Đề tài Mặt trời - Tìm hiểu và quan sát qua kính thiên văn Takahashi

Mục lục

Mở đầu . 1

Lý do chọn đềtài . 1

Phương pháp nghiên cứu. 3

Kết quả đạt được . 4

Chương 1- Các sao. 6

1.1. Ngôi sao là gì. . 6

1.2. Cấu tạo của Ngôi sao. 8

1.3. Sựsống của sao. . 11

1.3.1. Cấp sao nhìn thấy . 11

1.3.2. Cấp sao tuyệt đối. 12

1.3.3. Độtrưng. 12

1.3.4. Màu sắc và nhiệt độ. 13

1.3.5. Phân loại sao theo quang phổ . 14

1.4. Biểu đồHecsprung – Rutxen . 15

1.4.1. Giải thích giản đồHertzsprung – Russell. 16

1.4.2. Tuổi của các Ngôi sao. . 18

1.5. Sựtiến hóa và sốphận cuối cùng của các sao. . 19

Chương 2 - Mặt trời . 25

2.1. Quỹ đạo của Mặt trời. 25

2.1.1. Analemma. . 25

2.1.2. Đường đi một ngày đêm của Mặt trời – nhật động. 28

2.1.3. Quỹ đạo một năm của Mặt trời – Hoàng đạo. . 29

2.2. Cấu trúc của Mặt trời. 31

2.2.1. Sơlược vềMặt trời. . 31

a. Lõi (Core): . 33

b. Vùng truyền bức xạnăng lượng (Radiation Zone). 34

c. Vùng đối lưu của Mặt trời (Convective zone). 35

d. Khí quyển Mặt trời. . 35

e. Quang cầu (Photosphere). . 36

f. Sắc cầu (Chromosphere). 39

g. Nhật hoa (Corona). . 42

2.2.2. Năng lượng của Mặt trời. . 45

a. Phản ứng tổng hợp hạt nhân Heli. . 45

b. Chu trình Cacbon – Nitơ. . 50

2.2.3. Sựtiến hóa của Mặt trời. . 52

a. Sựhình thành. . 53

b. Tuổi trẻ. . 54

c. Giai đoạn chính. 54

d. Tuổi già. . 56

e. Sốphận cuối cùng của nó. 57

2.2.4. Có thểnhìn thấy gì trên Mặt trời . 57

a. Sựtạo hạt. 58

b. Vết đen Mặt trời. 59

c. Các Đốm sáng. 66

2.2.5. Chu kỳcủa Vết đen Mặt trời. . 66

2.3. Ảnh hưởng của Mặt trời lên Trái đất. . 73

2.3.1. Hiệu ứng nhà kính. . 73

2.3.2. Gió Mặt trời và từtrường giữa các hành tinh. . 77

2.3.3. Hiện tượng cực quang. . 80

2.3.4. Bão từ . 85

Chương 3 – Quan sát Mặt trời. 87

3.1. Dụng cụ. 87

A. Kính thiên văn. 87

3.1.1. Các hệtọa độtrong Thiên cầu . 87

3.1.1.1. Hệtọa độchân trời. 92

3.1.1.2. Hệtọa độxích đạo 1 . 94

3.1.1.3. Hệtọa độxích đạo 2 . 95

3.1.1.4. Hệtọa độhoàng đạo. 97

3.1.2. Kính thiên văn. 98

3.1.2.1. Phân loại kính: . 99

3.1.2.2. Các đặc trưng của kính thiên văn. 101

3.1.2.3. Hệkhửnhật động. . 103

3.1.3. Kính EM – 200 dụng cụdùng đểquan sát Mặt trời. 105

3.1.3.1. Thông sốkỹthuật: . 105

3.1.3.2. Hệthống – điều khiển: . 106

3.1.3.3. Trục cực thân kính hướng đến sao bắc cực . 107

3.1.3.4. Điều khiển bằng tay – hộp điều khiển . 108

3.1.3.5. Điều khiển bằng máy tính: . 109

3.1.4. Quan sát và ghi nhận hình ảnh:. 110

3.1.4.1. Dùng thịkính . 110

3.1.4.2. Dùng thịkính kết hợp với máy ảnh kỹthuật số. . 110

B. Máy chụp . 110

3.2. Kết quảnghiên cứu . 111

3.2.1. Đo bán kính Mặt trời . 111

3.2.1.1. Nguyên tắc lý thuyết: . 111

3.2.1.2. Các bước tiến hành và kết quả. 114

3.2.2. So sánh ảnh chụp Mặt trời. . 121

3.2.3. Tính chỉsốvết đen Mặt trời. . 124

3.2.4. Xác định quỹ đạo chuyển động của vết đen . 129

Kết luận . 135

Tài liệu tham khảo . 138

Mục lục. 140

pdf142 trang | Chia sẻ: netpro | Lượt xem: 1720 | Lượt tải: 3download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Mặt trời - Tìm hiểu và quan sát qua kính thiên văn Takahashi, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
