“Một con cáo ma thuật, chạy qua những ngọn đồi ở Bắc Cực, đuôi của nó phun tuyết và bắn tia lửa vào không khí. Người chết, chơi bóng đá trên thiên đường với một hộp sọ hải mã. Hoặc linh hồn của những đứa trẻ đã chết, nhảy múa trên bầu trời”.
Đây là những huyền thoại xung quanh cực quang (hay aurora), những câu chuyện mà các nền văn hóa cổ đại gần Bắc Cực kể lại để giải thích về những luồng sáng kỳ ảo mà họ nhìn thấy nhấp nháy trên bầu trời đêm phía trên đầu họ. Bây giờ, chúng ta biết rằng những màn trình diễn ngoạn mục này không có nguồn gốc siêu nhiên mà là do các quá trình hóa học trong bầu khí quyển. Bài viết này giải thích cách cực quang hình thành và nguyên nhân gây ra các màu sắc khác nhau.
Nguyên nhân gây ra cực quang
Mặc dù cực quang có thể không phải là hiện tượng huyền bí, nhưng nguồn gốc của chúng là ngoài trái đất. Nguồn gốc của chúng là các hạt tích điện bị đẩy ra từ bề mặt mặt trời, một luồng được gọi là gió mặt trời. Các hạt này, chủ yếu là electron và proton, được ném ra từ vành nhật hoa của mặt trời với tốc độ khoảng ba trăm km mỗi giây và lao vút qua toàn bộ hệ mặt trời.
Khi các hạt này đến Trái đất, từ trường của hành tinh chúng ta sẽ bảo vệ chúng ta khỏi chúng. Đây là một điều tốt vì nếu không có lớp chắn này, các hạt tích điện sẽ gây ra sự tàn phá cho các thiết bị điện tử, truyền thông và mạng lưới của chúng ta. Lớp chắn từ trường của Trái đất làm chệch hướng phần lớn gió mặt trời xung quanh hành tinh; tuy nhiên, một số ít hạt xâm nhập vào khí quyển tại điểm yếu của từ trường, các cực.
Khi các hạt tích điện, chủ yếu là electron, đã xâm nhập vào khí quyển, các nguyên tử và phân tử trên đường đi của chúng sẽ nằm trong tầm kiểm soát của chúng. Các vụ va chạm tốc độ cao truyền năng lượng bổ sung cho các nguyên tử và phân tử không khí, một quá trình được gọi là kích thích. Các nguyên tử và phân tử bị kích thích này không duy trì trạng thái này lâu; chúng trở lại trạng thái ban đầu hoặc trạng thái cơ bản, mất năng lượng dư thừa dưới dạng ánh sáng. Quá trình này tạo ra cực quang.
Màu sắc của cực quang
Di chuyển từ độ cao cao nhất trong khí quyển đến độ cao thấp nhất, đây là các nguồn tạo ra màu sắc cực quang:
- Xanh lam và tím [300-400 km (> 180 dặm)]: Hydro và heli giải phóng ánh sáng xanh lam và tím ở đỉnh cực quang. Tuy nhiên, những màu này tương đối mờ và thường không nhìn thấy được ngoại trừ dưới bầu trời rất tối hoặc có bão mặt trời mạnh. Ngoài ra, vì những loại khí này tương đối hiếm nên ánh sáng khuếch tán.
- Đỏ [300-400 km (> 180 dặm)]: Ánh sáng đỏ ở đỉnh cực quang đến từ oxy đơn nguyên tử (O). Ở vĩ độ thấp hơn, đôi khi chỉ có cực quang đỏ xuất hiện, hướng về phía bắc (bán cầu bắc) hoặc phía nam (bán cầu nam). Các màu khác nằm bên dưới đường chân trời.
- Vàng-Xanh lá cây [100-300 km (60-180 dặm)]: Xanh lá cây chanh tươi là màu phổ biến nhất của cực quang. Nó xuất phát từ oxy đơn nguyên tử (O), nhưng trong khi cực quang đỏ xuất phát từ oxy hấp thụ bức xạ mặt trời, thì màu xanh lá cây xuất phát từ các nguyên tử oxy va chạm với các electron năng lượng thấp hơn được giải phóng bởi các phân tử nitơ bị kích thích (N2+).
