Cực quang, đôi khi còn được gọi là ánh sáng cực bắc và cực nam là những ánh sáng trên bầu trời, thường được thấy vào ban đêm ở các vùng gần cực. Chúng xuất hiện ở tầng điện ly của bầu khí quyển. Ở bắc bán cầu chúng được gọi là aurora borealis (Bắc cực quang), cái tên này do Pierre Gassendi đặt ra vào năm 1621, là từ ghép của tên nữ thần Aurora -- thần bình minh -- của người La Mã và thần Boreas "thần gió phương bắc" của người Hi Lạp. Bắc cực quang chỉ được nhìn thấy trên bầu trời Bắc bán cầu và càng gần cực bắc từ trường thì càng có cơ hội nhìn thấy nó hơn, hiện nay cực bắc từ trường đang ở phía bắc Canada. Ở gần cực từ trường, cực quang sẽ ở ngay trên đỉnh đầu nhưng nếu nhìn ở xa, nó sẽ nằm gần đường chân trời và có màu xanh lá cây hoặc màu đỏ nhạt, giống như Mặt Trời mọc ở sai vị trí vậy. Bắc cực quang thường xuất hiện vào tháng chín đến tháng mười và tháng ba đến tháng bốn. Bắc cựng quan có rất nhiều cái tên trong suốt lịch sử loài người. Người Cree gọi hiện tượng này là "Vũ điệu của các linh hồn".

Đối diện với cực bắc ta có Nam cực quang (aurora australis), nó cũng có những tính chất tương tự, nhưng chỉ ở Antartica, Nam Mỹ hay Úc mới thấy được. Từ Australis là từ Latin của "phương nam".

Hình 1: Nam cực quang và Bắc cực quang ở khắp nơi trên thế giới, bao gồm cả cực quang màu đỏ rất hiếm gặp. Credit: 14jbella at English Wikipedia.

Cơ chế cực quang

Cực quang được tạo ra do các hạt mang điện ở quyển từ (lớp từ trường) của Trái Đất, hầu hết là electron nhưng cũng có proton và các hạt nặng khác, va chạm với các nguyên tử và phân tử trên tầng cao của khí quyển của Trái Đất (độ cao khoảng 80 km). Năng lượng của các hạt mang điện dao động từ 1 đến 100 keV. Chúng có nguồn gốc từ Mặt Trời và đi đến vùng lân cận Trái Đất bằng gió Mặt Trời năng lượng thấp. Khi bị bẫy trong từ trường của Trái Đất, các hạt mang điện đi theo đường sức từ đến hai cực và đi sâu vào bầu khí quyển.

Va chạm kích thích điện từ các nguyên tử và phân tử trên tầng cao của khí quyển. Năng lượng kích thích có thể bị mất đi bằng việc phát xạ ánh sáng hoặc phân rã. Hầu hết cực quang có màu xanh và đỏ do nguyên tử oxy giải phóng. Phân tử và ion nitơ giải phóng cực quang gồm một ít tia đỏ cấp thấp và tia tím/xanh da trời rất cao. Các chất khí khác nhau sẽ tạo ra các màu khác nhau. Mức độ hoạt động gió Mặt Trời cũng ảnh hưởng đến màu cực quang.

Hình 2: Nam cực quang màu đỏ - sản phầm của nguyên tử oxy. Credit: fir0002, flagstaffotos.com.au.

Hình 3: Nam cực quang (11 tháng 9, 2005) chụp bởi vệ tinh IMAGE của NASA. Credit: NASA.

Cực quang hành tinh

Cả Sao Mộc và Sao Thổ đều có từ trường mạnh hơn của Trái Đất rất nhiều (của Sao Mộc gấp hơn 12 lần của Trái Đất), và cả hai đều có vành đai bức xạ khổng lồ. Kính thiên văn vũ trụ Hubble đã quan sát thấy khá rõ cực quang của cả hai hành tinh này. Thiên Vương Tinh và Hải Vương Tinh cũng có cực quang quan sát được. Nguồn gốc của cực quang các hành tinh khí khổng lồ này có vẻ được tăng cường bởi gió Mặt Trời tương tự như Trái Đất. Tuy nhiên, các vệ tinh của Sao Mộc, đặc biệt là Io, cũng là nguồn tạo cực quang trên Sao Mộc. Các vệ tinh như Io, Europa và Ganymede cũng có cực quang.

Người ta cũng quan sát được cực quang trên Sao Kim và Sao Hỏa. Vì Sao Kim không có từ trường nên cực quang ở hành tinh này là các đường sáng khuếch tán với các hành dạng và cường độ khác nhau, đôi khi nó còn phân bố trên toàn bộ đĩa của hành tinh.