Tài liệu Khảo sát chu kỳ hoạt động thứ 24 của mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ PHẠM THỊ MỸ HẠNH KHẢO SÁT CHU KỲ HOẠT ĐỘNG THỨ 24 CỦA MẶT TRỜI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TP. HỒ CHÍ MINH_Năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM KHOA VẬT LÝ PHẠM THỊ MỸ HẠNH KHẢO SÁT CHU KỲ HOẠT ĐỘNG THỨ 24 CỦA MẶT TRỜI Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: 102 GVHD: TS. TRẦN QUỐC HÀ TP. HỒ CHÍ MINH_Năm 2011 LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp: “KHẢO SÁT CHU KỲ HOẠT ĐỘNG THỨ 24 CỦA MẶT TRỜI” đã được hoàn thành, em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Mạnh Hùng - Trưởng khoa Vật lý, cùng các thầy cô bộ môn trong khoa Vật lý trường ĐHSP – TP. HCM đã tận tình dạy bảo và truyền đạt kiến thức làm cơ sở nền tảng điều kiện cho em thực hiện tốt luận văn này. Đặc biệt em xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến Cô Trần Quốc Hà, người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn này. Em xin gửi đến Cô mọi lời chúc tốt đẹp nhất. Em cũng xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình em, nguồn động viên tinh thần cho em trong suốt quá trình học tập, cổ vũ em vượt qua những khó khăn, đồng thời em cũng xin bày tỏ lòng cảm kích đến tất cả các bạn của em đã khuyến khích giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn này. Vì đây là lần đầu tiên em làm quen với việc nghiên cứu khoa học, em chưa có nhiều kinh nghiệm và do thời gian có hạn nên luận văn của em không tránh những sai sót kính mong quý thầy cô và các bạn thông cảm. Đồng thời em cũng mong muốn nhận được sự đóng góp chân thành của quý thầy cô và các bạn để sửa chữa những sai sót. TP.HCM, tháng 5 năm 201 Sinh viên thực hiện Phạm Thị Mỹ Hạnh MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN........................................................................................................... 3 T 5 T 5 MỤC LỤC ................................................................................................................ 4 T 5 T 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT.................................................... 6 T 5 T 5 MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 7 T 5 T 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẶT TRỜI ............................................................... 9 T 5 T 5 1.1. Các thông số cơ bản về Mặt trời ............................................................................. 9 T 5 T 5 1.2. Cấu trúc Mặt trời..................................................................................................... 9 T 5 T 5 1.2.1. Tâm (Core): ....................................................................................................... 10 T 5 T 5 1.2.2. Vùng trực xạ ( Radiation Zone): ........................................................................ 10 T 5 T 5 1.2.3. Vùng đối lưu Mặt trời (Convective Zone): ........................................................ 10 T 5 T 5 1.2.4. Quang cầu (Photosphere): ................................................................................. 11 T 5 T 5 1.2.5. Sắc cầu (Chromosphere):................................................................................... 11 T 5 T 5 1.2.6. Vùng trung chuyển (Transition Region): ........................................................... 