Từ trường Trái Đất: lá chắn vô hình và vì sao có cực quang

Từ trường Trái Đất là một "lá chắn" vô hình sinh ra từ dòng sắt nóng chảy chuyển động trong lõi ngoài, sâu khoảng 2.900 km dưới chân ta. Nó làm lệch phần lớn gió Mặt Trời — dòng hạt mang điện thổi liên tục từ Mặt Trời — và giữ cho khí quyển không bị bào mòn dần. Cực quang là lúc lá chắn ấy hiện hình: một phần hạt lọt vào theo đường sức từ ở gần hai cực, va vào khí quyển ở độ cao khoảng 100–300 km, làm không khí phát sáng xanh lục, đỏ, tím.

Thứ vô hình mà con người dùng từ cả nghìn năm

Con người không nhìn thấy từ trường, nhưng đã biết dùng nó từ rất sớm. Người Trung Hoa thời cổ biết đá nam châm chỉ hướng. Trong Mộng Khê bút đàm (khoảng năm 1088), học giả Thẩm Quát đời Tống mô tả kim từ dùng để chỉ hướng, và ghi nhận kim không chỉ đúng hướng bắc thật mà lệch đi một chút — hiện tượng nay gọi là độ từ thiên. Đây là một trong những ghi chép sớm nhất trên thế giới về điều này.

Năm 1600, thầy thuốc người Anh William Gilbert xuất bản De Magnete (Về nam châm), trong đó ông làm một quả cầu nam châm nhỏ và thấy kim la bàn quanh nó xử sự y như trên Trái Đất. Kết luận của ông: bản thân Trái Đất là một nam châm khổng lồ. Ông đúng về hiện tượng, dù nguồn gốc thật thì phải ba thế kỷ sau mới hiểu.

Từ trường sinh ra từ đâu: cỗ máy phát điện trong lòng đất

Trái Đất có lõi trong bằng sắt – niken rắn, bao quanh là lõi ngoài bằng kim loại lỏng nóng hàng nghìn độ. Nhiệt từ lõi trong thoát ra làm kim loại lỏng cuộn lên xuống, cộng với chuyển động quay của Trái Đất làm dòng chảy xoắn lại. Kim loại lỏng dẫn điện chuyển động trong từ trường sinh ra dòng điện, dòng điện lại sinh ra từ trường — một vòng tự duy trì gọi là địa động lực (geodynamo).

Ở bề mặt, từ trường Trái Đất khá yếu: khoảng 25–65 microtesla tuỳ nơi, yếu hơn cục nam châm dán tủ lạnh hàng trăm lần. Nhưng nó trải ra rất xa, tạo thành một vùng gọi là từ quyển. Phía hướng về Mặt Trời, từ quyển bị gió Mặt Trời ép lại còn khoảng mười lần bán kính Trái Đất; phía đối diện, nó bị kéo dài thành cái đuôi dài hàng trăm lần bán kính Trái Đất.

Lá chắn hoạt động thế nào

Gió Mặt Trời gồm proton và electron bay với tốc độ hàng trăm km mỗi giây. Hạt mang điện gặp từ trường thì bị bẻ hướng, nên phần lớn trượt quanh từ quyển như nước chảy quanh hòn đá giữa suối. Một phần hạt bị bẫy lại, tạo thành hai vành đai bức xạ hình bánh xe quanh Trái Đất. Năm 1958, vệ tinh Explorer 1 của Mỹ mang theo máy đếm hạt do James Van Allen thiết kế phát hiện ra chúng; nay gọi là vành đai Van Allen.

Vì sao điều này quan trọng? Hãy nhìn Sao Hoả. Các nghiên cứu, trong đó có tàu MAVEN của NASA, cho thấy Sao Hoả từng có từ trường toàn cầu nhưng mất nó từ rất sớm. Không còn lá chắn, gió Mặt Trời dần bào mòn khí quyển của nó vào không gian. Từ trường không phải lý do duy nhất khiến Trái Đất giữ được bầu khí quyển dày, các nhà khoa học còn bàn về mức độ đóng góp, nhưng nó là một phần quan trọng.

Cực quang: lá chắn hiện hình

Đường sức từ chụm lại ở hai cực từ. Ở đó, một phần hạt từ gió Mặt Trời và từ đuôi từ quyển được dẫn xuống khí quyển, va vào nguyên tử ôxy và nitơ, kích thích chúng phát sáng — nguyên lý giống đèn ống nê-ông. Màu sắc phụ thuộc vào loại khí và độ cao:

Cực quang thường xuất hiện trong một vành hình bầu dục quanh mỗi cực từ, gọi là "oval cực quang" — ở bắc bán cầu là cực quang phương bắc (aurora borealis), ở nam bán cầu là cực quang phương nam (aurora australis). Những nơi nằm dưới vành này như bắc Na Uy, Phần Lan, Iceland, Alaska, bắc Canada thấy cực quang thường xuyên trong mùa đêm dài.

