Từ trường Trái Đất

Từ trường Trái Đất là trường từ của Trái Đất, xuất hiện do tính chất từ của vật chất Trái Đất hợp thành tạo ra. Từ trường Trái Đất tồn tại từ trong lòng Trái Đất đến không gian rộng lớn bao quanh Trái Đất. Nguyên nhân gây ra từ trường có thể được giải thích theo thuyết geodynamo.
Từ trường Trái Đất được coi như một lưỡng cực từ trường, với một cực gần cực bắc địa lý và cực kia gần cực nam địa lý. Một đường thăng tưởng tượng nối hai cực tạo thành một góc khoảng 11,3° so với trục quay của Trái Đất.
Trên mặt đất cường độ từ trường vào khoảng từ 25 đến 65 micro tesla (0,25 đến 0,65 gauss).
Các từ trường có thể mở rộng vô hạn, tuy nhiên nếu xét các điểm càng ra xa nguồn thì chúng càng yếu dần. Từ trường Trái Đất có tác dụng đến hàng chục ngàn km trong vũ trụ và được gọi là Từ quyển. Từ quyển của Trái Đất cùng với khí quyển chặn các dòng hạt tích điện, bảo vệ sự sống trên Trái Đất.
Nghiên cứu từ trường Trái Đất là một lĩnh vực của địa vật lý. Kết quả của nghiên cứu cũng áp dụng để miêu tả từ trường tại các hành tinh, các thiên thể khác.

Tầm quan trọng

Từ trường của Trái Đất có tác dụng ngăn cản hầu hết gió Mặt Trời, vì nó chứa các hạt tích điện khi thổi đến làm tước đi tầng ozone mà giúp bảo vệ Trái Đất khỏi bức xạ cực tím có hại từ Mặt Trời. Một cơ chế tước là không khí bị bẫy trong các bong bóng từ, và bị thổi tách ra bởi gió Mặt Trời. Các tính toán về sự mất mát của cacbon dioxide từ bầu khí quyển của sao Hỏa, kết quả từ tác động va chạm với các ion trong gió Mặt Trời, chỉ ra rằng sự tiêu tán của từ trường sao Hỏa đã làm mất gần hết bầu khí quyển của hành tinh này.
Lĩnh vực nghiên cứu quá khứ của từ trường Trái Đất được biết đến là cổ địa từ. Lịch sử phân cực của từ trường Trái Đất được ghi lại trong đá mácma núi lửa, và sự đảo ngược cực từ do đó có thể phát hiện được dựa trên các "vằn từ" tập trung vào các sống núi giữa đại dương nơi mà quá trình tách giãn đáy đại dương đang lan rộng, trong khi sự ổn định của cực địa từ giữa các lần đảo ngược cho phép các nhà phân tích cổ địa từ có thể biết được chuyển động của các lục địa trong quá khứ. Sự đảo ngược cũng là cơ sở cho nghiên cứu từ địa tầng (magnetostratigraphy), một cách để xác định tuổi của đá và trầm tích. Trường từ cũng làm từ hóa lớp vỏ Trái Đất, và những dị thường từ có ứng dụng để tìm kiếm các quặng kim loại.
Con người đã sử dụng la bàn để xác định phương hướng từ thế kỷ XI TCN và cho mục đích di chuyển từ thế kỷ XII. Mặc dù độ từ thiên thay đổi theo thời gian, nhưng sự di chuyển này rất chậm chạp làm cho một la bàn đơn giản vẫn hữu ích trong việc điều hướng. Khả năng cảm nhận từ (magnetoreception) ở các sinh vật khác nhau, từ một số loại vi khuẩn đến chim bồ câu, giúp chúng sử dụng từ trường của Trái Đất để định hướng và điều hướng.

