Tài liệu Nghiên cứu bão từ năm 2003

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ Cao Thị Vĩnh Phương LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2011 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ CAO THỊ VĨNH PHƯƠNG Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: 102 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trần Quốc Hà Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2011 2 Mục lục Mục lục ....................................................................................................................... 0 Danh mục các hình:..................................................................................................... 4 Danh mục bảng số liệu:............................................................................................... 6 Lời cảm ơn .................................................................................................................. 7 Mở đầu ........................................................................................................................ 8 Chương 1 : Tổng quan về bão từ. ............................................................................. 10 1.1. Bão từ và những tác hại của bão từ:................................................................... 10 1.1.1. Bão từ là gì? ................................................................................................ 10 1.1.2.Tác hại của bão từ: ....................................................................................... 10 1.2. Từ trường Trái Đất: ............................................................................................ 11 1.2.1.Sự biến động của từ trường Trái Đất. .......................................................... 12 1.2.2.Từ quyển Trái Đất. ....................................................................................... 13 * Vành đai bức xạ Van Allen (Van Allen radiation belts):.................................. 15 Chương 2: Lý thuyết về bão từ. ................................................................................ 16 2.1. Mặt Trời – nguồn gốc của bão từ:...................................................................... 16 2.1.1Vết đen MT: .................................................................................................. 16 2.1.2. Bùng nổ MT: ............................................................................................... 17 * Sự kiện proton (proton event): ........................................................................... 18 2.1.3. Sự phóng vật chất Nhật hoa (Coronal Mass Ejection – CME ): ................. 18 2.1.4.Gió MT:........................................................................................................ 19 2.2.Một số giải thích và cơ chế gây bão từ: .............................................................. 20 2.2.1.Một số giải thích về bão từ: ......................................................................... 20 2.2.1.1.Lý thuyết của Chapman – Ferraro: ....................................................... 20 2.2.1.2. Lý thuyết mới – thời tiết của vũ trụ: .................................................... 22 2.2.2.Cơ chế hình thành bão từ và hạ bão từ: ....................................................... 23 2.3.Một vài chỉ số liên quan đến bão từ: ................................................................... 26 2.3.1.Chỉ số hành tinh Kp: .................................................................................... 26 2.3.2.Chỉ số Ap: .................................................................................................... 27 2.3.3.Chỉ số S – solar radiation storm: .................................................................. 28 2.3.4.Chỉ số R – radio blackout: ........................................................................... 28 Chương 3: Nghiên cứu bão từ trong năm 2003 ........................................................ 29 3.1. Mục đích: ........................................................................................................... 29 3.2. Phương pháp nghiên cứu: .................................................................................. 