Mắt người kém nhạy màu trong bóng tối, nên cực quang yếu nhìn bằng mắt thường hơi xám nhạt, trong khi máy ảnh phơi sáng lâu cho màu rực hơn nhiều. Đừng thất vọng nếu tận mắt thấy cực quang không giống ảnh trên mạng — những đợt mạnh thì màu hiện rõ cả với mắt thường.

Khi Mặt Trời nổi giận: bão từ

Thỉnh thoảng Mặt Trời phóng ra một khối plasma khổng lồ (phun trào nhật hoa). Khi khối này đâm vào từ quyển, nó gây bão từ: vành cực quang phình rộng về phía xích đạo, la bàn dao động, sóng radio bị nhiễu.

• 1–2/9/1859 — Sự kiện Carrington. Nhà thiên văn Anh Richard Carrington quan sát một chớp sáng trên Mặt Trời; khoảng 17 giờ sau, bão từ cực mạnh ập tới. Cực quang được thấy ở những nơi gần xích đạo như vùng Caribe; đường dây điện báo phóng tia lửa, một số máy vẫn gửi được tin sau khi đã ngắt pin. Đây là bão từ mạnh nhất có ghi chép chi tiết.
• 13/3/1989 — Bão từ làm sập lưới điện tỉnh Québec (Canada) trong nhiều giờ.
• 10–11/5/2024 — Bão từ mạnh nhất trong khoảng hai thập niên; cực quang hiện ra ở nhiều nơi vĩ độ thấp như miền nam châu Âu và Mexico, được rất nhiều người chụp lại bằng điện thoại.

Ngày nay, các cơ quan như Trung tâm Dự báo Thời tiết Không gian của Mỹ (NOAA SWPC) theo dõi Mặt Trời liên tục để cảnh báo trước cho vệ tinh, lưới điện và hàng không.

Cực từ di chuyển và đảo chiều

Cực từ bắc không đứng yên. Từ thập niên 1990, nó trôi nhanh hơn từ vùng bắc Canada về phía Siberia, có thời điểm vài chục km mỗi năm. Vì vậy các bản đồ, hệ dẫn đường và cả ứng dụng la bàn trên điện thoại dùng Mô hình Từ trường Thế giới (WMM), được cập nhật định kỳ năm năm một lần, có khi phải cập nhật sớm.

Ở quy mô dài hơn nhiều, từ trường còn đảo chiều hoàn toàn: cực bắc thành cực nam. Bằng chứng nằm trong đá núi lửa và đáy đại dương, nơi khoáng vật sắt "ghi lại" hướng từ trường lúc đá nguội đi. Lần đảo chiều gần nhất, gọi là Brunhes–Matuyama, xảy ra khoảng 780.000 năm trước. Khoảng cách giữa các lần đảo chiều rất không đều, nên không ai dự đoán được lần tới vào lúc nào; những tin đồn kiểu "đảo cực sẽ huỷ diệt sự sống" không có cơ sở trong hồ sơ hoá thạch.

Những sinh vật "thấy" được từ trường

Con người cần la bàn, nhưng nhiều loài không cần. Rùa biển con sau khi nở dường như dùng từ trường để định hướng trên hành trình vượt đại dương; chim di cư như chim cổ đỏ châu Âu được cho là cảm nhận từ trường nhờ một phân tử trong mắt; một số vi khuẩn chứa chuỗi tinh thể từ tính nhỏ xíu, xếp hàng theo đường sức như kim la bàn sống. Cơ chế chính xác ở chim vẫn đang được nghiên cứu.

Góc nhìn hôm nay: muốn thấy cực quang thì làm gì

Từ Việt Nam, khả năng thấy cực quang gần như bằng không vì ta ở quá gần xích đạo. Muốn ngắm, phải đi tới các vùng vĩ độ cao. Một vài lời khuyên thực tế:

• Chọn mùa đêm dài: ở bắc bán cầu khoảng tháng 9 tới tháng 3.
• Rời xa ánh đèn thành phố, chọn đêm quang mây, nhìn về phía bắc.
• Theo dõi chỉ số Kp trên trang của NOAA SWPC hoặc các ứng dụng dự báo cực quang; Kp càng cao, vành cực quang càng lan xa.
• Mặc thật ấm và kiên nhẫn: cực quang có thể bùng lên rồi tắt trong vài phút.

Ở nhà, bạn có thể tự "vẽ" từ trường: rắc mạt sắt lên tờ giấy đặt trên nam châm, gõ nhẹ — các đường sức hiện ra. Hoặc mở ứng dụng la bàn trên điện thoại, đi quanh nhà và để ý kim lệch khi gần tủ lạnh, loa, khung thép: đó là từ trường của đồ vật đè lên từ trường Trái Đất.