Một lớp dày đặc của các phân tử và các hạt tích điện, gọi là tầng điện ly, treo ở thượng tầng khí quyển của Trái đất bắt đầu từ khoảng 35 dặm (60 km) trên bề mặt của hành tinh và kéo dài ra xa hơn 620 dặm (1.000 km). Bức xạ mặt trời đến từ các hạt đệm phía trên lơ lửng trong lớp khí quyển. Tín hiệu vô tuyến từ bên dưới bật ra khỏi tầng điện ly trở lại các thiết bị trên mặt đất. Khi tầng điện ly trùng với từ trường, bầu trời phun trào trong ánh sáng rực rỡ đến khó tin.
Tầng điện ly ở đâu?
Một vài lớp khác nhau tạo nên bầu không khí của Trái đất, bao gồm tầng giữa, mà bắt đầu 31 dặm (50 km), và các tầng nhiệt, mà bắt đầu từ 53 dặm (85 km) lên. Tầng điện ly bao gồm ba phần trong tầng quyển và tầng đối lưu, được dán nhãn là các lớp D, E và F, theo Trung tâm Giáo dục Khoa học UCAR.
Bức xạ cực tím cực mạnh và tia X từ mặt trời bắn phá các khu vực phía trên của khí quyển, tấn công các nguyên tử và phân tử được giữ trong các lớp đó. Bức xạ mạnh sẽ đánh bật các electron tích điện âm khỏi các hạt, làm thay đổi điện tích của các hạt đó. Đám mây kết quả của các electron tự do và các hạt tích điện, được gọi là các ion, dẫn đến cái tên "tầng điện ly". Khí ion hóa, hoặc plasma, trộn lẫn với bầu không khí trung tính đặc hơn.
Nồng độ của các ion trong tầng điện ly thay đổi theo lượng bức xạ mặt trời mang xuống Trái đất. Tầng điện ly phát triển dày đặc với các hạt tích điện vào ban ngày, nhưng mật độ đó giảm dần vào ban đêm khi các hạt tích điện kết hợp lại với các electron bị dịch chuyển. Toàn bộ các tầng của tầng điện ly xuất hiện và biến mất trong chu kỳ hàng ngày này, theo NASA. Bức xạ mặt trời cũng dao động trong khoảng thời gian 11 năm, có nghĩa là mặt trời có thể phát ra nhiều hay ít bức xạ tùy theo năm.
Những ngọn lửa mặt trời bùng nổ và những cơn gió mạnh của mặt trời khuấy động những thay đổi đột ngột trong tầng điện ly, hợp tác với những cơn gió trên cao và hệ thống thời tiết khắc nghiệt đang hình thành trên Trái đất bên dưới.
Thắp sáng bầu trời
Bề mặt nóng như thiêu đốt của mặt trời sẽ xua tan các dòng hạt tích điện cao và những dòng này được gọi là gió mặt trời. Theo Space Flight Center Marshall của NASA, gió mặt trời bay trong không gian với khoảng 25 dặm (40 km) mỗi giây. Khi đến từ trường Trái đất và tầng điện ly bên dưới, gió mặt trời đã tạo ra một phản ứng hóa học đầy màu sắc trên bầu trời đêm gọi là cực quang.
Khi những cơn gió mặt trời thổi qua Trái đất, hành tinh này được che chắn đằng sau từ trường của nó, còn được gọi là từ quyển. Được tạo ra bằng cách khuấy sắt nóng chảy trong lõi Trái đất, từ quyển sẽ gửi bức xạ mặt trời chạy về phía hai cực. Ở đó, các hạt tích điện va chạm với các hóa chất xoáy trong tầng điện ly, tạo ra các cực quang đánh vần.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng từ trường của mặt trời sẽ làm cho trái đất yếu hơn, di chuyển cực quang về phía đêm của hành tinh, theo báo cáo của Cơ học phổ biến.
Gần vòng Bắc Cực và Nam Cực, cực quang xuất hiện trên bầu trời mỗi đêm, theo National Geographic. Các rèm cửa đầy màu sắc của ánh sáng, được gọi là cực quang borealis và cực quang australis, tương ứng, treo khoảng 620 dặm (1.000 km) trên bề mặt trái đất. Các cực quang phát sáng màu xanh lục vàng khi các ion tấn công các hạt oxy trong tầng điện ly thấp hơn. Ánh sáng đỏ thường nở dọc theo các cạnh của cực quang, và màu tím và xanh lam cũng xuất hiện trên bầu trời vào ban đêm, mặc dù điều này hiếm khi xảy ra.