29 3.3. Nghiên cứu chu kỳ hoạt động 23 của MT: ........................................................ 29 3.4. Khảo sát hoạt động của MT từ ngày 19/10 – 05/11/ 2003................................. 31 3.4.1. Khảo sát vết đen MT từ ngày 19/10 – 05/11/ 2003: ................................... 31 3.4.1.1.Vùng 484: .............................................................................................. 32 3.4.1.2.Vùng 486: .............................................................................................. 33 3 3.4.1.3.Vùng 488: .............................................................................................. 34 3.4.2. Sự kiện proton (proton event): .................................................................... 35 3.4.3.Khảo sát sự phóng vật chất của Nhật hoa – CME từ 19/10 – 4/11/2003: ... 37 3.4.4. Khảo sát sự biến động của chỉ số Dst từ 1/10 – 31/11/2003: ..................... 40 3.5. So sánh cường độ bão từ trong năm 2003 và năm 2002 – 2004, 2005:............. 44 3.6.Tình hình bão từ xảy ra tại nước Việt Nam ........................................................ 46 Chương 4: Kết luận và kiến nghị .............................................................................. 50 Phụ lục 1:Ảnh hưởng của bão từ lên hệ thống ống dẫn dầu ..................................... 51 Phụ lục 2:Ảnh hưởng của bão từ lên hệ thống tải điện ............................................. 53 Phụ lục 3: Các thiết bị dự báo bão Mặt Trời và bão từ ............................................. 55 Phụ lục 4: Dự đoán bão từ vào năm 2013 ................................................................. 58 Phụ lục 5: Chỉ số Dst tháng 10 – 11/2003. ............................................................... 61 Phụ lục 6: Các kí hiệu viết tắt. .................................................................................. 63 Tài liệu tham khảo..................................................................................................... 64 4 Danh mục các hình: Hình 1.1. Hệ thống đường dây điện và hệ thống ống dẫn dầu. ................................ 11 Hình 1.2: Từ trường Trái Đất .................................................................................... 12 Hình 1.3: Hình dạng từ quyển Trái Đất. .................................................................. 13 Hình 1.4: Các vành đai bức xạ: màu đỏ - vành đai trong ; màu xám - vành đai ngoài. ............................................................................................................................. 15 Hình 2.1. Số vết đen MT quan sát trung bình hàng năm từ năm 1900 – 2000 ......... 16 Hình 2.2: ảnh chụp CME ........................................................................................ 19 Hình 2.3: CME được phóng ra từ MT. ..................................................................... 19 Hình 2.4: Vòng điện bao quanh T Đ. ........................................................................ 20 Hình 2.5: Các lớp điện tích và các dòng điện trong từ quyển T Đ .......................... 22 Hình 2.6: Các đường sức từ của IMF ....................................................................... 23 Hình 2.8: IMF kết nối với từ trường Trái Đất .......................................................... 24 Hình 2.9: Quá trình đóng mở của các đường sức của T Đ dưới tác động của gió MT và IMF. ................................................................................................................... 25 Hình 2.10 : Các pha của hạ bão từ: .......................................................................... 25 Hình 2.11: Cực quang ở phía trên núi lửa Eyjafjallajökull tại Iceland ..................... 26 Hình 3.1: Nhóm vết đen 484 .................................................................................... 32 Hình 3.2: Sự thay đổi kích thước vùng 484 .............................................................. 32 Hình 3.3: Nhóm vết đen 486 .................................................................................... 33 Hình 3.4: Sự thay đổi kích thước vùng 486 .............................................................. 