12 T 5 T 5 1.2.7. Nhật hoa (Corona): ............................................................................................ 12 T 5 T 5 1.3. Nguồn gốc của năng lượng và bức xạ Mặt trời .................................................... 14 T 5 T 5 1.4. Sự tự quay của Mặt trời (Internal rotation) ........................................................ 15 T 5 T 5 1.5. Hoạt động Mặt trời (Solar Activities) ................................................................... 17 T 5 T 5 1.6. Các dạng hoạt động Mặt trời chính ...................................................................... 18 T 5 T 5 1.6.1. Vết đen Mặt trời (Sunspots)............................................................................... 18 T 5 T 5 1.6.2. Bùng nổ Mặt trời ( Solar Flares) ........................................................................ 21 T 5 T 5 T 5 1.6.3. Sự phóng vật chất trong Nhật hoa (CME) ......................................................... 22 T 5 1.6.4. Gió Mặt trời ( Solar wind) ................................................................................. 23 T 5 T 5 1.7. Chu kỳ Mặt trời ( Solar Cycle) .............................................................................. 24 T 5 T 5 1.8. Từ trường Mặt trời ................................................................................................ 29 T 5 T 5 1.9. Mô hình giải thích hoạt động Mặt trời ................................................................. 31 T 5 T 5 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHU KỲ HOẠT ĐỘNG MẶT TRỜI THỨ 24 ... 35 T 5 T 5 2.1. Những thông số đánh giá hoạt động Mặt trời: ..................................................... 35 T 5 T 5 2.1.1. Số vết đen Mặt trời. ........................................................................................... 35 T 5 T 5 2.1.2. Các chỉ số địa từ ................................................................................................ 38 T 5 T 5 2.1.3. Thông lượng 10,7 cm: ....................................................................................... 39 T 5 T 5 2.1.4. Bùng nổ Mặt trời. .............................................................................................. 40 T 5 T 5 2.2. Dự báo về chu kỳ hoạt động Mặt trời thứ 24. ....................................................... 40 T 5 T 5 2.3. Khảo sát chu kỳ hoạt động thứ 24 của Mặt trời. .................................................. 44 T 5 T 5 2.3.1. Sơ lược chu kỳ hoạt động thứ 23 của Mặt trời. .................................................. 44 T 5 T 5 2.3.2. Khảo sát chu kỳ hoạt động Mặt trời thứ 24 (giai đoạn đầu chu kỳ). ................... 45 T 5 T 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 61 T 5 T 5 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 61 T 5 T 5 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO............................................ 61 T 5 T 5 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 63 T 5 T 5 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 65 T 5 T 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT MT: Mặt trời HĐMT: Hoạt động Mặt trời BNMT: Bùng nổ Mặt trời CME: Sự phóng vật chất trong Nhật hoa SSN: Số vết đen làm trơn SN: Số vết đen chưa được làm trơn VĐMT: Vết đen Mặt trời UV, EUV: Bức xạ tử ngoại (với bước sóng khác nhau) P –P: hu trình Proton- Proton C CNO: Chu trình Carbon- Nitrogen-Oxygen Dst, Kp, Ap: Chỉ số địa từ IMF : Từ trường liên hành tinh MHD: Từ thuỷ động học Ω: Hiệu ứng tạo trường xoắn α: Hiệu ứng tái tạo trường cực F10,7 cm: Thông lượng bức xạ vô tuyến MỞ ĐẦU Chúng ta đều biết rằng sự sống trên Trái đất tồn tại được nhờ Mặt trời. Mặt trời là nguồn cung cấp ánh sáng và nhiệt năng cho Trái đất. Mối quan hệ giữa Mặt trời và Trái đất đã được chú ý và nghiên cứu từ lâu, với mục đích nhằm nắm vững những quy luật tự nhiên, tìm hiểu rõ bản chất, ích lợi cũng như tác hại của các dạng hoạt động Mặt trời đối với hành tinh của chúng ta, từ đó có hướng phát huy tích cực những mặt có lợi, đồng thời có hướng phòng tránh và giảm thiểu tối đa những tác hại mà bản thân Mặt trời gây ra cho cuộc sống của con người. Đây là một việc làm hết sức cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn to lớn cho nền văn minh hiện nay. Thêm vào đó, hiện nay trên nhiều mạng thông tin xã hội đã và đang đề cập đến vấn đề “Ngày tận thế”, sự diệt vong của Trái đất sẽ diễn ra vào ngày Đông chí, tức ngày 21/12/2012, mà nguyên nhân họ nêu ra đó là do hoạt động Mặt trời gây ra. Chính vì lý do mang tính thời sự này, nên tôi quyết định chọn đề tài “ KHẢO SÁT CHU KỲ HOẠT ĐỘNG THỨ 24 CỦA MẶT TRỜI” để nghiên cứu. Ngày nay, chúng ta đều biết hoạt động Mặt trời mang tính chu kỳ 11 năm, trong quá khứ Mặt trời đã trải qua 23 chu kỳ, hiện tại nó đang bắt đầu chu kỳ thứ 24 (bắt đầu vào cuối năm 2008), để khảo sát trọn vẹn một chu kỳ phải mất nhiều thời gian trung bình khoảng 11 năm nhưng cũng có thể là ít hơn hoặc lâu hơn 11 năm, vì thực tế trong số liệu thống kê được đã có những chu kỳ có thời gian tồn tại rất ngắn, bên cạnh những chu kỳ có thời gian tồn tại kéo dài. Trong thời gian hạn hẹp, tôi chỉ khảo sát hoạt động của chu kỳ thứ 24 ở giai đoạn đầu của chu kỳ, dựa trên nền tảng tính chất từ trường còn sót lại của những chu kỳ trước đó. Vì mỗi chu kỳ, Mặt trời hoạt động không giống nhau, chu kỳ trước không hoàn toàn giống với chu kỳ sau, và sau nữa. Để khảo sát hoạt động thực tế của một chu kỳ nào đó, thông thường người ta sẽ đưa ra những tiên đoán cho chu kỳ cần khảo sát ,việc tiên đoán được đưa ra vào giai đoạn cực tiểu của chu kỳ trước. Sau đó, khi chu kỳ thực sự bắt đầu mới bắt tay vào việc nghiên cứu cụ thể, đồng thời có sự so sánh giữa dự đoán và thực tiễn để có hướng phòng tránh và hạn chế những ảnh hưởng từ Mặt trời đến Trái đất. Một trong những biểu hiện được biết đến đầu tiên của hoạt động Mặt trời (Solar Activities) là vết đen Mặt trời (Sunspot), ngày nay, người ta nhận thấy bên cạnh vết đen ở Mặt trời còn có những dạng hoạt động khác như bùng nổ Mặt trời (Solar Flare) ở Sắc cầu, sự phóng vật chất ở Nhật hoa (Coronal Mass Ejection –CME) hay gió Mặt trời (Solar wind),... Những dạng hoạt động này ảnh hưởng trực tiếp đến những thông lượng bức xạ được đo đạc trên Trái đất như chỉ số F10,7 cm – thông lượng bức xạ năng lượng Mặt trời, các chỉ số địa từ Dst, Kp, Ap,…. Trong quá trình khảo sát chu kỳ thứ 24 tôi sẽ tập trung vào khảo sát những đối tượng này. Các số liệu về Mặt trời ta có thể tìm thấy ở những trang wed uy tín. Để khảo sát hoạt động của chu kỳ thứ 24 này tôi sử dụng phương pháp chủ yếu là thống kê, trước hết là tập hợp những dự đoán cho chu kỳ thứ 24. Sau đó, thống kê những số liệu về Mặt trời đang hoạt động