oảng 104 K. Khi đã trở thành sao lùn trắng rồi thì bán kính của sao không giảm xuống nữa, những tia sáng cuối cùng của nó được chiếu từ từ ra xa Vũ trụ. Nhiệt bên trong của nó dần dần giảm xuống và sao nguội dần, sau một thời gian thì biến thành sao lùn nâu rồi sao lùn đen, sự sống kết thúc hoàn toàn. Khi này nếu xung quanh Mặt trời tồn tại các hành tinh thì chúng sẽ bị đóng băng. 2.2.4. Có thể nhìn thấy gì trên Mặt trời Hình như ai cũng biết rằng không thể nhìn thẳng lên Mặt trời vì ánh sáng của Mặt trời mang năng lượng rất lớn nếu chúng ta phạm điều cấm kị này khi quan sát Mặt trời thì có thể làm hư mắt của chúng ta. Một phương pháp đơn giản có thể dùng để quan sát Mặt trời là sử dụng kính thiên văn, nhưng khi sử dụng kính thiên văn để quan sát Mặt trời một cách trực tiếp thì chúng ta cũng cần quan tâm đến độ sáng của Mặt trời sau khi nó qua kính thiên văn và đến mắt chúng ta, nếu kính thiên văn có dụng cụ lọc ánh sáng không tốt hoặc không có các thiết bị làm dịu ánh sáng thì việc nhìn lên Mặt trời một cách trực tiếp như vậy cũng gây ảnh hưởng rất lớn đối với mắt chúng ta. Chính vì vậy chúng ta nên thu ảnh của Mặt trời lên trên một màn giấy trắng sau đó mới quan sát (phương pháp này rất đơn giản đối với một cái kính thiên văn nhỏ cũng có thể thu được ảnh của Mặt trời lớn như một cái đĩa). Vậy qua 58 việc quan sát này chúng ta thấy những gì trên Mặt trời? Đó là sự tạo hạt và vết đen Mặt trời. a. Sự tạo hạt Nhìn lên đĩa Mặt trời ta thấy Mặt trời không phải là một đĩa đồng nhất mà trên đó có những chi tiết lớn nhỏ khác nhau gọi chung là hạt, giữa các hạt có các khoảng tối. Kích thước của các hạt là khoảng 1000 – 2000 Km, còn các đường kính của khoảng tối thì nhỏ hơn có bề rộng khoảng 300 – 600Km, và cùng lúc chúng ta có thể quan sát thấy cả triệu hạt trên đĩa Mặt trời Sở dĩ chúng ta nhìn thấy sự tạo hạt trên bề mặt Mặt trời là do: Bên trong Mặt trời có một vùng truyền năng lượng ra quang cầu bằng phương pháp đối lưu – vùng đối lưu của Mặt trời. Vì sự truyền năng lượng bằng phương pháp đối lưu nên trên Mặt trời luôn có một dòng khí nóng mang năng lượng cao từ dưới lên trên giản nở, tỏa nhiệt rồi truyền năng lượng cho môi trường xung quanh đồng thời có một luồng khí lạnh từ trên đi xuống vào trong lòng Mặt trời nên vật chất trên bề mặt Mặt trời luôn bị đốt nóng, chuyển động và xáo trộn cảnh tượng đó là cơ chế của sự tạo hạt, cho nên khi quan sát ta thấy trên bề mặt của Mặt trời chứa rất nhiều hạt nó tạo nên một cái nền chung cho toàn bộ Mặt trời và trên đó có thể quan sát thấy các đối tượng lớn hơn, tương phản hơn, ví dụ như: Vết đen, các đốm sáng của Mặt trời…… Hình 2. 20: Mô hình vết đen được quan sát trên nền của sự tạo hạt 59 b. Vết đen Mặt trời. Galileo là người đầu tiên quan sát Mặt trời và các vết đen của nó dường như mỗi ngày, ông thấy rằng Vết đen là những miền trên quang cầu, có nhiệt độ thấp hơn miền bao quanh khoảng vài nghìn Kenvin, có kích thước khoảng 104km, Các Vết đen càng lớn thì có thời gian tồn tại trên Mặt trời càng lâu, một Vết đen lúc đầu xuất hiện ở bên này của Mặt trời, sau đó di chuyển ngang qua bề mặt Mặt trời, và biến mất ở đầu bên kia của Mặt trời trong khoảng thời gian hai tuần. Từ đó ông khẳng định rằng vết đen là một phần của Mặt trời và nó quay cùng Mặt trời theo chu kỳ quay tự quay khoảng 28 ngày (một số tài liệu khác là 27 hoặc 25 ngày). Sau này với 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 tọa độ Vật lý Mặt trời và sự thay đổi đó thỏa mãn biểu thức: 0 0 214 ,37 2 60B Sin Bω = − (trong đó ωB là góc quay được trong một ngày của những điểm có vĩ độ B). Hình 2. 21: Vết đen Mặt trời được chụp bởi vệ tinh SOHO vào ngày 30/03/2001, diện tích của Vết đen trải rộng gấp 13 lần diện tích của Trái đất. 60 Hình 2. 