Hãy tưởng tượng bạn được thông báo rằng một cơn bão đang tiến về phía bạn, nhưng bạn sẽ không biết gió mạnh đến mức nào hoặc liệu chúng có làm mất điện hay không cho đến vài phút trước khi nó ập đến. Đó là thách thức mà các nhà khoa học phải đối mặt khi dự đoán bão Mặt trời.
Chúng ta đã đi một chặng đường dài trong việc hiểu thời tiết không gian. Chúng ta có thể phát hiện các vụ phun trào bão Mặt trời, theo dõi tốc độ của chúng và ước tính thời điểm chúng sẽ đến Trái đất, đôi khi có cảnh báo trước một ngày. Tuy nhiên, một thông tin quan trọng vẫn nằm ngoài tầm với một cách khó chịu cho đến phút cuối cùng: hướng của từ trường của cơn bão, được gọi là thành phần Bz.
Khi một vụ phun trào khối lượng vành nhật hoa (CME) phun trào từ Mặt trời, nó mang theo plasma và từ trường từ ngôi sao của chúng ta. Hướng của từ trường sẽ là Bz về phía bắc hoặc phía nam, hoặc kết hợp cả hai, và hướng từ trường đó quyết định mức độ tương tác mạnh mẽ của cơn bão Mặt trời sắp tới với từ trường của Trái đất. Một Bz ở phía nam kết nối dễ dàng hơn với từ trường của Trái đất, cho phép năng lượng tràn vào và tăng cường cực quang — hoặc trong trường hợp cực đoan, phá vỡ vệ tinh, tín hiệu vô tuyến, lưới điện và GPS. Mặt khác, một Bz ở phía bắc có thể đi qua với tác động tối thiểu.
Các nhà khoa học cho biết việc biết thành phần Bz của CME đang tới có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể trong việc giúp chúng ta chuẩn bị cho tác động của bão mặt trời. "Chúng ta cần bắt đầu dự đoán Bz sẽ như thế nào ngay khi CME xảy ra, chứ không phải khi chúng ta đo nó ở L1 [Lagrange 1], khi chúng ta chỉ có một hoặc hai giờ cảnh báo", Valentín Martínez Pillet, nhà vật lý học mặt trời và giám đốc của Instituto de Astrofísica de Canarias, trả lời phỏng vấn với Space.com khi tham dự lễ hội khoa học và âm nhạc Starmus La Palma.
"Chúng ta đang đến gần rồi", Martínez Pillet nói. "Các dự đoán hoạt động từ Trung tâm Dự báo Thời tiết Không gian NOAA (SWPC) là tốt, nhưng chúng ta đang thiếu nhiều dữ liệu hơn từ mọi phía của mặt trời."
Hầu hết hoạt động giám sát hiện tại của chúng ta đều xuất phát từ một điểm quan sát duy nhất: tàu vũ trụ nằm xung quanh Điểm Lagrange 1 (L1), cách Trái đất khoảng 1 triệu dặm (1,5 triệu km) về phía mặt trời. Các tàu vũ trụ này, giống như các sứ mệnh ACE và DSCOVR của NASA, có thể phát hiện các đặc tính của gió mặt trời và đo Bz — nhưng chỉ khi cơn bão đã gần đến với chúng ta. Vào thời điểm đó, chỉ có một hoặc hai giờ cảnh báo trước.
Để thực sự dự báo được sức mạnh của một cơn bão mặt trời trước khi nó ập đến, chúng ta cần phải thực hiện các phép đo sớm hơn, sớm hơn nhiều. Trong điều kiện lý tưởng, chúng ta sẽ đặt vệ tinh tại nhiều điểm Lagrange khác nhau, không chỉ L1, để có thể quan sát các cấu trúc từ tính này khi chúng vẫn đang rời khỏi mặt trời.
"Các mô hình đã có sẵn, vì vậy chúng ta biết phương trình cần giải, nhưng chúng ta không có dữ liệu tốt", Martínez Pillet nói.
Đỗ các vệ tinh quan sát mặt trời tại L5, L4 và L3 sẽ không rẻ, nhưng hoàn toàn có thể, theo Martínez Pillet.
"Chúng ta sẽ có nó. Tôi hoàn toàn tin rằng đó là nơi chúng ta đang hướng tới", Martínez Pillet nói.