Phát hiện từ trường

Từ thượng cổ, con người đã biết đến từ trường Trái Đất và phát minh ra la bàn để định phương hướng.
Vào năm 1600, nhà vật lý người Anh William Gilbert đã đưa ra giả thuyết Trái Đất là một nam châm khổng lồ. Ông đã làm một quả cầu lớn bằng sắt nhiễm từ, gọi nó là "Trái Đất tí hon" và đặt các từ cực của nó ở các địa cực. Đưa la bàn lại gần Trái Đất tí hon ông thấy ngoài hai cực, còn ở mọi điểm trên quả cầu, kim la bàn đều chỉ hướng Nam Bắc. Hiện nay vẫn chưa có sự giải thích chi tiết và thỏa đáng về nguồn gốc từ tính của Trái Đất.
Năm 1940, một số nhà vật lý đã đưa ra thuyết geodynamo để giải thích nguồn gốc từ trường Trái Đất. Theo thuyết này thì từ trường Trái Đất chủ yếu được hình thành từ các dòng đối lưu trong chất lỏng của Trái Đất ở độ sâu trên 3000 km. Sự khác biệt về nhiệt độ trong chất lỏng của Trái Đất đã làm xuất hiện các dòng đối lưu. Nếu trong nhân của Trái Đất có một "từ trường nguyên thuỷ" thì các dòng đối lưu trên sẽ có vai trò như một cuộn dây trong máy phát điện. Dòng điện nhờ đó được hình thành và chính nó đã tạo ra từ trường cho Trái Đất. Tuy nhiên, thuyết vẫn còn một số điểm chưa rõ ràng. Trong quá trình hình thành từ trường Trái Đất, cần có "từ trường nguyên thuỷ", nhưng từ trường này được hình thành từ bao giờ và bằng cách nào? Đây là một trong những tồn tại chưa giải quyết được của các ngành khoa học về Trái Đất.
Gần đây, các nhà khoa học cho rằng ngoài từ trường chính của Trái Đất hình thành từ lõi ngoài chiếm 98%, còn có phần từ trường với nguồn gốc bên ngoài Trái Đất chiếm 2%, phần từ trường này lại hay biến đổi, là phần quan trọng gây ra những tác động đối với cơ thể sống.

Đặc điểm

Cũng như nam châm, Trái Đất có 2 cực địa từ, không trùng với 2 cực địa lý. Cực Bắc từ có toạ độ 70° Vĩ Bắc Và 96° Kinh Tây, trên lãnh thổ Canada, cách cực Bắc địa lý 800 km. Cực Nam từ có toạ độ 73° Vĩ Nam và 156° Kinh Đông ở vùng Nam cực, cách cực Nam địa lý 1000 km. Trục từ trường tạo với trục Trái Đất một góc 11°. Các từ cực thường có vị trí không ổn định và có thể đảo ngược theo chu kỳ. Do đó bản đồ địa từ cũng phải thường xuyên điều chỉnh (5 năm một lần). Việc thu nhập các thông tin từ vệ tinh đã phát hiện các vành đai bức xạ bao quanh Trái Đất ở môi trường khí quyển trên cao từ 500–600 km dến 60.000- 80.000 km: đó là từ quyển (tầng điện ly trở lên).

Mô tả

Ở bất kỳ vị trí nào, từ trường của trái đất có thể được đại diện bởi một vector ba chiều. Một thủ tục điển hình để đo hướng của nó là sử dụng la bàn để xác định hướng Bắc từ. Góc của nó liên quan đến Bắc thật là độ lệch (D) hoặc biến thể. Đối diện Bắc từ trường, góc trường tạo ra theo chiều ngang là độ từ khuynh (I) hoặc từ nhúng. Cường độ (F) của trường tương ứng với lực tác động lên nam châm. Một đại diện phổ biến khác là tọa độ X (Bắc), Y (Đông) và Z (Xuống).

Cường độ

Cường độ của từ trường thường được đo bằng gauss (G), nhưng thông thường được báo cáo bằng nanotesla (nT), với 1 G = 100.000 nT. Một nanotesla còn được gọi là gamma (γ). Tesla là đơn vị SI của trường từ B. Từ trường Trái Đất nằm trong phạm vi từ 25.000 đến 65.000 nT (0,25-0,65 G). Để so sánh, một nam châm tủ lạnh mạnh có cường độ từ khoảng 10.000.000 nanotesla (100 G).
Bản đồ các đường đồng mức cường độ được gọi là "biểu đồ đẳng động lực học". Như Mô hình Từ trường Thế giới cho thấy, cường độ có xu hướng giảm từ cực đến xích đạo. Một cường độ tối thiểu xảy ra ở Dị thường Nam Đại Tây Dương phía trên Nam Mỹ trong khi có cực đại ở miền bắc Canada, Siberia và bờ biển Nam Cực phía nam Úc.