33 Hình 3.5: Nhóm vết đen 488 .................................................................................... 34 Hình 3.6: Sự thay đổi kích thước vùng 488. ............................................................. 34 Hình 3.7: Biểu đồ mô tả mật độ hạt và mức năng lượng tương ứng trong các ngày 28/10 – 6/11/2003 ......................................................................................................... 36 Hình 3.8: Tốc độ của CME từ 21/10 – 4/11/2003. ................................................... 39 Hình 3.9: Sự thay đổi vận tốc gió MT từ 19/10 – 4/11/2003.................................... 39 Hình 3.10 : Chỉ số Kp từ ngày 29/10 – 1/11/2003 .................................................... 39 Hình 3.11: Chỉ số Dst của từng ngày trong suốt tháng 10 và 11/2003 ..................... 41 Hình 3.12: Chỉ số GIC .............................................................................................. 42 Hình 3.13: Chỉ số Dst của tháng xuất hiện bão từ có cường độ mạnh nhất trong năm 2002, 2004, 2005. .................................................................................................. 46 Hình 3.14: Sơ đồ vị trí các trạm dự báo bão từ Sapa, Phú Thụy, Đà Lạt, Bạc Liêu. 48 Hình 3.15 : Đồ thị mô tả sự biến thiên của thành phần H tại hai trạm Bạc Liêu và Phú Thụy trong năm 2005 ............................................................................................. 48 Hình 1: Mô hình dòng điện GIC chạy trong ống dẫn. .............................................. 51 Hình 2 : Mô hình thiết bị bảo vệ ống dẫn chống bị bào mòn do dòng GIC. ............ 52 Hình 3 : Trường địa từ và sự thay đổi điện thế giữa ống dẫn và đất quan sát tại Canada vào tháng 6-7 năm 2000. .................................................................................. 52 Hình 4 : Mô hình điện thế bề mặt T Đ – ESP tạo dòng GIC chạy qua hệ thống tải điện. ............................................................................................................................... 53 Hình 5: SOHO spacecraft. ....................................................................................... 55 5 Hình 6: Vị trí điểm lagrangian ................................................................................. 55 Hình 7: ACE satelite ................................................................................................. 56 Hình 8 : Wind spacecraft. ......................................................................................... 56 Hình 9: GOES satelite ............................................................................................... 57 Hình 10 : IMAGE spacecraft. ................................................................................... 57 Hình 11: Chu kỳ 24 sẽ tương tự như chu kỳ đạt cực đại năm 1928. ........................ 58 Hình 12: số vết đen MT từ năm 2001 – 2016 ........................................................... 58 Hình 13: Số vết đen MT từ năm 2001 – 2019. Đường màu đỏ chỉ số vết đen dự đoán. .............................................................................................................................. 59 6 Danh mục bảng số liệu: Bảng 1: Các loại bùng nổ MT. .................................................................................. 17 Bảng 2: Mối liên hệ giữa chỉ số K và G ................................................................... 27 Bảng 3: Chỉ số S........................................................................................................ 28 Bảng 4: Chỉ số R – radio blackout ............................................................................ 28 Bảng 5: Số vết đen làm trơn (SSN) trung bình trong thực tế của chu kỳ 23 : .......... 30 Bảng 6: Số vụ CME xảy ra trong chu kỳ thứ 23 ....................................................... 30 Bảng 7: Những vụ bùng nổ MT tiêu biểu trong chu kỳ 23 ....................................... 30 Bảng 8: Những nhóm vết đen có liên quan đến các vụ bùng nổ MT từ ngày 19/10 – 05/11/ 2003 ................................................................................................................. 