22: Hình dung về cảnh vật Vết đen Ngày nay, với sự phát triển của ngành thiên văn, kính viễn vọng có thể quan sát các vết đen (vết tối) Mặt trời một cách hoàn thiện và giải thích được các vấn đề liên quan đến nó. Mặt trời như một cái đĩa phát sáng, vết tối quan sát trên đĩa Mặt trời giống như một chiếc đĩa sâu và tối hơn các vùng xung quanh, vì sao nó lại như vậy? (hình 2.25) Đó là do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng gây nên, tại vùng tối nhiệt độ thấp hơn khoảng 1500 – 2000 K, mặt khác khí ở đây còn trong suốt hơn khí ở xung quanh chúng ta. Kích thước của các vết đen cũng rất khác nhau, từ vết nhỏ có đường kính khoảng 103 – 2.103 km tới vết lớn hơn có đường kính khoảng 4.104 km lớn gấp vài lần đường kính của Trái đất, hiện nay vết đen lớn nhất quan sát được trên Mặt trời có đường kính là 105 km, những vết đen này tồn tại lâu hơn khoảng hai tháng sau đó mới biến mất. Thời gian này đủ lớn để cho các vết đen biến mất và xuất hiện lại sau hai tuần ở phía kia của Mặt trời. Nhưng thực tế, các vết đen Mặt trời đã được quan sát chỉ tồn tại trong khoảng vài ngày, sau đó biến mất để được thay thế bằng các vết đen khác. Vết đen lớn thì có cấu trúc phức tạp hơn vết đen nhỏ, chúng gồm hai phần: Một vùng tối mờ bao quanh vùng tối đen, đường kính của vùng tối mờ lớn gấp vài lần so với đường kính của vùng tối đen. 61 Nguyên nhân nào làm xuất hiện vết đen? Sự xuất hiện vết đen gắn chặt với sự biến đổi cấu hình từ trường trên Mặt trời, mà từ trường trên Mặt trời lại có nguồn gốc từ sự chuyển động plasma của vật chất. Vì vậy từ thủy động lực học plasma sẽ giúp ta lý giải nguồn gốc và sự tiến hóa của các vết đen trên Mặt trời. Cụ thể lý thuyết từ thủy động MHD (Magnet hydrodynamic theory) do Cawling và Alfven đề xướng có thể giúp chúng ta giải thích một cách định tính sự xuất hiện và tồn tại của 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 kéo theo sinh ra từ trường lớn ở vùng lân cận. Nếu có cơ chế nào đó chuyển động năng của khối plasma 2 2 vρ thành năng lượng từ có mật độ 2 28 B piµ thì cảm ứng từ B ở địa phương đó sẽ tăng dần. Vì plasma có độ dẫn điện lớn nên dường như từ trường bị “đống keo” vào vật chất đó và nếu như dòng plasma đứng yên thì mọi biến thiên của từ trường đều bị từ trường của dòng cảm ứng ngăn lại và từ trường chỉ biến đổi khi các đường sức từ cảm ứng 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. Chính từ trường này đã làm yếu dòng năng lượng chuyển động từ trong lòng Mặt trời lên quang cầu làm cho nhiệt độ ở vùng này bị tụt xuống, xuất hiện vết đen Mặt trời. Nói là vết đen nhưng với độ sáng này cũng có thể làm mù mắt người, vì độ sáng của nó bằng ¼ độ sáng môi trường xung quanh, sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng chỉ nằm trong khoảng 1500 – 2000K. Nên vết đen không phải hoàn toàn là màu đen, mà chỉ cảm tưởng là màu đen do sự tương phản ánh sáng của hai vùng tương ứng có ánh sáng khác nhau. Như vậy xung quanh vết đen Mặt trời luôn luôn tồn tại một từ trường mạnh và nguyên nhân gây ra từ trường đó chính là dòng điện, dòng điện có được là do nhiễu động làm xuất hiện miền plasma có mật độ electron và nhiệt độ khác nhau, nhưng tại sao lại như vậy? Bởi lẽ toàn bộ Mặt trời là một khối khí khổng lồ nên không thể chứa các vật chất từ rắn ở đây, các phân tử khí trên Mặt trời thì luôn luôn bị ion hóa bởi các