Cực từ trường

Các vị trí của cực từ có thể được định nghĩa theo ít nhất là hai cách: cục bộ hoặc toàn cầu.
Một cách để xác định một cực là như là một điểm mà từ trường là thẳng đứng. Điều này có thể được xác định bằng cách đo độ từ khuynh, như mô tả ở trên. Độ từ khuynh của trường Trái đất là 90° (trỏ thẳng xuống) tại cực Bắc và -90° (trỏ thẳng lên) ở cực Nam. Hai cực di chuyển độc lập và không đối trực tiếp với nhau trên địa cầu. Chúng có thể di chuyển nhanh: các chuyển động lên đến 40 km (25 dặm) mỗi năm đã được quan sát thấy cho Cực Bắc từ. Trong 180 năm qua, cực Bắc từ đã di chuyển về phía tây bắc, từ mũi Adelaide ở bán đảo Boothia trong năm 1831 đến 600 km (370 dặm) từ vịnh Resolute năm 2001. Đường xích đạo từ là đường mà độ từ khuynh bằng 0, từ trường nằm ngang).
Định nghĩa toàn cầu về từ trường Trái đất dựa trên mô hình toán học. Nếu một đường thẳng được vẽ qua tâm Trái đất, song song với mô men của lưỡng cực từ phù hợp tốt nhất, hai vị trí mà nó giao cắt với bề mặt Trái đất được gọi là cực địa từ Bắc và cực địa từ Nam. Nếu từ trường Trái Đất là lưỡng cực hoàn ảo, các cực địa từ và các cực từ sẽ trùng với nhau và la bàn sẽ hướng về phía chúng. Tuy nhiên, từ trường Trái đất có một phần đóng góp không-lưỡng cực đáng kể, vì vậy các cực không trùng khớp và la bàn thường không chỉ vào một trong hai.

Các biến thiên ngắn

Trường địa từ thay đổi theo thời gian từ mili giây đến hàng triệu năm. Các thang thời gian ngắn hơn chủ yếu phát sinh từ các dòng điện trong tầng điện ly (ionospheric dynamo region) và từ quyển, và một số thay đổi có thể được truy nguyên từ các cơn bão địa từ hoặc biến động hàng ngày trong các dòng điện. Thay đổi theo thang thời gian từ một năm trở lên chủ yếu phản ánh những thay đổi bên trong Trái Đất, đặc biệt là phần giàu lõi sắt.
Thông thường, từ quyển của trái đất bị tác động bởi lóe mặt trời gây ra các cơn bão địa từ, gây ra hiện tượng cực quang. Sự không ổn định ngắn hạn của từ trường được đo bằng chỉ số K.
Dữ liệu từ THEMIS cho thấy từ trường, tương tác với gió mặt trời, giảm khi hướng từ tính được căn giữa Mặt trời và Trái đất - ngược với giả thuyết trước. Trong những cơn bão mặt trời sắp tới, điều này có thể dẫn đến mất điện và gián đoạn trong vệ tinh nhân tạo.

Biến thiên thế kỷ

Sự thay đổi từ trường Trái đất trên một khoảng thời gian từ một năm trở lên được gọi là biến thiên thế kỷ. Qua hàng trăm năm, Độ từ thiên được quan sát thấy thay đổi qua hàng chục độ. Đoạn phim ở bên phải cho thấy Độ từ thiên toàn cầu đã thay đổi trong vài thế kỷ qua như thế nào.
Hướng và cường độ thay đổi lưỡng cực theo thời gian. Trong hai thế kỷ qua, cường độ lưỡng cực đã giảm với tốc độ khoảng 6,3% mỗi thế kỷ. Với tốc độ giảm này, lĩnh vực này sẽ không đáng kể trong khoảng 1600 năm. Tuy nhiên, sức mạnh này là trung bình trong 7000 năm qua, và tỷ lệ thay đổi hiện nay không phải là bất thường.
Một điểm nổi bật trong phần không lưỡng cực của biến thiên thế kỷ là sự trôi dạt về phía tây với tốc độ khoảng 0,2 độ mỗi năm. Sự trôi dạt không giống nhau ở mọi nơi và đã thay đổi theo thời gian. Trôi dạt trung bình trên toàn cầu đã về phía tây kể từ khoảng năm 1400 Công Nguyên nhưng về phía đông giữa khoảng 1000 AD và 1400 AD.
Những thay đổi từ trường cổ xưa được ghi lại trong các khoáng vật từ tính trong các mẫu vật khảo cổ học và địa chất. Những thay đổi như vậy được gọi là biến thiên thế kỷ cổ xưa hoặc biến thiên paleo (ECV). Các hồ sơ thường bao gồm thời gian dài thay đổi nhỏ với những thay đổi lớn thường xuyên phản ánh những chuyến du ngoạn của cực địa từ và sự đảo ngược.