31 Bảng 9: Sự kiện Proton ( năng lượng, mật độ) ........................................................ 35 Bảng 10: Gió MT (vận tốc, mật độ) cường độ IMF, vận tốc CME .......................... 38 Bảng 11 So sánh hoạt động MT trong các năm 2002, 2003, 2004, 2005: ............... 45 Bảng 12: So sánh cường độ bão từ trong năm 2003, 2004, 2005: ............................ 45 Bảng 13: Tọa độ địa lý các trạm dự báo, và tên các thiết bị nghiên cứu bão từ ....... 47 Bảng 14: Số trận bão từ xảy ra tại Việt Nam từ năm 1986 – 2008:.......................... 48 Bảng 15: Cường độ bão từ qua các năm: .................................................................. 48 Bảng 16: Mối liên hệ giữa cường độ dòng GIC và dòng AC .................................. 54 7 Lời cảm ơn Vật lý, môn học đã theo tôi suốt 10 năm từ khi tôi học lớp 7 cho đến khi tôi vào đại học. Đến học kỳ I của năm ba, tôi được học môn thiên văn học. Nhiều điều mới lạ đã đến với tôi. Vật lý không còn là những mảng cơ, nhiệt, điện, quang nằm một cách riêng rẻ nữa mà tất cả đều nằm trong một thể thống nhất tác động qua lại, cái này là nguyên nhân đồng thời là hệ quả của cái kia. Và tất cả nằm trong một vũ trụ kỳ bí mà bản thân tôi mới thật sự chạm tay vào và bắt đầu từng bước đi trên con đường của khoa học. Lúc này tôi nhớ lại một câu nói trong quyển sách thiên văn học đã gây cho tôi nhiều suy ngẫm: “Ai không biết tí gì về thiên văn học hiện đại, người đó không thể được coi là đã học hành đầy đủ”. Vâng, đúng thế! Con người đã khám phá được những điều bí ẩn trên Trái Đất, làm cho cuộc sống của nhân loại văn minh, tiện nghi hơn. Từ đó lại dẫn dắt ta đến một cuộc chiến mới với thiên nhiên để bảo vệ và phát triển nền văn minh ấy. Thiên văn học hiện đại chính là một phương thức, một vũ khí để con người chống chọi trong cuộc chiến đó. Chính vì thế thiên văn học đã cho tôi nhiều hứng khởi và thích thú. Tôi nhận thấy khi làm luận văn tốt nghiệp này mình có hai điều may mắn. Thứ nhất, tôi tình cờ được làm về mảng thiên văn học. Thứ hai, đề tài “nghiên cứu bão từ trong năm 2003” đối với tôi có một chút ẩn và một chút hiện, nó làm tôi không khỏi tò mò, suy nghĩ. Một chút hiện – những điều tôi được biết qua báo chí về tầm ảnh hưởng của bão từ. Một chút ẩn – những cơ chế nguyên nhân hình thành nên bão từ. Bắt tay vào làm đề tài này mục đích của tôi muốn hiểu rõ về cơ chế và những nguyên nhân gây nên bão từ cụ thể bão từ trong năm 2003. So sánh cường độ của bão từ với những năm khác sau cực đại. Bên cạnh đó có thể rút ra nhận xét chung về tình hình bão từ sau cực đại trong thời gian tới. Đồng thời tìm hiểu việc nghiên cứu bão từ tại nước Việt Nam trong nhiều năm qua. Em xin cảm ơn sự chỉ dẫn tận tình của cô Trần Quốc Hà và các thầy cô trong khoa lý đã dạy dỗ em trong suốt bốn năm qua. Cảm ơn các bạn trong lớp đã hỗ trợ tôi trong việc tìm kiếm tài liệu để tôi có thể hoàn thành bài luận kịp thời gian. Với khả năng còn hạn chế chắc chắn bài luận còn gặp nhiều sai sót, tôi hy vọng nhận thêm sự góp ý của thầy cô và các bạn. Sinh viên thực hiện Cao Thị Vĩnh Phương 8 Mở đầu Mặt Trời (MT) là một ngôi sao gần chúng ta nhất. Bên cạnh đó MT là một ngôi sao hoạt động mạnh cung cấp không chỉ ánh sáng cho Trái Đất (TĐ) mà đồng thời gây ra những thiên tai cho sự sống trên TĐ. Vì thế khi khoa học vũ trụ phát triển, việc nghiên cứu MT và hoạt động của MT là một việc thiết yếu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn. Bão địa từ hay còn gọi là bão từ là thời kỳ kim la bàn dao động đột ngột và mãnh liệt. Người ta cho rằng nguyên nhân gây ra bão địa từ là do bão Mặt Trời gây nên. Từ năm 1930 Chapman và Ferraro đã đưa ra lý thuyết về bão từ, tuy nhiên vẫn còn chưa cụ thể và rõ ràng. Cho đến những năm 1960 vận tốc gió MT được đo chính xác thì lúc này hình dạng từ quyển TĐ được mô phỏng một cách đầy đủ có dạng “quả trứng gà đẻ non” do tác động của gió MT. Tới những năm 1970 bão từ được định nghĩa theo lý thuyết mới – thời tiết của vũ trụ - là những nhiễu loạn của từ quyển, do các nhiễu loạn trong vũ trụ gây nên. Những nhiễu loạn này là do hoạt động của MT cụ thể là bão MT. Bão MT bao gồm các hiện tượng bùng