Từ trường Trái Đất

. Các biểu diễn đường sức màu xanh lam ứng với trường hướng về trung tâm và màu vàng với ra xa. Trục quay của Trái Đất được căn giữa và thẳng đứng. Các cụm dày đặc đường sức nằm trong lõi của Trái Đất ]]

dạng khiên trên bề mặt của Trái Đất từ các hạt bị tích điện của gió mặt trời. Nó bị nén vào ban ngày (mặt hứng ánh sáng Mặt Trời) do lực của các hạt bay đến và giãn nở vào ban đêm. (hình không theo tỷ lệ.)]]
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. Độ lớn của từ trường Trái đất tại bề mặt của nó nằm trong khoảng từ 25 đến 65 μT (0,25 đến 0,65 G). 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&nbsp;micro tesla (0,25 đến 0,65&nbsp;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.Tính đến năm 2015, cực địa từ Bắc nằm trên đảo Ellesmere , Nunavut , Canada.

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.

Từ quyển là khu vực phía trên tầng điện ly được xác định bởi phạm vi từ trường của Trái đất trong không gian. Nó kéo dài vài chục nghìn km vào không gian , bảo vệ Trái đất khỏi các hạt tích điện của gió mặt trời và các tia vũ trụ nếu không sẽ tước đi tầng khí quyển phía trên, bao gồm cả tầng ôzôn bảo vệ Trái đất khỏi bức xạ cực tím có hại .

Tầm quan trọng
Từ trường của Trái Đất ngăn cản hầu hết gió Mặt Trời, vì nó chứa các hạt tích điện khi thổi 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 nam châm 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&nbsp;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 thủy" 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 thủy", 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&nbsp;km. Cực Nam từ có toạ độ 73° Vĩ Nam và 156° Kinh Đông ở vùng Nam cực, cách cực Nam địa lý 1000&nbsp;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&nbsp;km dến 60.000- 80.000&nbsp;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 phuơng pháp 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 cách biểu diễn thường thấy là tọa độ X (Bắc), Y (Đông) và Z (Xuống). 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.


File:World Magnetic Field 2015.pdf|Cường độ
File:World Magnetic Inclination 2015.pdf|Độ từ khuynh
File:World Magnetic Declination 2015.pdf|Độ từ thiên

Sự gần đúng lưỡng cực

Gần bề mặt Trái Đất, từ trường của nó có thể được xấp xỉ gần đúng bằng trường của một lưỡng cực từ đặt ở trung tâm Trái Đất và nghiêng một góc khoảng 11° so với trục tự quay của Trái Đất. Vì cực bắc của nam châm hút các cực nam của các nam châm khác và đẩy các cực bắc, nên nó phải bị hút về cực nam của nam châm của Trái Đất. Trường lưỡng cực chiếm 80-90% từ trường ở hầu hết các địa điểm.

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&nbsp;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&nbsp;km (370 dặm) từ vịnh Resolute năm 2001.

Gió mặt trời gây ra một áp suất, và nếu nó có thể chạm tới bầu khí quyển của Trái Đất, nó sẽ làm cho bầu khí quyển bị xói mòn. Tuy nhiên, nó bị đẩy ra xa bởi áp suất từ trường Trái Đất. Từ đính (đỉnh từ), nơi mà các áp suất cân bằng, là ranh giới của từ quyển. Mặc cho tên gọi của nó, từ quyển là không đối xứng, với phía về hướng mặt trời là khoảng 10 lần bán kính Trái Đất nhưng phía kia trải dài ra thành một từ vĩ (đuôi từ) tới hơn 200 lần bán kính Trái Đất. Hướng về phía Mặt trời của từ đính là sóng xung kích hình cung (sóng xung kích phía trước), khu vực mà gió mặt trời chậm lại đột ngột.

Cũng như làm lệch gió Mặt Trời, từ trường Trái Đất làm lệch các tia vũ trụ, là các hạt tích điện năng lượng cao chủ yếu đến từ bên ngoài hệ Mặt Trời. (Nhiều tia vũ trụ bị đẩy ra khỏi hệ Mặt Trời bởi từ quyển của Mặt Trời, hoặc nhật quyển). Ngược lại, các phi hành gia trên Mặt Trăng có nguy cơ phơi nhiễm bức xạ. Bất cứ ai trên bề mặt Mặt Trăng trong vụ phun trào năng lượng mặt trời đặc biệt mãnh liệt năm 2005 sẽ nhận được một liều gây chết người.

Các biến thiên và nhiễu của từ trường Trái Đất
Do tác động của nhiều hiện tượng trong lòng Trái Đất và trong vũ trụ mà từ trường Trái Đất luôn luôn biến đổi. Ngày nay đã xác định các biến đổi này gồm có:
Biến thiên thế kỷ, là sự thay đổi cực chậm do thay đổi ở lõi ngoài Trái Đất gây ra. Biến đổi tuy chậm nhưng sau hàng chục ngàn năm thường dẫn đến đảo cực địa từ.
Biến thiên ngắn hạn, còn gọi là biến đổi trong ngày, có dạng gần tuần hoàn theo giờ, và độ lớn có thể đến 30 nT, do tác động của mặt trời lên tầng điện ly gây ra.
Nhiễu ngẫu nhiên, đặc biệt là khi có Bão từ, độ lớn từ chục nT đến 1000 nT.