- Xanh lam [100-300 km (60-180 dặm)]: Các phân tử nitơ bị kích thích (N2+) giải phóng ánh sáng xanh lam khi chúng trở lại trạng thái năng lượng ổn định hơn. Cực quang có màu xanh lam, xanh lục-xanh lá cây hay vàng lục phụ thuộc vào sự tương tác của ánh sáng từ các ion nitơ và các nguyên tử oxy.
- Đỏ thẫm [100 km (60 dặm)]: Màu đỏ thẫm ở gốc cực quang xuất phát từ nitơ hai nguyên tử (N2). Khi ánh sáng đỏ chồng lên ánh sáng xanh lam, bạn sẽ thấy màu tím hoặc đôi khi là màu hồng tươi. Tương tự như vậy, khi màu đỏ hòa vào màu xanh lục hơi vàng từ oxy, bạn sẽ thấy cực quang màu cam.
- Xanh lam-tím [100 km (60 dặm)]: Gần đáy tầng điện ly, nitơ hai nguyên tử ion hóa (N2+) giải phóng ánh sáng xanh lam và tím, nhưng các electron được giải phóng không kích thích nhiều oxy ở độ cao thấp hơn.
Mây, ánh trăng và ánh sáng mặt trời từ lúc mặt trời mọc hoặc lặn cũng ảnh hưởng đến màu sắc bạn nhìn thấy.
Nguyên nhân gây ra màu sắc khác nhau
Các màu sắc khác nhau của cực quang bắt nguồn từ các nguyên tử và phân tử mà các electron gió mặt trời va chạm. Bầu khí quyển của hành tinh chúng ta có 78% là nitơ, 21% là oxy và 1% là các khí khác. Thành phần và nồng độ của các khí thay đổi theo độ cao; ví dụ, ở trên cao trong khí quyển, ánh sáng cực tím từ mặt trời sẽ phân tách các phân tử oxy thành hai nguyên tử oxy. Các nguyên tử oxy này đóng vai trò quan trọng trong màn trình diễn cực quang.
Màu xanh lá cây, phổ biến nhất trong cực quang, là kết quả của sự kích thích các nguyên tử oxy ở độ cao từ 60 đến 150 dặm (1 dặm = 1,609344 km) so với bề mặt Trái đất. Khi các nguyên tử bị kích thích này phân rã thành mức năng lượng thấp hơn nhưng vẫn bị kích thích, chúng phát ra ánh sáng xanh lục. Quá trình này mất khoảng một giây, nghe có vẻ ngắn, nhưng đối với những quá trình như thế này thì khá dài. Điều đó có nghĩa là nó chỉ có thể xảy ra ở tầng cao trong khí quyển. Ở đây, nồng độ các thành phần trong khí quyển đủ thấp để năng lượng không bị mất do va chạm với các nguyên tử hoặc phân tử khác.
Các nguyên tử oxy cũng chịu trách nhiệm cho sự xuất hiện của màu đỏ trong cực quang. Điều này thậm chí còn hiếm hơn và liên quan đến một nguyên tử oxy rơi từ trạng thái kích thích xuống trạng thái cơ bản. Quá trình này mất nhiều thời gian hơn quá trình chuyển đổi tạo ra ánh sáng xanh lục (chính xác là 110 giây), do đó chỉ có thể xảy ra ở tầng cao trong khí quyển, ít nhất là 150 dặm. Ở đây, không khí rất loãng nên năng lượng không có khả năng bị mất do va chạm với các nguyên tử khác. Ngay cả khi đó, những màu đỏ này chỉ được nhìn thấy trong những giai đoạn hoạt động mạnh hơn của mặt trời.
