TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành Sư phạm Vật Lý TÌM HIỂU VỀ MẶT TRỜI VÀ NHỮNG ẢNH HƯỞNG CỦA MẶT TRỜI LÊN TRÁI ĐẤT Giáo viên hướng dẫn: ThS DƯƠNG BÍCH THẢO Sinh viên thực hiện: KIM THỊ LUYẾN MSSV: 1100228 Lớp: SP Vật Lý K36 Cần Thơ, 5/2014 LỜI CÁM ƠN Trong thời gian thực hiện đề tài, tôi đã gặp rất nhiều khó khăn, nhưng với sự chỉ bảo tận tâm của quý thầy cô, sự nỗ lực của bản thân và sự động viên của gia đình, bạn bè. Tôi đã hoàn thành tốt đề tài luận văn của mình. Vì vậy tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Dương Bích Thảo, cô đã tận tình hướng dẫn giúp tôi định hướng đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn sư phạm vật lý, khoa sư phạm, trường Đại Học Cần Thơ đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức, kỹ năng và phương pháp sư phạm trong bốn năm học tập. Với vốn kiến thức tiếp thu được trong quá trình học tập đã giúp tôi làm nền tảng cho quá trình nghiên cứu và hoàn thành tốt luận văn này. Tuy đã cố gắng hết sức nhưng không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến chân thành của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn chỉnh hơn. Kim Thị Luyến Trang ii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ........................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... Cần Thơ ngày……tháng ……năm 2014 ThS. Dương Bích Thảo Trang iii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ........................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... Trang iv Trang v MỤC LỤC Phần 1. MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 3 1. Lý do chọn đề tài. ........................................................................................................ 3 2. Mục đích nghiên cứu. ..................................................................................................3 4. Đối tượng nghiên cứu. .................................................................................................4 5. Phạm vi nghiên cứu. ....................................................................................................4 6. Bố cục nghiên cứu. ...................................................................................................... 4 Phần 2. NỘI DUNG ....................................................................................................... 5 1. TÊN VÀ TỪ NGUYÊN ............................................................................................. 5 2. ĐẶC ĐIỂM CỦA MẶT TRỜI.................................................................................. 5 2.1. Lõi. ............................................................................................................................ 8 2.2. Vùng bức xạ của Mặt Trời...................................................................................... 10 2.3. Vùng đối lưu của Mặt Trời. .................................................................................... 11 2.4. Quang quyển Mặt Trời. .......................................................................................... 11 2.5. Khí quyển Mặt Trời. ............................................................................................... 12 2.6 Từ trường. ................................................................................................................ 16 3. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA MẶT TRỜI ..................................................... 17 3.1. Các nguyên tố sắc bị ion hóa. ................................................................................. 18 3.2. Quan hệ sự phân tầng khối lượng giữa hành tinh và Mặt Trời .............................. 19 4. SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA MẶT TRỜI ..................................................................... 19 Vết đen, số Wolf và chu kỳ hoạt động của Mặt Trời .................................................... 19 5. CÁC GIAI ĐOẠN SỐNG CỦA MẶT TRỜI ........................................................ 24 5.1. Quá trình hình thành Mặt Trời................................................................................ 24 5.2. Giai đoạn chính của Mặt Trời. ................................................................................ 24 5.3. Khi nguồn hydro trong lõi cạn kiệt......................................................................... 25 5.4. Số phận của Trái Đất .............................................................................................. 25 6. MÀU CỦA MẶT TRỜI .......................................................................................... 25 7. ÁNH SÁNG MẶT TRỜI ......................................................................................... 28 9. CÁC VẤN ĐỀ VỀ CÁC HỌC THUYẾT ............................................................. 32 9.1. Neutrino Mặt Trời...................................................................................................32 9.2. Nhiệt độ vành nhật hoa ........................................................................................... 33 9.3. Sao trẻ ..................................................................................................................... 34 9.4. Các dị thường hiện tại............................................................................................. 34 10. THÁM HIỂM MẶT TRỜI ................................................................................... 35 10.1. Những hiểu biết trước đây .................................................................................... 35 10.2. Sự hiểu biết cùng với tiến bộ khoa học ................................................................ 35 10.2.1. Trước công nguyên ............................................................................................ 35 10.2.2. Công nguyên ...................................................................................................... 36 10.2.3. Thuyết nhật tâm .................................................................................................37 10.2.4. Thiên văn học hiện đại....................................................................................... 37 10.3. Những thiết bị giúp chúng ta thu thập số liệu về Mặt Trời ..................................38 11. MẶT TRỜI VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG KHỔNG LỒ ..................................39 13. QUAN SÁT VÀ CÁC HIỆU ỨNG ....................................................................... 49 14. MẶT TRỜI VÀ TÁC HẠI ĐẾN MẮT ................................................................ 52 15. GIÓ MẶT TRỜI .................................................................................................... 53 15.1. Gió Mặt Trời là gì? ............................................................................................... 53 15.2. Đặc điểm ............................................................................................................... 54 Trang 1 15.3. Ảnh hưởng của gió Mặt Trời ................................................................................ 55 15.3.1. Bão từ Trái Đất ..................................................................................................55 15.3.2. Hiện tượng cực quang........................................................................................ 57 16. BÃO MẶT TRỜI ................................................................................................... 58 16.1. Bão Mặt Trời là gì?............................................................................................... 58 16.2. Ảnh hưởng của bão Mặt Trời ............................................................................... 59 Phần 3. KẾT LUẬN..................................................................................................... 61 1. Những kết quả đạt được............................................................................................. 61 2. Hạn chế. ..................................................................................................................... 61 DANH SÁCH BẢNG ................................................................................................... 62 DANH SÁCH HÌNH .................................................................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 64 Trang 2 Phần 1. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Thiên văn luôn là một môn khoa học lí thú và mới lạ, mặt dù đã tồn tại từ rất lâu. Những ham muốn khám phá về lĩnh vực này khởi đầu từ việc quan sát các hiện tượng xảy ra trên bầu trời. Vào giữa thế kỷ XX, kính thiên văn vô tuyến ra đời, cho phép ta quan sát các thiên thể mà không phụ thuộc vào thời tiết. Trong các thập kỷ cuối của thế kỷ XX, các trạm vũ trụ bay quanh Trái Đất có người điều khiển, kính thiên văn vũ trụ Hubble đã phát hiện được nhiều đối tượng thiên văn ở rất xa và rất nhỏ mà ở trên Trái Đất không thể quan sát được. Việc cho con người đổ bộ lên Mặt Trăng, phóng các trạm tự động lên các hành tinh….đã làm cho ngành khoa học thiên văn có thêm khả năng nghiên cứu mới có tính chất thực nghiệm. Trong đó Mặt Trời là ngôi sao gần gũi và quyết định nhất đến sự ra đời và tồn vong của Trái Đất, của muôn loài sống trên hành tinh đặc biệt này, nên từ lâu đã được nhân loại để tâm nghiên cứu. Nhiều đặc điểm và hiện tượng lý thú diễn ra ở phần ngoài của Mặt Trời khá dễ dàng quan trắc và lý giải được trong khuôn khổ nhận thức và năng lực kỹ thuật của nhân loại trên Trái Đất. Bên cạnh đó vẫn còn nhiều điều tỏ ra khá bí ẩn đến kỳ lạ, do đó những mô hình nhằm mô tả cấu trúc, mô tả sự xuất hiện các hiện tượng đặc trưng của Mặt Trời, có lẽ còn lâu mới phản ánh hết mọi chi tiết của các dữ liệu do quan trắc đưa đến. Trong thế giới sao, Mặt Trời chỉ là ngôi sao trung bình yếu cả về khối lượng, kích thước và tuổi đời, tuy nhiên do nó ở vị trí đắc địa là gần chúng ta nhất và nó lại thuộc dãy sao chính (theo cách phân loại của Russel-Hertgsprung), nên nhân loại đã nhìn được rõ nhất các chi tiết bề mặt. Vì lẽ đó, nghiên cứu Mặt Trời ngoài ý nghĩa để hiểu đúng hiện tượng, để vận dụng hiểu biết đó vào việc bảo vệ môi trường sống trên Trái Đất, mà còn có ý nghĩa quan trọng giúp chúng ta có cơ sở để hiểu thế giới vô vàn các sao trong vũ trụ. Trên tinh thần đam mê học hỏi em chọn đề tài “Tìm hiểu về Mặt Trời và những ảnh hưởng của Mặt Trời lên Trái Đất” đề tài này đề cập đến các vấn đề xoay quanh Mặt Trời. 2. Mục đích nghiên cứu. Nghiên cứu một số đặc điểm của Mặt Trời, cũng như quá trình hình thành của Mặt Trời. 3. Phương pháp nghiên cứu. Trong quá trình thực hiện đề tài em đã thực hiện nhiều phương pháp khác nhau để nghiên cứu. Ở đây, chủ yếu em sử dụng phương pháp tổng hợp, khái quát các nguồn tài liệu sưu tầm được. Trên cơ sở đó chọn lọc, thống kê lại theo một số hệ thống logic sao cho phù hợp. Bên cạnh đó còn sưu tầm, tham khảo các bài báo cáo, các luận văn khác có liên Trang 3 quan. Nhất là tham khảo cách trình bày, cách bố trí từng đề mục của những bài nghiên cứu khác sẽ góp phần giúp cho luận văn thật logic và khoa học. 4. Đối tượng nghiên cứu. Mặt Trời. 5. Phạm vi nghiên cứu. Vì thời gian thực hiện đề tài tương đối ngắn và song song với việc thực hiện nhiều học phần khác nên đề tài chỉ đề cập đến một số đặc điểm, cũng như quá trình hình thành và một số vấn đề khác xoay quanh Mặt Trời. 6. Bố cục nghiên cứu. Mục lục Phần 1. Mở đầu. Phần 2. Nội dung. 1. Tên và từ nguyên. 2. Đặc điểm. 3. Thành phần hóa học. 4. Các chu kỳ trên bầu trời. 5. Giai đoạn sống của Mặt Trời. 6. Màu của Mặt Trời 7. Ánh sáng Mặt Trời. 8. Vị trí và chuyển động trong giải ngân hà. 9. Các vấn đề về các học thuyết. 10. Thám hiểm Mặt Trời. 11. Mặt Trời và nguồn năng lượng khổng lồ. 12. Thời gian biểu tiến hóa của Mặt Trời và Hệ Mặt Trời. 13. Quan sát và các hiệu ứng. 14. Mặt Trời và tác hại đến mắt. 15. Gió Mặt Trời. 16. Bão Mặt Trời. Phần 3. Kết luận. Tài liệu tham khảo Trang 4 Phần 2. NỘI DUNG 1. TÊN VÀ TỪ NGUYÊN Danh từ Sun phát triển từ tiếng Anh cổ là Sunne (trong khoảng 725 trước công nguyên, được chứng thực trong Beowulf) và có thể liên quan đến người nam. Có cùng nguồn gốc tiếng Anh xuất hiện trong ánh nắng Mặt Trời. Khác với ngôn ngữ Đức, bao gồm Old Frisian sunne, Sonne, Old Saxon Sunna, trung Hà Lan Sonne, hiện đại Hà Lan Zon, Old Cao Đức Sunna, hiện đại Đức Sonne, Old Norse Sunna và Gothic Sunno.[5] Trong mối quan hệ, Mặt Trời giống như một nữ thần trong Đức ngoại giáo Sol / Sunna . Các học giả đưa ra giả thuyết rằng Mặt Trời, như một nữ thần Đức, có thể đại diện cho một phần mở rộng của một đầu Proto-Indo-châu Âu thần Mặt Trời do Ấn Độngôn ngữ châu Âu kết nối giữa Old Norse Sol, tiếng Phạn Surya, Gaulish Sulis, Lithuania Saule và Slavic Solntse.[5] Các ngày trong tuần trong tiếng Anh, tên ngày chủ nhật được chứng thực trong tiếng Anh cổ (Sunnanceg nghĩa là “ngày của Mặt Trời”, từ trước năm 700). Tên Latin của các ngôi sao la sol, nó được biết đến rộng rãi nhưng không phải là phổ biến trong sử dụng chung với ngôn ngữ tiếng Anh, một tính từ liên quan đến năng lượng Mặt Trời. Các Sol cũng được sử dụng bởi nhà thiên văn học hành tinh để tham khảo với thời gian của một ngày năng lượng Mặt Trời trên một hành tinh khác, chẳng hạn như sao Hỏa.[5] 2. ĐẶC ĐIỂM CỦA MẶT TRỜI Mặt Trời là ngôi sao ở trung tâm và nổi bật nhất trong Thái Dương Hệ. Khối lượng khổng lồ của nó (332.900 lần khối lượng Trái Đất) tạo ra nhiệt độ và mật độ đủ lớn tại lõi để xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân, làm giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, phần lớn phát xạ vào không gian dưới dạng bức xạ điện từ, với cực đại trong dải quang phổ từ 400 tới 700 nm mà chúng ta gọi là ánh sáng khả kiến.[10] Mặt Trời được phân loại thành sao lùn vàng kiểu G2V, nhưng tên gọi này hay gây ra sự hiểu nhầm khi so sánh nó với đại đa số các sao trong Ngân Hà, Mặt Trời lại là một ngôi sao lớn và sáng. Các ngôi sao được phân loại theo biểu đồ Hertzsprung-Russell, biểu đồ thể hiện độ sáng của sao với nhiệt độ bề mặt của nó. Nói chung, các gosao sáng hơn thì nóng hơn. Mặt Trời nằm ở bên phải của đoạn giữa một dải gọi là dải chính trên biểu đồ. Tuy nhiên, số lượng các sao sáng hơn và nóng hơn Mặt Trời là hiếm, trong khi đa phần là các sao mờ hơn và lạnh hơn, gọi là sao lùn đỏ, chúng chiếm tới 85% số lượng sao trong dải thiên hà.[1][10] Người ta tin rằng với vị trí của Mặt Trời trên dải chính như vậy thì đây là một ngôi sao đang trong "cuộc sống mãnh liệt", nó vẫn chưa bị cạn kiệt nguồn nhiên liệu hyđrô cho Trang 5 các phản ứng tổng hợp hạt nhân. Mặt Trời đang sáng hơn; trong buổi đầu của sự tiến hóa nó chỉ sáng bằng 70% so với độ sáng ngày nay.[10] Mặt Trời còn là sao loại I về đặc tính kim loại; do nó sinh ra trong giai đoạn muộn của sự tiến hóa vũ trụ, và nó chứa nhiều nguyên tố nặng hơn hyđrô và heli (trong thiên văn học, những nguyên tố nặng hơn hyđrô và heli được gọi là nguyên tố "kim loại") so với các ngôi sao già loại II. Các nguyên tố nặng hơn hyđrô và heli được hình thành tại lõi của các sao già và sao nổ tung, do vậy thế hệ sao đầu tiên đã phải chết trước khi vũ trụ được làm giàu bởi những nguyên tố nặng này. Những sao già nhất chứa rất ít kim loại, trong khi những sao sinh muộn hơn có nhiều hơn. Tính kim loại cao được cho là yếu tố quan trọng cho sự phát triển thành một hệ hành tinh quay quanh Mặt Trời, do các hành tinh hình thành từ sự bồi tụ các nguyên tố "kim loại".[1][10] Mô hình cấu trúc Mặt Trời: 1. Lõi 2. Vùng bức xạ 3. Vùng đối lưu 4. Quang quyển 5. Sắc quyển 6.Vành nhật hoa 7. Vết đen Mặt Trời 8. Hạt quang quyển 9. Vòng plasma Hình 2.1: Mô hình cấu trúc Mặt Trời Từ Trái Đất ta luôn thấy Mặt Trời hiện lên như đĩa sáng có đường kính góc   0,5o . Điếu này cho ta kêt luận Mặt Trời là khối cầu nóng sáng. Nhờ các thiết bị đo góc chính xác và nhờ nâng cao độ chính xác của phép đo thị sai chân trời, đến nay người ta đo được góc mà tâm Mặt Trời nhìn bán kính Trái Đất, nó có giá trị p= 8,794 “±0,007” . Nếu coi bán kính Trái Đất Rđ = 6400 km ta tính được khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời là D = Rd/p = 150 triệu kilômét (chính xác là 149.597.870 km = 1 đơn vị thiên văn, viết tắt 1 2 là 1 đ.v.t.v). Do đó ta biết thêm bán kính Mặt Trời R   D  696.000km , tức là gấp 109 lần bán kính Trái Đất.[1] Biết Trái Đất hằng ngày quay quanh Mặt Trời với chu kỳ gần 365,25 ngày trên đường elip gần tròn với bán kính 150 triệu kilômét, áp dụng định luật III Kepler tổng quát:[1] Trang 6 a3 G(md  M )  T2 4 2 (2.1) Ta tính được tổng khối lượng Mặt Trời và Trái Đất (md + M)  2.1013 kg . Chúng ta đã biết khối lượng Trái Đất md  6.1024 kg , nên suy ra khối lượng Mặt Trời M  2.1030 kg xấp xỉ 330 nghìn lần khối lượng Trái Đất. Tính trung bình mật độ khối lượng của Mặt Trời là   1,14.103 kg / m3 chỉ nặng gần gấp rưỡi nước và bằng 1/4 khối lượng riêng trung bình của Trái Đất.[1] Coi rằng khối lượng Mặt Trời phân bố đối xứng cầu, ta tính được gia tốc trọng trường tại bề mặt của nó là g R  GM R 2  272m / s 2 , tại đó một vật muốn thoát ra khỏi sức hút Mặt Trời phải có vận tốc tối thiểu là:[1] v  vII  2GM R  620km / s (2.2) Đứng trên Trái Đất, ta nhìn thấy Mặt Trời có cấp sao nhìn thấy m  26,7 và cho rằng Mặt Trời có tuổi thọ không ít hơn tuổi thọ Trái Đất. Điều đó buộc ta phải nghĩ đến nguồn năng lượng nào đã duy trì cuộc đời dài như vậy của Mặt Trời? Qua phép đo năng lượng bức xạ Mặt Trời gửi đến 1cm2 ở Trái Đất đặt vuông góc với phương tia sáng đến trong thời gian 1 phút, sau khi đã hiệu chỉnh mất mát trên đường đi, người ta nhận được giá trị 8,15 Jun. Giá trị đó được đo liên tục trog nhiều năm, ở nhiều nơi cho thấy nó tỏ ra không thay đổi đáng kể. Do đó nó có tên gọi là hằng số Mặt Trời a. Như vậy a  9,05J .cm2 .min 1 . Nếu coi rằng Mặt Trời bức xạ đẳng hướng, nó cách Trái Đất gần 150 triệu kilômét, nên ta tính được công suất bức xạ toàn phần của Mặt Trời là:[1] W = 4 D2.a = 3,9.1026 W (2.3) Công suất này do quả cầu nóng sáng có bán kính R  696.000km phát ra, nên mật độ công suất phát ra của bề mặt Mặt Trời sẽ là:[1]   W / 4 R 2  6,5.1015 W / m2 Trang 7 (2.4) 2.1. Lõi. Hình 2.2: Cấu trúc của lõi Mặt Trời Lõi của Mặt Trời chiếm khoảng 0,2 tới 0,25 bán kính Mặt Trời. Nó có mật độ lên tới 150g/cm³ (150 lần mật độ nước trên Trái Đất) và có nhiệt độ gần 13.600.000 độ K (so với nhiệt độ bề mặt Mặt Trời khoảng 5.800 K). Những phân tích gần đây của phi vụ SOHO cho thấy tốc độ tự quay của lõi cao hơn vùng bức xạ. Trong hầu hết vòng đời của Mặt Trời, năng lượng được tạo ra bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân thông qua một loạt bước được gọi là dãy p – p (proton – proton) (xem hình bên dưới) để biến hydro thành heli. Chưa tới 2% heli được tạo ra trong Mặt Trời có từ chu trình CNO (Cacbon-Nitơ-Ôxy).