nổ MT và CME (Coronal Mass Ejection), là một dạng hoạt động của MT diễn ra tại sắc cầu và Nhật hoa. Bão MT chính là sự phóng thích đột ngột những bức xạ điện từ ở mọi bước sóng và bức xạ hạt với năng lượng lớn vào không gian. Khi đi đến Trái Đất nó có thể tương tác với từ quyển TĐ gây ra bão từ. Nguyên nhân dẫn đến những hoạt động của MT là do thành phần cấu tạo nên MT và sự tự quay của MT. MT là một khối khí với lớp khí trong nhân tồn tại dưới dạng plasma ở nhiệt độ cao hàng chục triệu độ. Những hạt plasma này đóng băng vào các đường sức từ của MT làm cho các đường sức từ như những sợi dây điện. Do MT tự quay với chu kỳ khoảng 27 ngày, gây ra sự quay không đồng bộ của các lớp khí trong MT làm cho các vùng dây điện bị xoắn lại tạo nên vùng hoạt động (active region). Các dây xoắn trồi lên trên bề mặt MT như những vết đen MT – nơi từ trường MT trở nên bất thường. Bên cạnh đó, các dây điện của MT bị chập mạch, 9 phóng ra ngoài vũ trụ những đợt năng lượng lớn kèm theo các tia bức xạ ở đủ mọi bước sóng gọi là bùng nổ MT và CME. Hoạt động của MT biến thiên tuần hoàn theo chu kỳ khoảng 11 năm. Tính đến nay đã được 23 chu kỳ (mốc từ năm 1749) và bắt đầu sang chu kỳ 24 được hơn 2 năm (từ 2009 đến nay) Nghiên cứu bão từ xảy ra trong các chu kỳ trên người ta nhận thấy những ngày có bão từ mạnh diễn ra ngay sau các đợt bão MT với các vụ bùng nổ và CME có cường độ và tốc độ lớn, tiêu biểu là trong chu kỳ 23 ( từ 5/1996 – 10/2008) vào năm 2003 ( khoảng thời gian từ 10 -11/2003). Vì vậy trong đề tài “Nghiên cứu bão từ trong năm 2003” tôi tập trung nghiên cứu bão MT và bão từ trong thời gian từ 1011/2003 để tìm mối liên hệ giữa hai hiện tượng trên. Đề tài gồm hai nội dung chính: Thứ nhất: nghiên cứu nguyên nhân và cơ chế hình thành một cơn bão từ. Thứ hai: khảo sát tình hình bão từ trong năm 2003 cụ thể như sau: § Tìm hiểu đặc điểm các hoạt động của MT trong thời gian xảy ra bão từ (10-11/2003) ( kích thước các vết đen ). § Khảo sát những sự kiện bùng nổ MT, sự kiện proton ( mật độ, năng lượng), CME (tốc độ), gió MT (tốc độ, mật độ ), từ trường liên hành tinh IMF (cường độ, hướng). § Khảo sát sự biến động của chỉ số Dst; rút ra nhận xét về sự ảnh hưởng của bão MT đối với sự xuất hiện và cường độ bão từ trên TĐ. § Nhận xét về cường độ bão từ sau cực đại một chu kỳ qua việc so sánh cường độ bão từ trong năm 2003 với năm 2002, 2004, 2005. Đồng thời, đề tài còn tìm hiểu tình hình bão từ xảy ra tại Việt Nam (số trận bão từ và cường độ bão từ mạnh nhất xảy ra trong một năm) và những ảnh hưởng mà bão từ gây ra cho con người, cơ sở vật chất trên TĐ. Qua đó tôi có thể rút ra nhận xét chung và đưa ra kiến nghị về tình hình nghiên cứu bão từ tại Việt Nam. 10 Chương 1 : Tổng quan về bão từ. 1.1. Bão từ và những tác hại của bão từ: 1.1.1. Bão từ là gì?: Bão địa từ hay còn gọi là bão từ là thời kỳ kim la bàn dao động đột ngột và rất mạnh. Người ta cho rằng nguyên nhân gây ra bão địa từ là do bão Mặt Trời gây nên. Từ năm 1930 đến nay nói chung có hai lý thuyết tiêu biểu giải thích về cơ chế hình thành bão từ. Một trong những lý thuyết đó được chấp nhận hiện nay là lý thuyết “thời tiết của vũ trụ” (xem phần 2.2.1) Một cơn bão từ kinh điển có 3 pha: Pha đầu: do sự nén ép của gió MT lên từ quyển làm cho từ trường TĐ tăng (cụ thể là thành phần H, có thể tăng từ từ hoặc bất ngờ), kéo dài vài giờ. Pha chính: sự giảm mạnh của thành phần từ trường H tạo thành cực tiểu kéo dài vài ngày. Pha này có liên quan đến các vòng điện có trong vành đai bức xạ Allen của từ quyển. Pha phục hồi: sự trở lại chậm chạp của từ trường, kéo dài vài ngày. Pha này có liên quan đến sự khuếch tán của các hạt tích điện cấu tạo nên vòng điện gây pha chính. 1.1.2.Tác hại của bão từ: Ngày nay, với cuộc sống công nghệ cao, thiết bị điện tử hầu như có mặt phổ biến ở nhiều nơi trên T Đ. Vì thế tác hại của bão từ ngày càng nghiêm trọng và thể hiện rõ trong các lĩnh vực kinh tế và y tế sau: -Thứ nhất, những cơn bão từ mạnh có thể làm tê liệt hệ thống dẫn điện gây mất điện hàng loạt (xem phụ lục 2). Điển hình nhất là cơn bão từ vào ngày 13 tháng 3 năm 1989 đã làm tê liệt hệ thống điện ở Quebec, Canada và một phần nước Mỹ. Ngoài ra vào ngày 30 tháng 10 năm 2003 một trận bão từ lớn gây ra sự mất điện khoảng 1 tiếng ở Malmö thuộc miền nam Sweden. 