thực tiễn, tiếp đến là so sánh giữa tiên đoán và những gì diễn ra thực tiễn có phù hợp với nhau không hay có sự sai lệch và nguyên nhân (nếu có). Vì thời gian khảo sát tương đối ngắn nên việc đánh giá tổng quan về toàn chu kỳ thứ 24 là rất khó khăn nên tôi mong rằng đề tài nghiên cứu này sẽ vẫn được tiếp tục nghiên cứu trong thời gian sắp tới, nhất là thời gian được giới khoa học dự đoán là chu kỳ thứ 24 sẽ đạt cực đại (năm 2013). CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẶT TRỜI 1.1. Các thông số cơ bản về Mặt trời - Khối lượng: 1,99.1030 kg P P - Bán kính (khoảng cách từ tâm quang cầu): 6,95.105 km P - Cấp sao nhìn thấy: m= - 26,7 - Cấp sao tuyệt đối: M= 4,8 - Độ trưng: L= 3,8.1026 W - Loại quang phổ: G2V P P P - Mật độ trung bình: 1,41 g/cm3 P - Nhiệt độ: + Bề mặt: 6000 K + Tại tâm: 15.106 K - Chu kỳ quay trung bình: P P 27 ngày - Khoảng cách đến Trái đất (trung bình): 149,6.106 km P P - Độ nghiêng giữa mặt xích đạo Mặt Trời với Hoàng đạo: 7o15’ P P - Thành phần: Mặt Trời cấu tạo hoàn toàn từ chất khí 75% là Hydro, 23% là Heli, 2% là các chất khí khác. 1.2. Cấu trúc Mặt trời Theo mô hình Mặt trời hiện nay, Mặt trời được chia làm hai phần: phần bên trong (Solar Interior) và phần khí quyển (Solar Atmosphere). Phần bên trong Mặt trời được chia làm 3 lớp gồm: tâm, vùng trực xạ và vùng đối lưu. 1.2.1. Tâm (Core): Phần tâm có bán kính vào khoảng 0,2 bán kính Mặt trời, nhiệt độ ở tâm lên đến 15 triệu độ và giảm dần từ tâm ra ngoài, ở rìa ngoài cùng nhiệt độ giảm xuống còn khoảng 10 triệu độ. Dưới sức ép của các lớp bên ngoài, vật chất bên trong Mặt trời bị ép lại do đó càng đi sâu vào trong lòng Mặt trời mật độ vật chất càng tăng, vào khoảng 160.103 kg/m3. P P P P 1.2.2. Vùng trực xạ ( Radiation Zone): Vùng trực xạ nằm trong vùng bán kính từ 0,2 đến 0,713 bán kính Mặt trời. Nhiệt độ và mật độ vật chất trong vùng trực xạ giảm dần theo độ tăng bán kính từ 7.106K đến 2.106K và 20 g/cm³ xuống chỉ còn 0,2 g/cm³. Ở vùng này, năng lượng bức xạ P P P P theo con đường thẳng góc, xuyên tâm. 1.2.3. Vùng đối lưu Mặt trời (Convective Zone): Vùng đối lưu nằm trong vùng bán kính từ 0,713 đến 1,0 bán kính Mặt trời. Nhiệt độ trong vùng đối lưu khoảng 5700 K và mật độ chỉ còn 0,2 g/m³. Ở vùng này, năng lượng bức xạ bằng sự đối lưu. Giữa vùng bức xạ và vùng đối lưu là một lớp chuyển tiếp được gọi là lớp quay chuyển tiếp (Tachocline) có độ dày vào khoảng 2% bán kính Mặt trời. Khí quyển Mặt trời. Khí quyển được chia làm bốn phần chính theo sự khác nhau về nhiệt độ, thành phần vật chất cũng như các hiện tượng đặc trưng xảy ra trong mỗi phần. 1.2.4. Quang cầu (Photosphere): Lớp quang cầu có bề dày xấp xỉ 400 km. Mật độ vật chất trong quang cầu là 10-7 g/cm3 P P P P . Nhiệt độ ở đáy quang cầu là 6600 K và nhiệt độ ở đỉnh của quang cầu là 4400 K. Áp suất ở đáy quang cầu xấp xỉ 100 mb, ở đỉnh quang cầu là 0,868 mb. Hình 1.2. Quang cầu (Internet) Trên quang cầu có những đặc điểm đáng chú ý như vết đen (Sunspot), vết sáng (Faculae), thể hạt (Granules), và siêu hạt (Super granules). 