"Nguyên nhân của cực quang được biết đến phần nào, nhưng nó không hoàn toàn được giải quyết", Toshi Nishimura, nhà địa vật lý tại Đại học Boston, nói. "Ví dụ, những gì gây ra một loại màu sắc đặc biệt của cực quang, chẳng hạn như màu tím, vẫn còn là một bí ẩn."
Steve là ai?
Ngoài auroras, tầng điện ly còn đóng vai trò dẫn chương trình ánh sáng ấn tượng khác.
Năm 2016, các nhà khoa học công dân đã phát hiện ra một hiện tượng đặc biệt bắt mắt, mà các nhà khoa học đấu tranh để giải thích, trang web chị em của Live Science trước đây đã đưa tin. Những dòng sông sáng trắng và hồng nhạt chảy qua Canada, nằm ở phía nam xa hơn hầu hết các cực quang xuất hiện. Thỉnh thoảng, dấu gạch ngang màu xanh lá cây tham gia hỗn hợp. Ánh sáng bí ẩn được đặt tên là Steve để tỏ lòng tôn kính với bộ phim hoạt hình "Over the Hedge" và sau đó được đổi tên thành "Tăng cường tốc độ phát xạ nhiệt mạnh" - viết tắt là STEVE.
"Chúng tôi đã nghiên cứu cực quang trong hàng trăm năm, và chúng tôi không thể, và vẫn không thể giải thích Steve là gì", Gareth Perry, một nhà khoa học thời tiết không gian tại Viện Công nghệ New Jersey, nói. "Thật thú vị bởi vì khí thải và tính chất của nó không giống bất kỳ thứ gì chúng ta quan sát, ít nhất là với quang học, trong tầng điện ly."
Theo một nghiên cứu năm 2019 trên tạp chí Geophysical Research Letters, các vệt màu xanh lá cây trong STEVE có thể phát triển tương tự như cách các cực quang truyền thống hình thành, khi các hạt tích điện rơi xuống bầu khí quyển. Tuy nhiên, trong STEVE, dòng ánh sáng dường như phát sáng khi các hạt trong tầng điện ly va chạm và tự sinh nhiệt.
Thông tin liên lạc
Mặc dù các phản ứng trong tầng điện ly vẽ lên bầu trời những màu sắc rực rỡ, nhưng chúng cũng có thể phá vỡ các tín hiệu vô tuyến, gây trở ngại cho các hệ thống điều hướng và đôi khi gây ra sự cố mất điện trên diện rộng.
Tầng điện ly phản ánh việc truyền vô tuyến dưới 10 megahertz, cho phép quân đội, các hãng hàng không và các nhà khoa học liên kết các hệ thống radar và liên lạc qua khoảng cách xa. Các hệ thống này hoạt động tốt nhất khi tầng điện ly trơn tru, giống như gương, nhưng chúng có thể bị phá vỡ bởi sự bất thường trong plasma. Truyền GPS đi qua tầng điện ly và do đó có cùng lỗ hổng.
"Trong các cơn bão địa từ lớn, hoặc các sự kiện thời tiết không gian, dòng điện có thể tạo ra các dòng điện khác trong lòng đất, lưới điện, đường ống, v.v. và tàn phá," Perry nói. Một cơn bão mặt trời như vậy đã gây ra sự cố mất điện Quebec nổi tiếng năm 1989. "Ba mươi năm sau, hệ thống điện của chúng ta vẫn dễ bị tổn thương trước những sự kiện như vậy".
Các nhà khoa học nghiên cứu tầng điện ly bằng cách sử dụng radar, máy ảnh, dụng cụ vệ tinh và mô hình máy tính để hiểu rõ hơn về động lực học vật lý và hóa học của khu vực. Được trang bị kiến thức này, họ hy vọng sẽ dự đoán tốt hơn sự gián đoạn trong tầng điện ly và ngăn ngừa các vấn đề có thể gây ra trên mặt đất bên dưới.
