Vì sao bão Mặt Trời năm 1859 khiến điện tín chạy không cần pin?

Trưa 1/9/1859, nhà thiên văn Richard Carrington đang quan sát một nhóm vết đen thì thấy vùng sáng dữ dội xuất hiện trên Mặt Trời. Đêm sau, cực quang rực lên ở cả những nơi vốn hiếm gặp hiện tượng này, còn mạng điện tín trở nên hỗn loạn: máy phát ký hiệu vô nghĩa, nhân viên bị điện giật và một số trạm gặp hỏa hoạn. Kỳ lạ nhất, có những máy vẫn truyền được tin sau khi pin đã bị ngắt. [1]

Điện tín không bị một sức mạnh bí ẩn chiếm giữ. Cơn bão từ không gian đã làm từ trường quanh Trái Đất biến đổi nhanh, qua đó cảm ứng dòng điện trong mặt đất và các đường dây dài. Nói cách khác, chính mạng dây điện tín đã vô tình hoạt động như một bộ phận thu năng lượng từ biến động địa từ trên quy mô rất lớn. [1]

Carrington đã nhìn thấy điều gì?

Carrington dành nhiều thời gian theo dõi vết đen, tức những mảng tối không đều có thể quan sát trên bề mặt Mặt Trời. Khi thấy một vùng sáng bùng lên giữa nhóm vết đen, ông ghi chép và phác họa lại hiện tượng nhưng chưa thể biết nó có liên quan gì đến Trái Đất. Ngày nay, quan sát ấy được xem là lần ghi nhận trực tiếp rất sớm về một vụ bùng phát Mặt Trời. [1]

Mối liên hệ chỉ dần lộ ra qua những gì xảy đến sau đó. Cực quang được báo cáo ở các vĩ độ thấp tới mức bất thường, trong đó có Venezuela. Tại miền đông bắc Hoa Kỳ, bầu trời sáng đủ để người ta đọc báo ngoài trời sau nửa đêm. Đây là những quan sát lịch sử; cách giải thích chúng bằng hoạt động Mặt Trời và bão địa từ là kết quả của hiểu biết khoa học hình thành về sau. [1]

Vụ bùng phát mà Carrington nhìn thấy và các rối loạn trên mặt đất thường được gọi chung là Sự kiện Carrington. Tên gọi này thuận tiện, nhưng không nên hiểu rằng ánh sáng ông quan sát đã trực tiếp phóng điện vào máy điện tín. Giữa hai đầu câu chuyện còn có dòng vật chất tích điện từ Mặt Trời, từ trường của Trái Đất và hiện tượng cảm ứng điện. [1]

Một cơn bão Mặt Trời hình thành thế nào?

Mặt Trời chủ yếu gồm plasma, trạng thái vật chất nóng đến mức các nguyên tử tách thành những hạt mang điện. Khi các hạt tích điện chuyển động, chúng tạo ra từ trường. Mặt Trời lại không quay như một quả cầu rắn: vùng gần xích đạo và vùng gần hai cực quay với tốc độ khác nhau. Sự chuyển động không đồng đều ấy khiến cấu trúc từ trường bị kéo, xoắn và tích lũy năng lượng. [1]

Khi cấu trúc từ trường giải phóng năng lượng, Mặt Trời có thể phát ra bức xạ và các hạt, phần lớn là electron và proton. Không phải đợt bùng phát nào cũng tác động mạnh đến Trái Đất; hướng phóng vật chất là yếu tố quan trọng. Nếu dòng hạt đi về phía hành tinh chúng ta, nó sẽ tương tác với môi trường từ bao quanh Trái Đất thay vì đơn giản rơi thẳng xuống mặt đất. [1]

Nguyên nhân chi tiết khiến một số vùng hoạt động giải phóng năng lượng thành bão mạnh vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Sự xuất hiện của nhiều vết đen có thể báo hiệu khả năng hoạt động mạnh hơn, nhưng không phải dấu hiệu dự báo chắc chắn cho từng cơn bão. Vì vậy, việc nhìn thấy vết đen không đồng nghĩa một sự kiện kiểu năm 1859 sắp xảy ra. [1]

Vì sao cực quang lan xuống vĩ độ thấp?