Xuất hiện sớm nhất

Các nghiên cứu cổ từ của dung nham Cổ Thái Cổ (Paleoarchea) ở Úc và cuội kết ở Nam Phi đã kết luận rằng từ trường đã có mặt từ ít nhất khoảng 3.450 triệu năm trước.

Tương lai

Hiện tại, địa từ trường tổng thể đang trở nên yếu đi; sự sụt giảm mạnh hiện nay tương ứng với sự suy giảm 10-15% trong vòng 150 năm qua và đã tăng tốc trong vài năm qua; cường độ địa từ đã giảm gần như liên tục từ mức tối đa 35% trên mức giá trị hiện đại đạt được khoảng 2.000 năm trước. Tốc độ sụt giảm và cường độ hiện tại nằm trong khoảng biến thiên bình thường, như thể hiện bằng các từ trường từ quá khứ được ghi lại trong đá.
Bản chất của từ trường Trái đất là một trong những dao động dị phương sai. Một phép đo tức thời của nó, hoặc một số phép đo của nó qua vài thập kỷ hoặc vài thế kỷ, là không đủ để ngoại suy ra xu hướng tổng thể trong cường độ từ trường. Nó đã lên và xuống trong quá khứ vì những lý do không rõ. Ngoài ra, cần lưu ý rằng ghi nhận cường độ địa phương của trường lưỡng cực (hoặc biến động của nó) là không đủ để mô tả từ trường Trái Đất như một khối tổng thể, vì nó không phải là trường lưỡng cực tuyệt đối. Thành phần lưỡng cực của trường Trái đất có thể giảm xuống thậm chí khi toàn bộ từ trường vẫn giữ nguyên hoặc tăng lên.
Cực bắc từ Trái đất đang trôi từ phía bắc Canada tới Siberia với tốc độ tăng tốc hiện tại - 10 km (6,2 mi) mỗi năm vào đầu thế kỷ XX, lên đến 40 km (25 dặm) mỗi năm vào năm 2003, và kể từ đó chỉ tăng tốc.

Các mô hình số

Simulating the geodynamo requires numerically solving a set of nonlinear partial differential equations for the magnetohydrodynamics (MHD) of the Earth's interior. Simulation of the MHD equations is performed on a 3D grid of points and the fineness of the grid, which in part determines the realism of the solutions, is limited mainly by computer power. For decades, theorists were confined to creating kinematic dynamo computer models in which the fluid motion is chosen in advance and the effect on the magnetic field calculated. Kinematic dynamo theory was mainly a matter of trying different flow geometries and testing whether such geometries could sustain a dynamo.
The first self-consistent dynamo models, ones that determine both the fluid motions and the magnetic field, were developed by two groups in 1995, one in Japan and one in the United States. The latter received attention because it successfully reproduced some of the characteristics of the Earth's field, including geomagnetic reversals.

Currents in the ionosphere and magnetosphere

Electric currents induced in the ionosphere generate magnetic fields (ionospheric dynamo region). Such a field is always generated near where the atmosphere is closest to the Sun, causing daily alterations that can deflect surface magnetic fields by as much as one degree. Typical daily variations of field strength are about 25 nanoteslas (nT) (one part in 2000), with variations over a few seconds of typically around 1 nT (one part in 50,000).