Vậy tại sao chúng ta không xây dựng hệ thống này ngay bây giờ? Câu trả lời ngắn gọn là chi phí và tính phức tạp. Dự báo thời tiết vũ trụ vẫn chưa có đủ nguồn lực như dự báo thời tiết Trái đất, mặc dù rủi ro đang tăng lên. Khi thế giới của chúng ta ngày càng phụ thuộc vào vệ tinh, định vị và cơ sở hạ tầng năng lượng toàn cầu, chúng ta ngày càng dễ bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng thời tiết vũ trụ khắc nghiệt.
Những cải tiến cần thiết có thể mất hàng thập kỷ để triển khai đầy đủ. Điều đó giả định rằng có sự đầu tư nhất quán và ưu tiên rõ ràng cho cơ sở hạ tầng thời tiết vũ trụ — cả hai điều này đều không được đảm bảo.
Nhưng 50 năm có thể là quá muộn. Những cơn bão mặt trời cực mạnh — như Sự kiện Carrington nổi tiếng năm 1859 — rất hiếm, nhưng chúng vẫn xảy ra. Một sự kiện tương tự ngày nay có thể gây ra thiệt hại hàng nghìn tỷ đô la trên toàn cầu bằng cách vô hiệu hóa các vệ tinh, gây mất điện trong nhiều tuần hoặc nhiều tháng và làm gián đoạn nghiêm trọng hoạt động thông tin liên lạc và hàng không.
"Chúng ta không biết tình hình có thể tồi tệ đến mức nào", Martínez Pillet cho biết.
Một ví dụ gần đây hơn, một vụ suýt xảy ra vào tháng 7 năm 2012, khi mặt trời bắn một CME khổng lồ vào không gian, chỉ cách Trái đất một tuần.
Năm 2013, Dan Baker, giám đốc Phòng thí nghiệm Vật lý Khí quyển và Không gian (LASP) của Đại học Colorado Boulder đã viết một bài báo về vụ phun trào năm 2012, nêu rằng nếu nó xảy ra chỉ một tuần trước đó, Trái đất sẽ nằm trong tầm ngắm và "vẫn đang phải thu dọn hậu quả về mặt công nghệ" một năm sau sự kiện.
YouTube
Xem trên
"Mặt trời không thay đổi, nó đang làm những gì nó làm", Martínez Pillet nói. "Nhưng chính chúng ta ngày càng phụ thuộc vào công nghệ".
Vậy, hiện tại chúng ta đang theo dõi mặt trời như thế nào và chúng ta có thể mong đợi những sứ mệnh nào trong tương lai?
Một số công cụ đáng tin cậy nhất của chúng ta để theo dõi mặt trời đã hoạt động rất tích cực. Một trong số đó là Nhóm mạng dao động toàn cầu, hay GONG. Mạng lưới toàn cầu gồm sáu kính thiên văn giống hệt nhau này cung cấp phạm vi phủ sóng mặt trời gần như suốt ngày đêm. Được điều hành bởi Đài quan sát Mặt trời Quốc gia Hoa Kỳ, GONG đã theo dõi hoạt động của Mặt trời kể từ những năm 1990 và vẫn là một phần quan trọng trong bộ công cụ dự báo thời tiết không gian của chúng tôi.
GONG cung cấp luồng hình ảnh ổn định cho thấy toàn bộ bề mặt của mặt trời, được cập nhật mỗi phút. Những hình ảnh này bao gồm thông tin về chuyển động của mặt trời và từ trường — những thành phần chính trong việc dự đoán thời điểm và địa điểm xảy ra các vụ phun trào mặt trời. Mạng lưới này thậm chí còn giúp các nhà khoa học theo dõi mặt xa của mặt trời, sử dụng "rung động" mặt trời để phát hiện các vùng hoạt động mà chúng ta không thể nhìn thấy trực tiếp. Tất cả những điều này giúp các nhà dự báo phát hiện ra các cơn bão mặt trời tiềm ẩn trước khi chúng phun trào và tinh chỉnh các mô hình ước tính cách những cơn bão đó có thể ảnh hưởng đến Trái đất.