Quan trắc biến thiên là chủ đề của các đài Quan trắc từ trường Trái Đất thuộc các viện Vật lý Địa cầu của các nước trên thế giới, phục vụ nghiên cứu các biến động trong lòng hay xung quanh Trái Đất.

Tác động của hiện tượng biến thiên dẫn đến việc lập "bản đồ từ trường Trái Đất" được chia thành hai nhánh:
Bản đồ từ trường khái quát cho Trái Đất, là đối tượng của nghiên cứu vật lý Địa cầu, lược đi những dị thường từ do các đối tượng đất đá ở phần vỏ, khử tất cả các biến thiên ngắn hạn và ngẫu nhiên, được gọi là "Bản đồ từ trường bình thường". Nó còn chứa biến thiên thế kỷ, nên được lập cho một năm xác định nào đó, và phải được chỉnh sửa sau một thời gian nhất định.
Bản đồ dị thường từ, loại bỏ trường bình thường và các biến thiên ngắn hạn, các nhiễu ra khỏi giá trị quan sát được. Nó là tổng hợp từ trường của các vật thể từ nông đến sâu ở vỏ Trái Đất gây ra. Bản đồ phục vụ các nghiên cứu vật lý Địa cầu cho phần vỏ Trái Đất (Crust), và trong địa vật lý thăm dò phục vụ điều tra địa chất khoáng sản ở ngoài cùng vỏ Trái Đất.

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.

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
từ năm 1590 đến 1990]]

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.

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. Tuy nhiên, cường độ 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.

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.

Đảo cực địa từ trường

. Các vùng tối là nơi có cực từ trường giống ngày nay, trong khi các vùng sáng là cực địa từ bị đảo ngược.]]

Mặc dù trường của Trái Đất nói chung là lưỡng cực, với một trục gần như căng thẳng với trục tự quay, nhưng thỉnh thoảng các cực địa từ Bắc và Nam đổi chỗ. Bằng chứng cho sự đảo ngược địa từ này có thể tìm thấy trong bazan, lõi trầm tích thu được từ các tầng đại dương và các dị thường từ dưới đáy biển. Sự đảo ngược xảy ra gần như ngẫu nhiên theo thời gian, với khoảng thời gian giữa các lần đảo chiều từ dưới 0,1 triệu năm đến khoảng 50 triệu năm. Sự đảo ngược địa từ gần đây nhất, được gọi là đảo ngược Brunhes-Matuyama, xảy ra khoảng 780.000 năm trước. Một hiện tượng liên quan, một sự trệch khỏi trục địa từ, là một sự đảo chiều không hoàn chỉnh, không thay đổi cực tính. Sự kiện Laschamp là một ví dụ về sự trệch khỏi trục, nó đã xảy ra trong thời kỳ băng hà cuối cùng (cách đây 41.000 năm).

Từ trường trong quá khứ được ghi lại chủ yếu bằng các khoáng vật từ tính mạnh, cụ thể là các oxit sắt như magnetit, có thể mang một mô men từ vĩnh cửu. Từ hóa dư này, hay cảm ứng từ dư, có thể thu được bằng nhiều cách. Trong các dòng dung nham, hướng của từ trường bị "đóng băng" trong các khoáng vật nhỏ khi chúng nguội đi, dẫn đến nhiệt từ hóa dư. Trong các trầm tích, sự định hướng của các hạt từ tính thu được sự lệch nhẹ về phía từ trường khi chúng lắng đọng trên đáy đại dương hoặc đáy của hồ. Đây được gọi là sự từ hóa dư mảnh vụn. Phát hiện này sau đó được cho là do tính chất từ đá bất thường của dòng dung nham được nghiên cứu, chứ không phải sự thay đổi trường nhanh, bởi một trong những nhà khoa học ban đầu của nghiên cứu năm 1995.

Các thay đổi độ nghiêng lưỡng cực tạm thời lấy trục lưỡng cực qua đường xích đạo và sau đó trở lại cực tính gốc được gọi là các trệch khỏi trục.

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&nbsp;km (6,2&nbsp;mi) mỗi năm vào đầu thế kỷ XX, lên đến 40&nbsp;km (25 dặm) mỗi năm vào năm 2003,

Nguồn gốc

Từ trường Trái Đất được cho là sinh ra bởi các dòng diện trong vật liệu dẫn điện của lõi, tạo ra bởi các dòng đối lưu do nhiệt thoát ra khỏi lõi. Tuy nhiên, đây là một quá trình phức tạp, và các mô hình máy tính có thể dựng lại một vài đặc điểm của nó chỉ được phát triển trong vài thập niên gần đây.