Phát hiện

Cường độ từ trường của Trái Đất đã được Carl Friedrich Gauss đo vào năm 1832 và đã được đo đạc lặp lại nhiều lần từ đó, kết quả cho thấy cường độ suy giảm tương đối khoảng 10% trong vòng 150 năm qua. Vệ tinh Magsat và các vệ tinh sau đó đã sử dụng từ kế vector 3 trục để thăm dò cấu trúc 3 chiều của từ trường Trái Đất. So sánh với vệ tinh Ørsted sau này cho thấy hoạt động địa động lực (dynamic geodynamo) dường như đang dần tạo ra một cực khác bên dưới Đại Tây Dương ở phía tây của phía nam Châu Phi.
Chính phủ ở một số nước thành lập các cơ quan chuyên về đo lường trường từ của Trái Đất. Đây là các điểm nghiên cứu địa từ trường, điển hình là thuộc một phần trong những cuộc khảo sát địa chất quốc gia, ví dụ như cuộc khảo sát viện nghiên cứu Eskdalemuir của Cục Địa chất Anh. Các viện nghiên cứu này có thể đo và dự báo các điều kiện từ tính như các cơn bão từ gây ảnh hưởng đến thông tin liên lạc, điện năng và các hoạt động khác của con người.
Mạng lưới quốc tế các viện nghiên cứu từ trường (International Real-time Magnetic Observatory Network), với hơn 100 điểm quan sát địa từ liên kết với nhau trên toàn thế giới, đã ghi lại từ trường Trái Đất từ năm 1991.
Quân đội dựa trên các đặc tính trường địa từ đo ở phạm vi địa phương, để phát hiện dị thường trong nền tự nhiên có thể là do một vật kim loại khối lượng đáng kể như tàu ngầm lặn gây ra. Thông thường, các thiết bị phát hiện dị thường từ tính này được gắn trên máy bay như Nimrod của Anh hoặc được kéo như một dụng cụ hoặc một loạt các dụng cụ bằng các tàu trên mặt nước.
Các công ty điều tra về địa vật lý (geophysical prospecting companies) cũng sử dụng thiết bị dò từ tính để xác định các dị thường xuất hiện trong tự nhiên từ thân quặng, ví dụ như Dị thường từ Kursk (Kursk Magnetic Anomaly).

Dị thường từ trường ở vỏ Trái Đất

Máy đo từ tính có thể phát hiện độ lệch nhỏ trong từ trường của Trái Đất do các hiện vật bằng sắt, đồ tạo tác, một số loại cấu trúc bằng đá, và thậm chí khe và các mỏm đá trong khảo cổ học địa vật lý. Sử dụng các dụng cụ từ lấy ở các máy dò dị thường từ gắn trên máy bay được phát triển trong Chiến tranh thế giới II nhằm phát hiện tàu ngầm, các biến thiên từ trường trên toàn đáy đại dương đã được lập thành bản đồ. Bazan - đá núi lửa giàu chất sắt tạo thành đáy đại dương - có chứa khoáng vật với từ trường mạnh (magnetit, Fe₃O₄) và gây ảnh hưởng tới trị số đọc trên la bàn đo ở phạm vi địa phương. Sự lệch này đã được những ngư dân ở Iceland nhận thấy vào khoảng cuối thế kỷ XVIII. Quan trọng hơn, bởi vì sự có mặt của magnetite mang lại tính chất từ tính đo được của đá bazan, những biến đổi từ tính này đã cung cấp một phương tiện khác để nghiên cứu đáy biển sâu. Khi đá mácma mới hình thành và dần nguội đi, các vật liệu từ như thế đã ghi lại lịch sử từ trường của Trái Đất.

Mô hình thống kê

Mỗi phép đo từ trường phải được đo ở một vị trí và thời gian cụ thể. Nếu cần ước tính chính xác trường tại một số nơi và thời gian khác thì phép đo phải được chuyển đổi sang mô hình và mô hình được sử dụng để đưa ra dự đoán.

Từ tính sinh học

Động vật bao gồm chim và rùa có thể phát hiện từ trường của trái đất và sử dụng trường để điều hướng trong quá trình di chuyển. Bò và hươu hoang dã có xu hướng quay cơ thể của chúng về phía bắc-nam trong khi thư giãn, nhưng không phải khi động vật thuộc dòng điện cao thế, các nhà nghiên cứu hàng đầu tin rằng từ tính là có trách nhiệm. Trong năm 2011, các nhà nghiên cứu báo cáo nỗ lực của họ không thành công để lặp lại việc tìm kiếm bằng cách sử dụng các hình ảnh Google Earth khác nhau.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các trường điện từ rất yếu làm gián đoạn la bàn từ được sử dụng bởi các robins châu Âu và các loài chim biết bay khác hướng của chúng được điều khiển bởi trường của Trái đất. Theo nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature số ra ngày 8 tháng 5 năm 2008, cả đường dây điện và điện thoại di động đều không đổ lỗi cho hiệu ứng trường điện từ lên chim. Thay vào đó, thủ phạm bao gồm các tần số từ 2 kHz đến 5 MHz, chẳng hạn như tín hiệu vô tuyến AM và các thiết bị điện tử thông thường có thể tìm thấy trong các doanh nghiệp hoặc nhà riêng.