1.2.5. Sắc cầu (Chromosphere): Sắc cầu là lớp kế tiếp quang cầu có độ dày khoảng 2000 km đến 10000 km, có mật độ vật chất rất thấp xấp xỉ 10-13 g/cm3, nhiệt độ ở độ cao khoảng 1000 km tính từ đáy Sắc cầu P P P P là 8000 K , còn ở vùng đỉnh Sắc cầu nhiệt độ có thể đạt từ 20000 K đến 40000K. Những đặc trưng trên Sắc cầu là những ống khí (Spicules) có đường kính từ 500 km đến 1000 km, độ cao từ 3000 km đến 10000 km. Trong cùng một thời điểm có thể có từ 105 P đến 106 ống khí cùng hoạt động . Có hai loại ống khí: loại 1 phụ thuộc vào sóng âm có thời P P gian sống từ 5 đến 10 phút; loại hai phụ thuộc vào sóng Alfven thời gian sống từ 10 đến 60 giây, ngoài ra còn có mạng lưới sắc cầu (Chromosphere network) có từ trường vào khoảng 25G; những sợi lửa (Filaments), tai lửa (Prominences) có bề dày khoảng 5000 km, độ cao đạt được là 50000 km, chiều dài của chúng là 200000 km, mật độ vật chất trong chúng là P 2.10-13 g/cm3, nhiệt độ xấp xỉ 10000K, thời gian sống từ vài ngày thậm chí có khi kéo dài P P P P hàng tháng, từ trường do chúng tạo ra từ 10 -100 G. Trong vùng sắc cầu, trên các vết đen thường xuất hiện các vụ nổ với độ sáng tăng mạnh, bức xạ tia tử ngoại và tia X tăng vọt gọi là bùng nổ sắc cầu. Hình 1.3. Bùng nổ Sắc cầu (Internet) 1.2.6. Vùng trung chuyển (Transition Region): Trên sắc cầu là lớp rất mỏng và bất thường của khí quyển Mặt trời có bề dày khoảng 100 km, mật độ vật chất vào khoảng 10-13 – 10-15 g/cm3, trên đó nhiệt độ tăng mạnh từ P P P P P P 2.104K tăng lên 2.106 K ở vành nhật hoa khu vực này được gọi là vùng chuyển tiếp, tốc độ P P P P của các dòng plasma trong vùng này từ 100 -400 km/s. Vùng chuyển tiếp không xảy ra ở một độ cao xác định chính xác, nó hình thành kiểu quầng với các đặc tính như gai, tai lửa luôn chuyển động hỗn loạn. 1.2.7. Nhật hoa (Corona): Sự phát sáng không dừng lại ở bề mặt của Mặt trời, ở trên quang cầu còn có một vùng rộng lớn khí cực kỳ nóng phát ra ánh sáng không nhìn thấy được bằng mắt thường gọi là nhật hoa, nhiệt độ trong vùng nhật hoa từ 106 K – 3.106 K , mật độ vật chất cực kì loãng P P P P khoảng 10-15 g/cm3. P P P P Hình 1.5. Quan sát nhật hoa khi xảy ra nhật thực (Internet) Những đặc trưng đáng chú ý của nhật hoa, thứ nhất là vòng nhật hoa (Coronal Loops) có chiều dài từ 50000 đến 100000 km, mật độ vật chất là 10-15-10-13 g/cm3, nhiệt độ xấp xỉ P P P P P P 40000 K (cold), 106-2.106 K (hot), thời gian sống từ vài ngày đến vài tuần. P P P P Hình 1.6. Vòng nhật hoa (Internet) Thứ hai là hốc nhật hoa (Coronal holes) có kích thước khoảng 900000 km, mật độ vật chất là 4.10-6 g/cm3 .Trong hốc nhật hoa nhiệt độ của các hạt vật chất cũng khác nhau, như P P P P nhiệt độ của electron xấp xỉ 106 K, của proton xấp xỉ 5.106 K, của ion O VI xấp xỉ 2.108 K. P P P P P P Thứ ba, sự phóng vật chất trong nhật hoa CME (Coronal Mass Ejection), khi xảy ra CME lượng vật chất được phóng ra khoảng từ 5.1012 – 5.1013 kg, vận tốc CME từ 100- 1000 P P P P km/s, giải phóng nănglượng từ 1023- 1024 J. P P P P Hình 1.7. Hình ảnh CME (Internet) 1.3. Nguồn gốc của năng lượng và bức xạ Mặt trời Nguồn gốc năng lượng của các sao có được là do quá trình tổng hợp hạt nhân của các sao đó, với nguồn nguyên liệu để đốt cháy có thể là hyđrô (H), Hêli (He), Cacbon (C), Neon (Ne), Oxy (O), Magiê (Mg), Lưu hùynh (S),…. Việc sử dụng nguồn nguyên liệu nào để đốt cháy là tùy thuộc vào khối lượng của sao đó. Như, Mặt trời là một ngôi sao đang đốt hyđro. Mặt trời không biến đổi toàn bộ khối lượng của nó thành năng lượng, sự tổng hợp hạt nhân này chỉ diễn ra ở 10% khối lượng ở tâm, nóng nhất của Mặt trời. Quá trình tổng hợp các hạt nhân hyđro thành hêli phát ra dưới dạng các tia bức xạ, trong đó có