Một phần quan trọng khác của hệ thống cảnh báo thời tiết không gian hiện tại của chúng ta là Đài quan sát khí hậu không gian sâu (DSCOVR) đặt tại Lagrange 1 (L1). Tương tự như phao cảm biến trên biển cảnh báo về sóng thần sắp ập đến, DSCOVR cung cấp dữ liệu thời gian thực về gió mặt trời, giúp các nhà dự báo đưa ra cảnh báo về các cơn bão địa từ đang tới. Tùy thuộc vào tốc độ của gió mặt trời, DSCOVR có thể đưa ra cảnh báo từ 15 đến 60 phút trước khi bão mặt trời tấn công Trái đất. Khoảng thời gian ngắn đó rất quan trọng đối với các nhà điều hành vệ tinh, lưới điện và hệ thống thông tin liên lạc.
Cùng với các vệ tinh khác như ACE của NASA và SOHO của ESA, các sứ mệnh này tạo thành một mảng các công cụ giám sát năng lượng mặt trời, nhưng vẫn còn những khoảng trống trong phạm vi phủ sóng. Đó là nơi các sứ mệnh tương lai như Vigil hướng đến mục tiêu tạo ra sự khác biệt lớn.
Nhìn về phía trước, một trong những bổ sung đầy hứa hẹn nhất cho hệ thống cảnh báo bão mặt trời của chúng ta là sứ mệnh Vigil của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, dự kiến sẽ phóng vào năm 2031. Vigil sẽ đặt tại Điểm Lagrange 5 (L5) — một vị trí mang đến cho nó góc nhìn ngang độc đáo về đường thẳng Mặt trời-Trái đất. Từ đó, nó sẽ theo dõi các vụ phun trào Mặt trời từ bên cạnh, giúp các nhà khoa học phát hiện hình dạng, tốc độ và quan trọng hơn là hướng từ tính (Bz) của các CME đang tới trước khi chúng hướng đến chúng ta.
"Tôi thực sự muốn xem cách chúng ta sẽ bắt đầu kết hợp dữ liệu từ các điểm quan sát khác nhau vào các dự đoán", Martínez Pillet nói với Space.com.
Các quan sát từ L5 sẽ giúp các nhà khoa học biết trước những gì đang hướng đến Trái đất khoảng một tuần.
"Tốt hơn là không có gì", Martínez Pillet nói.
Chúng ta đã đi một chặng đường dài trong việc hiểu thời tiết không gian. Chúng ta có thể phát hiện các vụ phun trào bão Mặt trời, theo dõi tốc độ của chúng và ước tính thời điểm chúng sẽ đến Trái đất, đôi khi có cảnh báo trước một ngày. Tuy nhiên, một thông tin quan trọng vẫn nằm ngoài tầm với một cách khó chịu cho đến phút cuối cùng: hướng của từ trường của cơn bão, được gọi là thành phần Bz.
Khi một vụ phun trào khối lượng vành nhật hoa (CME) phun trào từ Mặt trời, nó mang theo plasma và từ trường từ ngôi sao của chúng ta. Hướng của từ trường sẽ là Bz về phía bắc hoặc phía nam, hoặc kết hợp cả hai, và hướng từ trường đó quyết định mức độ tương tác mạnh mẽ của cơn bão Mặt trời sắp tới với từ trường của Trái đất. Một Bz ở phía nam kết nối dễ dàng hơn với từ trường của Trái đất, cho phép năng lượng tràn vào và tăng cường cực quang — hoặc trong trường hợp cực đoan, phá vỡ vệ tinh, tín hiệu vô tuyến, lưới điện và GPS. Mặt khác, một Bz ở phía bắc có thể đi qua với tác động tối thiểu.
Các nhà khoa học cho biết việc biết thành phần Bz của CME đang tới có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể trong việc giúp chúng ta chuẩn bị cho tác động của bão mặt trời. "Chúng ta cần bắt đầu dự đoán Bz sẽ như thế nào ngay khi CME xảy ra, chứ không phải khi chúng ta đo nó ở L1 [Lagrange 1], khi chúng ta chỉ có một hoặc hai giờ cảnh báo", Valentín Martínez Pillet, nhà vật lý học mặt trời và giám đốc của Instituto de Astrofísica de Canarias, trả lời phỏng vấn với Space.com khi tham dự lễ hội khoa học và âm nhạc Starmus La Palma.