[5][8] Lõi là vùng duy nhất trong Mặt Trời tạo ra một lượng đáng kể nhiệt thông qua phản ứng tổng hợp, 99% năng lượng được tạo ra do trong 24% bán kính của Mặt Trời, phản ứng tổng hợp phải ngừng như hoàn toàn. Phần còn lại của ngôi sao được đốt nóng bởi năng lượng truyền ra ngoài từ lõi. Sau đó năng lượng được tạo ra bởi sự hợp nhất trong lõi phải đi qua nhiều lớp kế tiếp để chiếu sáng Mặt Trời trước khi trốn thoát vào không gian như ánh sáng Mặt Trời hoặc năng lượng động học giữa các hạt.[5][8] Hình 2.3: Phản ứng tổng hợp hạt nhân Trang 8 Các chuỗi proton - proton xảy ra xung quanh 9,2.1037 lần trong lõi. Từ phản ứng này sử dụng bốn proton (hạt nhân hydro), nó chuyển đổi khoảng 3,7.1038 proton hạt alpha (hạt nhân heli) mỗi giây (trong tổng số  8,9.1056 proton tự do trong Mặt Trời), hoặc khoảng 6,2.1011 Kg. Từ phản ứng hydro thành heli tạo ra 0,7% khối lượng hợp nhất như năng lượng. Mặt Trời tạo ra năng lượng với tốc độ chuyển đổi năng lượng 4.260.000 tấn mỗi giây. Sản xuất năng lượng bằng phản ứng tổng hợp trong lõi khác nhau với khoảng cách từ trung tâm năng lượng Mặt Trời. Tại trung tâm của Mặt Trời, các mô hình lý thuyết ước tính nó sẽ có khoảng 276,5 watt / m 3, một mật độ sản xuất điện mà xấp xỉ như một quả bom nhiệt hạch. Công suất đỉnh trong Mặt Trời đã được so sánh với thể tích nóng tạo ra trong một hoạt động phân đống . Sản lượng điện rất lớn của Mặt Trời không phải là do công suất cao của nó cho mỗi khối lượng, nhưng thay vì do kích thước lớn của nó. [5][8] Tỷ lệ phản ứng tổng hợp trong lõi là một trạng thái cân bằng tự điều chỉnh: một tỷ lệ cao hơn một chút phản ứng tổng hợp sẽ gây ra cốt lõi để làm nóng hơn và mở rộng một chút so với trọng lượng của các lớp bên ngoài, giảm tỷ lệ phản ứng tổng hợp và gây ra các nhiễu loạn, và một tỷ lệ thấp hơn sẽ gây ra cốt lõi để làm mát và giảm nhẹ, tăng tốc độ phản ứng tổng hợp và một lần nữa quay trở lại đến mức hiện tại. [5][8] Các tia gamma (photon năng lượng cao) trong phản ứng nhiệt hạch được hấp thu trong chỉ một vài milimét plasma năng lượng Mặt Trời và sau đó lại phát ra một lần nữa trong một hướng ngẫu nhiên và năng lượng thấp hơn một chút. Do đó phải mất một thời gian dài đối với bức xạ để đạt được bề mặt của Mặt Trời. Theo ước tính, khoảng thời gian đi của photon từ 10.000 đến 170.000 năm. Ngược lại, nó chỉ mất 2,3 giây cho các neutrino, trong đó chiếm khoảng 2% tổng sản lượng năng lượng của Mặt Trời, để đạt được bề mặt. Kể từ khi vận chuyển năng lượng trong Mặt Trời là một quá trình liên quan đến trạng thái cân bằng nhiệt động lực học photon trong với vật chất, quy mô thời gian vận chuyển năng lượng trong Mặt Trời dài hơn, vào thứ tự của 30.000.000 năm. Đây là thời gian nó sẽ có Mặt Trời để trở lại trạng thái ổn định nếu tỷ lệ năng lượng trong cốt lõi của nó đột nhiên thay đổi.[5][8] Tốc độ phản ứng tổng hợp hạt nhân phụ thuộc nhiều vào mật độ và nhiệt độ, vì tốc độ phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra ở lõi trong trạng thái cân bằng tự điều chỉnh: nếu tốc độ phản ứng hơi lớn hơn sẽ khiến lõi nóng lên nhiều và hơi mở rộng chống lại trọng lượng của các lớp bên ngoài, làm giảm tốc độ phản ứng và điều chỉnh sự nhiễu loạn, và nếu tốc độ hơi nhỏ hơn sẽ khiến lõi lạnh đi và hơi co lại, làm tăng tốc độ phản ứng và một lần nữa lại đưa nó về mức cũ. Các photon (tia gamma) nhiều năng lượng phát ra trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân bị hấp thụ trong một plasma Mặt Trời chỉ vài milimét, và sau đó tái phát xạ theo hướng ngẫu nhiên (và ở mức năng lượng khá thấp). Vì thế cần một thời gian dài các bức xạ mới lên tới bề mặt Mặt Trời. Những ước tính về thời gian di chuyển Trang 9 của photon trong khoảng từ 10.000 tới 170.000 năm. Sau chuyến du hành cuối cùng qua lớp đối lưu bên ngoài để tới bề mặt trong suốt của quang quyển, các photon thoát ra như ánh sáng khả kiến. Mỗi tia gamma trong lõi Mặt Trời được chuyển thành hàng triệu photon ánh sáng nhìn thấy được trước khi đi vào không gian. Các neutrino cũng được phát sinh từ các phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi, nhưng không giống như photon, chúng hiếm khi tương tác với vật chất, vì thế hầu như toàn bộ chúng thoát khỏi Mặt Trời ngay lập tức. Trong nhiều năm những đo đạc về số lượng neutrino do Mặt Trời tạo ra cho kết quả thấp hơn các dự đoán lý thuyết khoảng 3 lần. Sự không nhất quán này gần đây đã được giải quyết thông qua sự khám phá các hiệu ứng dao động neutrino. Vì trên thực tế Mặt Trời toả ra số lượng neutrino như các lý thuyết dự đoán, nhưng các máy dò tìm neutrino để lọt mất 2/3 trong số chúng bởi vì các neutrino đã thay đổi hướng.[5][8] 2.2. Vùng bức xạ của Mặt Trời. Trong khoảng từ 0,25 tới khoảng 0,7 bán kính Mặt Trời, vật liệu Mặt Trời đủ nóng và đặc đủ để bức xạ nhiệt chuyển nhiệt độ từ trong lõi ra ngoài. Trong vùng này không có đối lưu nhiệt, tuy các vật liệu lạnh đi khi độ cao tăng lên (từ 7.000.000 °C tới khoảng 2.000.000 °C) làm gradient nhiệt độ này nhỏ hơn giá trị tỷ lệ khoảng đoạn nhiệt (adiabatic lapse rate) và vì thế không thể gây ra sự đối lưu. Nhiệt được truyền bởi sự bức xạ - ion của hydro và heli phát ra các photon, nó chỉ di chuyển một khoảng cách ngắn trước khi bị tái hấp thụ bởi các ion khác. Các photon thực tế bật lên rất nhiều lần xuyên qua vật chất đặc này tới mức của một photon riêng lẻ mất khoảng một triệu năm để tới được lớp bề mặt và vì thế, năng lượng chuyển ra ngoài rất chậm. Mật độ giảm sút hàng trăm lần (từ 20 g/cm³ xuống chỉ 0,2 g/cm³) từ đáy lên đỉnh vùng bức xạ.[5][8] Giữa vùng bức xạ và vùng đối lưu là một lớp chuyển tiếp được gọi là tachocline. Đây là vùng, nơi có sự thay đổi mạnh giữa chuyển động xoay đồng tốc của vùng bức xạ và chuyển động chênh lệch của vùng đối lưu dẫn tới một sự trượt mạnh - một điều kiện nơi các lớp ngang giáp nhau trượt trên nhau. Các dạng chuyển động giống chất lỏng trong vùng đối lưu bên trên dần biến mất từ đỉnh của lớp này xuống đáy của nó, phù hợp với các đặc điểm yên tĩnh của vùng bức xạ trên đáy. Hiện tại, có giả thuyết cho rằng một nguồn phát điện từ bên trong lớp này tạo ra từ trường của Mặt Trời.[5][8] Trang 10 2.3. Vùng đối lưu của Mặt Trời. Trong lớp ngoài của Mặt Trời, từ bề mặt nó xuống xấp xỉ 200.000 km (hay 70% bán kính Mặt Trời), plasma Mặt Trời không đủ đặc hay đủ nóng để chuyển năng lượng nhiệt từ bên trong ra ngoài bằng bức xạ. Vì thế, đối lưu nhiệt diễn ra khi các cột nhiệt mang vật liệu nóng ra bề mặt (quyển sáng) của Mặt Trời. Khi vật liệu lạnh đi ở bề mặt, nó đi xuống dưới đáy vùng đối lưu, để nhận thêm nhiệt từ đỉnh vùng bức xạ. Ở bề mặt nhìn thấy được của Mặt Trời, nhiệt độ đã giảm xuống 5.700K và mật độ chỉ còn 0,2 g/m³ (khoảng 1/10.000 mật độ không khí ở mực nước biển).[5][8] Các cột nhiệt trong vùng đối lưu tạo nên một dấu vết trên Mặt Trời, dưới hình thức hột Mặt Trời (solar granulation) và siêu hột. Sự hỗn loạn đối lưu của bộ phận phía ngoài này của phần bên trong lòng Mặt Trời hình thành một máy phát điện tỷ lệ nhỏ xuất hiện tạo ra từ trường bắc và nam cực trên toàn bộ bề mặt Mặt Trời. Các cột nhiệt của Mặt Trời là các pin Bénard và vì thế thường có hình lăng trụ năm cạnh.[5][8] 2.4. Quang quyển Mặt Trời. Bề mặt nhìn thấy được của Mặt Trời hay quang quyển là lớp mà ở bên dưới nó, Mặt Trời trở nên mờ đục với ánh sáng nhìn thấy được. Trên quang quyển ánh sáng khả kiến của Mặt Trời tự do đi vào không gian, và năng lượng của nó thoát hoàn toàn khỏi Mặt Trời. Sự thay đổi trong độ mờ đục xảy ra vì sự giảm số lượng ion H −, mà chúng dễ dàng hấp thụ ánh sáng. Trái lại, ánh sáng khả kiến mà chúng ta nhìn thấy được tạo ra khi các electron phản ứng với các nguyên tử hydro để tạo ra các ion H−. Quang quyển thực tế dày từ hàng chục tới hàng trăm kilômét, mờ hơn chút ít so với không khí trên Trái Đất. Bởi vì phần phía trên của quang quyển lạnh hơn phần phía dưới, hình ảnh Mặt Trời hiện lên sáng hơn ở trung tâm so với ở cạnh hay rìa của đĩa Mặt Trời trong một hiện tượng được gọi là rìa tối (limb darkening). Ánh sáng Mặt Trời có phổ gần giống với quang phổ vật đen cho thấy nhiệt độ khoảng 6.000K (các vùng sâu có nhiệt độ tới 6.400K trong khi những vùng nông hơn là 4.400K), rải rác với các vạch hấp thụ nguyên tử từ các lớp loãng trên quang quyển. Quang quyển có mật độ hạt ~1023/m3 (khoảng 1% mật độ hạt của khí quyển Trái Đất ở mực nước biển).[5][8] Những nghiên cứu ban đầu về phổ quang học của quang quyển, một số đường hấp thụ được tìm ra không tương ứng với bất kỳ một nguyên tố hoá học nào từng biết trên Trái Đất khi ấy. Năm 1868, Norman Lockyer đưa ra giả thuyết rằng các đường hấp thụ đó là bởi một nguyên tố mới mà ông gọi là "heli", theo tên thần Mặt Trời Hy Lạp Helios. Mãi đến 25 năm sau, heli mới được phân lập trên Trái Đất.[5][8] Trang 11 2.5. Khí quyển Mặt Trời. Hình 2.4: Vùng bí ẩn nằm trong khí quyển thấp của Mặt Trời Khác với các thiên thể không tự phát sáng, Mặt Trời là một quả cầu khí nóng sáng. Các lớp khí ngoài gồm quang cầu, sắc cầu, nhật hoa hợp thành một lớp gọi là khí quyển Mặt Trời. Tại lớp này bức xạ do chúng phát ra mới có khả năng trực tiếp đi đến Trái Đất chúng ta. Quan niệm này hơi khác với trước đây người ta chỉ xem sắc cầu và nhật hoa mới là khí quyển Mặt Trời. Theo tôi, cách phân chia này hợp lý hơn, vì rằng vật chất trên Mặt Trời đều ở trạng thái khí, nhưng do khối lượng toàn bộ Mặt Trời rất lớn nên mật độ khí tại đó rất cao, nhất là càng đi gần tâm của nó. Do mật độ khí lớn, nên hệ số hấp thụ bức xạ điện từ, đặc biệt là bức xạ vùng quang học rất lớn. Do đó ánh sáng do Mặt Trời phát ra dọi trực tiếp vào mắt ta phải đi từ những lớp ngoài cùng của Mặt Trời. Lớp này được xem là khí quyển Mặt Trời với hàm ý nó trong suốt đối với bức xạ quang học. Chụp ảnh Mặt Trời qua ánh sáng trắng (có gắn bộ phận giảm độ dọi) và chụp bằng máy ghi hình Mặt Trời trong ánh sáng đơn sắc (spectroheliograph) H ; CaII, tia X của đài quan sát thiên văn quốc gia Hoa Kỳ năm 1978 cho kết quả ứng với ảnh Mặt Trời ở những mức khác nhau trong khí quyển của nó.[1] a. Quang cầu (Photosphere) Lớp dưới cùng của khí quyển Mặt Trời đúng theo nghĩa đen của từ “quang cầu” là lớp “cầu sáng” (light sphere) phân bố đối xứng qua tâm Mặt Trời có độ dày khoảng 300 đến 500km. Đáy của lớp là mặt cầu chứa những điểm sâu nhất mà ta có thể nhìn được, đỉnh lớp cầu chứa những điểm từ đó các photon của ánh sáng có thể thoát ra khỏi Mặt Trời. Như vậy, quang cầu là lớp đối xứng cầu bao quanh tâm Mặt Trời trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy. Chụp ảnh quang cầu trong ánh sáng nhìn thấy, ta được một đĩa sáng có độ sáng trung bình giảm dần từ tâm ra phía mép đĩa. Các nhà thiên văn gọi đó là hiện tượng tối dần về mép đĩa. Nó là bằng chứng nói lên rằng nhiệt độ trong lòng Mặt Trời tăng dần từ ngoài vào trong. Thật vậy, giả sử ta có thể nhìn sâu vào trong lòng Mặt Trời một Trang 12 khoảng mà ta gọi là khoảng trình l kể từ bên ngoài của quang cầu. Khi đó nếu nhìn thẳng vào tâm đĩa ta nhìn thấy điểm A0, nhìn hơi xa tâm ta lần lượt đến điểm A1, A2… trong mặt phẳng kinh tuyến.[1] lA2 l A1 l A0 Tia nhìn 2 1 O Hình 2.5: Hình ảnh minh họa Rõ ràng A0 gần tâm O hơn A1, A2…. Vị trí ảnh của A0, A1, A2,…ứng với các điểm 0, 1, 2, … Do đó độ sáng ảnh quang cầu phải giảm dần từ tâm tới đĩa. Nếu chụp có đô phân giải cao ta sẽ phát hiện những hạt sáng kích cỡ 700km nằm rãi rác khắp trên nền sẫm tối hơn. Đây là hiện tượng tạo thành hạt sáng trong quang cầu (granulation). Qua phân tích phổ ánh sáng phát ra từ các hạt sáng và miền sẫm tối kề cạnh người ta thấy rằng quang phổ của bức xạ đi từ hạt sáng dịch về phía tím, trong khi đó bức xạ đi từ miền sẫm kế đó lại  vr  dịch về phía đỏ. Áp dụng công thức ta thấy vr  (1  2)km / s . Qua đây có thể thấy  c dòng vật chất trong hạt sáng đang được dâng lên cao còn vật chất ở miền tối kề cạnh đang được hạ xuống vào tâm Mặt Trời. Hiệu ứng tạo thành hạt sáng trên nền quang cầu là biểu hiện của sự đối lưu của vật chất nằm ngay phần dưới quang cầu. Chính sự đối lưu này đã làm cho quang cầu luôn bị dòng vật chất đi từ dưới lên làm nhiễu động gây ra dao động cơ học lan truyền trên mặt quang cầu tựa như sóng âm trong khí quyển Trái Đất. Các máy đo thái dương chấn của GONG đã ghi được dao động này.[1] Vật chất trong quang cầu ở thể khí, nhưng do mật độ cao (từ 10 16-1017hạt/cm3), nên nó phát ra bức xạ phổ liên tục tuân theo gần đúng quy luật bức xạ của vật đen ở nhiệt đô 6000K. Tuy nhiên quang cầu có độ dày đáng kể, lớp xa tâm ở nhiệt độ thấp hơn lớp ở gần. Do đó bức xạ phổ liên tục đi từ lớp dưới khi đi qua lớp khí ở phía trên của quang cầu, do lớp này thưa hơn, nguội hơn nên nó hấp thụ một số bức xạ đơn sắc của bức xạ dọi tới. Kết quả ta được phổ vạch hấp thụ Fraunhoper. Nhờ máy ghi phổ Mặt Trời hiện đại, người ta ghi được hơn 30000 vạch phổ hấp thụ trên bức ảnh phổ dài 13m. Đối chiếu với phổ chuẩn các nguyên tố có mặt ở Trái Đất, và các kiến thức về quang phổ học, người ta đã tìm được các vạch Fraunhoper đó ứng với vạch hấp thụ của nguyên tố hyđro, natri, canxi, sắt … Trang 13 Bằng cách đó đến nay đã tìm được ít nhất 82 nguyên tố có trong số 92 nguyên tố bền ở Trái Đất đều có mặt trong miền khí quyển Mặt Trời. Tuy nhiên đại bộ phận là hyđro, hêli, các nguyên tố khác nặng hơn hêli chỉ chiếm 2% tổng khối lượng quang cầu. (Lý thuyết bức xạ của nguyên tử, phân tử; phương trình Boltzmann, phương trình Saha mô tả điều kiện cân bằng nhiệt động của khí trung hoà và khí ion hoá sẽ cho ta sơ đồ để phân tích định hướng nhờ nghiên cứu phổ vạch hấp thụ).[1] b. Sắc cầu (chromosphere) Sắc cầu là lớp kế tiếp quang cầu có độ dày khoảng 2000km, vật chất tại đó có mật độ quá thấp, chủ yếu là hyđrô, nên hằng ngày nhìn bằng mắt thường hay kính thiên văn thông thường ta không thấy được nó bởi quang cầu ở phía dưới quá sáng. Chỉ khi xảy ra nhật thực toàn phần ta mới thấy sắc cầu sáng lên và có màu hơi đỏ. Nếu cho ánh sáng đó o qua máy ghi phổ ta sẽ được phổ vạch phát xạ tương ứng với đường H (6563 A ) của hyđrô trung hoà, tiếp đến là những đường ứng với nguyên tố Na, Ca, Mg và của ion He. Qua máy đó còn thấy rằng vị trí vạch phát xạ có nhiều đường trùng với những đường của vạch hấp thụ xuất hiện ở lớp phía trên quang cầu mà ta đề cập ở phần trước. Vì lẽ đó sắc cầu có tên gọi là lớp đảo sắc.[1] Phân tích chi tiết phổ vạch phát xạ người ta thấy nhiệt độ của khí trong sắc cầu tăng theo độ cao được thể hiện qua hình (2.6) trong phạm vi từ 4500K đến 400000K.[1] Hình 2.6: Phân tích chi tiết phổ vạch phát xạ Từ hình vẽ này ta thấy rằng tại lớp dưới cùng của sắc cầu khí loãng, lại ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ quang cầu nên tại đó sẽ có phổ hấp thụ Fraunhofer đặc biệt là phổ hấp thụ của dãy Balmer. Tại vùng ở phía trên của sắc cầu, những nơi nhiệt độ là 104K trở lên, khi đó khí sẽ cho phổ vạch phát xạ. Tại sao nhiệt độ sắc cầu càng lên cao càng tăng lên. Điều này được lý giải nếu ta nghiên cứu chi tiết về sự hấp thụ bức xạ đi từ quang cầu lên Trang 14 sự truyền sóng xung kích của sóng âm và sóng âm từ do dao động của vật chất trong quang cầu gây ra.[1] Nếu chụp ảnh Mặt Trời từ máy ghi ảnh trong bức xạ đơn sắc cho thấy hình dạng phía trên của sắc cầu hiện lên trên tia sáng và chi tiết hơn còn sẽ thấy trong sắc cầu tồn tại những thớ sáng hình răng cưa trải ra tận miền tiếp giáp giữa sắc cầu và nhật hoa.[1] c. Nhật hoa (Corona) Nhật hoa là lớp khí quyển cao nhất của Mặt Trời, nó trải dài từ lớp tiếp giáp với sắc cầu đến tận miền không gian chứa các hành tinh như Trái Đất. Tuy nhiên, phía ngoài của nhật hoa không có hình dạng ổn định mà tuỳ thuộc rất nhiều vào mức độ hoạt động của Mặt Trời. Bình thường ta không nhìn thấy nhật hoa vì độ sáng của nó quá yếu so với quang cầu, sắc cầu. Nếu che được ánh sáng đi từ hai lớp ở dưới nó thì nhật hoa sẽ hiện lên như vàng sáng trắng màu ngọc trai. Ảnh chụp Mặt Trời lúc nhật thực toàn phần cho hình ảnh đó. Nếu dùng thiết bị chụp ảnh nhật hoa (coronagraph) ta ghi được phổ nhật hoa trong ánh sáng trắng. Nó chia làm hai phần là nhật hoa dưới (K- Corona) và nhật hoa trên (FCorona). Trong đó phổ liên tục của nhật hoa dưới chứa các thành phần đơn sắc khá giống với phổ liên tục của quang cầu nhưng độ sáng chỉ bằng 10 -6 so với độ sáng tương ứng với bức xạ do quang cầu phát ra. Đây là kết quả ánh sáng do quang cầu gửi tới nó bị các electron trong nhật hoa làm tán xạ gây ra. Phổ liên tục của nhật hoa trên (F- Corona) là do ánh sáng trắng từ quang cầu gửi tới bị các hạt vật chất trong không gian giữa các hành tinh làm tán xạ gây ra, nó chứa vạch hấp thụ và nó trùng với phổ của ánh sáng hoàng đạo (zodiacal light). Những khi Mặt Trời hoạt động mạnh, thành phần phổ nhật hoa dưới biến đổi rất mạnh, độ sáng của nó tăng nhanh và hình dạng nhật hoa trong như những chùm tia sáng trải rộng tạo thành các dòng suối nhật hoa (Corona streamers). Vào những năm Mặt Trời tĩnh, suối nhật hoa quy tụ vùng xích đạo Mặt Trời, nó trải dài xa tâm hơn so với suối ở vùng cực. Phân tích chi tiết phổ liên tục của nhật hoa dưới, người ta xác định được nồng độ electron tự do trong đó khá lớn, nó chiếm ½ nồng độ tổng cộng các hạt tại K-corona. Tuy nhiên, không thấy vạch phổ hấp thụ xuất hiện trên nền phổ tán xạ, mọi sự nhoè của vạch phổ chỉ có thể do hiệu ứng Doppler vì chuyển động nhiệt của các electron tự do. Điều này cho ta đi đến kết luận là nhiệt độ của nhật hoa vào thời kỳ Mặt Trời tĩnh đạt tới vài triệu độ. Kết quả này khá phù hợp với phương pháp xác định phổ nhật hoa qua phổ bức xạ ở miền sóng vô tuyến. Một đặc điểm là trong phổ vạch của nhật hoa xuất hiện một số vạch ứng với sự chuyển giữa các mức siêu bền, các vạch phổ này là bị cấm theo cơ học lượng tử, đồng thời có những vạch ứng với phổ đặc trưng của các nguyên tố nặng bị ion hoá bậc cao phát ra ví dụ Fe X, Fe XIV hay Ca XV. Điều này cũng chứng tỏ mật độ các hạt trong nhật hoa rất gần đạt đến chân không lý tưởng và nhiệt dộ khí ion trong nhật hoa đạt đến một vài triệu độ Kenvin.