[HoaHoa]

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.

Trên Trái Đất, Mộc Tinh, Thổ Tinh, Thiên Vương Tinh và Hải Vương Tinh, các cực quang được sinh ra do tương tác của các hạt trong gió mặt trời với từ trường của 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 lại 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.

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.

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.

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.

Màu cụ thể nào đó của cực quang phụ thuộc vào loại khí cụ thể của khí quyển và trạng thái tích điện của chúng cũng như năng lượng của các hạt đâm vào khí của khí quyển. Ôxy nguyên tử chịu trách nhiệm cho hai màu chính là lục (bước sóng 557,7 nm) và đỏ (630,0 nm) ở các cao độ cao. Nitơ sinh ra màu lam (427,8 nm) (các ion) cũng như màu đỏ biến đổi nhanh từ ranh giới thấp của các cung cực quang đang hoạt động.

Biến động trên Mặt Trời ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành cực quang. Mặt Trời là ngôi sao với một số đặc trưng dao động lớn theo thang thời gian từ vài giờ đến hàng trăm năm. Hướng của từ trường liên hành tinh cũng như vận tốc và mật độ của gió mặt trời được điều chỉnh bởi hoạt động của Mặt Trời. Chúng có thể thay đổi rất mạnh và ảnh hưởng tới hoạt động của địa từ trường. Khi hoạt động của địa từ trường tăng lên thì rìa dưới của ôvan cực quang thông thường sẽ dịch chuyển tới các vĩ độ thấp hơn. Tương tự, sự phun trào của Mặt Trời cũng xảy ra đồng thời với sự mở rộng của các ôvan cực quang. Nếu từ trường liên hành tinh có hướng ngược với địa từ trường thì nó làm tăng luồng năng lượng vào trong quyển từ và do đó làm tăng luồng năng lượng trong vùng cực của Trái Đất. Điều này sẽ tạo ra hệ quả là sự tăng cường hoạt động của cực quang.

Các điểm đặc trưng của cực quang là chúng có nhiều hình dạng và kích thước. Các cung và tia cực quang cao bắt đầu sáng rõ ở cao độ 100 km trên bề mặt Trái Đất và kéo dài lên phía trên dọc theo từ trường trong hàng trăm kilômét. Các cung hay màn này có thể mỏng chỉ khoảng 100 métt khi mở rộng ra đường chân trời. Các cung cực quang có thể gần như đứng im và sau đó tựa như bàn tay, chúng tạo ra một cái màn cao, bắt đầu nhảy múa và đổi hướng. Sau nửa đêm quyến rũ, cực quang có thể có hình dáng loang lổ và các đốm thông thường nhấp nháy sau khoảng mỗi 10 giây cho đến tận rạng đông. Phần lớn các cực quang có màu vàng ánh lục nhưng đôi khi các tia cao sẽ có màu đỏ ở đỉnh và dọc theo gờ thấp của chúng. Trong một ít trường hợp, ánh sáng Mặt Trời sẽ va phải phần đỉnh của các tia cực quang tạo ra màu lam nhạt. Trong một số rất ít trường hợp (khoảng 1 lần trong 10 năm) cực quang có thể có màu dỏ sẫm như máu từ đỉnh đến đáy. Ngoài ra để tạo ra ánh sáng thì các hạt chứa năng lượng cũng sinh ra nhiệt. Nhiệt bị làm tiêu tan bởi bức xạ hồng ngoại hay bị mang đi xa bởi các trận gió mạnh trong lớp trên của khí quyển.

Người ta thường cho rằng việc nhìn thấy cực quang bao giờ cũng kèm theo các tiếng nổ tanh tách hay tiếng kêu rền. Sự lan truyền của các âm thanh này trong khí quyển (giống như khi người ta nói làm dao động các phân tử trong không khí) là không chắc chắn. Cực quang diễn ra khoảng 100 km phía trên Trái Đất trong các điều kiện không khí cực kỳ loãng, có nghĩa là chúng không thể truyền các âm thanh nghe được đủ xa để có thể chạm tới mặt đất.

Một khả năng là các sóng điện từ được biến đổi thành sóng âm bởi các vật thể gần với người quan sát, hoặc trực tiếp ảnh hưởng tới cơ quan thính giác của người quan sát.

Đối với người Inuit và các nền văn hóa bắc Canada, người ta đã biết một thực tế là sự diễn ra của các tiếng kêu hay các tiếng hát là điều có thật. Các âm thanh này nghe thấy chủ yếu khi người quan sát đã rời xa các các chỗ ồn ào hay có chiếu sáng - thông thường trong các chỗ lạnh giá và không có gió của đêm đông. Việc nghe thấy các âm thanh lạ được ví với các sự kiện tâm linh và nó được khắc sâu trong trí nhớ của mỗi cá nhân trong cuộc đời họ.

Các âm thanh cực quang này được so sánh với âm thanh của hợp xướng rạng đông. Trường đại học công nghệ Helsinki đã thực hiện việc kiểm tra và ghi âm các âm thanh này. Theo báo Kaleva, người ta đã ghi nhận có các tiếng kêu rền, tiếng ầm và tiếng nổ khi có các cực quang vùng cực với mức độ sáng cao.

Một trong những nhà khoa học đầu tiên tiến hành mô hình hóa cực quang là Kristian Birkeland (người Na Uy). Mô hình từ trường Trái Đất của ông, chỉ ra rằng các điện tử cao năng lượng đâm trực tiếp vào mô hình Trái Đất được dẫn dắt về phía các cực từ và sinh ra các vòng ánh sáng xung quanh các cực. Ông cũng giả thiết xa hơn nữa "Các dòng điện như thế được hình dung là có thể tồn tại chủ yếu nhờ các hiệu ứng thứ cấp của các hạt tích điện từ mặt trời bị lôi kéo vào không gian".