electron tự do, khi các electron tự do và các hạt mang điện của 62 chúng chuyển động tương đối so với các nguyên tử và các ion, thì có một dòng điện chạy trong chất khí và chính dòng điện này đã sinh ra từ trường của Vết đen. Vậy làm sao để tính được giá trị dòng điện đã sinh ra từ trường? Để đơn giản gần đây người ta đã dùng hình ảnh sợi dây solenoid (“solenoid” là một ống dây hình trụ gồm n vòng quấn thành – hình 2.26) để biểu thị cho vết đen Mặt trời, mỗi vết đen được xem như một “dây” có dòng điện chạy dày trong khoảng đường kính là 103 km, nhưng với đường kính khoảng 104 km thì dòng điện chạy quanh vết đen tạo ra từ trường được xem là đồng nhất. Để tính toán ra số liệu thì người ta đã tưởng tượng rằng: Dây solenoid (vết đen Mặt trời) như một sợi dây dài vô hạn, và cứ một mét dây được quấn bởi n vòng dây và có cường độ dòng điện là I, khi đó từ trường đồng nhất bên trong sợi dây ứng với một mét được tính theo công thức 74 10B nIpi −= × . Với kết quả giá trị từ trường tại vùng có vết đen quan sát được là B = 0,15T thì trị số nI trong một mét dây là: nI =1,2.105A/m. Và với công nghệ thông tin trang thiết bị hiện đại, chúng ta đã ước định chính xác độ sâu của vết đen Mặt trời là 3.104Km, như vậy có thể coi sợi dây solenoid dài 3.104 Km, vậy dòng điện chạy trong vết đen Mặt trời là 4.1012A đây là một dòng điện khổng lồ. Một điều lý thú nữa là sự khác biệt giữa dòng điện trong vết đen Mặt trời và dòng điện trong phòng thí nghiệm. Đối với dòng điện trong phòng thí nghiệm thì khi dây dẫn càng nhỏ nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn càng lớn và có thể nun nóng dây dẫn. Còn nếu dây càng dày thì hầu như không có nhiệt tỏa ra trên dây. Nhưng đối với vết đen có “dây” dày 103Km mà nó vẫn tỏa nhiệt và lượng nhiệt này còn lớn vô cùng, có thể truyền đến Trái đất, dòng điện này sẽ còn chạy mãi mãi cho đến khi có một lực nào đó xuất hiện làm biến mất vết đen Mặt trời. Như vậy vết đen chính là lối ra của từ trường mạnh dẫn vào khí quyển Mặt trời. Nhưng dựa vào đâu để người ta xác định được từ trường của các vùng này trên đĩa Mặt trời, và nó có liên hệ với các vết đen như thế nào? Như chúng ta đã biết, theo hiệu ứng Zeemann nếu một nguyên tử khi đặt trong từ trường, vạch quang phổ do nguyên tử này bức xạ sẽ bị tách làm ba vạch hay nói cách khác chúng sẽ thay đổi 63 khi đặt trong từ trường. Chính vì vậy qua việc 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 độ 4000K. Các vạch phổ vạch hấp thụ trên nền phổ liên tục đều bị tách ra thành một số vạch kề cận, độ rộng vạch phổ cũng nới rộng ra chứng tỏ nó đang chịu tác dụng của hiệu ứng Zeemann và hiệu ứng Doppler, vì vậy hiệu ứng Zeemann của các nguyên tử trên bề mặt Mặt trời sẽ giúp chúng ta biết được những bí ẩn về vết đen Mặt trời. Nhưng tai sao các vạch quang phổ này lại thay đổi (cơ sở vật lý của hiệu ứng Zeemann)? Để giải thích hiện tượng đó chúng ta hãy tưởng tượng rằng khi chưa đặt nguyên tử trong từ trường thì các electron trong nguyên tử luôn quay trên các quỹ đạo xung quanh hạt nhân, mà không rơi vào hạt nhân nên lực hướng tâm của electron cân bằng với lực hút tỉnh điện của hạt nhân với electron. Còn khi các nguyên tử này được đặt trong từ trường thì các electron trong nguyên tử có các moment từ tương tác với nhau, làm cho electron chịu thêm một lực tương tác nữa, nhưng lực này yếu hơn lực do từ trường xung quanh tác dụng lên nó. Vì vậy khi đặt nguyên tử trong