[1] Trang 15 Nếu chụp ảnh nhật hoa trong bức xạ Roentgen, ta thấy nhật hoa có chứa những “vòng sáng” và những “hố tối” được gọi tương ứng là vòng xoắn nhật hoa và hố nhật hoa. Phép trắc phổ đi từ những miền này cho thấy vật chất trong vòng xoắn nhật hoa chạy dọc theo đường sức từ trường hình vòng cung rồi lại men theo phía bên kia của đường đó để trở lại bề mặt xuất phát, khí ion bị nhốt trong ống đường sức từ trường hình vòng cung đó.[1] Tại những miền có mặt hố nhật hoa, khí ion ở đó thưa hơn, nguội hơn. Các hố nhật hoa thường xuất hiện ở gần miền cực thì tỏ ra ít biến đổi. Nhưng nếu ở những miền ngay trên miền hoạt động của quang cầu (nơi xuất hiện các vết đen) lại tỏ ra biến đổi nhanh. Những miền phát xạ mạnh tia X ở trong nhật hoa chỉ tồn tại trong vòng vài giờ, sau đó nó hoà tan vào trong hố nhật hoa.[1] Các nhà vật lý Mặt Trời cho rằng những chỗ xuất hiện hố nhật hoa đánh dấu những miền tại đó từ trường từ Mặt Trời vươn ra xa tâm Mặt Trời hơn là chảy ngược trở lại. Do đó khí nhật hoa có xu hướng thoát khỏi Mặt Trời chứ không chạy ngược xuống, từ đó hình thành nên gió Mặt Trời, tức là các dòng hạt điện tích đi ra khỏi nhật hoa với tốc độ v = 300 km/s đến 700 km/s tại miền cách nơi phóng ra khoảng 2 lần bán kính Mặt Trời. Gió Mặt Trời đi vào không gian giữa các hành tinh gặp từ trường của hành tinh gây ra hiện tương bão từ, còn khi gặp tầng ion trong khí quyển hành tinh, chúng sẽ tương tác với tầng ion. Đây là vấn đề mà địa vật lý phải quan tâm. [1] 2.6 Từ trường. Hình 2.7: Hình ảnh mô phỏng từ trường của Mặt Trời Mặt Trời là một sao có hoạt động của từ trường. Nó có từ trường biến đổi mạnh mẽ hàng năm và đổi hướng sau 11 năm. Từ trường của Mặt Trời tăng lên gây ra một số hiệu ứng gọi chung là hoạt động của Mặt Trời bao gồm vết đen trên bề mặt của Mặt Trời, vết sáng Mặt Trời, và các bức xạ trong gió Mặt Trời, chúng mang vật chất vào trong Hệ Mặt Trời. Các ảnh hưởng của hoạt động bức xạ này lên Trái Đất như cực quang ở các vĩ độ trung bình đến cao, và sự gián đoạn việc truyền sóng radio và điện năng. Hoạt động của Mặt Trời có vai trò rất lớn trong sự hình thành và tiến hóa của Hệ Mặt Trời và làm thay đổi cấu trúc tầng điện ly của Trái Đất.[5][8] Trang 16 Tất cả vật chất trong Mặt Trời đều ở thể khí và plasma do có nhiệt độ cao. Điều này có thể làm cho vận tốc quay ở vùng xích đạo (khoảng 25 ngày) nhanh hơn ở các vùng có vĩ độ cao hơn (khoảng 35 ngày ở gần các cực). Vận tốc quay khác nhau ở các vĩ độ của Mặt Trời tạo ra các đường sức từ xoắn vào nhau theo thời gian, tạo ra các vòng hoa từ trường phun ra từ bề mặt của Mặt Trời và tạo ra các vết đen Mặt Trời. Sự xoắn vào nhau này làm tăng quá trình phát sinh từ trường của Mặt Trời và gây ra sự đảo từ của Mặt Trời theo chu kỳ 11 năm.[5][8] Từ trường của Mặt Trời mở rộng ra ngoài ranh giới của nó. Plasma trong gió Mặt Trời bị từ hóa mang từ trường của Mặt Trời vào không gian tạo ra từ trường giữa các hành tinh. Vì plasma chỉ có thể chuyển động trên các đường sức từ, từ trường giữa các hành tinh được mở rộng xuyên tâm từ Mặt Trời ra ngoài không gian. Do từ trường ở trên và dưới xích đạo khác nhau về cực hướng vào và hướng ra khỏi Mặt Trời, nên tồn tại một lớp dòng điện mỏng trên mặt phẳng xích đạo được gọi là dải dòng điện nhật quyển (heliospheric current sheet). Ở khoảng cách lớn, sự quay của Mặt Trời xoắn từ trường và dải dòng này thành cấu trúc giống xoắn ốc Archimedes gọi là xoắn ốc Parker. Từ trường giữa các hành tinh mạnh hơn từ trường ở hai cực của Mặt Trời. Từ trường ở hai cực của Mặt Trời 50–400 μT (trong quang quyển) giảm theo hàm mũ bậc ba của khoảng cách và đạt 0,1 nT ở Trái Đất. Tuy nhiên, theo các thăm dò từ tàu không gian cho thấy từ trường giữa các hành tinh ở vị trí của Trái Đất cao hơn khoảng 100 lần so với con số trên, vào khoảng 5 nT. Sự khác biệt này là do từ trường tạo ra bởi dòng điện trong plasma xung quanh Mặt Trời.[5][8] 3. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA MẶT TRỜI Vào năm 1814 lần đầu tiên Joseph Von Fraunhofer (1787 – 1826) đã ghi được ảnh vạch phổ hấp thụ của Mặt Trời.[1] Theo quy tắc hấp thụ Kirchoff, ta thấy rằng phổ vạch phát xạ hoặc hấpthụ là cơ sở để ta nhận biết sự có mặt của nguyên tố đã sản sinh ra phổ vạch đó. Kết hợp với cơ học lượng tử và vật lý thống kê ta biết thêm giá trị số lượng các hạt đã tham gia bức xạ, từ đó biết được độ phổ biến tỷ đối của các nguyên tố có mặt trong môi trường vật chất. Trang 17 Kết quả phân tích phổ vạch hấp thụ cho ta kết quả ở bảng 3.1 [1] Tên nguyên tố Ký hiệu Nguyên tử số nguyên tố Số hạt trong Độ phổ cập cùng một thể tương đối tích ni/N (%) Hyđrô H 1 106 Hêli He 2 98.000 Ôxy O 8 850 Cacbon C 6 400 Nêôn Ne 10 120 Nitơ N 7 100 Sắt Fe 26 47 Magiê Mg 12 38 Silic Si 14 35 Lưu huỳnh S 16 16 Acgon Ar 18 04 Nhôm Al 13 03 Canxi Ca 20 02 Natri Na 11 02 Niken Ni 28 02 Bảng 3.1 : Kết quả phân tích phổ vạch hấp thụ Từ bảng này có thể sơ bộ kết luận rằng Mặt Trời là khối khí trong đó độ phổ cập tương đối của hyđrô chiếm 94%, hêli chiếm 5,87% còn lại 0,13% là các nguyên tố khác nặng hơn hêli có tên chung là nguyên tố kim loại (the metal elecment). Nếu tính theo tỷ lệ phần trăm khối lượng toàn bộ Mặt Trời thì ta có bảng sau :[1] Hyđrô Hêli Ôxy Cácbon Sắt Các nguyên tố khác 78,5% 19,7% 0,86% 0,4% 0.14% 0,54% Bảng 3.2 : Thành phần hóa học của Mặt Trời 3.1. Các nguyên tố sắc bị ion hóa. Trong thập niên 1970, nhiều nghiên cứu tập trung vào sự phong phú của các nguyên tố nhóm sắt trong Mặt Trời. Mặc dù các nghiên cứu này mang lại nhiều ý nghĩa, nhưng Trang 18 việc xác định sự phong phú của các nguyên tố nhóm sắt (như coban và mangan) vẫn còn là khó khăn vào thời điểm đó do các cấu trúc siêu mịn của chúng. Một bộ hoàn chỉnh về độ mạnh dao động đầu tiên của các nguyên tố nhóm sắt bị ion hóa riêng lẻ được thực hiện thành công vào thập niên 1960, và được nâng cấp vào năm 1976. Năm 1978, sự phong phú về các nguyên tố thuộc nhóm sắt bị ion hóa đã được nhận dạng.[5][8] 3.2. Quan hệ sự phân tầng khối lượng giữa hành tinh và Mặt Trời Nhiều tác giả khác nhau đề cập đến sự tồn tại của mối quan hệ phân tầng khối lượng giữa các thành phần đồng vị của Mặt Trời và khí trơ trên các hành tinh, ví dụ như sự tương quan giữa thành phần đồng vị của hành tinh và Mặt Trờ là Ne và Xe. Tuy nhiên, người ta tin rằng toàn bộ Mặt Trời có cùng thành phần như nhau trong khi bầu khí quyển của Mặt Trời vẫn trải rộng và ít nhất là đến năm 1983. Năm 1983, người ta cho rằng có sự phân tầng trên Mặt Trời, chính vì vậy đã tạo ra mối quan hệ phân tầng giữa các thành phần đồng vị của hành tinh và gió Mặt Trời là các khí hiếm.[5][8] 4. SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA MẶT TRỜI Vết đen, số Wolf và chu kỳ hoạt động của Mặt Trời Vết đen là những miền trên quang cầu, có nhiệt độ thấp hơn miền bao quanh (ở cùng một khoảng cách đến tâm Mặt Trời) khoảng vài nghìn độ, có kích thước 10 4km. Vết đen càng rộng có thời gian tồn tại trên quang cầu càng dài, dài nhất khoảng vài tháng. Đặc điểm này lần đầu tiên đã được Galileo sử dụng để phát hiện sự tự quay của quang cầu Mặt Trời. Theo Galieo Mặt Trời tự quay quanh trục với chu kỳ trung bình 28 ngày. Những quan sát chính xác hơn cho thấy Mặt Trời tự quay quanh trục với chu kỳ thay đổi theo vĩ độ B của điểm đó trong hệ toạ độ vật lý Mặt Trời. Sự thay đổi đó thoả mãn biểu thức:   14o ,37  2o60sin 2 B (4.1) B Trong đó B là góc quay được trong một ngày của những điểm có vĩ độ B. Nếu quan sát kỹ một vết ta sẽ thấy: thoạt đầu nó xuất hiện như một chấm mờ sau đó lan rộng ra và ngày càng mờ dần so với miền kề cạnh. Qua chụp phổ và phân tích phổ bức xạ đi từ vết đen ta thấy rằng vết đen bức xạ như một vật đen có nhiệt đô 4000K. Các vạch phổ vạch 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. Qua đo đạc dộ tách hiệu ứng Zeemann thấy rằng từ trường vết đen có giá trị 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 kilômét. Trong quá trình phát triển các vết đen, từ trường tăng dần đến cực đại. Vết đen thường xuất hiện thành từng nhóm, bao gồm nhiều nhóm đôi nhỏ. Trong nhóm đôi, cực từ của hai vết kề cạnh nhau bao giờ cũng ngược nhau. Lý thuyết từ thuỷ động MHD (Magnet hyđrôdynamic theory) do Cawling và Alfven đề xướng giúp ta giải thích một cách Trang 19 định tính sự xuất hiện vết đen. Theo Alfven do có nhiễu động nào đấy làm xuất hiện miền plasma có mật độ electron và nhiệt độ khác nhau, từ đó hình thành các dòng điện có cường độ lớn và kéo theo sinh ra từ trường lớn ở vúng lân cận. Nếu có cơ chế nào đó để chuyển động năng của khối plasma  v 2 / 2 thành năng lượng từ có mật độ B 2 / (8 2 ) thì cảm ứng từ B ở địa phương sẽ tăng dần. Vì plasma có độ dẫn điện lớn nên dường như từ trường bị “đóng keo” vào vật chất đó. Nếu khối plasma đứng yên thì mọi biến thiên của từ trường đều bị từ trường của dòng cảm ứng ngăn lại và từ trường chỉ có thể biến đổi khi các đường sức cảm ứng từ cùng dịch chuyển với dòng vật chất đó. Chính dòng đối lưu trong lòng Mặt Trời đã “nắn thẳng” các đường sức từ, kéo dài nó, dồn nó lại, làm cho từ trường mạnh hơn. Theo cơ chế đại từ trường trong plasma do Fermi đề xướng thì quá trình khuếch đại sẽ dừng lại khi thoả mãn: B2 / 8 2   v2 / 2 (4.2) Tại vùng đối lưu  = 3.10-1kgm-3, v = 0,5kms-1, do đó B đạt đến giá trị gấp hàng trăm lần từ trường Trái Đất chúng ta.[1] Gần đây có người đã cho rằng có thể xem mỗi vết đen như một cuộn dây sôlenôit, “dây” cuốn quanh ống có tiết diện cỡ tiết diện vết đen. Do đó đường kính của ống dây cỡ 103km. Coi rằng “ống dây” dài vô hạn, khi đó trong lòng “ống dây” cảm ứng từ B  4 .107 nI với n là số vòng dây trên một đơn vị chiều dài. Nếu lưu ý tiết diện ống dây cỡ 107km2, có độ dẫn của plasma Mặt Trời nên ta có thể coi đó là cuộn nam châm điện siêu dẫn, do đó nó có thể duy trì mãi từ trường của vết đen cho đến khi có lực khác làm vết đen biến mất, nghĩa là vết đen có thời gian tồn tại khá dài trên quang cầu. Chính từ trướng mạnh ở trong plasma thuộc vùng đối lưu đã ngăn cản sự đối lưu theo phương thẳng đứng làm chậm khả năng di chuyển plasma từ dưới lên trên so với vùng lân cận làm cho nhiệt độ vật chất trong vết đen thấp hơn nhiệt độ quang cầu.[1] Một điểm khá lý thú là tại điểm vết đen tụ lại thành nhóm lớn, khi các vết đen kề cạnh nhau đến mức nào đó, những chỗ B ngược dấu nhau sẽ xảy ra vụ nổ đột ngột làm tăng cường độ bức xạ đến hàng triệu lần trong vài chục phúc rồi từ từ giảm xuống ở khắp mọi bước sóng của thang sóng điện từ kèm theo phóng ra các tia vũ trụ năng lượng thấp hơn các electron, proton, với tốc độ cỡ (500  600) kms-1. Dòng hạt này thực sự là mối nguy hiểm cho các nhà du hành vũ trụ khi đi ra ngoài khoang tàu bảo vệ và có ảnh hưởng lớn đến tầng ion của khí quyển Trái Đất. Vụ nổ ta vừa đề cập có tên gọi là bùng nổ sắc cầu. Công suất bức xạ của một bùng nổ sắc cầu lớn gấp nhiều lần các vụ nổ hạt nhân mà ta đã biết ở Trái Đất. Nếu cơ chế tương tự nhưng xảy ra ở miền nhật hoa ở phía trên nơi có nhóm vết đen có tính chất đã nêu thì ta gọi là bùng nổ nhật hoa. Bùng nổ nhật hoa diễn ra ở vùng bức xạ cực ngắn, vùng tia X của sóng điện từ. Phép đo nhiệt đô cho thấy T  2.107 K tức là gấp 10 lần nhiệt độ vật chất quanh đó. Đây thực sự là vụ nổ cực lớn ở nhật hoa mà cho đến nay vẫn Trang 20 chưa lý thuyết đoán nhận nó, nhưng có thể cho rằng bùng nổ sắc cầu và bùng nổ nhật hoa có liên quan đến sự “huỷ diệt” từ trường dẫn đến sự phóng nhanh năng lượng từ trường đó vào trong miền rất hẹp.[1] Khi trên quang cầu xuất hiện vết đen, nếu ta quan sát Mặt Trời qua ánh sáng đơn sắc o H (6365 A) , các vạch H, K của ion canxi hoặc ghi ảnh Mặt Trời nhờ máy ghi ảnh phổ (spectroheliograms), ta sẽ thấy rằng lúc đó trên khí quyển Mặt Trời cũng xuất hiện các vết khác như tai lửa (prominences), gai lửa (spicules) vv… Vì thế các vết đen có thể được coi là vết đại diện để khảo sát sự hoạt động của Mặt Trời.[1] Đến đây ta có thể nói thời kỳ trên Mặt Trời có nhiều vết đen được gọi là thời kỳ hoạt động của Mặt Trời. Sự hoạt động này không phải thay đổi một cách ngẫu nhiên mà theo quy luật tuần hoàn với chu kỳ xác định. Qua nhiều số liệu đã ghi chép từ thời Galileo và liên tục tiếp sau đó, lần đầu tiên Henrich Schwate đã nhận xét rằng: “Số vết đen quan sát ghi chép lại được tỏ ra biến thiên với chu kỳ 10 năm”. Rudolf Wolf người Thuỵ Sỹ đã tiếp tục quan sát thu thập và xử lý số liệu vết đen do những người khác trước đó và do chính bản thân ông cùng các cộng sự ghi lại được. Ông thấy rằng nếu gọi (4.3) W  k ( f  10 g ) Với k là hệ số tương quan đo thực nghiệm quyết định, f là tổng số vết đen đếm được trên quang cầu (kể cả đứng riêng và quy tụ lại thành nhóm nhỏ), g là số nhóm vết đen thì W tỏ ra biến thiên với chu kỳ 11 năm. Số W được gọi là số Wolf. Wolf đề nghị: Khi W  Wmax là thời kỳ hoạt động mạnh của Mặt Trời còn khi W  Wmin là thời kỳ Mặt Trời tĩnh.[1] Nếu để ý chu kỳ lập lại của cực đại trong các cực đại “địa phương” thì số W tỏ ra biến thiên với chu kỳ dài 90 năm, nghĩa là gần một thế kỷ. Nếu để ý đến cực đại của vết thì chu kỳ phải là 22 năm như G. H.Hale đã nêu ra vào năm 1908. Từ giữa cuối thế kỷ XVIII số liệu quan trắc vết đen được ghi lại đầy đủ và xử lý theo quy định thống nhất, vị trí vết đen được cho trong hệ toạ độ vật lý Mặt Trời mang tên hệ toạ độ Kêringtơn. Do đó chu kỳ bắt đầu từ năm 1755 được coi là chu kỳ thứ nhất. Năm 2006  2007 là cuối của chu kỳ thứ 23 và đầu năm 2008 được coi là đầu của chu kỳ 24, năm hoặc sáu năm sau sự hoạt động của Mặt Trời sẽ đạt cực đại. Một điều lý thú khác là quy luật thay đổi của số Wolf W tỏ ra trùng lặp với quy luật biến thiên của một số hiện tượng địa vật lý, từ quyển, sinh quyển ở Trái Đất chúng ta. Ví dụ độ rộng ở các vành sinh trưởng trên cây cổ thụ, một số nạn dịch bệnh trên Trái Đất, số lượng bão từ, … Có tác giả còn cho rằng hoạt động của Mặt Trời có liên quan tới biến thiên giá trị áp suất trung bình hàng năm ở tầng thấp của khí quyển. [1] Người ta quan niệm ảnh hưởng đó diễn ra theo phác đồ sau: Trang 21 Hình 4.1: Hình ảnh minh hoạ Ta hình dung như sau: Khi Mặt Trời hoạt động mạnh, trên sắc cầu và nhật hoa sẽ xuất hiện bùng nổ làm tăng cường đột ngột bức xạ điện từ ở bước sóng ngắn (tia X, tia tử ngoại), tăng cường bức xạ hạt mang điện và các tia vũ trụ. Những bức xạ điện từ chỉ cần hơn 8 phút sau là chúng có thể xâm nhập vào khí quyển Trái Đất và tương tác với các ion ở tầng điện ly làm tăng cường mật độ điện tích và thay đổi độ cao của tầng điện ly, kết quả làm thay đổi chất lượng liên lạc vô tuyến sóng cực ngắn. [1] Nếu dòng bức xạ từ Mặt Trời phóng ra, tuỳ thuộc vào động năng ban đầu mà nó phải mất khoảng thời gian từ vài chục giờ đến vài ngày sau nó mới xâm nhập vào từ quyển Trái Đất. Bản thân các hạt này mang một phần từ trường vết đen có đặc tính phản từ, nó ép đường sức từ trường Trái Đất cộng với từ trường của dòng cảm ứng làm cho từ trường của Trái Đất thăng gián liên tục gây nên sự dao động của kim la bàn đặt tại đó. Hiện tượng này gọi là bão từ.[1] Chính thông qua cơ chế tương tự, dòng hạt đi từ bùng nổ Mặt Trời khi đến Trái Đất đã làm rối loạn sự hoạt động của các thiết bị tự động đóng ngắt đường dây tải điện cao thế, hoặc thiết bị tự động điều khiển đóng ngắt mạch điện đặt trên các vệ tinh nhân tạo bay quanh Trái Đất. Ngày 06/03/1989 trên Mặt Trời có bùng nổ sắc cầu lớn nhất trong số các bùng nổ cùng loại ghi lại được trong suốt 20 năm trước đó, có thể là nguyên nhân gây ra sự cố mất điện trên đường tải điện xuyên Đông Tây ở Quebec (Canada) vào giữa tháng 3 năm đó, khiến hơn 6 triệu dân phải sống trong đêm không ánh điện. [1] Mặt Trời hoạt động mạnh làm rối loạn tầng khí quyển Trái Đất, làm thay đổi độ cao của tầng đó. Chính điều này đã ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ của các vệ tinh nhân tạo, đến các con tàu vũ trụ, đến tính mạng của các nhà du hành vũ trụ. Việt Nam đã gia nhập cộng đồng khai thác thành tựu của khoa học vũ trụ đưa lại, do đó chúng ta cần phải lưu ý đến các vấn đề này. Nó được đề cập kỹ trong lĩnh vực gọi là khí hậu và thời tiết vũ trụ (Cosmic’s Trang 22 Climate and Weather). Ta biết rằng áp lực do áp suất ánh sáng gây ra cho vệ tinh, sức cản môi trường và tương tác giữa từ trường Trái Đất với dòng điện cảm ứng xuất hiện trong các vỏ kim loại của vệ tinh… là những lực nhiễu loạn làm vệ tinh nhân tạo lẹch khỏi quỹ đạo đã dự tính cho nó. Những lực này đếu có xu hướng làm giảm cơ năng của vệ tinh, kết quả là vệ tinh càng giảm độ cao quỹ đạo và nhanh chóng rơi vào tầng thấp khí quyển rồi bốc cháy. Sự cố tàu Skylab của Mỹ xảy ra vào năm 1997, sự cố trạ vũ trụ mang tên Hoà Bình (The Mir) của Nga vào đầu năm 2001 đều xảy ra xung quanh thời kỳ Mặt Trời hoạt động mạnh.[1] Dòng bức xạ hạt đi từ Mặt Trời còn có tên là gió Mặt Trời, chủ yếu chứa các proton, electron. Dòng hạt này khi gặp từ trường Trái Đất làm biến dạng từ trường đó và có xu hướng đẩy từ trường Trái Đất ra xa Mặt Trời. Bản thân từ trường Trái Đất phản ứng lại không cho dóng gió Mặt Trời xâm nhập vào từ quyển của mình. Một số hạt có năng lượng đủ lớn có thể xâm nhập vào từ quyển. Nhưng dưới tác dụng của lực Lorent, các hạt này phải chuyển động theo đường xoắn ốc men theo đường sức từ trường Trái Đất. [1] Vì từ trường Trái Đất có giá trị lớn ở gần hai địa cực và nhỏ dần ở xích đạo nên quỹ đạo xoắn ốc có “bước xoắn” giảm dần về phía cực từ: một ở gần cực bắc, một ở gần cực nam. Hai điểm này tựa như các điểm trên gương làm phản xa ánh sáng dọi tới nên gọi là các điểm gương (Mirro points).[1] Các điểm gương thuộc vành đai Alen trong nằm ở tầng thấp khí quyển, do đó các hạt mang điện sẽ va cham với phân tử khí làm ion hoá khí và khi tái kết hợp khí ion hoá sẽ phát ra ánh sáng đặc trưng gọi là cực quang (aurorae). Cực quang xảy ra ở những điểm gương gần phía địa cực bắc gọi là bắc cực quang, nếu xảy ra ở gần địa cực nam gọi là nam cực quang. Những năm Mặt Trời hoạt động mạnh, mật độ hạt và năng lượng dòng hạt trong gió Mặt Trời đều tăng cường dẫn đến hạ thấp độ cao các điểm gương, kết quả dẫn đến cơ hội xảy ra cực quang thuận lợi hơn vì thế thời kỳ này dễ quan sát thấy cực quang. [1] Sự hoạt động của Mặt Trời có ảnh hưởng đến khí hậu, thời tiết trên Trái Đất không? Đến nay câu trả lời này có thể có, nhưng theo cơ chế nào thì chưa thật sự rõ. Nhưng chắc chắn nếu có thì phải chịu sự chi phối rất lớn của kgí quyển Trái Đất nên phải có độ trễ nhất định và phải chiếm vị trí đứng sau các yếu tố do chính môi trường Trái Đất gây ra. Do đó cần thấy hết ý nghĩa của các hoạt động bảo vệ môi trường sống trong phạm vi toàn cầu do Liên Hợp Quốc khởi xướng và chỉ đạo thực hiện.