Mặt trời là một ngôi sao trung bình, có đường kính 1392000 km  (bằng 109 lần đường kính của Trái đất). Ta nhìn thấy Mặt trời giống như một đĩa màu trắng-vàng, mịn, trên đó rải rác một số vết đen. Mặt trời chính là một khối plasma hình cầu, có thể hơi nhòe ra vùng không gian xung quanh, được điều chỉnh và định hình bởi từ trường của nó.

Cấu trúc Mặt Trời và bầu khí quyển của nó tính từ trong ra ngoài gồm (xem hình 1): nhân (core), vùng bức xạ (radiation zone), vùng đối lưu (convection zone), quang quyển (photosphere), sắc quyển (chromosphere) và nhật hoa (corona).

Hình 1. Lát cắt về cấu trúc của Mặt trời.

 Các tác động của Mặt trời lên Trái đất chủ yếu gây bởi bốn loại tương tác:

- Tương tác hấp dẫn: Lực hấp dẫn của Mặt Trời làm cho Trái Đất chuyển động theo quỹ đạo hình elip trong không gian.

- Tương tác điện từ (hay bức xạ điện từ): bức xạ mặt trời giúp duy trì nhiệt độ thuận lợi cho sự sống trên Trái đất.

- Tương tác từ: từ trường của Mặt trời vươn xa trong hệ Mặt trời, và tương tác mạnh với từ trường của Trái đất.

- Tương tác hạt: do gió Mặt trời.

Trong 4 loại tương tác trên thì tương tác hấp dẫn và bức xạ điện từ trong vùng bước sóng ánh sáng khả kiến có thể xem là không đổi. Trong khi đó các bức xạ điện từ trong các vùng bước sóng khác như tia cực tím, tia X; gió Mặt trời, và hoạt động từ của mặt trời lại biến thiên rất mạnh theo thời gian, và chi phối sự hình thành của từ quyển và tầng điện ly của Trái Đất. Do đó trong nghiên cứu Vật lý Địa cầu người ta quan tâm nhiều đến các bức xạ điện từ và gió Mặt trời.

1. Bức xạ điện từ

Mặt trời phát ra các bức xạ điện từ (sóng radio, vi sóng, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X, tia gamma) có bước sóng trong khoảng 10^-13 m và 10 m. 99% lượng bức xạ này nằm  trong dải bước sóng từ 10^-7 đến 10^-4 m và được phát ra bởi quang quyển của Mặt trời. Quang quyển là "bề mặt" nhìn thấy của mặt trời (Hình 1). Nhiệt độ của nó khoảng gần 6000K. Phổ bức xạ của quang quyển mặt trời có thể mô tả bằng phổ bức xạ của một vật đen ở 6000K (Hình 2)

Hình 2. Phổ bức xạ của Mặt trời, có so sánh với phổ bức xạ của vật đen ở 6000K.

Các bước sóng tương ứng tia cực tím, tia X và tia gamma chiếm ưu thế khi Mặt trời hoạt động mạnh, đặc biệt là trong các vụ bùng nổ sắc cầu Mặt trời.

Do của sự quay khác biệt của Mặt trời (vùng xích đạo quay nhanh hơn vùng cực), các đường sức từ của Mặt trời bị biến dạng, bị cuốn lại, bị xoắn, ... Khi các đường sức trở nên rất dày đặc, sẽ xảy ra một chỗ phìu ra ở trên quang quyển, gây ra tại khu vực đó các ống từ trường mạnh, vuông góc với bề mặt. Trong khu vực này, vật chất bị hãm lại bởi các đường sức từ, sự tăng nhiệt độ của các khu vực lân cận bị kém đi, khí nguội đi, tạo ra một vết đen. Các vết đen Mặt trời thường phân bố trong khoảng vĩ độ giữa 40° N và 40° S. Chúng có vẻ tối hơn vì nhiệt độ của chúng thấp hơn (khoảng 4000K). Hai vết đen Mặt trời có thể kết nối với nhau tạo thành vòng cung từ trường nhật hoa (coronal loop) hay gọi ngắn gọn là cung từ trường, hình 3.