nhiệt độ và ánh sáng đến Trái đất, việc tổng hợp diễn ra theo các chu trình sau:  Chu trình proton-proton ( P-P chain): 1H 1 1H 2 R R R R P P R R R P P R R P P P P e R + 1 H  2 He + γ 1 P 2 He R + 1 H1  1 H2 + e + + ν P R 3 P P R P 3 P R R P P + 2 He3  2 He4 + 1 H1 + 1 H1 R R P P R R P P R R P P R R P Chu trình có thể tóm tắt như sau: 4 1 H1  2 He4 + 2e+ + 2ν e + 2 γ + Q R R P P R R P P P P R R Q = 26,7 MeV = 4,3.10-12 J P P  Chu trình Carbon- Nitrogen-Oxygen (CNO Cycle): + 6 C12  7 N13 + γ 1H 1 7N 13 R R R R P P R P R P 14 8O 15 7N 15 R R R R R P R R R R R R P P P P P P e R P P R R P P R P P R R P P  7 N15 + e+ + ν P P R + 1 H1  8 O15 + γ P P P + 1 H1  7 N14 + γ P 7N R P  6 C13 + e+ + ν P 13 6C R R R R P P P e P R + 1 H1 6 C12 + 2 He4 P R R P P R R P P R R P Chu trình này cũng có thể được tóm tắt như sau: 4 1 H1 2 He4 + 2e+ + 2ν e + 3 γ + Q R R P P R R P P P P R R Q = 25 MeV Mặc dù cả hai chu trình đều tạo ra nguồn năng lượng khổng lồ cho Mặt trời nhưng chu trình tạo ra nguồn năng lượng chủ yếu vẫn là chu trình Proton- Proton, chiếm đến 99% trên tổng số năng lượng. Theo khảo sát thực tế khi ra đến vùng nằm trong khoảng 0,2 0,3 bán kính Mặt trời thì chu trình CNO chấm dứt chỉ còn lại chu trình P-P. Nếu Mặt trời sử dụng 70% hydro làm nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch, mỗi giây nó đốt cháy 650 triệu tấn khí hydro thì tổng công suất bức xạ là 3,8.1026 W. P P Như chúng ta đều biết vật chất tồn tại trong Mặt trời ở dạng plasma, tức là vật chất bị ion hoá cao, ở tâm Mặt trời được xem là một lò phản ứng hạt nhân thực chất là một khối plasma chuyển động phức tạp theo phương Đông – Tây hoặc theo kinh tuyến, theo các định luật điện từ khi các hạt mang điện chuyển động có gia tốc sẽ sinh ra từ trường, từ trường lại sinh ra điện trường và ngược lại. Như vậy, đến thế kỷ XX, người ta đã giải thích được cơ chế sinh năng lượng của Mặt trời, theo đó nguồn gốc năng lượng và bức xạ Mặt trời là phản ứng nhiệt hạch và sự chuyển động của các dòng plasma. 1.4. Sự tự quay của Mặt trời (Internal rotation) Mặt trời quay quanh trục có góc nghiêng với mặt phẳng Hoàng đạo gần 82o48’. Mọi P P vật chất trong Mặt Trời đều ở dạng plasma vì nhiệt độ cực cao. Mặt trời được chia làm nhiều lớp, điều này làm cho Mặt Trời quay nhanh hơn tại xích đạo của nó (khoảng 25 ngày) hơn là ở các vĩ độ cao (35 ngày ở gần cực). Công thức thực nghiệm cho vận tốc quay ( Ω ) theo vĩ độ Mặt trời ( Φ ) như sau: Ω = 14,38 – 2,96 Sin Φ [ độ/ngày] 2 P P (1.1) Theo công thức trên, vĩ độ càng thấp thì vận tốc quay Ω càng lớn và ngược lại. Do đó, các dòng plasma gần xích đạo có vận tốc quay nhanh hơn những dòng có vĩ độ cao. Chu kì tự quay (T) được xác định theo công thức: T = 26,8 + 5,4. Sin2 Φ [ngày] P P (1.2) Chu kỳ quay giữa các dòng plasma cũng phụ thuộc vào vĩ độ Φ , ở những vĩ độ thấp dòng plasma có chu kỳ quay nhanh hơn những dòng plasma ở vĩ độ cao, do đó tương ứng với tần số quay cũng biến thiên giảm dần theo sự tăng dần của vĩ độ, ở xích đạo tần số quay là lớn nhất. Gần đây có một bộ môn khoa học Mặt trời mang tên Nhật chấn học (helioseismology) chuyên nghiên cứu những rung động của Mặt trời. Bộ môn khoa học này do nhà vật lý học Robert Leighton ở Cal Tech khám phá ra dao động có chu kỳ 5 phút trên bề mặt Mặt trời, các dao động này gọi là Nhật chấn được sinh ra bởi sóng âm truyền xuyên qua phần bên trong