[1] Từ năm 1980 đến nay nhiều thiết bị đo đạc cao không đã xác định chính xác công suất bức xạ của Mặt Trời gửi đến Trái Đất. Theo số liệu này thì những năm trên Mặt Trời có nhiều vết (năm Mặt Trời hoạt động mạnh) lượng bức xạ gửi đến Trái Đất tăng lên 0,1% so với năm Mặt Trời tĩnh. Trong khi đó hoạt động của con người ở Trái Đất làm tăng lượng khí gây hiệu ứng nhà kính, bằng chứng là khí hậu toàn cầu đang ấm lên, băng ở hai cực Trang 23 đang tan ra, mực nước đại dương đang dâng lên lấn dần nơi sinh sống của các loài vật trên cạn trong đó có con người, làm ảnh hưởng tới nền văn minh của nhân loại. [1] Nghiên cứu Mặt Trời để thấy rõ hơn vai trò của nó đối với sự thay đổi khí hậu trong quá khứ, hiện tại và tương lai trân Trái Đất chúng ta là rất cần thiết.[1] 5. CÁC GIAI ĐOẠN SỐNG CỦA MẶT TRỜI Mặt Trời hôm nay đã đạt được khoảng nữa phần ổn định nhất trong giai đoạn tồn tại của nó. Nó không thay đổi đáng kể trong vài tỷ năm và có thể kéo dài hơn nữa. Tuy nhiên sau khi phản ứng tổng hợp hydro trong lõi của nó đã dừng lại, Mặt trời sẽ trải qua những thay đổi nghiêm trọng cả trong lẫn ngoài.[5][8] 5.1. Quá trình hình thành Mặt Trời. Mặt Trời được hình thành cách đây khoảng 4,57 tỉ năm từ sự sụp đổ một phần của một đám mây phân tử khổng lồ thành phần chủ yếu là hydro và heli từ đó cho ra đời những ngôi sao khác nhau. Tuổi của các sao được xác định thông qua các mô hình máy tính của sự kiện tiến hóa sao và niên đại học phóng xạ hạt nhân vào khoảng 4,57 tỉ năm. Trong khi phương pháp định tuổi bằng đồng vị phóng xạ của các vật liệu cổ nhất từ Hệ Mặt Trời vào khoảng 4,567 tỉ năm.[5][8] Các nghiên cứu về thiên thạch cổ đại tiết lộ dấu vết của các hạt nhân. Chẳng hạn như sắt-60 được hình thành chỉ trong vụ nổ sao ngắn ngủi. Điều này cho thấy rằng một hoặc nhiều sao tân tinh phải xảy ra gần vị trí mà Mặt Trời hình thành. Một sóng siêu kích từ, một siêu tân tinh có thể đã kích hoạt sự hình thành của Mặt Trời bằng cách nén khí trong các đám mây phân tử và gây ra một số vụ nổ dưới trọng lực của chính nó. Và Mặt Trời là một trong những mãnh của vụ nổ đó, nó cũng bắt đầu quay, do để bảo toàn động lượng và nóng lên với áp lực ngày càng tăng. Phần lớn khối lượng tập trung ở trung tâm, trong khi các phần còn lại phăng ra tạo thành một đĩa và trở thành các hành tinh và các cơ quan hệ thống năng lượng Mặt Trời khác. Trọng lực và áp lực trong lõi của các đám mây tạo ra rất nhiều nhiệt, cuối cùng gây ra phản ứng tổng hợp hạt nhân. Do đó, Mặt Trời được sinh ra. [5][8] 5.2. Giai đoạn chính của Mặt Trời. Mặt Trời hiện đã tồn tại nửa vòng đời của nó theo tiến hóa của các dãy sao chính, trong khi các phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi của nó chuyển hydro thành heli. Mỗi giây có hơn 4 triệu tấn vật chất trong lõi của Mặt Trời được chuyển thành năng lượng, tạo ra neutrino và các dạng bức xạ năng lượng Mặt Trời. Với tốc độ này cho đến nay, Mặt Trời đã chuyển đổi khoảng 100 lần khối lượng vật chất Trái Đất thành năng lượng. Mặt Trời sẽ mất tổng cộng khoảng 10 tỷ năm để kết thúc sự tồn tại của nó trước khi trở thành sao lùn trắng.[5][8] Trang 24 5.3. Khi nguồn hydro trong lõi cạn kiệt. Mặt Trời không có khối lượng đủ lớn để kết thúc vòng đời bằng một vụ nổ tung như siêu tân tinh. Ngược lại, trong vòng 4-5 tỷ năm tới nó sẽ đi tới trạng thái sao khổng lồ đỏ của mình, trạng thái này sẽ diễn ra khi nguồn hyđrô trong lõi cạn kiệt. Sau đó nó bắt đầu phun trào heli và nhiệt độ phần lõi sẽ tăng lên đến 10 triệu độ K và sẽ tạo ra cacbon để trở thành gần như là sao khổng lồ. Các phản ứng nhiệt hạch sẽ sử dụng heli làm nguyên liệu tổng hợp nên các nguyên tố nặng hơn heli, làm cho lớp ngoài cùng của Mặt Trời sẽ giãn nở, đạt đến vị trí bên ngoài quỹ đạo Trái Đất hiện tại, 1AU (1,5.1011 m), gấp 250 lần bán kính hiện tại của Mặt Trời. Tuy nhiên, theo thời gian, khi đạt tới gần một sao khổng lồ đỏ, Mặt Trời sẽ mất đi khoảng 30% khối lượng hiện tại do gió Sao, vì thế các quỹ đạo của các hành tinh sẽ dần chuyển động ra xa. Nếu như thế sẽ làm quỹ đạo Trái Đất dịch ra xa hơn về phía bên ngoài, ngăn không cho nó bị nhấn chìm, nhưng các nghiên cứu mới cho thấy rằng Trái Đất sẽ bị Mặt Trời nuốt chửng do các tương tác thủy triều.[5][8] 5.4. Số phận của Trái Đất Về lâu dài, nước trên Trái Đất và hầu hết không khí của nó cuối cùng sẽ thoát ra không gian. Trong suốt cuộc đời của mình trong dãy chính , Mặt Trời đang trở nên sáng hơn (khoảng 10% mỗi năm 1 tỷ USD) và nhiệt độ bề mặt của nó đang dần tăng lên. Mặt Trời đã từng là mờ nhạt trong quá khứ đầu. Sự gia tăng nhiệt độ năng lượng Mặt Trời là như vậy mà trong khoảng một tỷ năm bầu khí quyển của Trái Đất sẽ không còn đủ lạnh để đóng băng hơi nước ở độ cao cao. Những phân tử nước sau đó sẽ có thể đạt đến đỉnh của bầu khí quyển, mà sẽ dẫn đến nước của Trái Đất thoát vào không gian, làm cho hành tinh không thích hợp cho tất cả cuộc sống trên mặt đất được biết đến. Trái Đất có thể sẽ không tồn tại quá trình chuyển đổi của Mặt Trời thành một người khổng lồ màu đỏ. Tại nơi lớn nhất của nó, Mặt Trời sẽ có bán kính tối đa bên ngoài quỹ đạo hiện tại của Trái Đất, 1 AU (1,5 × 10 11 m ), 250 lần bán kính hiện tại của Mặt Trời. Vào lúc Mặt Trời đã bước vào khổng lồ đỏ tiệm cận, quỹ đạo của các hành tinh sẽ trôi dạt ra ngoài do mất khoảng 30% khối lượng hiện tại của Mặt Trời. Đa phần khối lượng này sẽ bị mất khi tăng gió Mặt Trời. Ngoài ra, khả năng tăng tốc thủy triều sẽ giúp thúc đẩy Trái Đất đến một quỹ đạo cao hơn. Nếu đó chỉ cho điều này, Trái Đất có thể sẽ ở lại bên ngoài Mặt Trời.[5][8] Sau giai đoạn đỏ khổng lồ, các xung nhiệt khổng lồ sẽ làm cho Mặt Trời phun ra các lớp bên ngoài của nó để tạo ra tinh vân. Mặt Trời sau đó sẽ trở thành sao lùn trắng, nguội dần đi vĩnh viễn. Quá trình tiến hóa sao này là rất điển hình đối với những sao có khối lượng thấp đến trung bình.[5][8] 6. MÀU CỦA MẶT TRỜI Nếu ánh sáng khuếch tán chứa nhiều tia màu chàm là bởi vì nó tùy thuộc vào ánh sáng được chuyển đến (mắt ta). Ánh sáng càng thiếu mất màu chàm khi đường đi của nó Trang 25 trong bầu khí quyển càng lớn. Mặt Trời có màu trắng dưới mắt các phi hành gia ngoài vũ trụ (vì không qua một "lăng kính" thiên nhiên nào hết). Nhìn từ Trái Đất, nó có màu vàng khi ở đỉnh đầu. Khi Mặt Trời di chuyển xuống chân trời, nó càng lúc càng đỏ hơn vì ánh sáng của nó đi xuyên qua một lớp khí quyển càng lúc càng dày hơn. [8] Màu của mặt trời hoàng hôn: Hình 6.1: Hình ảnh minh hoạ Mặt Trời lúc hoàng hôn Buổi hoàng hôn, ánh sáng Mặt Trời chiếu một khoảng cách dài hơn (đường xéo d2 dài hơn đường d1) trước khi đến mắt ta. Số phân tử mà ánh sáng dội (bondir) lên đó nhiều hơn rất nhiều nên những màu chàm và tím có nhiều thời gian để bị khuếch tán hoàn toàn. Do sự vắng mặt của thành phần chàm và tím mà thành phần còn lại là vàng và đỏ với một ít xanh lá cây tạo cho bầu trời có màu đỏ tía (pourpre).[8] Hình 6.2: Sơ đồ đường truyền tia sáng Mặt Trời Màu của Mặt Trời bình minh: Hình 6.3: Hình ảnh minh hoạ Mặt Trời lúc bình minh Trang 26 Cũng như Mặt Trời hoàng hôn, Mặt Trời bình minh ở sát chân trời vì trong quá trình xa xôi ánh sáng của nó đã mất đi phần lớn ánh sáng màu chàm và xanh nên còn lại màu cam và đỏ. Mặt Trời bình minh có màu đỏ cam. Mây khuếch tán màu đỏ này khắp mọi hướng nên truyền những màu này đến mắt ta cả một không gian nhuộm đỏ cam thật đẹp.[8] Lúc Mặt Trời mới mọc hoặc sắp lặn không phải toàn bộ ánh sáng Mặt Trời đều tán xạ qua tầng khí quyển dày hơn để đi đến mắt ta, mà một số ánh sáng đã thoát lên phần khí quyển ở ngay phía trên đầu của chúng ta. Mặc dù chỉ có một phần nhỏ ánh sáng đi được tới phần trên này, nhưng đó toàn là các tia sáng màu có bước sóng ngắn trong ánh sáng trắng đã bị tán xạ. Do đó bầu trời trên đầu chúng ta vẫn có sắc thái xanh lam trong khi Mặt Trời bình minh và hoàng hôn có màu vàng, cam và đỏ.[8] Mặt trời xanh : Hình 6.4: Hình ảnh minh hoạ Mặt Trời màu xanh Mặt Trời xanh là kết quả của sự tán sắc dị thường của ánh sáng Mặt Trời trong điều kiện các tạp chất có kích thước so sánh được với bước sóng của phần ánh sáng nhìn thấy. Như đã nói ở phần lí thuyết, định luật Rayleigh chỉ áp dụng được nếu các hạt tạp chất có kích thước bé hơn nhiều lần so với bước sóng của ánh sáng tới (khoảng 0,001μm). Khi các vi thể tạp chất có kích thước r = 0,7 μm thì ánh sáng Mặt Trời sẽ tán xạ một cách dị thường: phần màu đỏ của quang phổ Mặt Trời bị tán xạ mạnh hơn nên phải thoát ra ngoài đường nhìn của ta, còn phần màu xanh bị tán xạ yếu hơn lại lọt vào mắt người quan sát. Lúc này Mặt Trời không còn sáng như bình thường hoặc đỏ như lúc mới mọc mà lại trông thấy có màu xanh.[8] Trong khí quyển có chứa các hạt nước, nhỏ nhất là các hạt chứa trong mây có kích thước r = 3 -5 μm. Trong sương mù các giọt có r = 5 - 50 μm, còn trong mưa thì các giọt nước có r = 0,1- 2,5 μm. Không có giọt nước có kích thước vào cỡ r = 0,7 μm, cho nên ta dễ hiểu vì sao bình thường không có thấy hiện tượng Mặt Trời xanh. Tuy nhiên vào ngày 26 tháng 9 năm 1951 người dân ở nhiều nước Tây Âu đã sững sờ xúc động vì một cảnh Trang 27 tượng kì lạ: Mặt Trời ban ngày có màu xanh biển thẳm, còn về buổi tối thì Mặt trăng cũng có màu xanh.[8] Được trang bị bằng lí thuyết tán xạ ánh sáng, người ta đã mau chóng tìm ra nguyên nhân gây nên hiện tượng dị thường về màu sắc này. Là do gió thổi từ Canada ở bên kia bờ Đại Tây Dương đã đem theo những đám mây khổng lồ gồm các hạt nhựa cây bốc bay lên từ những đám cháy rừng rộng lớn tại đỉnh Albert của nước này. Đo đạc kích thước của các hạt nhựa cây và các tham số ứng với tán xạ dị thường của ánh sáng trong không khí, người ta thu được kết quả hoàn toàn đúng như lí thuyết đã dự đoán. Người dân Tây Âu hiểu rõ cơ sở khoa học của hiên tượng Mặt Trời và Mặt Trăng màu xanh nên không còn lo sợ vì những…điềm báo dữ của một tai họa mơ hồ nào đó mà một số người vì tư lợi thường hay tung tin để lừa bịp dân chúng.[8] 7. ÁNH SÁNG MẶT TRỜI Hình 7.1: Hình ảnh minh hoạ Ánh sáng Mặt Trời là một phần của bức xạ điện từ, đặc biệt là các tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy và các tia cực tím. Trên Trái Đất, ánh sáng Mặt Trời được lọc qua bầu khí quyển của Trái Đất và khi Mặt Trời ở trên đường chân trời thì lúc đó là ban ngày. Khi bức xạ Mặt Trời trực tiếp không bị chặn bởi các đám mây, thì ánh nắng Mặt Trời là sự kết hợp của ánh sáng và bức xạ nhiệt. Khi bị chặn lại bởi những đám mây hoặc phản chiếu các đối tượng khác thì nó là ánh sáng khuếch tán. Các tổ chức Khí tượng Thế giới sử dụng thuật ngữ "thời gian ánh nắng Mặt Trời" có nghĩa là thời gian tích lũy. Trong thời gian đó một khu vực nhận trực tiếp bức xạ từ Mặt Trời ít nhất là 120 watt cho mỗi mét vuông.[6][7] Ánh sáng Mặt Trời trong không gian ở trên cùng của bầu khí quyển củaTrái Đất với mức công suất 1.366 watt/m2 bao gồm (bằng tổng số năng lượng) khoảng 50% ánh sáng hồng ngoại, 40% ánh sáng nhìn thấy, và 10% tia cực tím. Ở cấp độ mặt đất này giảm khoảng 1120-1000 watt/m2, và phần năng lượng đến 44% ánh sáng nhìn thấy, 3% tia cực tím (với Mặt Trời ở đỉnh cao, nhưng ít hơn ở góc độ khác), và phần còn lại là tia hồng ngoại. Như vậy, ánh sáng Mặt Trời của thành phần trên mặt đất, mỗi mét vuông, với ánh nắng Mặt Trời ở đỉnh cao, khoảng 527 watt của bức xạ hồng ngoại, 445 watt của ánh sáng nhìn thấy, và 32 watt của tia cực tím bức xạ.[6][7] Trang 28 Ánh sáng Mặt Trời có thể được ghi lại bằng cách sử dụng máy ghi âm ánh nắng Mặt Trời, pyranometer hoặc pyrheliometer. Ánh sáng Mặt Trời có khoảng 8,3 phút để tới được Trái Đất. Trên trung bình, phải mất năng lượng từ 10.000 đến 170.000 năm để lại bên trong của Mặt Trời và sau đó được phát ra từ bề mặt như ánh sáng.[6][7] Ánh sáng Mặt Trời trực tiếp có hiệu quả chiếu sáng khoảng 93 lumen trên mỗi watt của thông lượng bức xạ . Ánh sáng Mặt Trời cung cấp độ rọi khoảng100.000 lux hoặc lumen trên mỗi mét vuông trên bề mặt của Trái Đất. Tổng lượng năng lượng nhận được trên mặt đất từ Mặt Trời ở đỉnh cao là 1004 watt cho mỗi mét vuông, trong đó gồm có 527 watt của bức xạ hồng ngoại, 445 watt của ánh sáng nhìn thấy và 32 watt của tia cực tím bức xạ. Ở trên cùng của ánh sáng Mặt Trời không khí chiếm khoảng 30% dữ dội hơn, với hơn ba lần so với phần nhỏ của tia cực tím (UV), với hầu hết các tia cực tím thêm bao gồm sinh học gây hại sóng ngắn cực tím. Thành phần: Hình 7.2: Biểu đồ thể hiện năng lượng Mặt Trời và bức xạ quang phổ trên bầu khí quyển và bề mặt. Mặc dù năng lượng Mặt Trời có nguồn gốc từ tia cực tím và bức xạ X-quang, các tia chỉ chiếm một số lượng rất nhỏ của sản lượng điện của Mặt Trời (xem quang phổ ở trên). Quang phổ của nó gần như tất cả năng lượng Mặt Trời bức xạ điện từ đập vào bầu khí quyển của Trái Đất kéo dài một phạm vi 100 nm đến khoảng 1 mm. Bức xạ có thể được chia thành năm khu vực theo thứ tự tăng bước sóng : Tia cực tím C (UVC) kéo dài từ 100nm đến 280 nm. Các tia cực tím thực tế là các bức xạ ở tần số cao hơn so với ánh sáng màu tím (và do đó cũng thấy được bằng mắt thường ). Do sự hấp thụ bởi bầu không khí rất ít đạt đến bề mặt Trái Đất. Phổ bức xạ này có tính sát trùng và được sử dụng trong đèn diệt khuẩn . Tia cực tím B (UVB) mở rộng phạm vi 280nm - 315 nm. Nó cũng được hấp thụ rất nhiều bởi khí quyển, cùng với UVC chịu trách nhiệm về phản ứng quang hóa dẫn đến việc sản xuất của tầng ozone . Trực tiếp làm tổn hại DNA và gây cháy nắng . Tia cực tím A (UVA) kéo dài 315nm đến 400 nm, từng được tổ chức để ít gây tổn hại cho DNA và do đó được sử dụng trong mỹ phẩm.Tuy nhiên, tia cực tím A bây giờ gây Trang 29 ra thiệt hại đáng kể cho DNA qua những con đường gián tiếp (hình thành của các gốc tự do và loài ôxy phản ứng ) và có thể gây ung thư.[6][7] Có thể nhìn thấy nhiều ánh sáng kéo dài từ 380-780 nm.Trong phạm vi này có thể thấy được bằng mắt thường. Nó cũng là phạm vi sản lượng mạnh nhất của tổng phổ bức xạ của Mặt Trời. Tia hồng ngoại phạm vi kéo dài từ 700 nm đến 106 nm (1 mm ). Nó có cũng góp một phần quan trọng của bức xạ điện từ tới Trái Đất. Nó cũng được chia thành ba loại trên cơ sở của bước sóng: Hồng ngoại A: 700 nm đến 1400 nm Hồng ngoại B: 1.400 nm đến 3.000 nm Hồng ngoại C: 3.000 nm đến 1 mm. Độ sáng thực tế của ánh sáng Mặt Trời sẽ được quan sát thấy ở bề mặt cũng phụ thuộc vào sự hiện diện và thành phần của một bầu khí quyển. Ví dụ như bầu khí quyển dày Venus ' phản ánh hơn 60% ánh sáng Mặt Trời nó nhận được. Sự chiếu sáng thực tế của bề mặt là khoảng 14.000 lux, tương đương với trên Trái Đất vào ban ngày với những đám mây u ám.[6][7] Ánh sáng Mặt Trời trên sao Hỏa sẽ được nhiều hơn hoặc ít hơn như ánh sáng ban ngày trên Trái Đất đeo kính râm, có thể được nhìn thấy trong các hình ảnh được chụp bởi các cỗ, có đủ bức xạ trên bầu trời khuếch tán rằng bóng tối sẽ không có vẻ đặc biệt là bóng tối. Do đó nó sẽ cung cấp cho nhận thức và cảm thấy rất giống với ánh sáng ban ngày trên Trái Đất.[6][7] Đối với sự sống trên Trái Đất: Sự tồn tại của gần như tất cả sự sống trên Trái Đất được thúc đẩy bởi ánh sáng từ Mặt Trời. Ánh sáng Mặt Trời là một yếu tố quan trọng trong quang hợp của thực vật để chuyển đổi năng lượng ánh sáng , thường từ ánh nắng Mặt Trời thành năng lượng hóa học có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho các hoạt động của nó. Chẳng hạn như động vật, sử dụng ánh sáng Mặt Trời gián tiếp bằng cách tiêu thụ các sản phẩm của sinh vật tự dưỡng, hoặc bằng cách tiêu thụ sinh vật tự dưỡng.[6][7] Cơ thể sản xuất vitamin D từ ánh sáng Mặt Trời (cụ thể từ tia cực tím ánh sáng), và ẩn dật quá mức từ Mặt Trời có thể dẫn đến thiếu hụt trừ khi có số lượng đầy đủ thông qua ăn uống.[6][7] Thiếu ánh sáng Mặt Trời được xem là một trong những nguyên nhân chính của rối loạn tình cảm theo mùa (SAD), một hình thức nghiêm trọng của "mùa đông blues". SAD xảy ra phổ biến hơn ở các địa điểm xa hơn từ các vùng nhiệt đới, và hầu hết các phương pháp điều trị (trừ thuốc theo toa) liên quan đến liệu pháp ánh sáng , ánh sáng Mặt Trời tái Trang 30 tạo thông qua đèn để điều chỉnh bước sóng của ánh sáng nhìn thấy được, hoặc bóng đèn toàn phổ.[6][7] Một nghiên cứu gần đây cho thấy tiếp xúc nhiều hơn với ánh nắng Mặt Trời đầu tiên, giảm nguy cơ ít hơn từ bệnh đa xơ cứng (MS) sau này trong cuộc sống. [6][7] 8. VỊ TRÍ VÀ CHUYỂN ĐỘNG TRONG DẢI NGÂN HÀ Hình 8.1: Sự chuyển động của tâm tỉ cự của hệ Mặt Trời tương đối với Mặt Trời. Sự chuyển động của Mặt Trời liên quan đến khối tâm của Hệ Mặt Trời trở nên phức tạp do các nhiễu loạn từ các hành tinh. Cứ mỗi vài trăm năm chuyển động này lại thay đổi giữa cùng hướng và ngược hướng với các thiên thể khác. Mặt Trời nằm gần rìa trong của nhánh Orion của Ngân Hà, trong đám mây liên sao hoặc vành đai Gould, với khoảng cách giả thuyết 7,5–8,5 kpc (25.000–28.000 năm ánh sáng) tính từ tâm Ngân Hà, nằm bên trong không gian khí nóng loãng, có thể được tạo ra từ phần còn sót lại của siêu tân tinh, Geminga, một nguồn phát xạ tia gamma sáng chói. Khoảng cách giữa nhánh và các nhánh gần đó là nhánh Perseus vào khoảng 6.500 năm ánh sáng.[5][8] Điểm apec của đường đi của Mặt Trời là hướng mà Mặt Trời đi qua không gian của thiên hà. Hướng chung của chuyển động của Mặt Trời thẳng về sao Vega gần chòm sao Hercules, với góc gần 60 độ khối (sky degree) so với hướng của tâm Ngân Hà. Nếu một người nào đó quan sát Mặt Trời từ Alpha Centauri, hệ sao gần nhất, Mặt Trời sẽ xuất hiện trong chòm sao Cassiopeia.[5][8] Quỹ đạo của Mặt Trời xung quanh Ngân Hà được cho là dạng elip có một chút nhiễu do các nhánh xoắn ốc và sự phân bố khối lượng không đồng nhất của thiên hà. Thêm vào đó, Mặt Trời dao động lên và xuống so với mặt phẳng thiên hà khoảng 2,7 lần trong một quỹ đạo. Đều này tương tự như một dao động điều hòa đơn giản không có lực kéo nào. Đã từng có trang bình luận rằng sự chuyển động của Mặt Trời xuyên qua các nhánh xoắn ốc mật độ cao hơn đôi khi bằng với các sự kiện tuyệt chủng lớn trên Trái Đất, có lẽ là do làm tăng các sự va chạm (impact event). Hệ Mặt Trời mất khoảng 225–250 triệu năm để Trang 31 hoàn thiện một vòng quỹ đạo của nó trong Ngân Hà (hay một năm ngân hà). Vì vậy, tổng số vòng quay của Mặt Trời quanh Ngân Hà là khoảng 20–25 trong cuộc đời đã qua của nó. Vận tốc quỹ đạo của Hệ Mặt Trời so với tâm của Ngân Hà vào khoảng 251 km/s. Với vận tốc này, nó mất khoảng 1.400 năm để Hệ Mặt Trời đi được một khoảng cách của một năm ánh sáng, hay tám ngày để đi được 1 AU.