Hình 3. Mô hình một vụ bùng nổ sắc cầu Mặt trời xảy ra ở đỉnh của cung từ trường.

Nhật hoa kéo dài từ khoảng 15000 km từ quang quyển lên đến 2 lần bán kính Mặt trời. Nó phát ra ánh sáng trắng trong vùng khả kiến. Bên trong nhật hoa rất nóng (nhiệt độ hàng triệu độ Kelvin) và hỗn loạn. Bùng nổ sắc cầu Mặt trời chủ yếu xảy ra ở đỉnh của cung từ trường, nhưng đôi khi cũng xảy ra ở các vùng hoạt động mà không có vết đen Mặt trời.

Bùng nổ sắc cầu Mặt trời xảy ra theo ba pha: pha đầu, pha bùng nổ và pha kết thúc. Thời gian một vụ bùng nổ sắc cầu có thể kéo dài từ vài phút đến vài chục phút (Hình 4).

Hình 4. Các pha: ban đầu (precursor), bùng nổ (impulsive phase) và kết thúc (decay phase) của một vụ bùng nổ sắc cầu Mặt trời.

Pha ban đầu kích thích sự giải phóng năng lượng từ trường đã được lưu trữ trong cung từ trường. Trong pha này, các bức xạ phát ra là các tia cực tím (tia X mềm) và các sóng radio.

Ít phút sau đó là pha bùng nổ. Pha bùng nổ là pha chính giải phóng năng lượng một cách mạnh mẽ ở đỉnh của cung từ trường, các electron và proton được gia tốc nhanh chóng (trong vòng một giây hoặc ít hơn) ở tốc độ gần tốc độ ánh sáng rồi chuyển động về phía Mặt trời hoặc phóng ra ngoài không gian. Các electron tốc độ cao phát ra bức xạ vô tuyến xung quanh đỉnh của cung từ trường (hình 2.3a). Các electron không nhiệt đi xoắn ốc dọc theo cung từ trường xuống Mặt trời và tạo ra sóng vô tuyến mạnh. Năng lượng được vận chuyển xuống dưới bởi các electron và proton dọc theo cung từ trường để vào sắc quyển đặc hơn nằm bên dưới. Ở đây, các chùm hạt bị chậm lại do va chạm (bức xạ hãm), phát ra tia X cứng (có bước sóng gần tia gamma) và tia gamma ở các đầu của cung. Sắc quyển được làm nóng rất nhanh chóng bởi các hạt được gia tốc, nó không thể loại bỏ năng lượng dư thừa và do đó tạo ra sự gia tăng mạnh mẽ của các vật liệu nóng (gọi là sự bay hơi sắc quyển) trong nhật hoa. Vật liệu nóng  này có thể lấp đầy hoàn toàn các cung từ trường. Cung từ trường chuyển thành một cấu hình ổn định  hơn, năng lượng lúc này được giải phóng một cách từ từ hơn. Trong pha này, các bức xạ tia X mềm và bức xạ cực tím tăng do vật liệu được làm nóng trong cung từ trường.

Một hoạt động quan trọng nữa của Mặt trời có ảnh hưởng mạnh mẽ đến từ trường Trái đất là các vụ phun trào nhật hoa, được khám phá vào năm 1973. Phun trào nhật hoa là những thay đổi quan sát được của cấu trúc nhật hoa, kéo dài từ vài phút đến vài giờ, chúng xuất hiện sáng rực trong vùng ánh sáng nhìn thấy trên nhật hoa, và đặc biệt là kéo theo một sự phun plasma và từ trường của nhật hoa về phía không gian giữa các hành tinh. Phun trào nhật hoa làm mất 10¹² kg khối lượng của Mặt trời mỗi ngày. Tốc độ của chúng rất khác nhau và nằm trong khoảng 100-2000 km/s.