Mặt trời, nhờ những sóng này mà các nhà khoa học biết được cấu trúc bên trong Mặt trời. Ngày nay, người ta nhận thấy giữa vùng bức xạ và vùng đối lưu có một lớp mỏng mà hình thái quay của nó như một vật rắn với chu kỳ quay là 27 ngày, có nhiều giả thuyết cho rằng đây chính là nơi xảy ra quá trình biến cơ năng thành năng lượng từ (Solar Dynamo). Hình 1.8. Chu kỳ tự quay của MT (Internet) Như vậy chính sự tự quay chênh lệch theo vĩ độ khác nhau của các dòng plasma đã kéo theo các dạng hoạt động Mặt trời, chúng ta sẽ xét sau, có thể coi sự tự quay của các dòng plasma là khởi nguồn của mọi vấn đề liên quan đến các trạng thái của Mặt trời, và công thức tính vận tốc của các dòng plasma nói trên đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích các mô hình hoạt động của Mặt trời. 1.5. Hoạt động Mặt trời (Solar Activities)  Hoạt động Mặt trời là gì ? Mặc dù, Mặt trời là một ngôi sao ổn định về cấp sao, độ trưng hay độ sáng nhưng bản thân bên trong Mặt trời luôn diễn ra những hoạt động nội tại làm thay đổi tính chất bức xạ của nó. Hoạt động Mặt trời chính là những biến đổi điện từ trường của nó. Sự tự quay chênh lệch theo các vĩ độ khác nhau của Mặt Trời làm cho từ trường trở thành xoắn vặn với nhau, phun ra từ bề mặt Mặt Trời và gây nên các hình thái khác nhau trên bề mặt. Đã từ lâu, hoạt động Mặt trời được biết đến qua các vết đen Mặt trời (VĐMT), VĐMT được quan sát đầu tiên bởi Galileo, tiếp sau Galileo, năm 1840, Wolf đã đưa ra khái niệm số VĐMT (Sunspot number). Khi khảo sát số VĐMT người ta nhận thấy rằng tần suất xuất hiện nhiều hay ít của nó liên quan mật thiết đến hoạt động Mặt trời. Vì vậy, người ta thường đồng nhất HĐMT với tần suất xuất hiện VĐMT, khi VĐMT nhiều tức là MT hoạt động mạnh, khi MT không có hoặc có ít VĐMT tức là MT tĩnh. Sự xuất hiện các vết đen ảnh hưởng mạnh mẽ đến các hành tinh, trong đó có Trái Đất của chúng ta. Khi tần suất vết đen mặt trời tăng cao, các dòng điện tích được phóng ra mạnh mẽ từ Mặt Trời (còn gọi là gió Mặt Trời), tác động lên khí quyển Trái Đất, tạo ra các cơn bão từ và rối loạn vô tuyến. Song, bên cạnh VĐMT cũng có những HĐMT khác như trường sáng, tai lửa trong Sắc cầu, bùng nổ MT và CME trong nhật hoa. Những hoạt động này biến đổi một cách có chu kỳ nhưng những hiểu biết của chúng ta về chúng còn hạn hẹp, do đó khó mà đưa ra được một dự đoán hoàn toàn chính xác cho những hoạt động này. Bảng 1.1. Những dạng hoạt động Mặt trời chính Tên hoạt động Vị trí - Vết đen Mặt trời (Sunspots) - Vết sáng (Faculae) - Miền lưỡng cực từ (Biolar - Liên tục. Quang cầu - Trường sáng (Plages) - Bùng sáng sắc cầu (Flares) - Liên tục. - Miền chứa từ trường yếu. magnetic regions) - Tai lửa (Prominence) Phổ bức xạ - H α , CaII. Sắc cầu - H α , CaII. - Tăng độ sáng đột ngột với bức xạ vạch H α , CaII. - Liên tục xuất hiện đường phổ cấm. - Miền ngưng tụ (Condensation) - Bùng sáng vùng sóng vô - Bùng sáng Nhật hoa (Coronal tuyến. flares) - Phóng ra tia vũ trụ và gió - Hố nhật hoa (Coronal holes) Nhật hoa mặt trời. - Suối nhật hoa (Coronal Streams) - Phóng ra tia vũ trụ và gió - Sự phóng vật chất nhật hoa mặt trời. (CME – Coronal Mass Ejections) - Phóng ra hàng tỉ vật chất từ nhật hoa với tốc độ hàng trăm km. 1.6. Các dạng hoạt động Mặt trời chính 1.6.1. Vết đen Mặt trời (Sunspots) - Cấu tạo: VĐMT có cấu tạo gồm hai phần: một vùng tối đen (umbra) và vùng tối