[5][8] 9. CÁC VẤN ĐỀ VỀ CÁC HỌC THUYẾT 9.1. Neutrino Mặt Trời. Nếu phản ứng tổ hợp proton thành hạt nhân 24 He theo chu trình pp1 thì photon được sinh ra là các lượng tử gamma. Tại nơi sinh ra, lượng tử gamma có quãng dường tự do vào cỡ l  1cm , để vượt qua quãng đường bằng bàn kính Mặt Trời theo (VI.3.4), photon đó phải đi theo con đường dích dắc, do đó phải mất hằng triệu năm mới thoát ra khỏi quang cầu. Hơn nữa khi ra khỏi Mặt Trời nó đã qua vô số lần tương tác với vật chất nên đã thay hình đổi dạng. Điều này có nghĩa là bức xạ điện từ đến từ Mặt Trời không phải là “người” trực tiếp đưa các hiện tượng xảy ra trong lòng nó nữa.Tuy nhiên, ngoài lượng tử gamma, phản ứng tổ hợp p – p còn sản sinh ra nơtrino không mang điện, có khối lượng hoặc bằng không, hoặc nếu có thể không lớn hơn 10-6 khối lượng của electron. Nơtrino chuyển động với tốc độ gần tốc độ ánh sáng, hầu như không tương tác với vật chất nên chỉ mất 2 giây để vượt quãng đường bằng bán kính Mặt Trời và khoảng 8,5 phút sau là đến chúng ta. Nếu tạo ra được thiết bị bắt giữ nơtrino đến từ Mặt Trời ta sẽ biết chính xác môi trường vật chất đã sản ra chúng góp phần xác định độ xác thực của các lý giải về cấu trúc và nguốn gốc sản sinh ra năng lượng Mặt Trời.[1] Xác suất tương tác giữa nơtrino và vật chất nó gặp trên đướng đi thấp đến nỗi khi qua môi trường chứa đầy chì (Pb) trên quãng đường bằng một năm ánh sáng, nơtrino vẫn không bị các phân tử chì trên đó bắt dừng lại. Nhưng số nơtrino sinh ra trong lõi Mặt Trời được phóng ra không gian theo mọi hướng lại lớn đến mức mà một người đứng ở Trái Đất xoè bàn tay ra có thể có hàng tỷ hạt nơtrino xuyên qua chỉ trong một giây lát. [1] Trong hàng tỷ nơtrino đó nếu chúng đi qua một vài đồng vị có ở Trái Đất sẽ có một số ít trong chúng tương tác với các đồng vị rồi biến chúng thành đồng vị phóng xạ. C Cl    37Cl Ví dụ 2 4 Ga    Ge Nơtrino gặp H2O làm cho H2O phát quang. Các máy dò tìm nơtrino hoạt động dựa trên tính chất vừa nêu chứa đến hàng trăm nghìn lít các chất kể trên, được đặt sâu trong lòng đất trên đó có khối đá dày hàng chục mét làm nắp đậy. Kết quả suốt trong một năm ròng, máy thu với khả năng thu gom lớn nhất cũng chỉ ghi được không quá vài chục hạt nơtrino.[1] Trang 32 Vì tầm quan trọng của việc thu nhận nơtrino đến từ Mặt Trời đối với vật lý Mặt Trời và vật lý các sao, nên hiện nay trên thế giới một số quốc gia như Mỹ, Nhật, Canada đều độc lập lắp đặt các thiết bị đếm nơtrino tại các hầm sâu trong lòng đất. Kết quả: Các thiết bị đếm đều cho cùng kết quả và đều chỉ đạt được khoảng từ 13  1 2 số lượng nơtrino được dự đoán theo lý thuyết. Về sau họ cùng thay Cl bằng Gali để tăng khả năng bắt nơtrino năng lượng thấp, nhưng cũng chỉ thu được từ 1 2  2 3 số hạt dự kiến. Các nhà khoa học gọi tình trạng này là vấn đề nơtrino Mặt Trời (the solar neutrino problem). Vấn đề này được lý giải theo những cách khác nhau như sau:  Phải chăng trong lòng Mặt Trời không có phản ứng nhiệt hạch?  Các thí nghiệm chưa được thiết kế, lắp đặt thật chính xác trước khi làm thí nghiệm?  Tốc độ diễn ra phản ứng p – p trong lòng Mặt Trời diễn ra chậm hơn so với tính toán lý thuyết hiện nay?  Có nhiều loại nơtrino sinh ra trên đường đi đã thay đổi dạng biến thành nơtrino khác với khi nó được sinh ra ban đầu, trong khi đó máy thu chỉ thu được một loại nơtrino nhất định nào đó. Để biết chi tiết, chúng ta có thể tham khảo giáo trình hạt cơ bản và vật lý tia vũ trụ. Tại đây ta cần chú ý rằng chính trên con đường tìm cách lý giải kết quả đo nơtrino Mặt Trời nhằm giúp ta hiểu rõ hơn về cấu trúc vật chất, các nhà thiên văn đã học được nhiều điều bất ngờ thuộc vật lý hạt cơ bản buộc ta phải thay đổi nhận thức trước đây về cấu trúc và các tính chất của toàn bộ vũ trụ. Đặc biệt, trong thí nghiệm đo nơtrino ở trạm đặt tại Kamiokande (Nhật Bản), máy dò đã ghi và xác định được nơtrino đến từ bùng nổ sao siêu mới SN1987A, một vụ nổ sao siêu mới diễn ra trong thiên hà láng giềng với thiên hà chúng ta.[1] Như vậy, trong khi thái dương chấn học cho nhiều chứng cớ quan trắc đưa lại ủng hộ lý thuyết mô tả cấu trúc Mặt Trời, ngược lại thực hành đo nơtrino vẫn cho nhiều kết quả khá kỳ lạ so với những gì mà lý thuyết hiện nay đã dự đoán. [1] 9.2. Nhiệt độ vành nhật hoa Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời (quang quyển) vào khoảng 6.000 K. Bên trên nó là vành nhật hoa, nhiệt độ lên đến 1 - 2 triệu K. Nhiệt độ của vành nhật hoa cao cho thấy rằng nó đã bị nung nóng bởi một cơ chế nào đó khác với sự đối lưu nhiệt trực tiếp từ quang quyển.[5][8] Người ta cho rằng năng lượng cần thiết để làm nóng vành nhật hoa được cung cấp bởi sự chuyển động hỗn loạn trong đới đối lưu nằm dưới quang quyển, và có hai cơ chế chính đã được đề xuất để giải thích về nhiệt độ cao của vành nhật hoa. Trang 33  Thứ nhất là nung nóng bằng sóng, các sóng từ thủy động hoặc trọng lực được tạo ra bởi sự rối trong đới đối lưu. Các sóng này chuyển động hướng lên và bị tán xạ vào vành nhật hoa, tích tụ năng lượng của chúng trong lớp không khí xung quanh ở dạng nhiệt.  Thứ hai là nung nóng bởi từ trường, theo đó năng lượng từ được hình thành một cách liên tục bởi sự chuyển động của quang quyển và được giải phóng thông qua tái liên kết từ trường ở dạng các vết sáng Mặt Trời lớn và vô số các dạng tương tự với kích thước nhỏ hơn. Hiện tại, chưa có câu trả lời rõ ràng rằng có phải các sóng ảnh hưởng đến cơ chế nung nóng này hay không. Tất cả các sóng trừ sóng Alfvén đã được phát hiện là tán xạ hoặc phản xạ trước khi chúng chạm đến vành nhật hoa. Thêm vào đó, các sóng Alfvén không dễ dàng tán xạ vào vành nhật hoa. Các nghiên cứu hiện tại tập trung theo hướng cơ chế nung nóng bởi các vết sáng Mặt Trời.[5][8] 9.3. Sao trẻ Các mô hình lý thuyết về sự phát triển của Mặt Trời cho rằng cách đây khoảng 3,8 đến 2,5 tỉ năm, vào liên đại Thái Cổ, Mặt Trời chỉ sáng bằng khoảng 75% so với hiện nay. Như một ngôi sao yếu nó không thể duy trì lượng nước ổn định trên bề mặt Trái Đất, và sự sống đã có thể không phát triển. Tuy nhiên, các chứng cứ địa chất chứng minh rằng Trái Đất đã trải qua ở chế độ nhiệt độ tương đối ổn định trong suốt thời kỳ lịch sử của nó, và nói rằng Trái Đất trẻ vào thời điểm nào đó trong quá khứ đã ấm hơn hiện nay. Các cuộc tranh luận giữa các nhà khoa học cho rằng khí quyển của Trái Đất trẻ chứa nhiều khí nhà kính (như cacbon dioxide, metan và amoniac) hơn hiện tại, các khí này giữ nhiệt đủ để làm cân bằng nhiệt độ Trái Đất từ một lượng nhỏ năng lượng Mặt Trời đi đến Trái Đất.[5][8] 9.4. Các dị thường hiện tại Mặt Trời hiện tại đang thể hiện những bất thường theo nhiều cách.  Nó đang trong giai đoạn giữa của thời kỳ ít vết đen Mặt Trời bất thường, thời kỳ này kéo dài hơn và tỷ lệ các ngày không có vết đen cao hơn bình thường. Từ tháng 5 năm 2008, các dự đoán về sự tăng cường hoạt động của vết đen sắp xảy ra đã bị phủ nhận.  Có thể đo đạc được độ mờ; lượng phát xạ giảm 0,02% ở các bước sóng khả kiến và 6% ở các bước sóng EUV so với các mức ở thời kỳ tối thiểu vết đen gần nhất. Qua hai thập kỷ gần đây, vận tốc gió Mặt Trời giảm 3%, nhiệt độ giảm 13%, và mật độ giảm 20%.  Cường độ từ trường Mặt Trời giảm phân nửa so với thời kỳ thấp nhất cách đây 22 năm. Toàn bộ nhật quyển lấp đầy trong Hệ Mặt Trời đã bị co lại, làm tăng độ bức xạ vũ trụ lên khí quyển Trái Đất.[5][8] Trang 34 10. THÁM HIỂM MẶT TRỜI 10.1. Những hiểu biết trước đây Hình 10.1: Thần Mặt Trời Helios cưỡi xe ngựa Chariot trong hình dung của người Hy Lạp cổ đại (Tranh của Johann Baptist thế kỷ 18) Hiểu biết cơ bản nhất của nhân loại về Mặt Trời đó là một đĩa sáng trong bầu trời, khi nó xuất hiện thì gọi là ban ngày, còn khi nó biến mất là ban đêm. Trong các nền văn hóa cổ đại và tiền sử, Mặt Trời được xem là thần Mặt Trời hay các hiện tượng siêu nhiên khác. Thờ cúng Mặt Trời là tâm điểm của các nền văn minh như Inca ở Nam Mỹ và Aztec thuộc Mexico ngày nay. Một số tượng đài cổ được xây dựng với ý tưởng kết hợp với các hiện tượng liên quan đến Mặt Trời. Ví dụ như các cự thạch đánh dấu một cách chính xác đông chí hoặc hạ chí (các cự thạch nổi tiếng phân bố ở Nabta Playa, Ai Cập, Mnajdra, Malta và ởStonehenge, Anh). Vào thời kỳ La Mã, ngày sinh của Mặt Trời là ngày nghỉ để kỉ niệm Sol Invictus chỉ sau đông chí mà ngày nay gọi là Christmas. Dựa theo các sao cố định, Mặt Trời xuất hiện từ Trái Đất xoay một lần mất một năm theo mặt phẳng hoàng đạo xuyên qua mười hai chòm sao, và vì thế các nhà thiên văn học Hy Lạp cho rằng nó là một trong 7 hành tinh(Hy Lạp planetes nghĩa là "đi lang thang"), sau đó nó được đặt tên cho 7 ngày trong tuần trong một số ngôn ngữ.[5][8] 10.2. Sự hiểu biết cùng với tiến bộ khoa học 10.2.1. Trước công nguyên Vào đầu thiên niên kỷ thứ nhất trước công nguyên (TCN), các nhà thiên văn học Babylon đã quan sát thấy rằng sự chuyển động của Mặt Trời theo đường hoàng đạo là không đồng nhất, mặc dù họ không biết tại sao như thế; với kiến thức ngày nay thì đó là do Trái Đất chuyển động theo quỹ đạo elip quanh Mặt Trời, khi đó Trái Đất sẽ chuyển động nhanh hơn khi nó ở gần Mặt Trời tại điểm cận nhật và chậm hơn khi nó ở xa điểm viễn nhật. Trang 35 Một trong những người tiên phong nêu ra lời giải thích khoa học về Mặt Trời là nhà triết học người Hy Lạp Anaxagoras (500-428 TCN). Ông cho rằng Mặt Trời là quả cầu lửa kim loại khổng lồ, thậm chí lớn hơn Peloponnesus, và không phải là xe ngựa chariot của thần Mặt Trời Helios. Khi giảng về vấn đề dị giáo này, ông đã bị bỏ tù bởi nhà cầm quyền và bị tuyên án tử hình, mặc dù sau đó ông được phóng thích bởi sự can thiệp của Pericles. Sau đó hai thế kỷ, vào thế kỷ 3 TCN nhà toán học, thi sĩ, thiên văn học người Hy Lạp Eratosthenes đã ước tính khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời vào khoảng 400 vạn và 800.000 thước đo tầm xa (stadia), việc giải nghĩa vẫn chưa rõ ràng, nó ám chỉ hoặc 4.080.000 stadia (755.000 km) hoặc 804.000.000 stadia (148 đến 153 triệu km); con số sau là chính xác với sai số vài phần trăm.[5][8] 10.2.2. Công nguyên Vào thế kỷ thứ nhất, nhà toán học, thiên văn học người Alexandria Ptolemy đã ước tính khoảng cách này gấp khoảng 1.210 bán kính Trái Đất. Vào thế kỷ thứ VIII, nhà toán học, thiên văn học người Ba Tư Yaqūb ibn Tāriq đã ước tính khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời gấp 8.000 lần bán kính Trái Đất, một con số lớn nhất về đơn vị thiên văn cho đến thời điểm đó.[5][8] Những đóng góp cho thiên văn học của người Ả rập như Albatenius phát hiện rằng hướng độ lệch tâm của Mặt Trời đang thay đổi, và Ibn Yunus quan sát hơn 10.000 vị trí của Mặt Trời trong nhiều năm bằng thiết bị đo độ cao thiên thể. Sự chuyển động của Sao Kim được Avicenna quan sát đầu tiên vào năm 1032 và ông kết luận rằng Sao Kim nằm gần Trái Đất hơn Mặt Trời, còn quan sát đầu tiên về sự chuyển động của Sao Thủy do Ibn Bajjah thực hiện vào thế kỷ thứ XII. Nhà vật lý người Ả rập Alhazen, đã nghiên cứu các đặc điểm của ánh sáng Mặt Trời bằng các thí nghiệm với camera trong buồng tối obscura, được miêu tả trong quyển Sách quang học (1021), và đã minh họa rằng Mặt Trời là nguồn cung cấp ánh sáng cho Mặt Trăng. Để tạo nên công trình của ông vào thế kỷ XIII, Qutb alDin al-Shirazi và Theodoric của Freiberg đã đưa ra các giải thích chính xác về hiện tượng cầu vồng, còn Kamāl al-Dīn al-Fārisī đã xác nhận thông qua các thí nghiệm bằng camera obscura rằng màu sắc của hiện tượng cầu vồng là sự phân tán của ánh sáng Mặt Trời. Trong thế kỷ XIII, nhà thiên văn học đạo Hồi Maghribi đã ước tính đường kính Mặt Trời khoảng 255 lần đường kính Trái Đất, con số này lớn gấp đôi con số hiện tại được chấp nhận.[5][8] Trang 36 10.2.3. Thuyết nhật tâm Hình 10.2: Mô hình Mặt Trời với Mặt Trời ở tâm của Copernicus Giả thuyết này cho rằng Mặt Trời là trung tâm của quỹ đạo chuyển động của các hành tinh được Aristarchus của Samos (310-230 TCN) đưa ra vào thế kỷ III TCN, và sau đó Seleucus của Seleucia cũng theo thuyết này. Quan điểm triết học quan trọng này đã được phát triển thành mô hình toán học dự đoán một cách hoàn chỉnh về hệ nhật tâm vào thế kỷ XVI bởi Nicolaus Copernicus. Vào đầu thế kỷ XVII, việc phát minh ra kính viễn vọng đã cho phép quan sát một cách chi tiết hơn về vết đen Mặt Trời do Thomas Harriot, Galileo Galileivà các nhà thiên văn khác thực hiện. Galileo đã thực hiện một số quan sát vết đen Mặt Trời bằng kính viễn vọng và thừa nhận rằng chúng nằm trên bề mặt của Mặt Trời hơn là các vật thể nhỏ chuyển động qua khoảng không giữa Trái Đất và Mặt Trời. Các vết đen Mặt Trời cũng được các nhà thiên văn Trung Quốc quan sát vào thời nhà Hán (206 TCN - 220 CN), họ đã duy trì ghi chép các quan sát này trong vài thế kỷ. Averroes cũng đưa ra một miêu tả về các vết đen Mặt Trời trong thế kỷ XII. [5][8] Năm 1672 Giovanni Cassini và Jean Richer xác định được khoảng cách đến Sao Hỏa và đã tính được khoảng cách đến Mặt Trời. Isaac Newton quan sát ánh sáng Mặt Trời bằng lăng kính, và thấy nó được tạo thành từ nhiều màu sắc. Trong khi đó vào năm 1800 William Herschel phát hiện ra bức xạ hồng ngoại nằm gần ánh sáng đỏ trong quang phổ của Mặt Trời. Thập niên 1800 phát triển mạnh các kính quang phổ nghiên cứu về Mặt Trời, và Joseph von Fraunhofer đã thực hiện các quan sát đầu tiên về các vạch hấp thụ quang phổ, vạch mạnh nhất vẫn thường được gọi theo tên của ông là vạch Fraunhofer. Khi mở rộng dải quang phổ của sánh sáng từ Mặt Trời thì có một số màu bị mất được phát hiện.[5][8] 10.2.4. Thiên văn học hiện đại Vào những năm đầu tiên của kỷ nguyên khoa học hiện đại, nguồn năng lượng Mặt Trời vẫn là vấn đề còn nhiều bí ẩn. Lord Kelvin đã đề nghị: Mặt Trời là một vật thể lỏng đang lạnh đi một cách từ từ vì vậy nó đang phát ra nhiệt dự trữ bên trong lòng nó. Sau đó, Kelvin và Hermann von Helmholtz đưa ra cơ chế Kelvin-Helmholtz để giải thích lượng Trang 37 năng lượng tỏa ra này. Tuy nhiên, kết quả tính tuổi Mặt Trời chỉ có 20 triệu năm, một con số rất nhỏ so với các tính toán mà các dấu hiệu địa chất lúc đó đưa ra là ít nhất 300 triệu năm. Năm 1890 Joseph Lockyer, người đã phát hiện ra heli trong quang phổ của Mặt Trời, đã đưa ra giả thuyết thiên thạch về sự hình thành và tiến hóa của Mặt Trời. [5][8] Mãi cho đến năm 1904 thì vấn đề này mới được giải quyết. Ernest utherford cho rằng lượng bức xạ Mặt Trời có thể đã được duy trì bởi một nguồn nhiệt bên trong nó, và đó là hoạt động phân rã phóng xạ. Tuy nhiên, Albert Einstein là người đã đưa ra mối quan hệ giữa nguồn năng lượng phát ra từ Mặt Trời với phương trình cân bằng khối lượng - năng lượng E = mc2.[5][8] Năm 1920, Sir Arthur Eddington đề xuất rằng áp suất và nhiệt động trong lõi của Mặt Trời có thể phát sinh một phản ứng hợp hạch hạt nhân theo đó các hạt nhân hydro (proton) hợp lại tạo ra hạt nhân heli, quá trình này sinh ra năng lượng, đồng thời sẽ làm giảm dần khối lượng. Lượng hydro chiếm ưu thế trong Mặt Trời được Cecilia Payne xác nhận vào năm 1925. Quan điểm lý thuyết về tổng hợp hạt nhân được các nhà vật lý thiên văn Subrahmanyan Chandrasekhar và Hans Bethe phát triển vào thập niên 1930. Hans Bethe đã tính toán chi tiết hai phản ứng sinh năng lượng chính trên Mặt Trời. [5][8] Sau cùng, một bài báo có ảnh hưởng lớn của Margaret Burbidge được xuất bản năm 1957 với tựa là "Sự tổng hợp các nguyên tố của các Sao" ("Synthesis of the Elements in Stars"). Bài báo đã minh hoạ một cách thuyết phục rằng hầu hết các nguyên tố trong vũ trụ đã và đang được tổng hợp bằng các phản ứng hạt nhân bên trong các ngôi sao, giống như Mặt Trời.[5][8] 10.3. Những thiết bị giúp chúng ta thu thập số liệu về Mặt Trời Mặt Trời chiếm vị trí số một về độ dọi sáng. Bằng mắt thường ta khó nhìn thẳng vào Mặt Trời, do đó để quan sát nó ta phải dùng phin lọc sáng bảo vệ mắt và các thiết bị ghi nhận khác tránh bị bức xạ Mặt Trời thiêu cháy.[1] Vì độ dọi sáng lớn, nên nếu hướng kính thiên văn lên Mặt Trời, dễ gây ra hư hỏng kính. Nếu vô ý nhìn Mặt Trời qua kính thiên văn không có phin lọc giảm sáng thì chắc chắn bị hỏng mắt. Do đó ta chỉ nhìn Mặt Trời qua kính khi biết chắc phía trước vật kính đã được gắn thêm phin lọc giảm độ dọi sáng hoặc được gắn thêm phin lọc đơn sắc (thường là 0 phin lọc H cho bức xạ có   6563 A  đi qua). Ngay cả khi có phin lọc giảm độ dọi sáng, người ta cũng khi nhìn trực tiếp qua kính, mà thướng nhìn ảnh Mặt Trời được chiếu lên màn gắn phía sau kính.[1] Quan sát Mặt Trời diễn ra ban ngày, tuy khá thuận lợi vế bố trí thời gian, nhưng vấn đề chống nóng không chỉ đơn thuần bảo vệ cho thiết bị khỏi thiêu cháy, mà còn phải giảm thiểu loạn lưu của khí quyển quanh không gian đặt kính. Do đó các nhà thiên văn phải thiết kế đài quan trắc chuyên dụng trong đó chứa đựng các kính dẫn bức xạ Mặt Trời, kính thiên Trang 38 văn quan sát Mặt Trời, kính thiên văn quan sát Mặt Trời (Solar Telescope) và các thiết bị bổ trợ khác.[1] Nhờ những dụng cụ chuyên dụng như máy đo độ dọi sáng, máy trắc phổ Mặt Trời, đến nay chúng ta đã biết khá nhiều thông tin về hình dạng, kích thước, nhiệt độ và thành phần các nguyên tố hoá học cấu tạo nên Mặt Trời. Từ khi kính thiên văn đầu tiên nghiên cứu Mặt Trời ra đời năm 1956 cho đến nay đã xuất hiện nhiều thiết bị chuyên dụng khác được đưa ra ngoài khí quyển Trái Đất để quan trắc Mặt Trời. Trong số những thiết bị đó, máy ghi ảnh Doppler – Michelson MDI (Michelson Doppler Imager), máy đo sự thay đổi nhỏ của bức xạ quang cầu và dao động nhỏ của trường hấp dẫn VIGO nhưng rất nhạy với tần số thấp, thiết bị đó có tên là GOLF (Global Oscillation at low frequence). Nhật hoa – nơi mật độ vật chất rất thấp, nhiệt độ lại rất cao – là một môi trường chứa nhiều điều khó hiểu đối với vật lý thông thường. Vì lẽ đó các nhà thiên văn đã thiết kế ra thiết bị ghi phổ nhật hoa (Coronagraph spectrometer), máy thăm dò môi trường nhật hoa CDS (Coronal Diagnostics Spectrometric coronagraph), máy ghi phổ nhật hoa ở góc rộng LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph). Kết hợp với kính thiên văn chụp ảnh làm việc ở vùng sóng tử ngoại EUIT (Extreme Ultraviolet Imaging Telescope) đã đưa lại một kho dữ liệu phong phú về Mặt Trời. Qua sự gia công của các chuyên gia vật lý Mặt Trời, chúng ta đã biết được những nét khái quát như sau về Mặt Trời.