Cuối cùng, nitơ, thành phần chính của khí quyển Trái đất, cũng góp phần tạo nên màu sắc. Các phân tử nitơ ít bị phân tách thành nguyên tử hơn các phân tử oxy do chúng có độ ổn định đặc biệt. Tuy nhiên, các phân tử nitơ có thể bị ion hóa và kích thích bởi các electron từ gió mặt trời. Khi các phân tử này mất đi năng lượng dư thừa, chúng phát ra ánh sáng xanh lam hoặc tím. Một lần nữa, những màu sắc này ít được nhìn thấy hơn.
Nơi bạn có thể nhìn thấy cực quang
Hoạt động của mặt trời không chỉ ảnh hưởng đến màu sắc bạn nhìn thấy trong cực quang mà còn ảnh hưởng đến nơi bạn có thể nhìn thấy chúng. Cực quang có thể nhìn thấy gần cả cực bắc và cực nam từ trường; tương ứng là cực quang borealis (cực quang phương bắc) và cực quang australis (cực quang phương nam). Cực quang borealis có xu hướng được chú ý nhiều hơn vì khu vực có thể nhìn thấy bình thường của cực quang australis chủ yếu là Bắc Băng Dương.
Hầu hết thời gian, cực quang có thể nhìn thấy ở vĩ độ 10-20 độ tính từ các cực (hoặc khoảng 700-1400 km). Cực quang borealis thường có thể nhìn thấy ở Greenland, Iceland và miền bắc Scandinavia. Lượng hạt tích điện mà mặt trời tạo ra thay đổi theo hoạt động của mặt trời và điều kiện bão tố hơn trong vành nhật hoa của mặt trời sẽ khiến nhiều hạt lao về phía các cực của Trái đất. Đến lượt mình, điều này có thể mở rộng phạm vi của cực quang, khiến chúng có thể nhìn thấy ở vĩ độ thấp hơn.
Hoạt động của mặt trời tăng lên và giảm đi theo chu kỳ mặt trời và vào năm 2024, chúng ta đang tiến gần đến đỉnh điểm hoặc cực đại mặt trời. Đó là lý do tại sao trong những tháng gần đây, có những báo cáo về cực quang ở xa về phía nam như Bắc Âu. Điểm chính xác của đỉnh điểm rất khó dự đoán, nhưng người ta cho rằng khi chúng ta tiến vào năm 2025, hoạt động của mặt trời sẽ lại bắt đầu suy yếu. Đỉnh điểm mặt trời tiếp theo dự kiến sẽ không xảy ra trong khoảng một thập kỷ nữa.
Cực đại mặt trời hiện tại không phải là cực đại ấn tượng nhất được ghi nhận khi nói đến cực quang. Sự kiện Carrington vào tháng 9 năm 1859 là một cơn bão địa từ dữ dội trên Trái đất, được cho là do sự phóng thích hàng loạt các hạt từ mặt trời: một đợt bùng phát mặt trời. Kết quả cực quang có thể nhìn thấy trên toàn cầu, ngay cả ở các quốc gia gần đường xích đạo, chẳng hạn như Colombia.
Mối nguy tiềm tàng
Cực quang là mặt hấp dẫn của hoạt động mặt trời này, nhưng những sự kiện như vậy không phải không có hậu quả đáng mong đợi. Các dòng điện do địa từ gây ra đã làm hỏng các hệ thống điện báo vào năm 1859. Ngày nay, một sự kiện tương tự sẽ làm hỏng các vệ tinh, làm hỏng các hệ thống GPS và gây mất điện.
Làm sao bạn có thể biết được, trong giai đoạn hoạt động mặt trời tăng cường này, liệu cực quang có khả năng nhìn thấy được từ nơi bạn ở không? Nếu bạn ở Vương quốc Anh, bạn có thể sử dụng AuroraWatch, một trang web được thiết lập để cung cấp cảnh báo về thời điểm cực quang có thể xuất hiện. Ở nơi khác, Trung tâm Dự báo Thời tiết Không gian cung cấp bản đồ dự đoán cực quang hữu ích trong 30-90 phút tới.
Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!
Tham khảo Compound Interest, Let’s talk science và Sience Notes.
