Vì sao cực quang xuất hiện nhiều hơn quanh xuân phân và thu phân?

Cực quang không chỉ biến đổi theo chu kỳ hoạt động khoảng 11 năm của Mặt Trời. Số trận bão địa từ và cơ hội xuất hiện cực quang còn có xu hướng tăng hai lần mỗi năm, quanh xuân phân tháng 3 và thu phân tháng 9. Nhịp mùa này hình thành vì hướng của từ trường do gió Mặt Trời mang tới thay đổi tương quan với từ trường Trái Đất, trong khi hình học giữa hành tinh và dòng gió ấy cũng biến đổi theo quỹ đạo. [1]

Nói ngắn gọn, điểm phân không khiến Mặt Trời đột nhiên phóng nhiều vật chất hơn. Nó tạo ra những khoảng thời gian mà cấu hình từ trường và tư thế của Trái Đất thuận lợi hơn để năng lượng từ gió Mặt Trời tác động lên từ quyển. Hiệu ứng Russell–McPherron giải thích phần quan trọng nhất của xu hướng này; hiệu ứng điểm phân bổ sung một ảnh hưởng hình học khác. [1]

Vì sao chu kỳ 11 năm chưa đủ để giải thích?

Hoạt động Mặt Trời có thể gây ra nhiễu động trong từ trường Trái Đất, gọi là bão địa từ. Những nhiễu động đó liên quan chặt chẽ với cực quang, nhưng chu kỳ Mặt Trời kéo dài khoảng 11 năm chỉ mô tả một nhịp biến đổi tương đối dài. Nó không tự giải thích được vì sao hoạt động địa từ thường có hai đợt tăng trong một năm. [1]

Có thể hình dung đây là hai chiếc đồng hồ chạy đồng thời. Một chiếc theo dõi mức hoạt động chung của Mặt Trời qua nhiều năm; chiếc kia theo dõi tư thế của Trái Đất tại từng đoạn trên quỹ đạo hằng năm. Khi Mặt Trời hoạt động mạnh, nguồn nhiễu động có thể dồi dào hơn. Còn mùa điểm phân ảnh hưởng đến mức độ thuận lợi để một nhiễu động tương tác với từ quyển. Hai nhịp này có thể chồng lên nhau nhưng không phải là một. [1]

Vì thế, “mùa cực quang” nên được hiểu là sự thay đổi về khả năng xảy ra, không phải một lịch hẹn chắc chắn. Điểm phân không bảo đảm bầu trời sẽ có cực quang vào một đêm cụ thể; thời tiết không gian thực tế vẫn phụ thuộc vào những gì đang truyền tới Trái Đất từ Mặt Trời. [1]

Bz là gì và vì sao hướng của nó quan trọng?

Gió Mặt Trời mang theo từ trường. Để mô tả hướng của trường này, các nhà vật lý Mặt Trời xét thành phần bắc–nam, thường gọi là Bz. Thành phần ấy có thể hướng theo một chiều hoặc chiều đối diện với thành phần bắc–nam của từ trường Trái Đất. Sự tương quan giữa hai hướng quyết định mức độ thuận lợi để gió Mặt Trời truyền ảnh hưởng vào môi trường từ tính quanh hành tinh. [1]

Khi các thành phần bắc–nam ở cấu hình đối nghịch thích hợp, cấu hình từ trường bảo vệ Trái Đất tạo điều kiện để năng lượng từ gió Mặt Trời đi vào dễ dàng hơn. Nguồn mô tả điều này bằng hình ảnh một lối mở trong từ trường, qua đó tác động có thể tiến về các vùng cực dễ dàng hơn. Kết quả là bão địa từ và cực quang có nhiều cơ hội được tăng cường. [1]

Một ví dụ đơn giản là cánh cửa có khóa xoay: lực đẩy bên ngoài chưa đủ để quyết định cửa có mở hay không, bởi vị trí của ổ khóa cũng quan trọng. Trong phép so sánh này, sức đẩy tượng trưng cho nhiễu động từ Mặt Trời, còn tương quan hướng từ trường giống như trạng thái khiến cửa dễ hoặc khó mở. Đây chỉ là cách hình dung, không phải mô hình chính xác của từ quyển.

Hiệu ứng Russell–McPherron tạo ra nhịp mùa thế nào?