[1] 11. MẶT TRỜI VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG KHỔNG LỒ Hình 11.1: Hình chụp Mặt Trời dưới ánh sáng nhìn thấy được a. Nguồn gốc năng lượng của Mặt Trời Mặt Trời bức xạ ra không gian xung quanh với công suất trung bình là 3,9.1026W trong suốt thời gian khoảng 4,6 tỷ năm và còn có thể duy trì khoảng chừng ấy thời gian nữa. Vậy ta thử xem năng lượng này bắt nguồn từ đâu? Có thể do năng lượng của phản ứng hoá học của các chất tạo nên Mặt Trời chăng? Tính toán chi tiết cho thấy nguồn gốc năng lượng này quá bé chỉ đủ duy trì mức độ bức xạ như hiện nay của Mặt Trời trong vòng 30 năm. Ta có thể nghĩ tới một kiểu phản ứng hiệu suất 100% tức toàn bộ vật chất tạo nên Mặt Trời đều chuyển thành năng lượng theo công thức E = mc2. Khi đó Mặt Trời có thể tồn tại trong vòng 1013năm. Trang 39 Tuy nhiên các nguyên tố nặng trong Mặt Trời có số nơtron và proton bằng nhau mà hạt proton thì cực kỳ bền vững nên chúng không thể tự phát chuyển thành năng lượng dưới dạng bức xạ.[1] Năng lượng hấp dẫn có đủ khả năng không? Người đầu tiên có ý tưởng tìm nguồn gốc năng lượng Mặt Trời từ thế năng hấp dẫn là Kenvin và ý tưởng này phát triển mạnh ở đầu thế kỷ XX. Áp dụng định lý Virial (Virial Theorem), ta thu được cơ năng vật chất tạo ra Mặt Trời được tính theo công thức. E 3 GM 10 R 2 (11.1) Cho rằng xưa kia Mặt Trời vẫn có khối lượng như bây giờ, có bán kính vô cùng lớn do hấp dẫn nó dồn nén đến kích thước bây giờ thì phần năng lượng do chêng lệch đó đã chuyển thành nhiệt năng rồi từ đó thành năng lượng bức xạ ra không gian sẽ là : 3 GM E  (E 2  E1 )  0  ( 10 R 2 3 GM ) 10 R 2 (11.2) Mặt Trời duy trì công suất bức xạ như hiện nay trong thời gian  thì:  E  107 năm tức chỉ khoảng chục triệu năm W Tháng 8/1989 trên tạp chí Scientific American trang 90 – 96 đăng bài viết về kỹ thuật tính tuổi đất đá theo quy luật phóng xạ cho thấy tuổi Mặt Trời ít nhất khoảng 4,6 tỷ năm. Vì vậy năng lượng hấp dẫn vẫn không đủ để duy trì cuộc sống của Mặt Trời. Vậy bây giờ ta đi tìm từ nguồn năng lượng hạt nhân Năng lượng hạt nhân có thể là năng lượng phân hạch hoặc năng lượng nhiệt hạch do phản ứng tổ hợp hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn. Chú ý phân tích để chứng tỏ rằng trong lòng Mặt Trời hội tụ đầy đủ điều kiện để có phản ứng nhiệt hạch và nguồn năng lượng đó đủ để duy trì cuộc sống lâu dài của Mặt Trời. Đồng thời qua đây ta sẽ hình dung được sự tiến hoá và số phận tương lai của Mặt Trời và các thành viên của hệ, trong đó có Trái Đất chúng ta.[1] Điều kiện để có phản ứng tổ hợp hạt nhân nhẹ: môi trường đó phải giàu nguyên tố nhẹ, nguyên tử các nguyên tố đó phải được ion hoá tức là phải bóc hết lớp vỏ các electron quay quanh hạt nhân để chỉ còn lại các hạt nhân. Đến lượt các hạt nhân nhẹ phải tiến đến gần nhau sao cho khoảng cách tương đối giữa chúng phải nhỏ hơn bán kính tác dụng của lực hạt nhân r0 = 10-15m. Muốn tiến đến khoảng cách đó chúng phải đủ năng lượng để thắng thế năng Coulomb kq1q2/r. Thực ra do hiệu ứng đường hầm các hạt nhân nhẹ chỉ cần đến khoảng cách sao cho r  D với D là bước sóng de Broglie ứng với chuyển động nhiệt của các hạt nhẹ đó.[1] Trang 40 Ta thử xem trong lòng Mặt Trời có hội tụ đủ cả ba điều kiện đó không? Mặt Trời có 94% tổng số hạt là hyđrô lại ở nhiệt độ trung bình T = 3.106K nên rõ ràng hyđrô ở gần tâm Mặt Trời đều bị ion hoá thành các hạt proton mang điện dương. [1] Điều kiện ba được viết lại dưới dạng:   v 2 Z Z e2   1 2 r  2  h  r  D  v  2    v  3 kT  2 2  Z1Z 2 e 2  h2 h2      D 2 Z Z e2 2D2 4 ( Z1Z 2e2 )2    1 2  D  T  2 2 3kh2  3 kT  Z1Z 2 e  T  2Z1Z 2 e  2  D 3k D (11.3) Áp dụng k = 1,38.10-23, h = 6,62.10-34Js, Z1=Z2=1; e = 1,6.10-19C;   mp 2 thì T  107 K tức hàng chục triệu độ Kenvin. Chú ý ta có T  3.106 K , ta tính được Tquang cầu = 6000K, chứng tỏ càng vào sâu trong lòng nhiệt độ càng tăng và chắc chắn phải tăng nhanh để gần tâm T  107 K . Sau phản ứng nó toả ra năng lượng E  m.c2 , mà trong phản ứng 4 11 p  24 He  E thì E vào cỡ từ 18,24 MeV  19,8 MeV  26,6 MeV tuỳ đó là ppIII, ppI hay ppII.[1] Hiện nay theo lý thuyết hạt nhân và những hiểu biết về Mặt Trời, người ta cho rằng phản ứng ppI diễn ra theo trình tự sau: 1 1 H  21H  12 H  10 e   e (1, 44MeV ) 2 1 H  11H  23 He   (5, 49MeV ) 3 2 He  23 He  24 He  11H  11H (12,9MeV ) Kết quả 411H  24 He  2e  2e  2 với độ hụt khối m  0,03mp (bằng 0,03 lần khối lượng môt hạt proton) đang diễn ra trong Mặt Trời và trong các sao loại G2. [1] Tính chi tiết ta sẽ thấy rằng Mặt Trời nếu tiêu thụ năng lượng như mức độ hiện nay thì có thể tồn tại thêm 5 tỷ năm nữa.[1] Đến đây ta có thể hỏi tại sao không xảy ra trực tiếp 4 11H  24 He mà phải trải qua nhiều bước trung gian giữa từng cặp hạt? Lý giải chi tiết sẽ vuột ra ngoài yêu cầu của thiên văn đại cương, nhưng ta có thể tạm hiểu: sự va chạm của các hạt ở nhiệt độ cao là sự kiện ngẫu nhiên, tuân theo quy luật xác suất thống kê. Do đó xác suất để đồng thời có 4 hạt 11H cùng gặp nhau sẽ nhỏ hơn rất nhiều xác suất gặp nhau giữa từng cặp hạt. Một chú ý thứ hai cần được đề cập ở đây là tại sao năng lượng nhiệt hạch toả ra cực lớn như vậy, vật chất trong lòng Mặt Trời bằng cách nào khống chế được tốc độ diễn ra phản ứng để không xảy Trang 41 ra hiện tượng bùng nổ kiểu bom hạt nhân nếu tốc độ phản ứng quá lớn, hoặc Mặt Trời sẽ sụp đổ nếu trọng lực vượt quá áp suất bức xạ do tốc độ phản ứng hạt nhân quá bé. Vấn đề là chỗ tốc độ diễn ra phản ứng nhiệt hạch thay đổi rất nhanh khi thay đổi nhiệt độ môi trường (với chu trình pp tốc độ tăng theo T4, chu trình C – N – O tăng theo T15). Ta thử tưởng tượng vì một lý do nào đó tốc độ phản ứng nhiệt hạch tăng, năng lượng toả ra sẽ làm tăng áp suất bức xạ dẫn đến sao giãn nở tới kích thước mới sao cho cân bằng với áp suất nén do hấp dẫn. Nhưng sự giãn nở sẽ làm nhiệt độ vật chất trong sao giảm xuống, lập tức là giảm tốc độ phản ứng nhiệt hạch và vì thế là áp suất bức xạ sẽ giảm gây ra trạng thái co lại của sao. Sao bị co lại sẽ tăng nhiệt độ trở lại. Kết quả sự cân bằng sẽ được tái thiết lập giữa tốc độ phản ứng nhiệt hạch và sự nén do hấp dẫn, khi tốc độ phản ứng giữ giá trị không đổi.[1] Đến đây ta có thể hình dung được rằng đến khi dùng hết nhiên liệu phản ứng nhiệt hạch, áp suất bức xạ giảm nhanh, sự cân bằng thuỷ tĩnh bị phá vỡ, khi đó vật chất trong lòng sao bị nén lại do lực hấp dẫn đòi hỏi phải có lực mới để chống lại sự nén hấp dẫn. Nếu lực chống đỡ không có hoặc không đủ thì sẽ diễn ra sự sụp đổ của sao do hấp dẫn. [1] b. Sự chuyển tải năng lượng từ trong lòng ra ngoài của Mặt Trời Kinh nghiệm hằng ngày cho chúng ta biết rằng nhiệt năng được sinh ra trong một quá trình nào đó, tại một vùng xác định sẽ không định xứ tại đó mà sẽ truyền ra xung quanh có thể theo một, hai hay cả ba phương thức: truyền qua con đường bức xạ, truyền trực tiếp, truyền dẫn nhờ đối lưu của khối vật chất. Năng lượng toả ra từ phản ứng nhiệt hạch diễn ra trong lòng Mặt Trời, chính xác hơn là tại miền lõi bao quanh tâm Mặt Trời, cách tâm từ 0  0, 2R , ở đó T  15 triệu độ, được truyền ra ngoài bằng hai cách: nó khuếch tán ra ngoài qua vùng bức xạ (radiation zone) nhờ cơ chế hấp thụ và phát xạ lại. Cụ thể là tại vùng lõi nhờ phản ứng nhiệt hạch, giả sử một photon có năng lượng   hf được sinh ra, nó không thể chạy thẳng ra ngoài mà nó phải chạy qua vô vàn va chạm với các hạt lân cận, bị tán xạ, bị hấp thụ và phát xạ lại. Kết quả photon đó đi theo con đường dích dắc với vô số lần đổi hướng, thay đổi hình dạng nên mất một khoảng thời gian không dưới một triệu năm mới thoát khỏi quãng cầu để đi vào vũ trụ và có thể đến chúng ta. Lý thuyết truyền bức xạ cho s ta biểu thức tính số lần chuyển động dích dắc N   2 với     K   ds , là độ dài quang 0 học của môi trường mà bức xạ  đi qua. Muốn vượt qua quãng đường d, một photon có năng lượng   hf có quãng đường tự do trong lõi Mặt Trời l  1cm sẽ phải đi theo đường dích dắc qua N khúc thoả mãn d  l N . Điều này giải thích nếu chỉ hình thức bức xạ lại thì không đủ để truyền năng lượng từ lõi Mặt Trời ra ngoài. Tiếp sức cho cách truyền bức xạ là truyền bằng đối lưu. Hình thức này diễn ra mạnh ở miền trên vùng bức xạ và nằm ngay dưới quang cầu và có phần thuộc quang cầu.[1] Trang 42 Tại sao ở vùng đối lưu, cơ chế bức xạ lại không hiệu nghiệm bằng truyền đối lưu. Nguyên nhân chính là càng đi xa tâm, nhiệt độ môi trường càng giảm. Tại miền tiếp giáp với biên giới trên vùng bức xạ, nhiệt độ thấp tạo cơ hội để electron kết hợp với proton thành nguyên tử hyđrô trung hoà. Khi đó môi trường vật chất vùng này trở nên rất không trong suốt, các photon không thể thoát ra ngoài nên nhiệt độ vùng đó tăng cục bộ làm khí giãn nở địa phương, hình thành những khối khí nóng nhẹ dâng lên gặp khí lạnh nó truyền bớt nhiệt nên lạnh và nặng hơn xung quanh nên bị ngụp sâu trở lại. Nếu chụp ảnh quang cầu ta thấy trên tấm ảnh xuất hiện độ sáng không đồng đều. Đĩa sáng quang cầu có nhiều hạt sáng với kích thước cực đại có thể tới 1500km rãi rác trên nền đĩa kém sáng hơn, các nhà thiên văn gọi là các hạt sáng (granula). Cấu trúc hạt sáng là chứng cớ nói lên sự tồn tại miền đối lưu ở phía dưới quang cầu.[1] Ứng dụng của năng lượng Mặt Trời. Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu.[5][8] Có thể trực tiếp thu lấy nguồn năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng như pin Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống như máy điều hòa Mặt Trời. [5][8] Năng lượng các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa.[5][8] Một phản ứng hóa học tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được coi là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghệ của thế kỷ XIX đến XXI đã và đang tận dụng. Nó cũng chính là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn. [5][8] Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được. Trái Đất trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này.[5][8] Trang 43 Điện năng có thể tạo ra từ năng lượng Mặt Trời dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện.[5][8] Hiện nay các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng Mặt Trời có các hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây:  Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ Mặt Trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 400oC.  Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị theo phương Mặt Trời để tập trung năng lượng Mặt Trời đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới 1500oC. Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng Mặt Trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả đối với những nước đang phát triển.[5][8] Năng lượng Mặt Trời nguồn năng lượng sạch, tiềm tàng nhất đang được loài người quan tâm. Đó là nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng Mặt Trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề mang tính thời sự.[5][8] Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng Mặt Trời, trãi dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ Mặt Trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100 – 175 Kcal/cm2.năm (4,2 – 7,3 GJ/m2.năm) do đó việc sử dụng năng lượng Mặt Trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao.[5][8] Năng lượng Mặt Trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt Trời, đã được khai thác bởi con người từ thời cổ đại bằng cách sử dụng một loạt các công nghệ phát triển hơn bao giờ hết. Bức xạ Mặt Trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng lượng Mặt Trời như sức gió và sức sóng, sức nước và sinh khối, làm thành hầu hết năng lượng tái tạo có sẵn trên Trái Đất. Chỉ có một phần rất nhỏ của năng lượng Mặt Trời có sẵn được sử dụng.[5][8] Nhiệt Mặt Trời: Công nghệ nhiệt Mặt Trời có thể được sử dụng cho đun nước nóng, sưởi ấm không gian, làm mát không gian và quá trình sinh nhiệt.  Nước nóng. Hệ thống nước nóng năng lượng Mặt Trời sử dụng ánh sáng Mặt Trời để làm nóng nước . Trong vĩ độ địa lý thấp (dưới 40 độ) 60-70% sử dụng nước nóng với nhiệt độ lên đến 60 °C có thể được cung cấp bởi hệ thống sưởi ấm Mặt Trời. Các loại phổ biến nhất của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời được sơ tán thu ống (44%) và thu gom tấm kính Trang 44 phẳng (34%) thường được sử dụng nước nóng trong nước; và các nhà sưu tập không tráng nhựa (21%) sử dụng chủ yếu để làm nóng bể bơi. Hình 11.2: Hình ảnh máy nước nóng  Hệ thống sưởi ấm, làm mát và thông gió. Tại Hoa Kỳ, hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) chiếm 30% (4,65 EJ) năng lượng được sử dụng trong các tòa nhà thương mại và gần 50% (10,1 EJ) năng lượng sử dụng trong các tòa nhà dân cư. Công nghệ sưởi ấm, làm mát và thông gió năng lượng Mặt Trời có thể được sử dụng để bù đắp một phần năng lượng này. Hình 11.3: Toà nhà sử dụng hệ thống sưởi ấm, làm mát và thông gió Nhiệt khối là vật liệu bất kỳ có thể được sử dụng để lưu trữ nhiệt nóng từ Mặt Trời trong trường hợp của năng lượng Mặt Trời. Các vật liệu nhiệt khối phổ biến bao gồm đá, xi măng và nước. Chúng đã được sử dụng trong lịch sử ở vùng khí hậu khô hạn và khu vực ôn đới ấm để giữ mát các tòa nhà bằng cách hấp thụ năng lượng Mặt Trời vào ban ngày và bức xạ nhiệt đã lưu trữ để không khí mát vào ban đêm. Tuy nhiên, chúng cũng có thể được sử dụng trong khu vực ôn đới lạnh để duy trì sự ấm áp. Kích thước và vị trí của nhiệt khối phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện khí hậu, chiếu sáng bằng ánh sáng ngày và bóng râm. Khi kết hợp đúng cách, nhiệt khối duy trì nhiệt độ không gian trong một phạm vi thoải mái và làm giảm sự cần thiết để sưởi ấm phụ trợ và thiết bị làm mát. [5][8] Trang 45 Điện Mặt Trời phát điện dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện. Sử dụng năng lượng Mặt Trời chỉ bị giới hạn bởi sự khéo léo của con người. Một phần danh sách các ứng dụng năng lượng Mặt Trời sưởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lượng Mặt Trời, qua chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, nước nóng năng lượng Mặt Trời, nấu ăn năng lượng Mặt Trời, và quá trình nhiệt độ cao nhiệt cho công nghiệp purposes. Để thu năng lượng Mặt Trời, cách phổ biến nhất là sử dụng tấm năng lượng Mặt Trời.[5][8] Pin Mặt Trời hay tế bào quang điện (PV), tế bào năng lượng Mặt Trời là một thiết bị chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện. Các tế bào năng lượng Mặt Trời đầu tiên được xây dựng bởi Charles Fritts trong những năm 1880. Năm 1931, một kỹ sư người Đức, tiến sĩ Bruno Lange, phát triển một tế bào hình ảnh bằng cách sử dụng selenua bạc ở vị trí của oxit đồng. Mặc dù tế bào selenium nguyên mẫu chuyển đổi ít hơn 1% ánh sáng tới thành điện năng, cả hai Ernst Werner von Siemens và James Clerk Maxwell đều nhận ra tầm quan trọng của phát hiện này. Sau công trình của Russell Ohl trong những năm 1940, các nhà nghiên cứu Gerald Pearson, Calvin Fuller và Daryl Chapin tạo ra tế bào năng lượng Mặt Trời silicon vào năm 1954. Những tế bào năng lượng Mặt Trời ban đầu có giá 286 USD mỗi watt và đạt hiệu suất 4,5 - 6%.[5][8] Hình 11.4: Hình ảnh pin Mặt Trời Hóa học năng lượng Mặt Trời Quá trình hóa học năng lượng Mặt Trời sử dụng năng lượng Mặt Trời để dẫn dắt phản ứng hóa học. Năng lượng Mặt Trời gây ra các phản ứng hóa học có thể được chia thành nhiệt hóa hoặc quang hóa. Một loạt nhiên liệu có thể được sản xuất bởi quang hợp nhân tạo. Xúc tác hóa học đa điện tử liên quan trong việc đưa ra các nhiên liệu carbon (như methanol) từ giảm carbon dioxide là một thách thức một sự thay thế khả thi là hydrogen sản xuất từ proton, mặc dù sử dụng nước như là nguồn gốc của các điện tử Trang 46 (như các nhà máy) đòi hỏi phải làm chủ quá trình oxy hóa đa điện tử của hai phân tử nước ôxy phân tử.[5][8] Công nghệ sản xuất Hydrogen là một phạm vi quan trọng của nghiên cứu hóa học năng lượng Mặt Trời từ những năm 1970. Ngoài điện phân điều khiển bởi các tế bào quang điện hoặc tế bào hóa nhiệt, quy trình nhiệt hóa cũng đã được khám phá. Sử dụng các bộ tập trung để phân tách nước thành oxy và hydro ở nhiệt độ cao (2300-2.600°C). Chu kỳ nhiệt hóa đặc trưng bởi sự phân hủy và tái sinh của chất phản ứng trình bày một con đường khác để sản xuất hydro. Quá trình Solzinc được phát triển tại Viện Khoa học Weizmann sử dụng một lò năng lượng Mặt Trời 1 MW để phân hủy oxide kẽm (ZnO) ở nhiệt độ trên 1200°C. Phản ứng này ban đầu sản xuất kẽm tinh khiết, sau đó có thể phản ứng với nước để sản xuất hydro.[5][8] 12. THỜI GIAN BIỂU TIỀN HÓA SAO CỦA MẶT TRỜI VÀ HỆ MẶT TRỜI Hình 12.1: Sơ đồ thời gian biểu tiến hoá sao của Mặt Trời và Hệ Mặt Trời Lấy mốc điểm khởi đầu hình thành hệ Mặt Trời khi sự nén ép trọng lực của tinh vân Mặt Trời tăng lên cách đây 5 tỉ năm.[5][8] 1. Tiền Mặt Trời: kéo dài từ hàng tỉ năm đến 50 triệu năm trước khi hình thành hệ Mặt Trời. Các đám mây tích tụ lại trong vùng bán kính 20 parsec. 2. Hình thành Mặt Trời: a. 0 - 0,1x106 năm: Hàng loạt bức xạ siêu tân tinh lân cận kích hoạt tạo ra các vùng đậm đặc vật chất trong đám mây phân tử. b. 0,1x106 - 50x106 năm: Mặt Trời lúc này có dạng khởi thủy sao T-Tauri. * 0,1x106 - 10x106 năm: Hình thành các dạng đĩa tiền hành tinh của các hành tinh vòng ngoài, là sự tự tụ tập lại của vật chất phía viền ngoài tinh vân Mặt Trời. Mặt Trời đặc lại và nóng lên, gió Mặt Trời thổi dạt các luồng khí liên hành tinh. * 10x106 - 100x106 triệu năm: Hình thành các hành tinh kiểu đất đá vòng trong. Xuất hiện các va chạm lớn. Nước hình thành trên Trái Đất.