TRƯỜNG ĐỊA TỪ VÀ MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH TRÁI ĐẤT
5. Dự báo thời tiết vũ trụ
“Thời tiết vũ trụ” là một khái niệm mới trong vật lý vũ trụ, mới xuất hiện trong những năm gần đây. Nó bao hŕm những điều kiện hết sức đa dạng trong vũ trụ, có thể ảnh hưởng tới các hoạt động của con người, đặc biệt là tới các công nghệ hiện đại: đó là số lượng vết đen Mặt trời và sự bùng nổ sắc cầu trên Mặt trời với cường độ khác nhau, là các tác động hết sức đa dạng của hoạt động Mặt trời tới các luồng gió Mặt trời; rồi đến lượt mình, gió Mặt trời lại tác động lên từ quyển của Trái đất, lên tầng điện ly, làm thay đổi đột ngột nồng độ điện tử trong tầng điện ly và tầng khí quyển trên cao.
Những điều kiện nói trên lại luôn thay đổi theo thời gian, tạo nên cái mà ta gọi là thời tiết vũ trụ.
5.1. Nhu cầu dự báo thời tiết vũ trụ
Thời tiết vũ trụ được coi như là một nguyên nhân quan trọng gây hư hỏng cho hàng loạt các vệ tinh viễn thông, từ đó dẫn tới việc mất tín hiệu cho các kênh truyền hình, radio và các hệ thống thông tin khác. Những hạt tích điện có năng lượng cao sẽ tác động tới các vệ tinh làm ngưng hoạt động của nó hoặc phá hủy các thiết bị trên vệ
tinh. Các dòng hạt này cũng làm ngắt quãng việc truyền các tín hiệu vô tuyến để truyền thông qua vệ tinh hay các thiết bị GPS trong các hệ thống định vị lái máy bay. Nhiễu loạn từ còn gây nên các dòng cảm ứng trong các đường ống dẫn dầu, gây nên sự bào mòn đường ống.
Thời tiết vũ trụ cũng đóng một vai trò hết sức quan trọng đối với các hoạt động của con người trong vũ trụ. Khi tồn tại trong vũ trụ, các vệ tinh nhân tạo, rõ ràng là không tiếp đất được. Việc tích điện có thể xảy ra ngay trên bề mặt của con tàu, nếu số lượng các electron và proton va chạm vào nó không như nhau, sẽ dẫn tới là một phía của vệ tinh sẽ tích điện nhiều hơn phía kia, việc phóng điện là không tránh khỏi. Việc phóng điện sẽ phá huỷ các thiết bị trên bề mặt của vệ tinh, ví dụ như các bộ phận của pin Mặt trời cung cấp năng lượng cho chúng hoạt động. Đặc biệt, khi các nhà du hành vũ trụ phải ra thám hiểm bên ngoài con tàu vũ trụ, họ sẽ chịu tác động của các luồng bức xạ trực tiếp với một cường độ lớn. Do đó họ phải được dự báo trước về tình trạng thời tiết vũ trụ.
Khi thời tiết vũ trụ thay đổi đột ngột sẽ tác động mạnh lên cơ thể một số bệnh nhân về thần kinh và tim mạch, làm cho bệnh tình của họ trở nên trầm trọng hơn. Nếu dự báo được những ngày có bão từ, bão điện ly là “những ngày xấu” trong thời tiết vũ trụ thì có thể có những biện pháp phòng tránh cho họ. Bão từ, bão điện ly còn có thể gây ra điện trường cảm ứng mạnh làm tổn thất tới các đường dây truyền tải điện cao thế.
Nhân loại đang tiến vào vũ trụ và các ngày càng nhiều hệ thống thông tin vũ trụ mới đang trở thành hiện thực, vì vậy nhu cầu về dự báo thời tiết vũ trụ sẽ không ngừng tăng lên.
5.2. Làm thế nào để dự báo thời tiết vũ trụ?
Dự báo thời tiết vũ trụ hiện mới chỉ ở giai đoạn bắt đầu. Cũng tương tự như việc lập bản đồ thời tiết, cần phải có một hệ thống quan trắc liên tục, sau đó tổng hợp những tư liệu quan trắc thành một bức tranh về môi trường vũ trụ. Thay vì các tầng mây phủ hoăc áp suất khí quyển trong bản đồ dự báo thời tiết trên mặt đất, là sự phân bố các dòng hạt tích điện, nhiệt độ và nồng độ của plasma trong bản đồ thời tiết vũ trụ. Thay vì phông khí quyển lạnh trong bản đồ thời tiết trên mặt đất, là vị trí của các điều kiện biên của quyển plasma trong vũ trụ, là thời điểm bắt đầu bão từ và cường độ
của nó. Ngoài ra, còn phải lưu ý tới hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng tới thời tiết vũ trụ khác nữa.
Hiện nay đã có thể thực hiện được các bản đồ thông tin thời tiết vũ trụ của các dòng hạt năng lượng cao trên cơ sở những dữ liệu liên tục và đều đặn từ các vệ tinh nhân tạo và các con tàu vũ trụ.