mờ (preumbra), đường kính vết đen rộng nhất vào cỡ 104 km, gấp vài lần P P đường kính Trái đất. Thời gian tồn tại của nó phụ thuộc vào kích thước, những vết đen rộng nhất tồn tại trong khoảng 2 tháng. Khoảng thời gian này là đủ dài để các vết đen biến mất ở một phía của đĩa Mặt trời và tái xuất hiện ở phía khác hai tuần sau đó. Hầu hết các vết đen được quan sát trong vài ngày và sau đó biến mất, để được thay thế bởi những vết đen khác. Độ sáng bề mặt của chúng vào khoảng ¼ độ sáng của môi trường xung quanh, nhiệt độ của các vết đen vào khoảng 4.103 K. P P - Từ trường vết đen Mặt trời: Ban đầu vết đen xuất hiện như một chấm mờ sau đó lan rộng ra và ngày càng mờ dần so với miền kề cận. Qua chụp phổ và phân tích phổ bức xạ đi từ vết đen thì vết đen bức xạ như một vật đen. Các vạch phổ hấp thụ trên nền phổ liên tục đều bị tách ra một số vạch kề cạnh, độ rộng vạch phổ cũng nới rộng ra chứng tỏ nó chịu hiệu ứng Zeemann và hiệu ứng Doppler. Từ trường vết đen có giá trị từ 0,1 0,2 T, hướng gần thẳng góc với bề mặt vết đen và định xứ trong vùng quanh tâm vết, có đường kính hàng nghìn km. Mặt trời là một khối khí plasma nóng bỏng, có nhiều nguyên tử trong khí Mặt trời bị ion hóa thành các electron tự do, các electron tự do chuyển động tương đối đối với các nguyên tử và ion nên có một dòng điện chạy trong chất khí. Có thể lấy hình ảnh Solenoid như một mô hình cho vết đen Mặt trời: các lớp khí Mặt trời cuộn lại thành dạng ống dây được quấn chặt theo dạng ống hình trụ, mỗi dây có bề dày khoảng 103 km, chiều dài khoảng P P 3.104 km với dòng điện tương đương là 4.1012 A và từ trường B=0,15 T,từ trường này gấp P P P P hàng ngàn lần từ trường Trái đất và nằm trong một thể tích lớn hơn thể tích Trái đất, mỗi vết đen được xem như một nam châm rất mạnh. Trong quá trình phát triển của vết đen, từ trường tăng dần đến cực đại. Hình 1.10. Mô hình VĐMT (Internet) Thỉnh thoảng người ta thấy các tai lửa bắn ra từ Mặt trời, ta thấy chúng như những vòng khí màu đỏ. Chúng tồn tại bên trên Mặt trời trong một số ngày. Chính từ trường của vết đen đã tạo nên các tai lửa phun cao đến 104 km. P P Vết đen thường xuất hiện từng nhóm, bao gồm nhiều nhóm đôi nhỏ. Trong nhóm đôi, cực từ của hai vết kề cận nhau bao giờ cũng ngược nhau. Hình 1.11. Tai lửa MT (Internet) - Số liệu VĐMT: Số VĐMT nói lên mức độ hoạt động của MT. Nó được theo dõi một cách có hệ thống nhờ kính thiên văn ngay từ thời Galileo và đã được thu thập thành một tập hợp dữ liệu khá lớn cho đến ngày nay. Các vết đen xuất hiện trên dĩa Mặt trời thay đổi từng ngày,và sự biến thiên có tính chu kỳ 11 năm của nó đã được Schwabe phát hiện đầu tiên (1844). Tiếp sau đó, Rudolf Wolf ở đài quan sát Thụy Sĩ ở Zurich đưa ra cách tính số VĐMT. Ông nhận thấy việc phân biệt các nhóm VĐMT thì sẽ dễ dàng hơn việc phân biệt các vết đen riêng lẻ, do đó, ông đã đưa ra công thức tính số VĐMT có giá trị tương đối như sau: R z = k.(10g + f) R R (1.3) Trong đó: R z : là số Zurich hay số Wolf. R R k: hệ số điều chỉnh. g: số nhóm vết đen. f: số vết đen riêng lẻ. Với Rz, Wolf lấy k = 1 Số Zurich này đã được thu thập hằng ngày từ năm 1848. Wolf đã mở rộng dữ liệu trở ngược về đến năm 1749. Đến năm 1998, Hoyt và Schatten đã đề nghị số vết đen dựa trên số nhóm vết đen quan sát được. Kí hiệu là: R G. R 1 RG = N Trong đó: R G : số VĐ tính theo nhóm. R R N ∑ K .12, 08 g i i =1 i (1.4)