2. Gió Mặt trời

Gió Mặt trời được phát hiện vào những năm 1950 khi người ta nhận thấy rằng đuôi sao chổi luôn luôn chỉ theo hướng ngược Mặt trời, ngay cả khi các sao chổi đi ra xa Mặt trời. Các đo đạc gió Mặt trời được thực hiện trên các vệ tinh từ năm 1962.

Một hạt sẽ thoát khỏi lực hấp dẫn của Mặt trời khi tốc độ của nó lớn hơn vận tốc thoát đối với Mặt Trời (618 km/s). Trong nhật hoa (khoảng 15000 km đến một vài lần bán kính Mặt trời), nơi nhiệt độ đạt đến một triệu độ Kelvin, có một số lượng lớn các các hạt có vận tốc đủ lớn để thoát khỏi Mặt trời. Những hạt này tạo thành gió Mặt trời. Gió Mặt trời là một dòng plasma gồm proton, hạt nhân heli và các electron. Dòng plasma này mang theo nó từ trường của Mặt trời. Do đó gió Mặt trời là một plasma bị từ hóa. Từ trường mang bởi gió Mặt trời là nguyên nhân của sự tồn tại của từ trường liên hành tinh (MFI - Interplanetary Magnetic Field).

Gió Mặt trời rất không dày đặc (khoảng 10 hạt trên một centimet khối), nhưng rất nhanh. Có hai loại gió Mặt trời: gió Mặt trời nhanh và gió Mặt trời chậm. Gió mặt trời nhanh với tốc độ khoảng 750 km/s tại mức quỹ đạo Trái đất. Đây là loại gió tạo bởi các lỗ ở nhật hoa, chủ yếu tập trung tại các cực của Mặt trời. Gió Mặt trời chậm có tốc độ khoảng 400 km/s, được thổi ra từ phía trên quang quyển yên tĩnh ở khu vực gần xích đạo của Mặt trời (hình 5).

Hình 5. Tốc độ gió Mặt trời phụ thuộc vào vĩ độ Mặt trời được đo bằng tàu thăm dò vũ trụ Ulysses từ năm 1992 đến năm 1997.

Có những quá trình tăng tốc gió mặt trời mà ngày nay còn chưa được biết rõ. Hiện nay một giả thuyết để giải thích sự tăng tốc của gió Mặt trời là sự truyền năng lượng gây ra bởi những nhiễu loạn có quy mô lớn, 100km, đến quy mô nhỏ, 10km. Gió mặt trời làm mất 10¹⁴ kg khối lượng Mặt trời mỗi ngày.

Áp suất của gió mặt trời tạo ra một "bong bóng" trong môi trường giữa các vì sao. Các giới hạn mà tại đó gió mặt trời là không còn khả năng để đẩy môi trường giữa các ngôi sao được gọi là ranh giới gió mặt trời (heliopause). Giới hạn này thường được coi là "biên giới" của hệ Mặt trời, khoảng 100 và 150 đơn vị thiên văn (AU).

Tổng kết

Các tác động của Mặt trời lên Trái đất có thể là không đổi theo thời gian (tương tác hấp dẫn và bức xạ điện từ trong vùng bước sóng ánh sáng khả kiến), cũng có thể biến thiên rất mạnh theo thời gian (các bức xạ điện từ trong các vùng bước sóng khác như tia cực tím, tia X; gió mặt trời; hoạt động từ của Mặt trời). Từ trường của Mặt trời, gió Mặt trời và các hoạt động của Mặt trời có ảnh hưởng mạnh mẽ đối với môi trường ion hóa (từ quyển và tầng điện ly) của Trái đất. Việc hiểu rõ các hoạt động của Mặt trời như bùng nổ sắc cầu, phun trào nhật hoa giúp cho việc nghiên cứu các quá trình vật lý xảy ra trên từ quyển và tầng điện ly của Trái đất được hệ thống và thấu đáo hơn.