Từ quầng mờ đến vòng xoáy: Cực quang tiết lộ gì về từ trường Trái Đất?

Cực quang có thể bắt đầu như một quầng sáng mờ gần đường chân trời, rồi kéo thành vòng cung, dựng thành những tia thẳng hoặc cuộn thành hình xoắn. Những hình dạng ấy không phải các vật thể cố định trên bầu trời: chúng là dấu vết của hạt tích điện chuyển động và phát sáng khi tương tác với khí quyển dưới sự dẫn hướng của từ trường Trái Đất. [1]

Nhìn vào hình dạng, người quan sát có thể nhận ra hoạt động địa từ đang yên ắng hay trở nên mạnh hơn. Tuy vậy, mỗi hình dạng chỉ cho ta một manh mối về cách các hạt và dòng điện trong vùng cực hoạt động, chứ chưa phải lời giải hoàn chỉnh cho mọi chuyển động phức tạp của cực quang. [1]

Quầng mờ xuất hiện khi bầu trời còn rất yên

Dạng dễ bị bỏ qua nhất là quầng sáng khuếch tán. Nó không có mép rõ, không tạo thành hoa văn cụ thể và thường chỉ giống một vùng sáng nhạt, mờ như mây ở xa. Khi mắt chưa quen bóng tối hoặc bầu trời bị ánh đèn làm sáng, người quan sát thậm chí có thể nhầm nó với ánh sáng từ một thành phố. [1]

Quầng mờ thường xuất hiện khi hoạt động địa từ thấp, hoặc lúc một đợt bão địa từ mới bắt đầu hay đang suy yếu. Về cơ chế khái quát, các electron năng lượng cao tản ra trên một vùng rộng trước khi va chạm với các hạt trong khí quyển. Ánh sáng vì thế lan đều thay vì tập trung thành tia hay dải có đường biên rõ. [1]

Vòng cung cho thấy các hạt đi theo đường sức từ

Khi hoạt động tăng lên, quầng mờ có thể tổ chức thành một vòng cung. Vòng cung dạng đơn giản trông như một dải cong, khá đều và có thể đứng yên hoặc dịch chuyển chậm. Ở dạng khác, nó xuất hiện những nét hướng lên giống các vệt cọ; đôi khi cả dải cong gợn như một dải ruy băng đang dao động. [1]

Sự tập trung này liên quan đến dòng hạt tích điện di chuyển dọc theo các đường sức từ, tạo ra một dải phát sáng ở những vĩ độ nhất định. Khu vực thường xuất hiện cực quang được gọi là vành cực quang, một vùng hình vòng quanh cực từ chứ không phải một đường tròn hoàn hảo cố định trên mặt đất. Vì vậy, vòng cung cho thấy từ trường đang định hướng nơi ánh sáng hình thành. [1]

Tia sáng biến đường cong thành cấu trúc dựng đứng

Những tia sáng là các vệt gần như thẳng kéo từ dải cực quang lên cao. Một tia đơn lẻ có thể nhô lên trên nền quầng mờ, nhưng trong một màn cực quang hoạt động mạnh, bầu trời có thể xuất hiện rất nhiều tia cùng lúc. Khi nhìn từ mặt đất, các tia dường như hướng về một điểm trên cao; đó là hiệu ứng phối cảnh của những cấu trúc kéo dài theo các hướng từ trường khác nhau. [1]

Các tia hình thành khi hạt đi vào khí quyển theo từng đường sức từ riêng lẻ, tạo nên những cột ánh sáng gần song song. Nếu hoạt động tiếp tục tăng, các tia có thể cùng hội tụ trong vùng ngay phía trên người quan sát. Khi cực quang nằm ở vị trí này, toàn bộ cấu trúc được gọi là quầng cực quang, thường cho cảm giác ánh sáng tỏa xuống từ đỉnh trời. [1]

Màn rèm là nhiều vòng cung xếp sát nhau

Màn rèm hoặc màn vải là dạng dễ gợi hình ảnh nhất: một tấm sáng gợn, phấp phới và có vẻ như mang chiều sâu. Thực chất, nó có thể được hình dung như nhiều vòng cung đặt gần nhau theo các đường song song. Khi chúng sáng tối và chuyển động không đồng đều, mắt người thấy một tấm màn đang uốn lượn thay vì một tập hợp dải riêng rẽ. [1]

Việc các dải cùng xếp theo hướng từ trường giải thích phần khung cơ bản của màn rèm, nhưng chưa giải thích hết vẻ chuyển động của nó. Các dòng điện và tương tác giữa sóng với hạt cũng tham gia định hình cực quang. Đây là lý do một màn rèm có thể biến đổi rất nhanh, trong khi mối liên hệ chính xác giữa từng chuyển động nhỏ và các quá trình vật lý vẫn đang được nghiên cứu. [1]

Vòng xoáy báo hiệu chuyển động dữ dội hơn

Trong những lúc cực quang đặc biệt sôi động, các dải sáng có thể xoắn thành vòng xoáy hoặc hình cuộn, gợi liên tưởng đến một chiếc bánh quế cuộn. Dạng này thường dễ gặp hơn trong một cơn bão địa từ mạnh hoặc ở gần các vùng cực. Nó khác vòng cung ở chỗ đường sáng không chỉ cong theo một dải ổn định mà còn cho thấy chuyển động xoắn và xé trượt rõ rệt. [1]

Cách diễn giải được nêu cho những hình dạng này là các chuyển động hỗn loạn và trượt trong plasma của Mặt Trời, được các đường sức từ của Trái Đất dẫn hướng. Từ đó, cực quang trở thành một cảnh báo trực quan về mức độ hoạt động của môi trường không gian quanh Trái Đất: quầng mờ thường gắn với trạng thái yếu hơn, còn tia, màn rèm và vòng xoáy rõ nét thường xuất hiện khi hệ thống bị khuấy động mạnh hơn. [1]

Điều hình dạng cực quang chưa thể nói cho chúng ta

Không có một danh sách tuyệt đối bao quát mọi hình dạng cực quang. Một màn rèm có thể nhanh chóng trở thành các tia, một vòng cung có thể gợn thành dải, còn quầng mờ có thể lan rộng rồi biến mất. Tên gọi giúp người quan sát mô tả cảnh tượng, nhưng ranh giới giữa các dạng không phải lúc nào cũng sắc nét. [1]

Vì thế, cách đọc cực quang hợp lý nhất là đi từ dấu hiệu tổng quát đến diễn giải thận trọng. Quầng sáng cho biết ánh sáng đang phân tán trên vùng rộng; vòng cung và tia cho thấy ảnh hưởng định hướng của đường sức từ; màn rèm và vòng xoáy tiết lộ một môi trường có dòng điện, sóng và chuyển động phức tạp hơn. Bầu trời càng sinh động, câu hỏi vật lý phía sau càng lớn: hình dạng đã được nhận diện, nhưng toàn bộ quá trình tạo ra chúng vẫn chưa được mô tả trọn vẹn. [1]