiện proton thường tiến triển theo chu kỳ VĐMT.
Trong mơ hình BNMT, một số e- dừng lại ở Sắc cầu gây ra bức xạ Bremsstrahlung–tia X, cĩ thểđến TĐ gây ra biến động bất ngờ trong tầng điện ly vĩ độ thấp. Cũng ở ngay những vùng đĩ của Sắc cầu, Hydro bị ion hĩa bởi các e-, tạo ra bức xạ tái hợp vạch Hα được quan sát từ TĐ như những vụ bùng nổ Hα (Hα flares). Ở vùng Nhật hoa, bùng nổ cĩ thể phát ra tia UV, EUV, tia X gây hậu quả cho TĐ. Plasma trong giĩ MT cũng dâng cao, gây ảnh hưởng mạnh đến từ quyển của TĐ. Đặc biệt, CME nhưđã nĩi ở mục 2.6.3, gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng đến TĐ.
Phần viết về MT trong chương 2 này được tham khảo từ các tài liệu: [3],