Từ trường Trái Đất
Nguồn gốc > Lõi Trái Đất và thuyết địa động lực

Trái Đất và hầu hết các hành tinh trong Hệ Mặt Trời, cũng như Mặt Trời và các sao khác, tất cả đều có từ trường do quá trình chuyển động của các chất lưu dẫn điện. Từ trường Trái Đất sinh ra từ lõi của nó. Đây là khu vực chứa các hợp kim sắt có bán kính khoảng 3.400 km (bán kính Trái Đất là 6.370 km). Phần lõi này chia thành lõi trong rắn với bán kính 1.220 km, và lõi ngoài lỏng. Sự chuyển động của chất lưu ở lõi ngoài được điều khiển bởi dòng nhiệt thoát ra từ lõi trong, dòng nhiệt này khoảng 6.000 K (5.730 °C; 10.340 °F), đến ranh giới lõi-manti nhiệt độ đạt 3.800 K (3.530 °C; 6.380 °F). Mô hình dòng chảy được thiết lập bởi sự tự quay của Trái Đất và sự có mặt của lõi trong rắn.
Cơ chế Trái Đất sinh ra từ trường được nêu trong thuyết dynamo. Từ trường được tạo ra bởi mạch hồi tiếp: các mạch điện tạo ra các từ trường (Định luật Ampère); khi từ trường thay đổi tạo ra một điện trường (Định luật Faraday); và các trường điện và từ tác động một lực lên các điện tích chuyển động thành dòng ở dạng dòng điện (Lực Lorentz). Những tác động này có thể được kết hợp ở dạng phương trình vi phân từng phần cho từ trường được gọi là "phương trình cảm ứng từ":
...với u là vận tốc của chất lưu; B là trường từ B; và η=1/σμ là độ khuếch tán từ, tỉ lệ nghịch với độ dẫn điện σ và độ từ thẩm μ. Thuật ngữ ∂B/∂t là đạo hàm theo thời gian của từ trường; ∇2 là Toán tử Laplace và ∇× là rot.
Số hạng đầu tiên phía bên phải của phương trình cảm ứng từ là số hạng khuếch tán. Trong chất lưu tĩnh, từ trường giảm và bất kỳ điểm nào của từ trường lan tỏa ra ngoài. Nếu dynamo của Trái Đất ngừng hoạt động, phần lưỡng cực sẽ biến mất trong vài chục ngàn năm.
Trong một dây dẫn hoàn hảo (σ = ∞
), sẽ không có sự khuếch tán. Theo định luật của Lenz, bất kỳ thay đổi nào trong từ trường sẽ bị phản đối ngay lập tức bởi các dòng điện, do đó dòng chảy qua một thể tích chất lỏng nhất định không thể thay đổi. Khi chất lỏng di chuyển, từ trường sẽ đi cùng với nó. Định lý mô tả hiệu ứng này được gọi là định lý đóng băng trong trường. Ngay cả trong một chất lỏng có độ dẫn hữu hạn, trường mới được tạo ra bằng cách kéo dài các đường trường khi chất lỏng di chuyển theo cách làm biến dạng nó. Quá trình này có thể tiếp tục tạo ra trường mới vô thời hạn, phải không khi từ trường tăng cường độ, nó chống lại chuyển động của chất lỏng.
Chuyển động của chất lỏng được duy trì bởi sự đối lưu, chuyển động được điều khiển bởi độ nổi. Nhiệt độ tăng dần về phía trung tâm Trái Đất và nhiệt độ cao hơn của chất lỏng xuống thấp hơn khiến nó nổi lên. Độ nổi này được tăng cường bằng cách tách hóa học: Khi lõi nguội đi, một số sắt nóng chảy đông cứng lại và được mạ vào lõi bên trong. Trong quá trình, các yếu tố nhẹ hơn bị bỏ lại trong chất lỏng, làm cho nó nhẹ hơn. Điều này được gọi là đối lưu thành phần. Hiệu ứng Coriolis, gây ra bởi vòng quay hành tinh tổng thể, có xu hướng tổ chức dòng chảy thành các cuộn thẳng hàng dọc theo trục cực bắc-nam.
Một máy phát điện có thể khuếch đại từ trường, nhưng nó cần một trường "hạt giống" để bắt đầu. Đối với Trái Đất, đây có thể là một từ trường bên ngoài. Đầu tiên trong lịch sử, Mặt trời đã trải qua giai đoạn T-Tauri, trong đó gió mặt trời sẽ có một từ trường có cường độ từ trường lớn hơn gió mặt trời hiện tại. Tuy nhiên, phần lớn trường có thể đã được sàng lọc bởi lớp phủ của Trái Đất. Một nguồn thay thế là dòng điện trong ranh giới lõi-lớp phủ được điều khiển bởi các phản ứng hóa học hoặc sự thay đổi độ dẫn nhiệt hoặc điện. Những hiệu ứng như vậy vẫn có thể cung cấp một sai lệch nhỏ là một phần của các điều kiện biên cho geodynamo.
Từ trường trung bình trong lõi ngoài của Trái Đất được tính là 25 gauss, mạnh hơn 50 lần so với từ trường ở bề mặt.