Trong điều kiện thông thường, từ trường Trái Đất dẫn nhiều hạt từ không gian về các vùng gần cực. Tại tầng khí quyển phía trên, chúng va chạm với các phân tử nitơ và oxy, tạo nên ánh sáng nhiều màu của cực quang. Cơ chế dẫn hướng này giải thích vì sao cực quang thường tập trung ở vĩ độ cao thay vì phân bố đều trên toàn cầu. [1]

Khi một lượng lớn hạt từ Mặt Trời ập tới, phạm vi nhiễu động địa từ mở rộng và cực quang có thể xuất hiện xa vùng cực hơn thường lệ. Bởi vậy, những dải sáng ở vĩ độ thấp năm 1859 không chỉ là cảnh tượng bên lề. Chúng là dấu hiệu nhìn thấy được của cùng một tương tác đã làm môi trường từ quanh Trái Đất biến đổi mạnh. [1]

Cực quang và sự cố điện tín vì thế không phải hai hiện tượng ngẫu nhiên trùng thời điểm. Chúng là hai biểu hiện khác nhau: ánh sáng sinh ra khi các hạt tác động đến khí quyển, còn rối loạn điện xuất hiện khi từ trường biến thiên tạo dòng điện trong các vật dẫn ở gần bề mặt Trái Đất. [1]

Điện từ đâu ra khi pin đã ngắt?

Một từ trường thay đổi có thể tạo ra dòng điện trong vật dẫn ở gần nó. Trong bão địa từ, từ trường quanh Trái Đất bị nén và xáo trộn; sự biến đổi đó cảm ứng các dòng điện trong lòng đất. Dòng điện có thể đi vào thiết bị qua những tuyến dây dẫn dài và các điểm nối đất, đặc biệt khi hệ thống không được bảo vệ phù hợp. [1]

Mạng điện tín thế kỷ XIX là một đường đi thuận lợi: dây kéo dài qua khoảng cách lớn, thiết bị nhạy với dòng điện và việc nối đất còn đơn giản. Dòng điện cảm ứng có thể cộng vào, đối nghịch hoặc lấn át dòng do pin cung cấp. Kết quả là tín hiệu chập chờn, ký hiệu bị sai và các bộ phận nóng lên; nhân viên chạm vào thiết bị cũng có thể bị giật. [1]

Trường hợp máy chạy sau khi ngắt pin không có nghĩa hệ thống hoạt động mà không cần năng lượng. Nguồn năng lượng đã đổi chỗ: thay vì pin tại trạm, dòng điện cảm ứng bởi biến động địa từ đi qua đường dây. Một cặp trạm tại Boston và Maine được ghi nhận đã liên lạc trong khoảng hai giờ theo cách này, dù chất lượng và điều kiện vận hành không giống trạng thái bình thường. [1]

Có thể hình dung một đường dây dài như dụng cụ vô tình hứng lấy ảnh hưởng của từ trường đang đổi thay. Đây chỉ là cách so sánh để hiểu vai trò của chiều dài dây; bản thân cơn bão không gửi sẵn một thông điệp. Máy điện tín vẫn cần người vận hành tạo và nhận tín hiệu, trong khi dòng cảm ứng chỉ cung cấp hoặc gây nhiễu dòng điện cần thiết. [1]

Công nghệ hiện đại có tránh được rủi ro ấy không?

Ngày nay, điện tín không còn là xương sống liên lạc, nhưng nhiều hệ thống khác vẫn có dây dẫn dài hoặc thiết bị điện tử nhạy cảm. Một cơn bão địa từ năm 1989 đã làm lưới điện Québec mất điện và gây nhiễu nghiêm trọng ở những lưới điện khác tại Hoa Kỳ và Canada. Trường hợp này cho thấy cơ chế từng tác động đến điện tín vẫn có thể ảnh hưởng hạ tầng điện hiện đại. [1]

Vệ tinh đối mặt với một nhóm nguy cơ khác vì hoạt động ngoài không gian, nơi bức xạ và hạt tích điện có thể làm sai dữ liệu trong bộ nhớ hoặc gây hỏng mạch. Trên mặt đất, dòng điện cảm ứng có thể đi vào những mạng lưới trải dài. Mức thiệt hại thực tế của mỗi cơn bão còn phụ thuộc hướng, cường độ, trạng thái hệ thống và các biện pháp bảo vệ, nên không thể suy từ năm 1859 rằng mọi cơn bão đều dẫn tới mất điện diện rộng. [1]

Bài học đáng nhớ của Sự kiện Carrington nằm ở con đường nối các thang đo tưởng như tách biệt: plasma chuyển động trên Mặt Trời làm từ trường biến động; nhiễu động truyền tới môi trường quanh Trái Đất; từ trường thay đổi lại tạo dòng điện trong vật dẫn. Đêm điện tín “chạy không cần pin” vì thế là một minh họa đặc biệt rõ rằng thời tiết không gian có thể bước thẳng vào hệ thống công nghệ dưới mặt đất. [1]