từ trường thì nguyên tử này sẽ nhận thêm một năng lượng phụ có độ lớn 0E m Bµ∆ = làm cho các electron có xu hướng quay đi hướng khác, dẫn đến năng lượng của các electron trong nguyên tử lớn hơn một tí nếu các electron này quay theo một chiều nào đó xung quanh từ trường, còn năng lượng này sẽ nhỏ hơn một tí nếu các electron quay theo chiều ngược lại. Do đó mà mức năng lượng của các electron bị tách thành (2l+1) mức con khi các electron nhảy từ mức nguyên tử này đến mức nguyên tử khác và phát ra photon, các photon này mang các mức năng lượng khác nhau tùy thuộc vào electron đó chuyển động trên quỹ đạo theo hướng nào. Dựa vào đó, nếu ví dụ rằng có một đám khí trong đó chứa các nguyên tử sắt phát bức xạ về phía chúng ta và các đường sức của từ trường H nằm dọc theo đường ngắm của mắt đến đám khí thì các bước sóng được phát xạ bị tách làm hai vạch và ánh sáng ứng với mỗi vạch bị phân cực tròn theo chiều ngược nhau (hình 2.23). Còn nếu khi ta quan sát theo phương vuông góc với các đường sức từ của từ trường H thì ta nhìn thấy đầu đủ ba vạch thành phần và ánh sáng bị phân cực thẳng (hình 64 2.24). Và các vạch này có bước sóng hơi cao hơn và thấp hơn một xí so với mức bình thường, đo sự chênh lệch giữa hai bước sóng này (sự tách vạch Zeeman) chúng ta sẽ biết được cường độ từ trường nơi nguyên tử định vị. Hình 2. 23 Hình 2. 24 Theo lý thuyết là vậy nhưng làm thế nào để quan sát được sự tách vạch Zeemann của bức xạ phát ra từ một vết đen Mặt trời? Người ta đã sử dụng một cái khe đặt trên hình ảnh của vết đen Mặt trời, khi đó chỉ có ánh sáng đi qua khe mới được phép rơi vào phổ kế được đặt bên trong khe, qua phổ kế ánh sáng bị tách ra thành phổ của vết đen Mặt trời (hình 2.27). Từ đây ta có thể tính được từ trường của Mặt trời tại vị trí có vết đen và cho kết quả là hầu hết các vết đen Mặt trời có từ trường nằm trong khoảng 0,1 – 0,2 Tesla, và từ trường này giảm dần tới giá trị 0 trong một vùng dày khoảng 103Km, mỏng so với đường kính của vết đen (chính vì vậy mà vết đen có dạng như một cái đĩa với vùng tối đen có đường kính nhỏ hơn vùng tối mờ đến vài lần). 0,1 – 0,2 Tesla như vậy thôi nhưng từ trường của vết đen lớn hơn từ trường của Trái đất gấp hàng ngàn lần và nó nằm trong thể tích lớn hơn thể tích của Trái đất, cho nên cứ một vết đen Mặt trời được coi như một nam châm rất mạnh. 65 Thông thường các vết đen trên Mặt trời tập trung lại thành từng đám gồm nhiều vết đen lớn nhỏ khác nhau, các đám vết đen này thì chiếm một vùng đáng kể trên đĩa Mặt trời, và các vùng này cũng có thời gian tồn tại lâu hơn, khoảng hai đến ba vòng quay của Mặt trời. Như vậy vết đen là một trong số những ví dụ của các dòng điện và từ trường Vũ trụ. Hình 2. 25: Mô hình Vết đen Mặt trời Hình 2. 26: Dây solenoid Hình 2. 27: Khe dùng quan sát Vết đen Khe qua vết đen Phổ 66 c. Các Đốm sáng Bên cạnh việc nhìn thấy các vết đen Mặt trời chúng ta còn có thể nhìn thấy các đốm sáng Mặt trời, các đốm sáng này thường tồn tại xung quanh các vết đen nhưng không nhất thiết là phải tồn tại cùng với vết đen vì có những trường hợp mặc dù quan sát thấy vùng đốm sáng nhưng bên trong nó không xuất hiện một Vết đen nào. Thời gian sống của nó lâu hơn thời gian sống của các vết đen, có thể sống từ ba đến bốn tháng. Nhiệt độ của các đốm sáng cao hơn nhiệt độ của khí quyển xung quanh nó khoảng 2000K và có cấu trúc dạng ổ phức tạp. Kích thước của mỗi ổ khoảng 3.104Km. Các đốm sáng