Trên thế giới hiện có gần 200 trạm quan trắc địa từ, hàng trăm trạm thăm dò điện ly thẳng đứng, nhiều trạm quan trắc khí quyển tầng cao...Các đài, trạm quan trắc này trao đổi thông tin với nhau qua vệ tinh nhân tạo, qua hệ thống INTERNET, sẽ cung cấp cho các nhà dự báo một lượng thông tin khổng lồ. Nhờ các chương trình xử lý hữu hiệu trên các hệ thống máy tính lớn, có thể nhanh chóng đưa ra các thông số dự báo cần thiết. Các chuyên gia trong lĩnh vực khoa học mới này mong muốn là tập bản đồ thời tiết vũ trụ phải làm ở dạng đủ đơn giản để một người không phải là chuyên gia cũng có thể sử dụng được, nhưng lại phải chứa đủ các thông số kỹ thuật để có thể sử dụng một cách hữu hiệu cho các nghiên cứu khoa học.
Việc phát triển các bản đồ thời tiết vũ trụ là một bước cực kỳ quan trọng trong khoa học hiện nay. Nó còn cho phép hoàn thiện các phép đo đạc khoa học hiện thời với mục đích là đưa ra các dữ liệu có thể dễ dàng minh giải ở bất kỳ cấp độ nào.
Trung tâm môi trường vũ trụ NOAA [28] đã tiến hành đưa ra những dự báo thời tiết vũ trụ với những thông số sau:
Bão từ: là những nhiễu loạn của trường địa từ gây nên bởi những luồng hạt mạnh trong gió Mặt trời tác động vào Trái đất.
Bão bức xạ Mặt trời: mức độ tăng cao của bức xạ Mặt trời khi các hạt tích điện tràn vào khí quyển của Trái đất.
Ngưng sóng radio: nhiễu loạn trong tầng điện ly gây nên bởi sự phát xạ của tia X từ Mặt trời.
Dưới đây là một trong các biểu thông số dự báo của Trung tâm môi trường vũ trụ NOAA về bão từ:
Bảng 3.8 Thang dự báo thời tiết vũ trụ về bão từ Loại Hiệu ứng Phương tiện
đo
Tần xuất trung bình (1 chu kỳ = 11 năm) Thang Miêu tả Loại tác động
Bão từ
Giá trị Kp xác định trong 3 giờ
Số lượng bão G 5 Cực mạnhHệ truyền tải điện: hệ thống kiểm tra
điện thế và các hệ thống bảo vệ bị sự cố. Hệ thống biến áp có thể bị phá huỷ.
Đối với tàu vũ trụ: bị tích điện trên bề mặt tàu, mất hướng lái của tàu và vệ tinh.
Các hệ thống khác: đường ống dẫn dầu có thể bị tác động dòng điện tới hàng trăm ampe, sóng vô tuyến tần số cao không thể truyền được tại nhiều vùng trong 1 hoặc 2 ngày, điều hành vệ tinh bị đứt quãng vài ngày, sóng vô tuyến tần số thấp bị ngắt quãng nhiều giờ, cực quang có thể nhìn thấy ở vĩ độ thấp tới 40o vĩ độ từ
Kp = 9 4 lần trong chu kỳ (4 ngày trong chu kỳ)
G 4 Khốc liệt Hệ truyền tải điện: hệ thống kiểm tra điện thế và hệ thống bảo vệ mạng lưới sẽ bị sự cố
Đối với tàu vũ trụ: bị tích điện trên bề mặt tàu, phải hiệu chỉnh việc định hướng lái của tàu và vệ tinh.
Các hệ thống khác: các dòng cảm ứng chạy trong ống dẫn dầu tác động lên các thiết bị đo, sóng vô tuyến tần số cao bị nhiễu loạn, điều hành vệ tinh bị đứt quãng nhiều giờ, sóng vô tuyến tần số thấp bị ngắt quãng , cực quang có thể nhìn thấy tại 45o vĩ độ từ
Kp = 8, bao gồm cả Kp= 9
100 lần trong chu kỳ (60 ngày trong chu kỳ)
G 3 Mạnh Hệ truyền tải điện: hệ thống kiểm tra điện thế và hệ thống bảo vệ mạng lưới có thể bị sự cố
Đối với tàu vũ trụ: bị tích điện trên bề mặt tàu, phải hiệu chỉnh việc định hướng lái của tàu và vệ tinh.
Các hệ thống khác: Định hướng cho vệ tinh bằng vô tuyến tần số thấp có thể có sự cố, tần số cao có thể bị ngắt
Kp = 7 200 lần trong chu kỳ
(130 ngày trong chu kỳ)
quãng, cực quang có thể nhìn thấy tại 50o vĩ độ từ
G 2 Trung bình
Hệ truyền tải điện: Các hệ thống báo sự cố ở vĩ độ cao có thể có báo động, bão từ kéo dài có thể phá hỏng đường truyền tải điện
Đối với tàu vũ trụ: phải hiệu chỉnh việc định hướng từ trên mặt đất, cần thay đổi dự báo quỹ đạo bay
Các hệ thống khác: vô tuyến tần số cao bị ngưng tại vùng vĩ độ cao, cực quang có thể nhìn thấy tại 55o vĩ độ từ
Kp = 6 600 lần trong chu kỳ
(360 ngày trong chu kỳ)
G 1 Yếu Hệ truyền tải điện: có những thăng giáng trong mạng điện
Đối với tàu vũ trụ: ảnh hưởng nhỏ tới việc vận hành vệ tinh
Các hệ thống khác: sự di chuyển của các loài động vật có thể bị ảnh hưởng, cực quang chỉ xuất hiện ở vĩ độ cao
Kp = 5 1700 lần trong chu kỳ
(900 ngày trong chu kỳ)
Chú ý: xem về vĩ độ từ tại chương 1.
Nguồn tư liệu: Trung tâm môi trường vũ trụ NOAA [28].