Chúng ta có khoa học — những gì chúng ta còn thiếu là dữ liệu
Martínez Pillet dự đoán sẽ mất khoảng 50 năm để dự báo thời tiết vũ trụ đạt được độ chính xác và khả năng dự đoán tương tự như dự báo thời tiết trên Trái đất."Chúng ta đang đến gần rồi", Martínez Pillet nói. "Các dự đoán hoạt động từ Trung tâm Dự báo Thời tiết Không gian NOAA (SWPC) là tốt, nhưng chúng ta đang thiếu nhiều dữ liệu hơn từ mọi phía của mặt trời."
Hầu hết hoạt động giám sát hiện tại của chúng ta đều xuất phát từ một điểm quan sát duy nhất: tàu vũ trụ nằm xung quanh Điểm Lagrange 1 (L1), cách Trái đất khoảng 1 triệu dặm (1,5 triệu km) về phía mặt trời. Các tàu vũ trụ này, giống như các sứ mệnh ACE và DSCOVR của NASA, có thể phát hiện các đặc tính của gió mặt trời và đo Bz — nhưng chỉ khi cơn bão đã gần đến với chúng ta. Vào thời điểm đó, chỉ có một hoặc hai giờ cảnh báo trước.
Để thực sự dự báo được sức mạnh của một cơn bão mặt trời trước khi nó ập đến, chúng ta cần phải thực hiện các phép đo sớm hơn, sớm hơn nhiều. Trong điều kiện lý tưởng, chúng ta sẽ đặt vệ tinh tại nhiều điểm Lagrange khác nhau, không chỉ L1, để có thể quan sát các cấu trúc từ tính này khi chúng vẫn đang rời khỏi mặt trời.
"Các mô hình đã có sẵn, vì vậy chúng ta biết phương trình cần giải, nhưng chúng ta không có dữ liệu tốt", Martínez Pillet nói.
Đỗ các vệ tinh quan sát mặt trời tại L5, L4 và L3 sẽ không rẻ, nhưng hoàn toàn có thể, theo Martínez Pillet.
"Chúng ta sẽ có nó. Tôi hoàn toàn tin rằng đó là nơi chúng ta đang hướng tới", Martínez Pillet nói.
Tại sao chờ đợi 50 năm có thể là quá muộn
Vậy tại sao chúng ta không xây dựng hệ thống này ngay bây giờ? Câu trả lời ngắn gọn là chi phí và tính phức tạp. Dự báo thời tiết vũ trụ vẫn chưa có đủ nguồn lực như dự báo thời tiết Trái đất, mặc dù rủi ro đang tăng lên. Khi thế giới của chúng ta ngày càng phụ thuộc vào vệ tinh, định vị và cơ sở hạ tầng năng lượng toàn cầu, chúng ta ngày càng dễ bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng thời tiết vũ trụ khắc nghiệt.
Những cải tiến cần thiết có thể mất hàng thập kỷ để triển khai đầy đủ. Điều đó giả định rằng có sự đầu tư nhất quán và ưu tiên rõ ràng cho cơ sở hạ tầng thời tiết vũ trụ — cả hai điều này đều không được đảm bảo.
Nhưng 50 năm có thể là quá muộn. Những cơn bão mặt trời cực mạnh — như Sự kiện Carrington nổi tiếng năm 1859 — rất hiếm, nhưng chúng vẫn xảy ra. Một sự kiện tương tự ngày nay có thể gây ra thiệt hại hàng nghìn tỷ đô la trên toàn cầu bằng cách vô hiệu hóa các vệ tinh, gây mất điện trong nhiều tuần hoặc nhiều tháng và làm gián đoạn nghiêm trọng hoạt động thông tin liên lạc và hàng không.
"Chúng ta không biết tình hình có thể tồi tệ đến mức nào", Martínez Pillet cho biết.
Một ví dụ gần đây hơn, một vụ suýt xảy ra vào tháng 7 năm 2012, khi mặt trời bắn một CME khổng lồ vào không gian, chỉ cách Trái đất một tuần.
Năm 2013, Dan Baker, giám đốc Phòng thí nghiệm Vật lý Khí quyển và Không gian (LASP) của Đại học Colorado Boulder đã viết một bài báo về vụ phun trào năm 2012, nêu rằng nếu nó xảy ra chỉ một tuần trước đó, Trái đất sẽ nằm trong tầm ngắm và "vẫn đang phải thu dọn hậu quả về mặt công nghệ" một năm sau sự kiện.