tại tâm Mặt trời có độ tương phản không lớn bằng các đốm sáng trên vành đĩa của Mặt trời . Các đốm sáng cũng là một ngõ dẫn từ trường ra các lớp bên ngoài của Mặt trời nhưng các ngõ ra này có từ trường yếu hơn các ngõ của vết đen. Việc xuất hiện các đốm sáng hay vết đen của Mặt trời đều đặc trưng cho tính hoạt động của Mặt trời, nó xuất hiện liên quan đến chu kỳ 11 năm hoặc 22 năm của Mặt trời. Trong những năm Mặt trời hoạt động yếu thì việc quan sát hầu như không thấy một vết đen nào, còn đối với thời kỳ Mặt trời hoạt động mạnh việc quan sát có khi thấy hàng chục đến hàng trăm vết đen cùng lúc trên Mặt trời. 2.2.5. Chu kỳ của Vết đen Mặt trời. Nguồn năng lượng Mặt trời phát ra đi đến Trái đất dưới dạng bức xạ của các loại sóng, nguồn năng lượng này là sự sống cho con người và thực vật. Lượng năng lượng Mặt trời chiếu đến Trái đất ứng với bề mặt có diện tích là 1m2 được trải ra vuông góc với các tia Mặt trời tại ranh giới khí quyển Trái đất được gọi là hằng số Mặt trời. Theo dự đoán ban đầu, nguồn năng lượng do Mặt trời phát ra đi đến Trái đất là không đổi có nghĩa là hằng số Mặt trời cũng không đổi (theo số liệu mới là 1370W/m2). Nhưng trong thực tế thì không phải như thế, vì trong vòng 20 năm qua Mặt trời không ổn định và luôn có sự thay đổi, sự thay đổi này có thể ảnh hưởng rất lớn đến nền văn minh kỹ thuật của chúng ta trên Trái đất. Cụ thể vào thời 67 kỳ vết đen xuất hiện nhiều: Những vùng có Vết đen tụ lại thành nhóm lớn, khi chúng kề cận nhau đến mức nào đó, những chổ có cảm ứng từ ngược dấu nhau sẽ xảy ra vụ nổ đột ngột làm tăng bức xạ đến hàng triệu lần trong vài chục phút rồi từ từ giảm xuống ở khắp mọi bước sóng của thang sóng điện từ, đồng thời phóng ra các tia Vũ trụ năng lượng thấp như electron, proton, đây được gọi là bùng nổ sắc cầu. Cũng với cơ chế như trên nhưng nếu xảy ra ở miền nhật hoa phía trên của nhóm vết đen thì gọi là bùng nổ nhật hoa (diễn ra ở vùng bức xạ cực ngắn, vùng tia X của sóng điện từ). Cả hai vụ bùng nổ trên đều có ảnh hưởng lớn đến sự an toàn của 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. Cũng thời gian này nếu ta quan sát Mặt trời qua ánh sáng đơn sắc Hα (6563 0A ), các vạch H, K của ion Canxi hoặc ghi ảnh Mặt trời nhờ máy ghi ảnh phổ, ta sẽ thấy rằng lúc đó trên khí quyển Mặt trời cũng sẽ xuất hiện các vết khác như tai lửa, gai lửa…. Như vậy thời kỳ Mặt trời có nhiều vết đen được gọi là thời kỳ hoạt động của Mặt trời, với chu kỳ hoạt động cụ thể 11 năm hoặc khoảng 22 năm. Vậy thì chu kỳ hoạt động của Mặt trời có liên quan gì đến sự xuất hiện và mất đi của các vết đen trên Mặt trời hay không? Như chúng ta đã biết số vết đen trên đĩa Mặt trời không phải là cố định mà nó thay đổi từng ngày. Người đầu tiên nghiên cứu vấn đề vết đen của Mặt trời là nhà bác học người Đức Henrich Schwate (Henrich Svabe), qua nhiều số liệu đã ghi chép lại từ thời Galileo và khoảng thời gian dài 17 năm nguyên cứu một cách có hệ thống các vết đen, Ông đã thấy rằng số lượng vết đen giảm từ tối đa xuống tối thiểu, sau đó lại tăng lên vị trí tối đa sau một chu kỳ khoảng 10 năm. Số lượng tối đa của các vết đen là khoảng 100 vết, còn số lượng tối thiểu có khi không thấy một vết đen nào trong vài ngày quan sát và kết quả này được ông công bố vào năm 1843. Người thứ hai nghiên cứu về vấn đề này là nhà bác học người Thụy Sĩ Rudolf Wolf (Ruđônphơ Vônphơ), và ông giải thích thêm rằng chu kỳ của vết đen Mặt trời