11 -Thứ hai, bão từ có thể làm tăng quá trình ăn mòn ống dẫn dầu được lắp đặt trong lòng đất (xem phụ lục 1). -Thứ ba, bão từ cũng có tác động lớn đối với sức khoẻ con người, đặc biệt là đối với tim mạch và hệ thần kinh. Trong những ngày xuất hiện bão từ, đặc biệt là những cơn bão mạnh, đột ngột, bệnh nhân tim mạch có thể tăng lên 30%. Hình 1.1. Hệ thống đường dây điện và hệ thống ống dẫn dầu. (http://forum.bkeps.com) (http://vnexpress.net) Ngoài ra, như ta đã biết hệ thống thông tin liên lạc tên mặt đất phụ thuộc nhiều vào độ dẫn điện của tầng điện ly. Trong thời gian xảy ra bão từ trạng thái của tầng điện ly thay đổi mạnh ( thay đổi độ dẫn điện, độ cao và bề dày) nên sự liên lạc sẽ bị xấu đi, có khi bị gián đoạn hẳn. 1.2. Từ trường Trái Đất: Trái đất được xem như là một thỏi “nam châm khổng lồ” với trục từ hợp với trục quay của T Đ một góc 11,20. Trục từ cắt T Đ tại hai cực gọi là cực từ Nam và cực từ Bắc. Hình dạng của từ trường TĐ cũng giống như từ trường của một thỏi nam châm. Tuy nhiên các đường sức từ đi vào cực từ Bắc và đi ra ở cực từ Nam. Từ trường TĐ có cường độ khoảng 0,5 G. 12 Hình 1.2: Từ trường Trái Đất (http://vi.wikipedia.org) Do T Đ tự quay làm cho các nguyên tố sắt nằm trong nhân ở trạng thái lỏng quay theo, sinh ra dòng điện từ đó sinh ra từ trường. Từ trường này không đổi và chiếm 94% trong từ trường T Đ. Còn lại 6% là phần từ trường biến đổi do các yếu tố bên ngoài gây ra chủ yếu là do hoạt động MT, Mặt Trăng, và các quá trình trong từ quyển. Mặc dù phần biến đổi chiếm một tỉ lệ nhỏ trong từ trường T Đ tuy nhiên thành phần này cũng gây ra những biến động không nhỏ. Trong hệ tọa độ trụ, từ trường T Đ gồm các thành phần: Thành phần nằm ngang H: là hình chiếu của B trên mặt phẳng nằm ngang. Độ từ thiên D: là gốc giữa kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lí có giá trị dương khi kim la bàn chỉ sang phía Đông so với kinh tuyến địa lí. Độ từ khuynh I: là góc hợp bởi B với mặt phẳng nằm ngang. Tại vùng cực từ, H = 0 và D không xác định, I = 900, kim nam châm sẽ không chỉ phương từ trường. Nơi có I = 0 gọi là xích đạo từ. Trong bản đồ nó có thể không phải là một đường trơn mà có thể ngoằn ngoèo, thay đổi. Tại đây, từ trường chỉ có thành phần nằm ngang, đường sức từ song song với mặt đất. Tại những nơi gần xích đạo từ, người ta đặt các trạm địa từ để xác định chỉ số nhiễu loạn Dst (xem 2.2) 1.2.1.Sự biến động của từ trường Trái Đất: Từ trường T Đ không ổn định mà nó biến thiên theo ngày, mùa. Sự không ổn định của từ trường T Đ gây ra do hoạt động của MT. 13 Hoạt động của MT sinh ra những hiện tượng như vết đen, bùng nổ, CME, … kết quả của những hiện tượng này là sự biến động bức xạ MT đến TĐ. Những dòng hạt mang điện tích này khi đến TĐ sẽ tương tác với từ quyển của TĐ gây ra sự biến thiên từ trường. Những ngày từ trường TĐ ít biến động gọi là những ngày yên tĩnh. Những ngày từ trường TĐ biến đổi thất thường gọi là những ngày nhiễu loạn. Vào thời kỳ MT hoạt động mạnh gây ra những nhiễu loạn từ trường lớn còn gọi là bão từ. 1.2.2.Từ quyển Trái Đất: Trái đất được bao bọc bên ngoài bởi một lớp khí quyển trải dài hàng chục km (khoảng 68.000 km ∼ 10 RE). Lớp khí này không phải là một môi trường đồng nhất mà nó bị phân ra làm 5 tầng khác nhau: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng giữa, tầng điên ly, và tầng ngoài cùng - từ quyển. Là lớp ngoài cùng của TĐ nên nó sẽ tương tác trực tiếp với các hạt phát ra từ MT bay đến TĐ (chủ yếu với các hạt trong gió MT) làm cho từ trường TĐ biến thiên, các đường sức từ không còn là những đường khép kín mà bị duỗi ra một phía ( Hình 1.3) Hình 1.3: Hình dạng từ quyển Trái Đất. [1] 14 Quá trình tương tác trên được mô tả như sau: Khi gió MT thổi đến TĐ, plasma trong gió MT sẽ tương tác và bị từ trường TĐ cản lại, tạo ra đường phân cách giữa từ trường và plasma, gọi là “magnetopause” (từ quyển hạn). Từ quyển hạn ở phía hướng về MT đã bị dòng plasma nén lại, cách mặt đất khoảng 5-10 RE (phần ban ngày). Trên từ quyển hạn có hai vị trí mà tại đó từ trường bằng 0 gọi là điểm trung hòa (neutral