YouTube
Xem trên
Các nhiệm vụ hiện tại và tương lai
Sự phụ thuộc ngày càng tăng của chúng ta vào công nghệ đang khiến chúng ta dễ bị tổn thương hơn bao giờ hết."Mặt trời không thay đổi, nó đang làm những gì nó làm", Martínez Pillet nói. "Nhưng chính chúng ta ngày càng phụ thuộc vào công nghệ".
Vậy, hiện tại chúng ta đang theo dõi mặt trời như thế nào và chúng ta có thể mong đợi những sứ mệnh nào trong tương lai?
Một số công cụ đáng tin cậy nhất của chúng ta để theo dõi mặt trời đã hoạt động rất tích cực. Một trong số đó là Nhóm mạng dao động toàn cầu, hay GONG. Mạng lưới toàn cầu gồm sáu kính thiên văn giống hệt nhau này cung cấp phạm vi phủ sóng mặt trời gần như suốt ngày đêm. Được điều hành bởi Đài quan sát Mặt trời Quốc gia Hoa Kỳ, GONG đã theo dõi hoạt động của Mặt trời kể từ những năm 1990 và vẫn là một phần quan trọng trong bộ công cụ dự báo thời tiết không gian của chúng tôi.
GONG cung cấp luồng hình ảnh ổn định cho thấy toàn bộ bề mặt của mặt trời, được cập nhật mỗi phút. Những hình ảnh này bao gồm thông tin về chuyển động của mặt trời và từ trường — những thành phần chính trong việc dự đoán thời điểm và địa điểm xảy ra các vụ phun trào mặt trời. Mạng lưới này thậm chí còn giúp các nhà khoa học theo dõi mặt xa của mặt trời, sử dụng "rung động" mặt trời để phát hiện các vùng hoạt động mà chúng ta không thể nhìn thấy trực tiếp. Tất cả những điều này giúp các nhà dự báo phát hiện ra các cơn bão mặt trời tiềm ẩn trước khi chúng phun trào và tinh chỉnh các mô hình ước tính cách những cơn bão đó có thể ảnh hưởng đến Trái đất.
Một phần quan trọng khác của hệ thống cảnh báo thời tiết không gian hiện tại của chúng ta là Đài quan sát khí hậu không gian sâu (DSCOVR) đặt tại Lagrange 1 (L1). Tương tự như phao cảm biến trên biển cảnh báo về sóng thần sắp ập đến, DSCOVR cung cấp dữ liệu thời gian thực về gió mặt trời, giúp các nhà dự báo đưa ra cảnh báo về các cơn bão địa từ đang tới. Tùy thuộc vào tốc độ của gió mặt trời, DSCOVR có thể đưa ra cảnh báo từ 15 đến 60 phút trước khi bão mặt trời tấn công Trái đất. Khoảng thời gian ngắn đó rất quan trọng đối với các nhà điều hành vệ tinh, lưới điện và hệ thống thông tin liên lạc.
Cùng với các vệ tinh khác như ACE của NASA và SOHO của ESA, các sứ mệnh này tạo thành một mảng các công cụ giám sát năng lượng mặt trời, nhưng vẫn còn những khoảng trống trong phạm vi phủ sóng. Đó là nơi các sứ mệnh tương lai như Vigil hướng đến mục tiêu tạo ra sự khác biệt lớn.
Nhìn về phía trước, một trong những bổ sung đầy hứa hẹn nhất cho hệ thống cảnh báo bão mặt trời của chúng ta là sứ mệnh Vigil của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, dự kiến sẽ phóng vào năm 2031. Vigil sẽ đặt tại Điểm Lagrange 5 (L5) — một vị trí mang đến cho nó góc nhìn ngang độc đáo về đường thẳng Mặt trời-Trái đất. Từ đó, nó sẽ theo dõi các vụ phun trào Mặt trời từ bên cạnh, giúp các nhà khoa học phát hiện hình dạng, tốc độ và quan trọng hơn là hướng từ tính (Bz) của các CME đang tới trước khi chúng hướng đến chúng ta.
"Tôi thực sự muốn xem cách chúng ta sẽ bắt đầu kết hợp dữ liệu từ các điểm quan sát khác nhau vào các dự đoán", Martínez Pillet nói với Space.com.
Các quan sát từ L5 sẽ giúp các nhà khoa học biết trước những gì đang hướng đến Trái đất khoảng một tuần.
"Tốt hơn là không có gì", Martínez Pillet nói.