không phải là 10 năm mà là 11 năm. Và ông đưa ra một đại lượng định vị cho vấn đề này, gọi là số Wolf kí hiệu bằng W và ông thấy rằng: 68 W = k (f + 10g) Với k là hệ số tương quan do 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. Wolf đã đề nghị: khi W → Wmax là thời kỳ hoạt động mạnh của Mặt trời còn khi W → Wmin là thời kỳ Mặt trời tỉnh. Như vậy thì chu kỳ hoạt động của Mặt trời có liên quan mật thiết đến chu kỳ hoạt động của vết đen Mặt trời. Nhưng nếu chúng ta để ý chu kỳ lặp lại cực đại trong các cực đại thì số W tỏ ra biến thiên với chu kỳ dài là 90 năm, còn nếu để ý đến cực của vết đen thì chu kỳ phải là 22 năm như G.H.Hale đã nêu ra vào năm 1908. Hình 2. 28: Chu kỳ hoạt động của mặt trời theo số Wolf Cụ thể chu kỳ hoạt động của Mặt trời liên quan đến chu kỳ hoạt động của vết đen như sau: + Chu kỳ hoạt động 11 năm của Mặt trời liên quan đến số vết đen xuất hiện trên Mặt trời. Cứ 11 năm Mặt trời lại có nhiều vết đen (hàng chục hoăc hàng trăm vết) đây là chu kỳ hoạt động mạnh nhất của Mặt trời với khoảng thời gian này được coi là một cực đại của vết đen. Khoảng 6 năm sau số vết đen này lại ít (có khi hầu như không có) đây là khoảng thời gian được xem là một cực tiểu của vết đen và nó cũng thể hiện chu kỳ hoạt động cực tiểu của Mặt trời. Từ cuối thế kỷ XVIII, khi số liệu về quan trắc vết đen được ghi lại đầy đủ, xử lý thống nhất và vị trí các Vết đen 69 được thể hiện trong hệ tọa độ vật lý Kêringtơn thì chu kỳ vết đen đầu tiên được tính từ năm 1755, đến năm 2006 – 2007 là cuối của chu kỳ thứ 23 và đầu năm 2008 được coi là đầu của chu kỳ thứ 24. Hình 2. 29: Số vết đen Mặt trời quan sát được trong các năm từ 1620-2000 + Chu kỳ 11 năm của Mặt trời liên quan đến vị trí của các vết đen Mặt trời. Những vết đen đầu tiên của chu kỳ mới, sau một cực tiểu của Mặt trời xuất hiện ở khoảng 350 Bắc và Nam, khi những vết đen này biến mất, thì những vết đen mới hình thành ở gần đường xích đạo và quá trình đó cứ thế tiếp diễn. Tại điểm cực đại của vết đen Mặt trời, hầu hết các vết đen nằm ở vĩ độ khoảng 150 Bắc và Nam và vào cuối chu kỳ thì chúng hiện ra ở gần xích đạo. Hình 2. 30: Hình ảnh thể hiện chu kỳ 11 năm của vết đen Mặt trời. Ảnh trái chụp ngày : 27/09/2008, ảnh phải chụp ngày: 27/09/2001 70 + Chu kỳ 22 năm của vết đen Mặt trời liên quan đến hướng từ trường của vết đen: Sau thời điểm hoạt động cực tiểu của các vết đen thì lại tiếp tục chu kỳ mới với thời điểm có sự xuất hiện của nhiều vết đen. Các vết đen xuất hiện thành từng cặp, theo định hướng Đông Tây. Vết đen chủ đạo (xuất hiện đầu tiên) của một nhóm thì luôn có một cực từ tính (ví dụ là cực tính Bắc) thì vết đen kế tiếp lại có cực từ ngược lại (cực tính Nam). Và điều này cũng đúng cho tất cả các vết đen nằm trong một bán cực, còn ở bán cực kia thì cảnh tượng của các vết đen ngượi lại. Hay nói cách khác sự phân cực của các vết đen ở phía Bắc của đường xích đạo theo một hướng, ở phía Nam của đường xích đạo lại theo một hướng khác. Như vậy chu kỳ tiếp theo 11 năm sau của vết đen Mặt trời thì sự phân cực của các cặp vết đen là ngược lại trên hai nửa bán cầu. Vậy cứ sau 22 năm thì sự phân cực của các vết đen Mặt trời mới giống ban đầu. Cho nên chu kỳ thực chất của Mặt trời phải là 22 năm chứ không phải 11 năm. Hình 2. 