Hiệu ứng Russell–McPherron gắn nhịp tăng quanh điểm phân với sự thay đổi hình học giữa từ trường trong gió Mặt Trời và trục từ của Trái Đất. Khi hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời, cách thành phần Bz được biểu hiện trong hệ quy chiếu gắn với Trái Đất cũng thay đổi. Những dao động theo mùa này đạt mức lớn nhất quanh các kỳ điểm phân, làm tăng thời gian xuất hiện cấu hình từ trường thuận lợi cho hoạt động địa từ. [1]

Điểm mấu chốt không phải từ trường của Mặt Trời tự đổi theo lịch tháng 3 và tháng 9. Chính góc nhìn hình học của Trái Đất đối với từ trường do gió Mặt Trời mang tới đã biến đổi trong năm. Cùng một dòng gió có thể tương tác khác nhau khi hành tinh ở những vị trí quỹ đạo khác nhau, tương tự cách hướng của một vật đối với luồng gió làm thay đổi phần bề mặt trực tiếp đón gió. [1]

Mô hình do Christopher Russell và Robert McPherron đề xuất không giải thích hoàn hảo mọi biến thiên theo mùa, nhưng chỉ ra một liên hệ vật lý giữa hình học từ trường Trái Đất và từ trường truyền đến từ Mặt Trời. Tên “hiệu ứng Russell–McPherron” được dùng cho cách giải thích mùa cực quang này từ công trình năm 1973. [1]

Hiệu ứng điểm phân bổ sung điều gì?

Ngoài Russell–McPherron, hiệu ứng điểm phân còn xét tư thế của các cực từ Trái Đất đối với dòng gió Mặt Trời. Quanh điểm phân, các cực từ có thời điểm nằm gần vuông góc với hướng gió Mặt Trời hai lần trong ngày. Ở cấu hình đó, tác động của dòng gió lên hoạt động địa từ có thể được tăng cường. [1]

Khi mùa thay đổi, các cực từ lần lượt nghiêng theo hướng gần về phía hoặc xa phía Mặt Trời hơn, nên điều kiện hình học nói trên suy giảm. Hiệu ứng điểm phân được xem là yếu hơn Russell–McPherron nhưng vẫn góp phần làm nổi rõ hai giai đoạn hoạt động cực quang tăng trong năm. [1]

Hai cơ chế không cần được hình dung như hai công tắc tách biệt. Một cơ chế nhấn mạnh tương quan hướng của các thành phần từ trường; cơ chế kia nhấn mạnh tư thế của trục từ so với dòng gió Mặt Trời. Chúng cùng mô tả những khía cạnh khác nhau của một hệ thống mà vị trí, góc hướng và từ tính đều thay đổi theo thời gian. [1]

“Mùa cực quang” thực sự cho biết điều gì?

Quy luật hai đỉnh theo mùa đã được giới khoa học thảo luận hơn một thế kỷ. Aloysius Cortie công bố một bài báo đáng chú ý về liên hệ giữa điểm phân và cực quang vào năm 1912; Sydney Chapman và Julius Bartels tiếp tục bàn về nhịp mùa này trong sách Geomagnetism năm 1940. Các cách giải thích sau đó vẫn còn khác nhau ở chi tiết, nhưng đều đặt trọng tâm vào từ trường Mặt Trời, từ trường Trái Đất và hình học Mặt Trời–Trái Đất. [1]

Với người quan sát, xuân phân và thu phân vì vậy là những giai đoạn có điều kiện thống kê thuận lợi hơn, chứ không phải nguyên nhân duy nhất của cực quang. Muốn có một màn cực quang cụ thể vẫn cần nhiễu động thích hợp từ Mặt Trời tác động đến từ quyển. Mùa chỉ làm thay đổi mức độ thuận lợi của cuộc gặp ấy. [1]

Điều đáng chú ý là một hiện tượng sáng trên bầu trời lại phụ thuộc vào cả thang thời gian nhiều năm lẫn tư thế của hành tinh trong từng mùa. Cực quang quanh điểm phân cho thấy thời tiết không gian không chỉ là câu chuyện Mặt Trời mạnh hay yếu; hướng mà các trường từ gặp nhau cũng có thể quyết định năng lượng đi vào môi trường Trái Đất dễ đến đâu. [1]