point – hay còn gọi là mũi họng, kẻ hở vùng cực). Đây là hai điểm duy nhất kết nối bề mặt TĐ với từ quyển hạn, nó cho các hạt trong lớp vỏ từ đi vào từ quyển một cách dễ dàng, gây ra hiện tượng cực quang. Mặt khác, gió MT với vận tốc lớn khi đến đụng lớp khí quyển TĐ sẽ gây ra sóng chấn động ( shock wave), tạo thành cung va chạm (shock bow). Trong vùng này gió MT bị chặn lại và nóng lên. Khi xuyên qua nó bị lệch đi và đi quanh TĐ trong một vùng nhễu loạn gọi là mặt vỏ từ ( magneto sheath). Dưới tác động của gió MT, một số đường sức của TĐ được vuốt thẳng ra phía sau. Kết quả là từ quyển TĐ có dạng như “quả trứng gà đẻ non”: phần ban ngày từ quyển T Đ cách bề mặt TĐ từ 5-10 RE , ở phần ban đêm của TĐ từ quyển kéo thành một cái đuôi dài (magnetotail) có kích thước rất lớn (bằng 200 RE). Trong đuôi từ, mặt phẳng chính giữa là một dải plasma (plasma sheet) chia đuôi từ ra làm hai nửa. Nửa phía trên gồm các đường sức hướng về TĐ gọi là thùy Bắc, nửa phía dưới gồm các đường sức hướng ra xa TĐ gọi là thùy Nam. Đuôi từ là nơi xảy ra sự đóng mở của các đường sức từ, làm cho từ trường nơi đây có nhiều thăng giáng, sinh ra nhiều dòng điện trong đuôi từ. Do đó, khi một cơn hạ bão từ xảy ra chủ yếu là do sự thay đổi từ trường tại đuôi từ. Trong từ quyển TĐ tồn tại hai vùng khá quan trọng vì nó có liên quan đến hiện tượng cực quang xảy ra tại các vùng cực khi có bão từ đó là hai vành đai bức xạ Van Allen. 15 * Vành đai bức xạ Van Allen (Van Allen radiation belts) : Các hạt mang điện trong từ quyển TĐ khi đi từ vĩ độ thấp đến vĩ độ cao nó bị cuốn vào hai vùng, các vùng này do Van Allen phát hiện vào năm 1958 nên được gọi là vành đai bức xạ Van Allen (Van Allen radiation belts). Hai vùng này còn được gọi là vành đai trong và vành đai ngoài.(Hình 1.4 ) Hình 1.4: Các vành đai bức xạ: màu đỏ - vành đai trong ; màu xám - vành đai ngoài. (http://www.crystalinks.com/vanallenbelt.html) a.Vành đai trong : (inner radiation belt) cách bề mặt Trái Đất từ 100 – 10.000 km (khoảng 0,01 – 1,5 lần RE ). Khi tia vũ trụ đi vào vùng này, nó sẽ va chạm với các hạt nhân N, O sinh ra các hạt neutron. Các hạt neutron nhanh chóng bị phân rã thành proton và electron mang năng lượng cao (100MeV). Các hạt mang năng lượng trong vành đai trong góp phần tạo nên hiện tượng cực quang ở hai vùng cực. b.Vành đai ngoài: (outer radiation belt) : nằm cách bề mặt TĐ khoảng 3-10 RE. Vành đai ngoài rộng hơn vành đai trong, gồm các electron với năng lượng 0.1–10 MeV, chúng bắt nguồn từ đuôi từ. Ngoài ra vành đai ngoài còn chứa các ion (phần lớn là O+)..Các hạt trong vành đai ngoài liên quan đến pha chính của bão từ. Mật độ hạt ở hai vành đai thay đổi giữa ngày và đêm phụ thuộc vào chu kỳ hoạt động của Mặt Trời. 16 Chương 2: Lý thuyết về bão từ. 2.1. Mặt Trời – nguồn gốc của bão từ: MT là một khối khí với lớp khí trong nhân tồn tại dưới dạng plasma ở nhiệt độ cao hàng chục triệu độ. Những hạt plasma này đóng băng vào các đường sức từ của MT làm cho các đường sức từ như những sợi dây điện. Do MT tự quay với chu kỳ khoảng 27 ngày, gây ra sự quay không đồng bộ của các lớp khí trong MT làm cho các vùng dây điện bị xoắn lại tạo nên vùng hoạt động (active region). Các dây xoắn trồi lên trên bề mặt MT như những vết đen MT – nơi từ trường MT trở nên bất thường. Bên cạnh đó, các dây điện của MT bị chập mạch, phóng ra ngoài vũ trụ những đợt năng lượng lớn kèm theo các tia bức xạ ở đủ mọi bước sóng gọi là bùng nổ MT và CME. Khi xét đến hoạt động của MT đầu tiên người ta thường tìm hiểu về sự xuất hiện của các vết đen. 2.1.1Vết đen MT: Mức độ hoạt động của MT thể hiện qua số vết đen quan sát được. Số vết đen được tính theo công thức Rudoff Wolf: W = k(f+10g) k: hệ số tương quan do thực nghiệm quyết định. f: tổng số vết đen đếm được trên quan cầu (đứng riêng hay quy tụ). g: số nhóm vết đen. Wmax: thời kỳ hoạt động mạnh; Wmin : thời kỳ Mặt Trời tĩnh. Với k = 1 thì : Wmin = 0 :khi không có vết đen nào, Wmax = 11 : khi có 1 vết đen. Hình 2.1. Số vết đen MT quan sát trung bình hàng năm từ năm 1900 – 2000.