31: Sự phân cực của vết đen Mặt trời (1): Sự phân cực của các cặp vết đen Mặt trời theo chu kỳ 11 năm (2): Sự phân cực ở chu kỳ tiếp theo của các cặp vết đen, sự phân cực lặp lại với chu kỳ 22 năm Như vậy với số lượng vết đen nằm trên Mặt trời, xuất hiện rồi phát triển sau đó lại biến mất theo chu kỳ là 11 năm cũng được coi là chu kỳ hoạt động của 71 Mặt trời. Nhưng trong thực tế chu kỳ hoạt động của Mặt trời không hoàn toàn giống chu kỳ hoạt động của vết đen, đôi khi Mặt trời hoạt động theo cách riêng của mình với chu kỳ nằm trong khoảng 7 – 17 năm, Và trong khoảng 50 năm gần đây thì chu kỳ hoạt động tối đa tính trung bình của Mặt trời chỉ là 10,4 năm. Còn bằng việc nghiên cứu dựa trên các thiết bị của ngành thiên văn năm 1893 thì nhà thiên văn học người Anh E.W.Maunder (Oantơ Maunđơ) đã đưa ra kết luận rằng trong khoảng những năm 1645 – 1715, Mặt trời hầu như không có một vết đen nào – đó là thời kỳ nghĩ ngơi của Mặt trời. Hai năm gần đây sự xuất hiện của các vết đen Mặt trời trên bầu trời là rất hiếm hoi, mà đáng lẽ ra theo chu kỳ thì nó đã có điều này cũng một phần nói lên chu kỳ của vết đen có một ít sai khác với chu kỳ hoạt động của Mặt trời. Nhưng nhờ hai nhà bác học Rachel Howe và Frank Hikk thuộc đài quan sát Mặt trời Quốc gia (NSO) tại Tucson Arizona, gần đây đã dùng kỹ thuật helioseismology để phát hiện và theo dõi dòng chuyển khí quyển ở độ sâu tới 7.000Km bên trong Mặt trời và hai ông đã kết luận rằng chính dòng chảy này đã gây ra sự thiếu vắng của các vết đen trên Mặt trời. Theo nguyên tắc Mặt trời sinh ra các dòng chảy khí quyển hẹp di chuyển chậm chạp từ 2 cực tới xích đạo theo chu kỳ 11 năm, và khi một dòng tới được điểm quan trọng trên vĩ độ 22, các vết đen của chu kỳ mới bắt đầu xuất hiện. nhưng thực tế của hai năm gần đây sự di chuyển của các dòng chảy này diễn ra một cách chậm chạp đến bất thường (mất tới 3 năm để qua được 10 vĩ độ, trong khi ở chu kỳ trước, quá trình này chỉ mất có 2 năm). Hill nói: "Thật thú vị khi chúng ta cũng thấy dòng chảy này tới được vĩ độ 22, dù muộn một năm, cuối cùng thì chúng ta cũng được thấy những nhóm vết đen Mặt trời đang xuất hiện. Đây là một khám phá quan trọng, Dean Pesnell, cán bộ Trung tâm Bay Vũ trụ Goddard của NASA nói. "Nó cho thấy các dòng chảy bên trong Mặt trời có liên quan thế nào tới sự hình thành các vết đen và các dòng chảy này có ảnh hưởng ra sao đối với thời gian của chu kỳ Mặt trời". Tuy nhiên, vẫn cần tiến hành nghiên cứu thêm nữa vì chúng ta vẫn chưa hiểu chính xác các dòng chảy khí quyển hẹp có thể bắt đầu sự hình thành của vết đen Mặt trời theo cách nào, Pesnell cũng nói thêm 72 rằng "chưa hiểu rõ bản thân các dòng chảy này hình thành ra sao”. Như vậy ngành thiên văn học lại được đặt ra thêm một nhiệm vụ mới Hình 2. 32 Đặc biệt sự thay đổi của số Wolf và chu kỳ hoạt động của Mặt trời ảnh hưởng rất nhiều đến Trái đất của chúng ta. Sự thay đổi của số Wolf tỏ ra trùng lặp với quy luật biến thiên của một số hiện tượng địa vật lý, từ quyển, sinh quyển ở Trái đất của chúng ta. Ví dụ như: Độ rộng giữa các vành sinh trưởng trên cây cổ thụ, một số nạn dịch bệnh trên Trái đất, số lượng bão từ… ngoài ra nó còn liên quan đến biến thiên giá trị áp suất trung bình hằng năm ở tầng thấp của khí quyển. Còn chu kỳ hoạt động của Mặt trời thì ảnh hưởng lên Trái đất không nhỏ: Nếu trên sắc cầu và nhật hoa xảy ra vụ bùng nổ thì chỉ cần hơn 8 phút sau những bức xạ điện từ sẽ xâm nhập và

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfMặt trời - tìm hiểu và quan sát qua kính thiên văn TAKAHASHI.pdf
Tài liệu liên quan