[5][8] 3. Tiến trình chính: Mặt Trời bắt đầu ổn định * 200x106 năm: Đá cổ xưa nhất trên Trái Đất (đã quan sát thấy) hình thành. Trang 47 * 500 - 600x106 năm: Cộng hưởng hấp dẫn do Sao Mộc và Sao Thổ đã kéo Sao Hải Vương về phía đĩa Kuiper. Một loạt các vụ va chạm giữa các thiên thể đã xảy ra thời kỳ này. * 800x106 năm: Mầm mống sự sống xuất hiện trên Trái Đất. * 4,7 tỉ năm: Là giai đoạn ổn định hiện tại, với sự tăng cường độ sáng và nhiệt độ của Mặt Trời khoảng 10% mỗi tỉ năm. * 6 tỉ năm: Biên bề mặt Mặt Trời có thể mở rộng vượt quá quỹ đạo Trái Đất tới quỹ đạo Sao Hỏa. * 7 tỉ năm: Thiên hà Andromeda tiến dần về Ngân Hà và xuất hiện khả năng dù nhỏ có thể sẽ hút hệ Mặt Trời trước khi hai thiên hà hòa nhập. 4. Hậu tiến trình chính: từ 10 tỉ năm - 12 tỉ năm: Giai đoạn sao khổng lồ đỏ theo tiến trình Hertzsprung-Russell. * 10 - 12 tỉ năm: Mặt Trời bắt đầu bước vào quá trình đốt cháy hydro ở lớp ngoài lõi. Kể từ thời điểm này, nó đã không còn thuộc nhóm các ngôi sao thuộc dãy chính nữa. Mặt Trời dần biến thành một sao khổng lồ đỏ theo hệ thống tiến trình Hertzsprung-Russell và tỏa sáng hơn gấp nhiều lần (độ sáng có thể gấp tới 2700 lần hiện tại), lớn hơn nhiều (bán kính tăng lên gấp 250 lần) và nguội đi (còn khoảng 2726,85 K). Với kích thước cực kì lớn, Mặt Trời sẽ nuốt trọn Sao Thủy và có thể cả Sao Kim và Trái Đất. * Tới giai đoạn này, sau khi đã sử dụng hết hydro, Mặt Trời phải đốt tiếp heli để duy trì sự tồn tại. Nó dần dần trở thành một sao khổng lồ mặc dù đã mất đi 30% khối lượng so với thời kì cực thịnh. Tiếp theo đó, Mặt Trời đi đến giai đoạn bùng nổ, phun ra xung quanh một lượng lớn vật chất dưới dạng ion hóa và plasma. Lõi của nó sẽ trở thành một sao lùn trắng.[5][8] 5. Tàn dư: Giai đoạn sao lùn trắng * Ngoài 12 tỉ năm: Sao lùn trắng cạn kiệt dần năng lượng, nguội đi và trở thành sao lùn đen. * Ngoài 100 nghìn tỉ năm: Mặt Trời hạ nhiệt độ xuống chỉ còn vài độ K. Toàn bộ hệ Mặt Trời tham gia vào khối vật chất tối của vũ trụ.[5][8] Trang 48 13. QUAN SÁT VÀ CÁC HIỆU ỨNG Mặt Trời mọc Hình 13.1: Hình ảnh Mặt Trời mọc Mặt Trời mọc (Hán-Việt: nhật thăng, nhật xuất) là khoảnh khắc mà người quan sát thấy rìa phía trên của Mặt Trời xuất hiện phía trên đường chân trời phía đông. Mặt Trời mọc không nên nhầm lẫn với rạng đông hay bình minh (Hán-Việt: phất/phá hiểu, lê minh), là các thời điểm và khoảng thời gian mà bầu trời bắt đầu sáng dần ra, nói chung là trước khi Mặt Trời xuất hiện, thời điểm đánh dấu sự kết thúc tranh tối tranh sáng. Do sự khúc xạ trong khí quyển làm cho Mặt Trời được nhìn thấy trong khi nó thực tế vẫn còn ở phía dưới đường chân trời một chút nên cả Mặt Trời mọc lẫn Mặt Trời lặn chỉ là các ảo giác quang học. Mặt Trời cũng thể hiện ảo giác quang học vào thời điểm Mặt Trời mọc tương tự như ảo giác Mặt Trăng nghĩa là chúng trông dường như có kích thước lớn hơn khi ở gần đường chân trời so với khi chúng ở trên cao, gần về phía đỉnh đầu. [11] Thời gian Mặt Trời mọc dao động theo thời gian của năm cũng như vĩ độ tại địa điểm quan sát. Thời gian địa phương chính xác tại thời điểm Mặt Trời mọc cũng phụ thuộc vào kinh độ chính xác tại mỗi điểm trong phạm vi múi giờ đã cho. Các thay đổi nhỏ mỗi ngày và các thay đổi nửa năm có thể nhận thấy về thời gian Mặt Trời mọc là do sự nghiêng trục tự quay của Trái Đất cũng như chuyển động của Trái Đất trên quỹ đạo hàng năm dạng elip gần tròn của nó xung quanh Mặt Trời gây ra. Tuy nhiên, một vài dị thường biểu kiến cũng tồn tại. Tại Bắc bán cầu, Mặt Trời mọc muộn nhất không xảy ra đúng vào ngày đông chí (khoảng ngày 22 tháng 12), mà xảy ra vào khoảng đầu tháng 1. Tương tự, Mặt Trời mọc sớm nhất không xảy ra vào hạ chí (khoảng ngày 22 tháng 6), mà xảy ra sớm hơn trong tháng 6. Khi người ta di chuyển ra xa khỏi xích đạo thì thời gian Mặt Trời mọc và Mặt Trời lặn thay đổi trong suốt cả năm. Ngay cả ở xích đạo, Mặt Trời mọc và Mặt Trời lặn cũng dịch chuyển vài phút (mọc trước hay sau 6 giờ và lặn trước hay sau 18 giờ) trong suốt cả năm.[11] Trang 49 Mặt Trời lặn Hình 13.2: Hình ảnh Mặt Trời lặn Mặt Trời lặn (Hán-Việt: nhật lạc) là sự biến mất hàng ngày của Mặt Trời phía dưới đường chân trời do kết quả của sự tự quay của Trái Đất.[12] Trong thiên văn thời gian Mặt Trời lặn được định nghĩa là thời điểm rìa phía trên của Mặt Trời biến mất phía dưới đường chân trời ở phía tây. Do sự khúc xạ ánh sáng của khí quyển nên đường đi của các tia sáng từ Mặt Trời đang lặn bị lệch nhiều gần đường chân trời, làm cho Mặt Trời lặn thiên văn biểu kiến xảy ra khi Mặt Trời đã vào khoảng một lần đường kính của nó ở phía dưới đường chân trời. Mặt Trời lặn không nên nhầm lẫn với hoàng hôn, trong tiếng Việt được hiểu là khoảng thời gian từ khi Mặt Trời lặn cho tới khi bóng tối sụp xuống, với hoàng hôn thiên văn kết thúc khi Mặt Trời ở khoảng 18 độ phía dưới đường chân trời.[12] Thời gian xảy ra Mặt Trời lặn dao động theo thời gian của năm cũng như vĩ độ của người quan sát. Thời gian địa phương chính xác của Mặt Trời lặn cũng phụ thuộc vào kinh độ chính xác của mỗi vị trí trong phạm vi múi giờ đã cho. Các thay đổi nhỏ mỗi ngày cũng như các thay đổi nửa năm có thể nhận thấy về thời điểm Mặt Trời lặn là do sự nghiêng của trục tự quay của Trái Đất, hình dạng phỏng cầu của nó cũng như chuyển động của hành tinh xanh trên quỹ đạo xung quanh Mặt Trời của nó. Mặc dù một vài dị thường biểu kiến cũng tồn tại nhưng nguyên nhân chính là sự nghiêng trục tự quay và quỹ đạo elip của Trái Đất. Tại Bắc bán cầu, Mặt Trời lặn sớm nhất không trùng với ngày diễn ra đông chí (ngày 22 tháng 12), mà xảy ra sớm hơn trong tháng 12. Tương tự, Mặt Trời lặn muộn nhất không xảy ra vào ngày có hạ chí (ngày 21 tháng 6), mà thay vì thế xảy ra muộn hơn vào cuối tháng 6 hay đầu tháng 7, phụ thuộc vào vĩ độ của người quan sát. Hiện tượng tương tự xảy ra ở Nam bán cầu, ngoại trừ các ngày tháng tương ứng sẽ là khoảng thời gian nào đó trước 22 tháng 6 trong mùa đông và khoảng thời gian nào đó sau 22 tháng 12 trong mùa hè ở bán cầu này, có thể trong tháng 1 của năm kế tiếp. Ngay cả trên xích đạo, Mặt Trời mọc và Mặt Trời lặn cũng dịch chuyển một vài phút (trước và sau 6 giờ đối với Mặt Trời mọc và trước hay sau 18 giờ đối với Mặt Trời lặn) trong suốt cả năm.[12] Trang 50 Do sự nghiêng trục tự quay của Trái Đất, cho dù Mặt Trời lặn xảy ra khi nào và xảy ra ở đâu thì nó luôn luôn ở góc phần tư tây bắc từ điểm xuân phân tháng 3 (xuân phân ở Bắc bán cầu hay thu phân ở Nam bán cầu) tới điểm xuân phân tháng 9 (thu phân ở Bắc bán cầu hay xuân phân ở Nam bán cầu), và ở góc phần tư tây nam từ điểm xuân phân tháng 9 cho tới điểm xuân phân tháng 3 năm sau. Mặt Trời lặn chính xác ở phía tây chỉ trong các ngày diễn ra điểm xuân phân. Tuy nhiên độ dài thời gian bằng nhau giữa ban ngày và ban đêm trên thực tế không xảy ra tại các ngày có các điểm xuân phân do người ta tính thời điểm Mặt Trời mọc lẫn thời điểm Mặt Trời lặn theo rìa phía trên của Mặt Trời chứ không phải theo tâm của đĩa Mặt Trời. Ngoài ra, do ánh sáng từ Mặt Trời bị uốn cong do khúc xạ trong khí quyển nên người ta còn nhìn thấy Mặt Trời sau khi nó đã ở dưới đường chân trời về mặt hình học. Mặt Trời cũng được nhìn thấy to hơn khi nó ở trên đường chân trời và đây là một ảo giác quang học khác, tương tự như ảo giác Mặt Trăng.[12] Màu sắc Các sắc thái đỏ và cam chói của bầu trời khi Mặt Trời mọc hay Mặt Trời lặn chủ yếu là do sự tán xạ ánh sáng Mặt Trời của các hạt tro, bụi, các loại xon khí rắn và lỏng có trong khí quyển Trái Đất. Về mặt toán học, các sắc thái đỏ và cam được gia tăng vào thời điểm Mặt Trời mọc hay Mặt Trời lặn có thể được giải thích bằng thuyết Mie hay xấp xỉ lưỡng cực rời rạc. Khi trong không khí tại tầng đối lưu không còn hay chỉ có ít các hạt nhỏ này, chẳng hạn sau các trận mưa dông lớn, thì phần màu đỏ còn lại và ít mãnh liệt hơn, có thể được giải thích bằng tán xạ Rayleigh đối với ánh sáng Mặt Trời do các phân tử không khí. Màu sắc bầu trời khi Mặt Trời mọc nói chung ít mãnh liệt và ít chói gắt hơn so với màu sắc bầu trời khi Mặt Trời lặn, nói chung trong không khí vào buổi sáng có ít các hạt nhỏ và xon khí hơn so với trong không khí buổi chiều. Không khí ban đêm thường cũng lạnh hơn và ít gió hơn, cho phép các hạt bụi và tro có thể ngưng đọng từ khí quyển xuống thấp hơn, làm giảm lượng hạt gây ra tán xạ Mie. Tán xạ Mie giảm xuống tương ứng với sự suy giảm lượng ánh sáng tán xạ đỏ và cam vào lúc Mặt Trời mọc. Tuy nhiên, cường độ màu khi Mặt Trời mọc có thể vượt trội so với cường độ màu khi Mặt Trời lặn nếu như xảy ra cháy rừng ban đêm, phun trào núi lửa, hoặc bão bụi ở phía đông của người quan sát. Một loạt các vụ phun trào núi lửa gần đây, chẳng hạn các vụ phun trào của núi Pinatubo năm 1991 và Krakatoa năm 1883, là đủ lớn để tạo ra các Mặt Trời mọc và Mặt Trời lặn đáng ghi nhớ trên toàn thế giới.[12] Trong khi tro và bụi từ các vụ phun trào núi lửa có xu hướng làm giảm sắc màu khi Mặt Trời lặn khi chúng bị mắc lại trong phạm vi tầng đối lưu, thì khi bị giữ trong tầng bình lưu thì các đám mây mỏng chứa các giọt nhỏ axít sulfuric từ núi lửa có thể sinh ra các sắc màu sau khi Mặt Trời lặn rất đẹp và rực rỡ, gọi là ráng chiều (vãn hà dư huy). Một loạt các vụ phun trào núi lửa gần đây, chẳng hạn các vụ phun trào của núi Pinatubo năm 1991 Trang 51 và Krakatoa năm 1883, đã sinh ra các đám mây chứa axít sulfuric tại tầng bình lưu đủ lớn để tạo ra các ráng chiều sau Mặt Trời lặn đáng ghi nhớ (và cả ráng trước Mặt Trời mọc) trên khắp thế giới. Các đám mây ở cao độ lớn phục vụ như là tấm gương phản chiếu ánh sáng Mặt Trời (bị đỏ hóa mạnh vẫn còn rọi tới tầng bình lưu sau Mặt Trời lặn) xuống mặt đất.[12] Đôi khi ngay trước Mặt Trời mọc hay ngay sau sau Mặt Trời lặn thì người ta có thể quan sát được tia chớp lục.[12] 14. MẶT TRỜI VÀ TÁC HẠI ĐẾN MẮT Hình 14.1: Phân tích ánh sáng Mặt Trời khi đến Trái Đất Mặt Trời rất sáng, và nhìn trực tiếp vào Mặt Trời rất có hại cho mắt, nhưng không nghiêm trọng khi mắt mở bình thường hoặc không mở rộng. Nhìn trực tiếp vào Mặt Trời vào lúc trưa nắng sẽ làm cho các sắc tố quang hình trong con ngươi mất màu tạm thời, có thể tạo ra hiện tượng đom đóm mắt và mù tạm thời. Nhìn thẳng vào Mặt Trời bằng mắt trần sẽ nhận khoảng 4 miliwatt ánh sáng vào con ngươi và làm nóng lên đủ để có thể gây tác hại do mắt không phản ứng kịp trước độ sáng. Nhìn thoáng qua Mặt Trời có thể gây cảm giác khó chịu nhưng không gây hại nhiều.[5][8] Nhìn Mặt Trời thông qua các thấu kính như ống nhòm rất có hại nếu không có màn chắn hấp thụ làm mờ tia sáng. Các màng làm mờ có bán tại các cửa hàng cung cấp sản phẩm hàn và máy chụp ảnh. Sử dụng đồ lọc thích hợp rất quan trọng như làm giảm độ sáng và cản các tia hồng ngoại và tia cực tím có thể làm hại cho mắt ở các cấp độ sáng cao. Nhìn thẳng vào thấu kính để nhìn Mặt Trời có thể nhận khoảng 2 watt năng lượng trực tiếp vào mắt, gấp 500 lần hơn so với nhìn bằng mắt thường. Chỉ thoáng nhìn qua thấu kính mà không có đầu lọc có thể gây ra mù vĩnh viễn.[5][8] Trong hiện tượng nhật thực, điều kiện nguy hiểm có thể xảy ra đối với mắt bởi phản ứng của mắt với ánh sáng. Đồng tử được điều khiển bằng tổng ánh sáng của môi trường, không bằng ánh sáng của vật sáng nhất trong môi trường. Trong hiện tượng nhật thực, phần lớn ánh sáng bị cản lại bằng Mặt Trăng, nhưng phần ánh sáng không bị che khuất có lượng ánh sáng bằng một ngày bình thường. Trong ánh sáng mờ, đồng tử có hiện tượng giản nở Trang 52 từ 2 mm đến 6 mm, tăng điện tích tiếp nhận ánh sáng gấp 10 lần. Các phần tử trên con ngươi nhận trực tiếp từ ánh sáng Mặt Trời vì thế gấp 10 lần bình thường, hay lúc không nhật thực. Nhìn trực tiếp nhật thực bằng mắt thường có thể gây ra sự hủy hoại từng phần trên võng mạc, gây ra hiện tượng mù từng đốm trên mắt. Điều này đặc biệt ảnh hưởng với trẻ em và những người không có kinh nghiệm.[5][8] Trong lúc Mặt Trời mọc hay lặn, ánh sáng bị hấp thụ một phần do khoảng đường xa tới tầng khí quyển Trái Đất, ngoài ra ánh sáng còn bị làm mờ do bụi trong không khí, sương mù và độ ẩm trong không khí góp một phần trong sự hấp thu này nên không làm cho mắt khó chịu.[5][8] 15. GIÓ MẶT TRỜI 15.1. Gió Mặt Trời là gì? Hình 15.1: Hình ảnh gió Mặt Trời Gió Mặt Trời là một luồng hạt điện tích giải phóng từ vùng thượng quyển của Mặt Trời. Khi gió này được phát ra từ những ngôi sao khác với Mặt Trời của chúng ta thì nó còn được gọi là gió sao.[9] Gió Mặt Trời mang các hạt electron và proton ở năng lượng cao, khoảng 500 KeV, vì thế chúng có khả năng thoát ra khỏi lực hấp dẫn của các ngôi sao nhờ năng lượng nhiệt cao này. Nhiều hiện tượng có thể được giải thích bằng gió Mặt Trời, trong đó bao gồm: bão từ, khi dòng hạt mang điện này tác dụng lên các đường cảm ứng từ của Trái Đất; hiện tượng cực quang, được sinh ra khi các hạt trong gió Mặt Trời tương tác với từ trường của các hành tinh và tạo nên các màu sắc đặc trưng ở ban đêm trên bầu trời; lời giải thích tại sao đuôi của các sao chổi luôn luôn hướng ra ngoài Mặt Trời; cùng với sự hình thành của các ngôi sao ở khoảng cách xa.[9] Trang 53 15.2. Đặc điểm Hình 15.2: Plasma trong gió Mặt Trời gặp heliopause Trong hệ Mặt Trời, các thành phần của gió Mặt Trời là tương đồng với các thành phần trong cực quang của Mặt Trời, ở đó có 73% làhiđrô ion hóa, 25% là heli ion hóa, phần còn lại là các ion tạp chất. Trong khi thành phần của một plasma có, 95% là các hiđrô ion bậc 1, 4% là heli ion bậc 2, và 0,5% là các ion phụ khác. Thành phần chính xác của gió Mặt Trời khó được tính toán, đó là do ảnh hượng của hiện tượng dao động (fluctuation) diện rộng. Một mẫu thử đã được tàu Genesis mang về Trái Đất năm 2004 để được xét nghiệm, nhưng tàu này đã bị nổ khi vào trong tầng khí quyển của Trái Đất. Cũng có khả năng cho rằng mẫu thí nghiệm Mặt Trời này đã ảnh hưởng đến hoạt động của tàu. [9] Khi đến gần Trái Đất, vận tốc của gió Mặt Trời biến đổi trong khoảng 200–889 km/s, vận tốc trung bình là vào khoảng 450 km/s. Xấp xỉ 1.109 kg/s vật chất của Mặt Trời bị mất qua sự giải phóng gió Mặt Trời, và có khoảng một phần năm trong số đó là do hiện tượng fussion, tương tương với khoẳng 4,5 Tg (hay 4,5. 109 kg) khối lượng chuyển sang năng lượng mỗi giây. Khối lượng tiêu hao này tương tương với một đồi đá cao 125 m trên mặt đất, trên một giây, và với tốc độ này, thì Mặt trời sẽ ngừng hoạt động sau khi tiêu hao hết lượng vật chất của nó vào khoảng 1.1013 năm. Tuy nhiên, những hiểu biết của chúng ta về sự hình thành của các ngôi sao chỉ ra rằng gió Mặt Trời hiện tại đã mạnh hơn so với trong quá khứ xa, vào khoảng 1000 lần, điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến lịch sử của các khí quyển các hành tinh, trong đó có khí quyển Sao Hỏa.[9] Khi gió Mặt Trời trở thành một plasma, thì nó sẽ mang các đặc tính của một plasma hơn là một khí đơn giản. Ví dụ, nó dẫn điện rất tốt vì thế các đường sức từ từ Mặt Trời được mang theo cùng với gió này. Áp suất động của gió chi phối áp suất từ trong cả hệ Mặt Trời vì thế từ trường bị đẩy theo đường xoắn ốc Archimedes bằng việc kết hợp chuyển động hướng ngoại và quy của Mặt Trời. Phụ thuộc vào bán cầu và pha của chu kỳ Mặt Trời, các trường xoắn ốc từ trường sẽ đi vào hoặc đi ra, từ trường sẽ đi theo hình dạng xoắn ốc này trên các phần của cực bắc và cực nam của bán cầu, nhưng với chiều ngược lại. Hai vùng từ này được phân chia bởi một mặt phẳng điện helio (dòng điện được tạo ra trên một mặt cong). Mặt helio này có hình dạng gần giống với mẫu hoa soắn trên áo của diễn viên Trang 54 múa balê (ballet), và hình dạng của nó thay đổi theo chu kỳ của Mặt Trời, mỗi khi từ trường của Mặt Trời thay đổi, vào khoảng 11 năm Trái Đất.[9] Gió Mặt Trời được thổi ra đến ranh giới hệ Mặt Trời rồi trộn lẫn với khí giữa các ngôi sao. Tàu vũ trụ Pioneer 10, phóng vào 1972, đi tới Mộc Tinh và Thổ Tinh và tàu Voyager 1 hiện ở cách Mặt Trời 70 đ.v.t.v đều ghi nhận gió mặt trời đang thổi qua chúng.[9] 15.3. Ảnh hưởng của gió Mặt Trời Hình 15.3: Các hạt từ gió Mặt Trời tiếp xúc với từ quyển của Trái Đất Gió Mặt Trời là nguyên nhân dẫn đến các trận bão từ, và nó có liên hệ trực tiếp đến hiện tượng cực quang của Trái Đất và trên các hành tinh khác.[5] Khi gió Mặt Trời tới Trái Đất, nó có tốc độ khoảng từ 400 km/s đến 700 km/s. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến từ quyển của Trái Đất. Ở phía trước từ quyển, các dòng điện tạo ra lực ngăn chặn gió mặt trời và làm đổi hướng nó ở xung quanh vành đai bảo vệ. Hiện tượng tương tự cũng xảy ra với các hành tinh trong hệ Mặt Trời có từ quyển.[5] 15.3.1. Bão từ Trái Đất Hình 15.4: Hình ảnh bão từ Trái Đất Bão từ, còn gọi là bão địa từ trên Trái Đất, là những thời kỳ mà kim la bàn dao động mạnh. Có 2 nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng bão từ. Nguyên nhân thứ nhất do dòng hạt mang điện phóng ra từ các vụ bùng nổ trên Mặt Trời, hay còn gọi là gió Mặt Trời tác Trang 55 dụng lên các đường cảm ứng từ của Trái Đất. Nguyên nhân thứ hai là thỉnh thoảng lại có sự kết nối từ trường của Trái Đất với từ trường của Mặt Trời. Đây là một hiện tượng hiếm khi xảy ra trong môi trường vũ trụ bao la. Tuy nhiên, mỗi khi có sự kết nối từ trường này các hạt điện tích di chuyển dọc theo từ trường, có thể đi vào từ quyển dễ dàng, tổng hợp lên dòng điện và làm cho từ thông biến đổi theo thời gian. Trong những dịp này Mặt Trời phát ra một lượng chất cực quang khi các đường sức từ của Trái Đất và Mặt Trời được kết lối một cách trực tiếp.[9] Các quá trình của bão từ có thể được miêu tả như sau: 1. Các dòng hạt mang điện phóng ra từ Mặt Trời sinh ra một từ trường, có độ lớn vào khoảng 6,10-9 tesla. 2. Từ trường này ép lên từ trường Trái Đất làm cho từ trường nơi bị ép tăng lên. 3. Khi từ trường Trái Đất tăng lên, từ thông sẽ biến thiên và sinh ra một dòng điện cảm ứng chống lại sự tăng từ trường của Trái Đất (theo định luật Lenz). 4. Dòng điện cảm ứng này có thể đạt cường độ hàng triệu ampere chuyển động vòng quanh Trái Đất và gây ra một từ trường rất lớn tác dụng lên từ trường Trái Đất. 5. Hiện tượng này tiếp diễn làm cho từ trường Trái Đất liên tục biến thiên và kim la bàn dao động mạnh. Nếu hướng của từ trường trong tầng điện ly hướng về phía Bắc, giống như hướng của từ trường Trái Đất, bão địa từ sẽ lướt qua hành tinh của chúng ta. Ngược lại, nếu từ trường hướng về phía Nam, ngược với hướng từ trường bảo vệ của Trái Đất, các cơn bão địa từ mạnh sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới Trái Đất. Mặc dù khí quyển Trái Đất chặn được các dòng hạt năng lượng cao đến từ Mặt Trời này (gồm electron và proton), nhưng các hạt đó làm xáo trộn từ trường của hành tinh, cụ thể là quyển từ, có thể gây ra rối loạn trong liên lạc vô tuyến hay thậm chí gây mất điện.[9] Các vụ phun trào khí và nhiễm điện từ Mặt Trời được xếp theo 3 cấp: C là yếu, M là trung bình, X là mạnh. Tùy theo cấp cao hay thấp mà ảnh hưởng của nó lên từ trường Trái Đất gây ra bão từ nhiều hay ít. Bão từ được xếp theo cấp từ G1 đến G5, G5 là cấp mạnh nhất. Theo nhiều nghiên cứu thì hiện nay các cơn bão từ xuất hiện nhiều hơn và mạnh hơn, điều này cho thấy rằng Mặt Trời đang ở vào thời kỳ hoạt động rất mạnh.