[12] 17 Dựa vào hoạt động của MT người ta có thể dự đoán sự xuất hiện của bão từ. MT có chu kỳ khoảng 11 năm, bão từ cũng có khoảng chu kỳ 11 năm, trong 11 năm ấy nó như một đồ thị hình sin lúc lên lúc xuống phụ thuộc vào mức độ hoạt động của MT. Đồng thời, bão từ còn thay đổi theo vị trí của các vết đen trên Mặt Trời. Những vết đen đầu tiên của 1 chu kỳ mới ngay sau một cực tiểu diễn ra ở các vĩ độ Mặt Trời khoảng 35oB và 35oN. Khi những vết đen này biến mất, những vết đen mới hình thành ở gần đường xích đạo. Tại thời kỳ cực đại vết đen, hầu hết vết đen nằm ở vĩ độ 15o B và 150 N, vào cuối chu kỳ ở xích đạo. 2.1.2. Bùng nổ MT: Bùng nổ MT là dạng hoạt động mãnh liệt của MT ở khu vực gần vết đen MT làm bề mặt MT bùng sáng. Nó có thể xảy ra ở Sắc cầu và Nhật hoa, gây ảnh hưởng đáng kể đến T Đ. Bùng nổ MT kéo dài từ vài giây đến vài giờ, nhiệt độ có thể đạt tới 2.107 K, tức nóng hơn cả Nhật hoa; đồng thời giải phóng ra một lượng lớn các bức xạ điện từ (tia X, tia γ) và các bức xạ hạt (p. e-) có năng lượng cao, tổng năng lượng của chúng tương đương với hàng ngàn tấn thuốc nổ TNT. Bùng nổ cũng có thể làm bắn lên một lượng vật chất trong sắc cầu mà người ta có thể quan sát được. Các vụ bùng nổ mang năng lượng kác nhau. Dựa vào năng lượng trong vùng bước sóng từ 1 -8 Å người ta chia bùng nổ MT thành các loại sau: Bảng 1: Các loại bùng nổ MT. Loại Cường độ I (W/m2) B I ≤ 10-5 C 10-5 ≤ I ≤ 10-4 M 10-4 ≤ I ≤ 10-3 X 10-3 ≤ I Mỗi loại được chia làm 10 cấp nên cấp cao nhất của loại thấp ứng với cấp thấp nhất của loại liền trên (vd: M10 = X1). Loại X có cả cấp trên 10. (vd X28). 18 -Loại X là loại mạnh nhất, nó có thể làm hư hỏng hệ thống lưới điện, gián đoạn thông tin liên lạc, tạo ra các cơn bão trên các lớp khí quyển tầng cao của TĐ, làm mở rộng lớp khí quyển này gây hư hại các vệ tinh và tàu không gian … -Loại M là loại trung bình, thường ảnh hưởng đến thông tin liên lạc thỉnh thoảng cũng tạo ra bão từ, bão điện ly. -Loại C và B yếu, gây ảnh hưởng không đáng kể. Bùng nổ MT và vết đen MT có mối liên hệ mật thiết qua công thức sau: N = α (R – 10) N là số lần bùng nổ MT trong một chu kỳ quay của MT (27 ngày); R : số vết đen MT trong một chu kỳ quay, α là hằng số có giá trị từ 1,5 – 2. * Sự kiện proton (proton event): Bùng nổ MT phát ra các bức xạ điện từ và các bức xạ hạt. Khi các bức xạ hạt loại proton được gia tốc mạnh làm chúng có năng lượng cực cao gọi là sự kiện proton. Ngoài ra sự kiện proton cũng xuất hiện khi CME tạo ra sóng chấn động trong không gian liên hành tinh. Sự kiện proton có liên quan đến hiện tượng cực quang và hạ bão từ. 2.1.3. Sự phóng vật chất Nhật hoa (Coronal Mass Ejection – CME ): CME là hiện tượng hàng tỷ tấn plasma đột ngột phóng ra, mang theo các đường sức từ trong Nhật hoa. Trong CME plasma và các đường sức từ gắn chặt với nhau như một đám mây từ (magnetic cloud), có kích thước lớn hơn các hành tinh khác trong hệ MT, chúng thoát khỏi MT theo phương xuyên tâm với vận tốc từ 500 – 1000km/s. Một số hướng về TĐ và đến TĐ sau 1 – 3 ngày. Khi đến TĐ, nó sẽ tạo ra những sóng xung kích nén các đường sức từ của từ trường TĐ, gây ra bão từ. CME và bùng nổ MT có liên quan chặt chẽ với nhau, thường bùng nổ MT đi kèm với CME, nhưng đôi khi CME xảy ra không có bùng nổ MT và diễn biến thường phức tạp hơn. Mỗi CME thường có khối lượng từ 1,4 – 2,1.10 13 kg và động năng từ 4,2 – 6,4.1025J. Người ta quan sát CME bằng thiết bị LASCO. CME có dạng những vòng sáng xuất hiện xung quanh một chiếc đĩa dùng để che khuất MT. 19 (a) (b) Hình 2.2: ảnh chụp CME (a) full halo (F); ( b) part halo (P) [9] Hình 2.3: CME được phóng ra từ MT. (STEREO - ScienceDaily – 15.4. 2009) (ScienceDaily / Solar Storms: Coronal Mass Ejections Viewed In Detail By NASA Spacecraft) 2.1.4.Gió MT: Mặt trời là một khối khí gồm hai phần : phần bên trong (nhân, vùng trực xạ, vùng đối lưu) và phần khí quyển (quang cầu, sắc cầu, vùng trung chuyển, nhật hoa). Tại những lớp khác nhau có mật độ và nhệt độ khác nhau. Riêng nhật hoa –lớp khí quyển ngoài cùng của MT – có mật độ vật chất rất thấp (chỉ bằng 10-6 mật độ quang cầu ) nhưng nhiệt độ lại rất cao (khoảng 2.106K). Các nguyên tử ở lớp này đều bị ion hóa bởi nhiệt độ cao của nhật hoa. Áp suất của chúng đủ để thắng lực hấp dẫn của MT. Các khí dần dần được gia tốc ra ngoài tạo thành gió MT.