Từ trường của Trái đất có tác dụng giống như cái sàng

Từ trường của Trái đất dễ xâm nhập hơn trước đây người ta nghĩ, theo các nhà nghiên cứu phân tích dữ liệu thu từ sứ mệnh Cluster của Cơ quan Vũ trụ châu Âu. Kết quả có những gợi ý cho sự lập mô phỏng những mối nguy hiểm do thời tiết vũ trụ mang lại và còn có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn môi trường từ tính xung quanh Mộc tinh và Thổ tinh.

Sứ mệnh Cluster, phóng lên hồi năm 2000, gồm bốn vệ tinh giống hệt nhau bay trong một đội hình tứ diện ở gần mặt đất. Với quỹ đạo elip cao như vậy, các vệ tinh có thể quét vào và quét ra khỏi môi trường từ tính của Trái đất, dựng nên hình ảnh 3D của sự tương tác giữa gió mặt trời và hành tinh của chúng ta. Gió mặt trời là những dòng hạt tích điện từ những lớp bên ngoài của Mặt trời thổi vào hệ mặt trời. Người ta cho rằng từ trường của Trái đất tạo nên một hàng rào bảo vệ chống lại gió mặt trời.

Tuy nhiên, người ta biết rõ rằng nếu từ trường của gió mặt trời tới có hướng ngược với từ trường của Trái đất, thì các đường sức từ đứt ra và nối lại trong một quá trình gọi là “kết nối lại đường sức”. Quá trình này cho phép plasma từ gió mặt trời xuyên qua ranh giới của từ trường Trái đất (magnetopause) nên nó có thể đi tới hành tinh của chúng ta.

Khi từ trường của Trái đất và từ trường liên hành tinh thẳng hàng với nhau, chẳng hạn theo hướng bắc như thể hiện bởi mũi tên màu trắng trong hình này, thì các sóng Kelvin–Helmholtz được tạo ra tại những vĩ độ thấp (vùng xích đạo). (Ảnh: ESA/AOES Medialab)

Những xoáy hạt

Dữ liệu hồi năm 2004 của Cluster cho thấy sự không khớp định hướng từ này không phải là một quy tắc cứng nhắc và nhanh – những xoáy plasm kéo dài 40.000 km đã được phát hiện ra dọc theo magnetopause, tạo ra những cánh cổng đi vào từ quyển ngay cả khi hai từ trường thẳng hàng với nhau. Vào năm 2006, các nhà nghiên cứu đã kết luận rằng những xoáy này có khả năng là do sóng Kelvin–Helmholtz (KHW), xảy ra khi hai môi trường chảy lên mỗi phía của một ranh giới ở những vận tốc khác nhau. Một ví dụ trên Trái đất là gió thổi trên ranh giới giữa không khí và đại dương. Trong không gian, ranh giới đó là magnetopause, với plasma bị giảm tốc ở phía Trái đất chuyển động chậm hơn plasma gió mặt trời phía ngoài.

Một khi được tạo ra, biên độ của những sự mất ổn định này có thể cộng gộp lại, làm rối tung các đường sức từ và gây ra sự kết nối lại đường sức mặc dù các đường sức đã thẳng hàng. Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ được cho là xảy ra dưới những điều kiện đặc biệt. “Chúng tôi nghĩ [nó] hạn chế với những khu vực xung quanh xích đạo của Trái đất,” phát biểu của Arnaud Masson, một trong các nhà khoa học thuộc sứ mệnh Cluster. Phân tích mới của dữ liệu Cluster, thu được ban đầu vào năm 2003, cho thấy cái tương tự xảy ra ở những vĩ độ cao hơn nhiều, và với một ngưỡng rộng hơn của sự thẳng hàng từ trường. “Có vẻ như cho dù từ trường định hướng như thế nào, thì hiệu ứng cũng có thể xảy ra,” Masson giải thích. “Dường như nó luôn luôn xảy ra, chứ không phải chỉ trong những tình huống đặc biệt.”

Mô phỏng thời tiết vũ trụ

Biết được ngưỡng điều kiện dưới đó gió mặt trời có thể xâm nhập vành đai từ bảo vệ của Trái đất giữ một vai trò quan trọng trong sự lập mô phỏng thời tiết vũ trụ. “Bạn phải biết nơi những cánh cửa mở ra trong lá chắn bảo vệ của chúng ta,” Masson giải thích. Chris Arridge thuộc trường đại học College London nhận xét, “Có vẻ như trong cái sàng từ của Trái đất có nhiều cái lỗ hơn chúng ta nghĩ. Nếu chúng ta muốn phát triển khả năng dự báo các hiệu ứng thời tiết vũ trụ, thì điều quan trọng là nên biết ngưỡng đầy đủ của cách thức năng lượng, khối lượng và động lượng có thể đi vào trong hệ.”

Theo Arridge, hướng nghiên cứu này có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn Mộc tinh và Thổ tinh. “Vai trò chính xác của KHW trong từ quyển của những hành tinh khí khổng lồ là một chủ đề nóng. Việc tìm hiểu cơ chế KHW của Trái đất sẽ giúp chúng ta tìm hiểu môi trường từ tính của Mộc tinh và Thổ tinh, và ngược lại,” ông nói.

Tham khảo: http://www.agu.org/pubs/crossref/2012/2011JA017256.shtml

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com