[9] Thời kỳ có bão từ là thời kỳ rất nguy hiểm cho người có bệnh tim mạch bởi vì từ trường ảnh hưởng rất mạnh đến hoạt động của các cơ quan trong hệ tuần hoàn của con người. Ngoài ra từ trường của Trái Đất cũng giúp cho một số loài động vật thực hiện một số chức năng sống của chúng như là chức năng định hướng do đó bão từ cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến sự sinh sống của các loài này.[9] Trang 56 15.3.2. Hiện tượng cực quang Hình 15.5: Hiện tượng cực quang  Giới thiệu hiện tượng Trong thiên văn học, cực quang là một hiện tượng quang học được đặc trưng bởi sự thể hiện đầy màu sắc của ánh sáng trên bầu trời về đêm, được sinh ra do sự tương tác của các hạt mang điện tích từ gió Mặt Trời với tầng khí quyển bên trên của hành tinh. Các cực quang mạnh nhất thường diễn ra sau sự phun trào hàng loạt của Mặt Trời. Các dải sáng này liên tục chuyển động và thay đổi làm cho chúng trông giống như những dải lụa màu trên bầu trời. Đây có thể coi là một trong những hình ảnh đẹp của tự nhiên.[9] Trên Trái Đất, Mộc Tinh, Thổ Tinh, Thiên Vương Tinh và Hải Vương Tinh, các cực quang được sinh ra do tương tác giữa các hạt trong gió Mặt Trời với từ trường của các hành tinh, và vì thế chúng là rõ nét nhất ở các vĩ độ cao gần các cực từ. Vì lý do này cực quang diễn ra ở bắc bán cầu Trái Đất được gọi là bắc cực quang, hay ánh sáng bắc cực và ở nam bán cầu thì là nam cực quang. Tuy nhiên, cực quang cũng diễn ra trên Kim Tinh và Hỏa Tinh mà chúng gần như không có từ trường của hành tinh. Trên Kim Tinh, các phân tử của khí quyển được tích tụ năng lượng trực tiếp từ gió Mặt Trời trên Hỏa Tinh, các cực quang diễn ra gần các điểm dị từ khu vực trong lớp vỏ hành tinh, là tàn dư của từ trường cũ của hành tinh (giả thiết) mà ngày nay không còn tồn tại nữa.[9] Trên Trái Đất, cực quang diễn ra khi các đới bức xạ Van Allen trở nên "quá tải" với các hạt cao năng lượng, sau đó chúng đổ xuống các đường sức từ và va chạm với lớp trên của bầu khí quyển Trái Đất.[9] Trang 57 Nam cực quang Bắc cực quang  Giải thích hiện tượng Cực quang xuất hiện là do các hạt mang điện trong luồng vật chất từ Mặt Trời phóng tới hành tinh, khi các hạt này tiếp xúc với từ trường của hành tinh thì chúng bị đổi hướng do tác dụng của lực Lorentz. Lực này làm cho các hạt chuyển động theo quỹ đạo xoắn ốc dọc theo đường cảm ứng từ của hành tinh. Tại hai cực các đường cảm ứng từ hội tụ lại và làm cho các hạt mang điện theo đó đi sâu vào khí quyển của hành tinh. [9] Khi đi sâu vào khí quyển các hạt mang điện va chạm với các phân tử, nguyên tử trong khí quyển hành tinh và kích thích các phân tử này phát sáng. Do thành phần khí quyển hành tinh chứa nhiều khí khác nhau, khi bị kích thích mỗi loại khí phát ra ánh sáng có bước sóng khác nhau, tức là nhiều màu sắc khác nhau do đó tạo ra nhiều dải sáng với nhiều màu sắc trên bầu trời ở hai cực.[9] Cực quang không phải là một hiện tượng riêng biệt của khí quyển Trái Đất. Người ta đã quan sát thấy hiện tượng cực quang trên các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời, và cũng đã tái tạo nó trong phòng thí nghiệm.[9] 16. BÃO MẶT TRỜI 16.1. Bão Mặt Trời là gì? Hình 16.1: Hình ảnh bão Mặt Trời Mặt trời là một ngôi sao ở trung tâm hệ Mặt Trời, Mặt Trời không đứng im bất động mà luôn hoạt động với những phản ứng hóa học mang năng lượng cực lớn. Trên bề mặt của ngôi sao này tồn tại những vết đen liên tục được hình thành theo chu kỳ khoảng 11 năm.[13] Khi đạt tới năng lượng đủ lớn, gần những vết đen đó xảy ra những vụ nổ lớn gọi là bão lửa Mặt Trời. Những cơn bão lửa này giải phóng năng lượng cực lớn, sức công phá của nó tương đương với 1 tỷ quả bom khinh khí (hay bom hydro).[13] Trang 58 Đi kèm với bão lửa của Mặt Trời là những dòng điện tích, phóng xạ - nguyên nhân gây ra những hiện tượng quen thuộc như bão từ (sự tương tác giữa các hạt điện tích Mặt Trời với đường cảm ứng từ của Trái Đất), cực quang (do sự tương tác giữa các hạt điện tích Mặt Trời với từ trường Trái Đất).[13] Như vậy, nói đơn giản, bão Mặt Trời là một chuỗi các hiện tượng mà sau cùng, những hạt điện tích electron và proton mang năng lượng cao được giải phóng ra từ Mặt Trời, di chuyển với vận tốc cực lớn cỡ 1 triệu km/h tới các hành tinh xung quanh. [13] 16.2. Ảnh hưởng của bão Mặt Trời Khi “bão Mặt Trời” đổ bộ tới Trái Đất, những hạt điện tích của nó di chuyển với tốc độ cỡ 400-700km/s, gây một sức ép cực lớn lên từ trường Trái Đất. Quá trình tương tác này gây ra những cơn bão từ lớn trên Trái Đất. Người ta xếp bão từ theo các cấp độ từ G1 tới G5 theo mức độ nguy hiểm tăng dần. Mặt khác, các hạt này di chuyển theo đường cảm ứng từ hình xoắn ốc càng đi sâu vào khí quyển nó càng tạo ra những màu sắc khác nhau. Đây chính là bản chất của hiện tượng cực quang mà chúng ta thường thấy trên bầu trời, nhất là ở hai cực Bắc - Nam. Về cơ bản, ảnh hưởng của bão Mặt Trời lên Trái Đất dễ nhận thấy nhất là sự tác động tới hệ thống thông tin liên lạc nói chung. Bão Mặt Trời làm gián đoạn hệ thống liên lạc bằng sóng radio, gây hỏng hóc các vệ tinh địa tĩnh, làm hư hại các sản phẩm công nghệ điện tử, thậm chí gây tê liệt hệ thống điện, nhất là ở các khu vực bão từ Mặt Trời đi qua…[13] Hình 16.2: Viễn cảnh bão Mặt Trời tấn công hệ thống điện của thế giới. Có thể kể tới một số minh chứng trong lịch sử loài người về tác động này. Thời cổ đại, người La Mã và Trung Quốc đã có những ghi chép mô tả lại hiện tượng cực quang một phần của bão Mặt Trời. Tới năm 1940, hệ thống điện ở New England, New York, Quebec đều tê liệt bởi ảnh hưởng của bão từ.[13] Mới đây nhất, ngày lễ tình nhân 14/2/2007 ở Trung Quốc đã không suôn sẻ bởi sự viếng thăm của một cơn bão từ nhẹ. Điều này đã làm gián đoạn hệ thống thông tin vô tuyến của nước này trong vài phút.[13] Trang 59 Còn đối với cơ thể người, ảnh hưởng của bão Mặt Trời là nguy hiểm mà đôi khi chúng ta còn chưa để ý. Tia X từ bão Mặt Trời tác động trực tiếp tới hệ thần kinh và dịch thể bên trong chúng ta. Vào thời điểm bão hoạt động mạnh, người bình thường dễ trở nên căng thẳng, lo âu, hốt hoảng, hay cáu kỉnh, trí nhớ ngắn hạn đột nhiên kém đi, thậm chí cảm thấy đau đầu, buồn nôn, kiệt sức. Nguy hiểm hơn, người bị bệnh tim mạch, huyết áp cao có nguy cơ bị nhồi máu cơ tim, tai biến mạch máu não.[13] Ngoài ra, từ trường mạnh do bão Mặt Trời gây ra còn làm tăng lượng bức xạ Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất, đồng nghĩa với việc tia cực tím nhiều hơn, nguy hiểm hơn, làm tăng lên nhiều lần nguy cơ ung thư ở người.[13] Với các sinh vật sống, bão Mặt Trời cũng gây ra một số ảnh hưởng nhất định. Nhiều giả thuyết cho rằng, những hiện tượng bất thường như cá, chim chết hàng loạt có một phần nguyên nhân dính dáng tới bão Mặt Trời. Trang 60 Phần 3. KẾT LUẬN 1. Những kết quả đạt được. Đề tài này đã chú ý tìm hiểu về Mặt Trời – một ngôi sao có nguồn năng lượng khổng lồ mang lại sự sống cho toàn nhân loại cũng như nguyên nhân vì đâu mà có nguồn năng lượng, hiện tượng xuất hiện các vết đen Mặt Trời là do đâu, nó ảnh hưởng như thế nào đến chu kỳ hoạt động của Mặt Trời và nó sẽ tác động như thế nào đối với môi trường xung quanh và những ảnh hưởng của Mặt Trời lên Trái Đất…. Tuy nhiên luận văn này không phải là tài liệu đầu tiên nói về Mặt Trời, nhưng tôi mong rằng nó sẽ giúp ích cho công tác giảng dạy của mình sau này, giúp cho các em học sinh thích tìm tòi, khám phá có cơ sở tài liệu về những vấn đề cơ bản của ngành thiên văn – dù hiện nay trên internet các thông tin này không thiếu, là nguồn thông tin giúp cho những ai yêu thích ngành thiên văn… Mục đích là vậy nhưng vì thời gian làm luận văn không dài, phương pháp học tập nghiên cứu mới bước đầu còn bỡ ngỡ nên bên cạnh những kết quả đã đạt được thì trong nội dung không thể trách khỏi những thiếu sót và mắc phải nhiều hạn chế. 2. Hạn chế. Trong hàng tỷ ngôi sao trên bầu trời thì tôi chỉ mới tìm hiểu kỹ và quan sát được Mặt Trời, cách trình bày luận văn đôi khi còn lủng củng, nhiều câu còn tối nghĩa. Còn nhiều vấn đề chưa được làm sáng tỏ và cần bổ sung như: Làm sao để xác định chu kỳ trung bình của vết đen Mặt Trời là 28 ngày, cần tìm hiểu chu kỳ hoạt động của vết đen Mặt Trời có ảnh hưởng tới khí hậu hành tinh chúng ta không, nếu có thì ảnh hưởng như thế nào?.... Với nhiều thiếu sót như vậy tôi mong rằng trong tương lai có thể được thì đó chính là hướng phát triển cho đề tài của mình. Ngoài ra còn phát triển thêm nhiều vấn đề nữa như các giả thuyết về sự hình thành vũ trụ, tìm hiểu thêm các hành tinh khác (sao chổi, thiên thạch, sao băng,..) trong Hệ Mặt Trời chứ không phải chỉ Mặt Trời,…để nó có thể trở thành một tài liệu hoàn chỉnh hơn và thật sự có ích hơn cho tất cả mọi người. Cuối cùng với hi vọng là sẽ có thật nhiều bạn sinh viên của các khoá sau cũng sẽ thích những đề tài như vậy để góp phần làm phong phú hơn cho nội dung của luận văn này nói riêng và lượng tài liệu của ngành thiên văn nói chung vì kiến thức thì không bao giờ cạn kiệt và ước muốn chinh phục của con người thì không bao giờ kết thúc. Trang 61 DANH SÁCH BẢNG 3.1 Kết quả phân tích phổ vạch hấp thụ .................................................................... 18 3.2 Bảng thành phần hóa học của Mặt Trời ............................................................... 18 Trang 62 DANH SÁCH HÌNH 2.1 Mô hình cấu trúc Mặt Trời .................................................................................... 6 2.2 Cấu trúc của Lõi Mặt Trời ..................................................................................... 8 2.3 Phản ứng tổng hợp hạt nhân .................................................................................. 8 2.4 Vùng bí ẩn nằm trong khí quyển thấp của Mặt Trời ........................................... 12 2.5 Hình ảnh minh họa .............................................................................................. 13 2.6 Phân tích chi tiết phổ vạch phát xạ ...................................................................... 14 2.7 Hình ảnh mô phỏng từ trường Mặt Trời .............................................................. 16 4.1 Hình ảnh minh họa .............................................................................................. 22 6.1 Hình ảnh Mặt Trời lúc hoàng hôn ....................................................................... 26 6.2 Sơ đồ đường truyền tia sáng Mặt Trời ................................................................. 26 6.3 Hình ảnh Mặt Trời lúc bình minh ........................................................................ 26 6.4 Hình ảnh Mặt Trời màu xanh .............................................................................. 27 7.1 Hình ảnh minh họa cho ánh sang Măt Trời ......................................................... 28 7.2 Biểu đồ thể hiện năng lượng Mặt Trời và bức xạ quang phổ trên bầu khí quyển và bề mặt ............................................................................................................. 28 8.1 Sự chuyển động của tâm tỉ cự của Hệ Mặt Trời tương đối với Mặt Trời ............ 31 10.1 Thần Mặt Trời Helios cưỡi xe ngựa hariot trong hình dung của người Hi Lạp cổ đại ................................................................................................................... 35 10.2 Mô hình Mặt Trời với Mặt Trời ở tâm của Copernicus .................................... 37 11.1 Hình chụp Mặt Trời với ánh sang nhìn thấy được ............................................ 39 11.2 Hình ảnh máy nước nóng .................................................................................. 45 11.3 Tòa nhà sử dụng hệ thống sưởi ấm, làm mát và thông gió ................................ 45 11.4 Pin Mặt Trời .................................................................................................... 46 12.1 Sơ đồ thời gian biểu tiến hóa của Mặt Trời và Hệ Mặt Trời ............................. 47 13.1 Mặt Trời mọc .................................................................................................... 49 13.2 Măt Trời lặn .................................................................................................... 50 14.1 Phân tích ánh sang Mặt Trời khi đến Trái Đất .................................................. 52 15.1 Gió Mặt Trời .................................................................................................... 53 15.2 Plasma trong gió Mặt Trời gặp heliopause ........................................................ 54 15.3 Bão từ Trái Đất .................................................................................................. 55 15.4 Hiện tượng cực quang ........................................................................................ 55 16.1 Bão Mặt Trời .................................................................................................... 58 16.2 Viễn cảnh bão Mặt Trời tấn công hệ thống điện của thế giới ........................... 59 Trang 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Đình Noãn (chủ biên), Nguyễn Đình Xuân – Phan Văn Đồng – Nguyễn Quỳnh Lan, Giáo trình vật lý thiên văn.NXB Giáo dục. [2]. Từ điển bách khoa Việt Nam (Tiếng Việt). [3]. Bài viết về “Tương lai của Mặt Trời trong 7 tỉ năm nữa và sau đó” của thành viên Zatrach. [4]. Khoảng cách Trái Đất – Mặt Trời ngày càng lớn ( Báo cáo của các nhà nghiên cứu khoa học trường ĐHTH Bremen). [5]. Trang web: http://en.wikipedia.org/wiki/The_sun [6]. Trang web: http://vi.wikipedia.org/wiki/Ánh_sáng [7]. Trang web: http://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight [8]. Trang web: http://vi.wikipedia.org/wiki/Mặt_Trời [9]. Trang web: http://vi.wikipedia.org/wiki/Gió_Mặt_Trời [10].Trang web: http://vi.wikipedia.org/wiki/Hệ Mặt Trời [11]. Trang web: http://vi.wikipedia.org/wiki/Mặt Trời mọc [12]. Trang web: http://vi.wikipedia.org/wiki/Mặt Trời lặn [13]. Trang web: http://vietnamnet.vn/vn/khoa-hoc/159032/hiem-hoa-sieu-bao-mat-troi--con-nguoi-da-chuan-bi-nhung-gi-.html Trang 64 [...]... trường của Mặt Trời tăng lên gây ra một số hiệu ứng gọi chung là hoạt động của Mặt Trời bao gồm vết đen trên bề mặt của Mặt Trời, vết sáng Mặt Trời, và các bức xạ trong gió Mặt Trời, chúng mang vật chất vào trong Hệ Mặt Trời Các ảnh hưởng của hoạt động bức xạ này lên Trái Đất như cực quang ở các vĩ độ trung bình đến cao, và sự gián đoạn việc truyền sóng radio và điện năng Hoạt động của Mặt Trời có... gian, tạo ra các vòng hoa từ trường phun ra từ bề mặt của Mặt Trời và tạo ra các vết đen Mặt Trời Sự xoắn vào nhau này làm tăng quá trình phát sinh từ trường của Mặt Trời và gây ra sự đảo từ của Mặt Trời theo chu kỳ 11 năm.[5][8] Từ trường của Mặt Trời mở rộng ra ngoài ranh giới của nó Plasma trong gió Mặt Trời bị từ hóa mang từ trường của Mặt Trời vào không gian tạo ra từ trường giữa các hành tinh... 2.1 Lõi Hình 2.2: Cấu trúc của lõi Mặt Trời Lõi của Mặt Trời chiếm khoảng 0,2 tới 0,25 bán kính Mặt Trời Nó có mật độ lên tới 150g/cm³ (150 lần mật độ nước trên Trái Đất) và có nhiệt độ gần 13.600.000 độ K (so với nhiệt độ bề mặt Mặt Trời khoảng 5.800 K) Những phân tích gần đây của phi vụ SOHO cho thấy tốc độ tự quay của lõi cao hơn vùng bức xạ Trong hầu hết vòng đời của Mặt Trời, năng lượng được tạo... của Trái Đất Về lâu dài, nước trên Trái Đất và hầu hết không khí của nó cuối cùng sẽ thoát ra không gian Trong suốt cuộc đời của mình trong dãy chính , Mặt Trời đang trở nên sáng hơn (khoảng 10% mỗi năm 1 tỷ USD) và nhiệt độ bề mặt của nó đang dần tăng lên Mặt Trời đã từng là mờ nhạt trong quá khứ đầu Sự gia tăng nhiệt độ năng lượng Mặt Trời là như vậy mà trong khoảng một tỷ năm bầu khí quyển của Trái. .. bức xạ của Mặt Trời gửi đến Trái Đất Theo số liệu này thì những năm trên Mặt Trời có nhiều vết (năm Mặt Trời hoạt động mạnh) lượng bức xạ gửi đến Trái Đất tăng lên 0,1% so với năm Mặt Trời tĩnh Trong khi đó hoạt động của con người ở Trái Đất làm tăng lượng khí gây hiệu ứng nhà kính, bằng chứng là khí hậu toàn cầu đang ấm lên, băng ở hai cực Trang 23 đang tan ra, mực nước đại dương đang dâng lên lấn... granulation) và siêu hột Sự hỗn loạn đối lưu của bộ phận phía ngoài này của phần bên trong lòng Mặt Trời hình thành một máy phát điện tỷ lệ nhỏ xuất hiện tạo ra từ trường bắc và nam cực trên toàn bộ bề mặt Mặt Trời Các cột nhiệt của Mặt Trời là các pin Bénard và vì thế thường có hình lăng trụ năm cạnh.[5][8] 2.4 Quang quyển Mặt Trời Bề mặt nhìn thấy được của Mặt Trời hay quang quyển là lớp mà ở bên dưới nó, Mặt. .. tại của Trái Đất, 1 AU (1,5 × 10 11 m ), 250 lần bán kính hiện tại của Mặt Trời Vào lúc Mặt Trời đã bước vào khổng lồ đỏ tiệm cận, quỹ đạo của các hành tinh sẽ trôi dạt ra ngoài do mất khoảng 30% khối lượng hiện tại của Mặt Trời Đa phần khối lượng này sẽ bị mất khi tăng gió Mặt Trời Ngoài ra, khả năng tăng tốc thủy triều sẽ giúp thúc đẩy Trái Đất đến một quỹ đạo cao hơn Nếu đó chỉ cho điều này, Trái Đất. .. sáng.[5][8] Điểm apec của đường đi của Mặt Trời là hướng mà Mặt Trời đi qua không gian của thiên hà Hướng chung của chuyển động của Mặt Trời thẳng về sao Vega gần chòm sao Hercules, với góc gần 60 độ khối (sky degree) so với hướng của tâm Ngân Hà Nếu một người nào đó quan sát Mặt Trời từ Alpha Centauri, hệ sao gần nhất, Mặt Trời sẽ xuất hiện trong chòm sao Cassiopeia.[5][8] Quỹ đạo của Mặt Trời xung quanh... Hình 7.2: Biểu đồ thể hiện năng lượng Mặt Trời và bức xạ quang phổ trên bầu khí quyển và bề mặt Mặc dù năng lượng Mặt Trời có nguồn gốc từ tia cực tím và bức xạ X-quang, các tia chỉ chiếm một số lượng rất nhỏ của sản lượng điện của Mặt Trời (xem quang phổ ở trên) Quang phổ của nó gần như tất cả năng lượng Mặt Trời bức xạ điện từ đập vào bầu khí quyển của Trái Đất kéo dài một phạm vi 100 nm đến khoảng... đường truyền tia sáng Mặt Trời Màu của Mặt Trời bình minh: Hình 6.3: Hình ảnh minh hoạ Mặt Trời lúc bình minh Trang 26 Cũng như Mặt Trời hoàng hôn, Mặt Trời bình minh ở sát chân trời vì trong quá trình xa xôi ánh sáng của nó đã mất đi phần lớn ánh sáng màu chàm và xanh nên còn lại màu cam và đỏ Mặt Trời bình minh có màu đỏ cam Mây khuếch tán màu đỏ này khắp mọi hướng nên truyền những màu này đến mắt