Lõi Trái Đất và thuyết địa động lực
, và từ trường do chuyển động sinh ra.]]

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&nbsp;km (bán kính Trái Đất là 6.370&nbsp;km). Phần lõi này chia thành lõi trong rắn với bán kính 1.220&nbsp;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 , đến ranh giới lõi-manti nhiệt độ đạt . 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. 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":

:\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} = \eta \nabla^2 \mathbf{B} + \nabla \times (\mathbf{u} \times \mathbf{B})

...với là vận tốc của chất lưu; là trường từ B; và 1/σμ}} là độ khuếch tán từ, tỉ lệ nghịch với độ dẫn điện và độ từ thẩm . Thuật ngữ là đạo hàm theo thời gian của từ trường; 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. 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.

thumb|Cường độ từ tính vẽ bởi dữ liệu vệ tinh. dị thường từ Kursk|Dị thường Kursk là vùng dị thường có cường độ cao (màu đỏ) ở phía bắc trong khi dị thường Bangui nằm ở trung tâm 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. Các sóng hài cầu là các chức năng dao động trên bề mặt của một quả cầu. Chúng là sản phẩm của hai chức năng, một loại phụ thuộc vào vĩ độ và một trên kinh độ. Chức năng của kinh độ là 0 dọc theo không hoặc nhiều vòng tròn lớn đi qua Bắc và Nam cực; Số các đường nút như vậy là giá trị tuyệt đối của biến m. Chức năng của vĩ độ là số không cùng không hoặc nhiều vòng tròn vĩ độ; Điều này cộng với thứ tự bằng với mức độ ℓ. Mỗi hài hòa tương đương với một sự sắp xếp đặc biệt của các điện tích từ ở trung tâm của Trái Đất. Một monopole là một điện tích từ riêng, mà chưa bao giờ được quan sát. Một lưỡng cực tương đương với hai chi phí đối lập mang lại gần nhau và một quadrupole đến hai lưỡng cực thu lại với nhau. Một trường quadrupole được hiển thị trong hình dưới bên phải.

Các sóng hài hình cầu có thể đại diện cho bất kỳ trường vô hướng nào (chức năng của vị trí) đáp ứng một số tính chất nhất định. Một từ trường là một trường vector, nhưng nếu nó được biểu diễn trong các thành phần Cartes X, Y, Z, mỗi thành phần là dẫn xuất của cùng một hàm vô hướng được gọi là tiềm năng từ tính. Các phân tích của từ trường Trái Đất sử dụng một phiên bản sửa đổi của sóng hài hình cầu thông thường khác nhau bởi một nhân tố nhân. Một bình phương nhỏ nhất phù hợp với các phép đo từ trường cho trường Trái Đất là tổng các sóng hài cầu, mỗi nhân với hệ số Gauss gmℓ hoặc hm the phù hợp nhất. Việc mở rộng hài hòa hình cầu được cắt ngắn ở mức 10, với 120 hệ số, cho đến năm 2000. Các mô hình tiếp theo được cắt ngắn ở mức độ 13 (195 hệ số).

Một mô hình lĩnh vực toàn cầu khác gọi là World Magnetic Model được sản xuất bởi Trung tâm Thông tin Môi trường Hoa Kỳ (trước đây là Trung tâm Dữ liệu Địa Vật lý Quốc gia Hoa Kỳ) và Cục Khảo sát Địa chất Anh. Mô hình này cắt ngắn ở mức 12 (168 hệ số) với độ phân giải không gian gần 3.000&nbsp;km. Đây là mô hình được sử dụng bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, Bộ Quốc phòng (United Kingdom), Cục Hàng không Liên bang Hoa Kỳ (FAA), Tổ chức Hiệp ước Bắc Đại Tây Dương và Văn phòng Thủy văn Quốc tế cũng như trong nhiều hệ thống dẫn đường dân dụng.

Một mô hình thứ ba được sản xuất bởi Trung tâm Không gian Goddard (NASA và GSFC) và Viện Nghiên cứu Vũ trụ Đan Mạch đã sử dụng phương pháp "mô hình toàn diện" nhằm điều chỉnh dữ liệu với độ phân giải thời gian và không gian khác nhau từ các nguồn mặt đất và vệ tinh.

Trung tâm Thông tin Môi trường Quốc gia Hoa Kỳ đã phát triển mô hình Từ trường Cao cấp (EMM), mở rộng đến mức độ và mức độ 720 và giải quyết những dị thường từ tính xuống đến bước sóng 56&nbsp;km. Nó được biên soạn từ các cuộc khảo sát từ vệ tinh, hàng hải, từ trường và mặt đất. Phiên bản mới nhất, EMM2015, bao gồm dữ liệu từ sứ mệnh Swarm của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu.

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&nbsp;kHz đến 5&nbsp;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.

Xem thêm
Pin Trái Đất
Phát xạ của Trái Đất
Từ quyển
L-shell
Độ từ thiên
Vành đai bức xạ Van Allen
Tàu thăm dò Christopher Columbus
Quyển từ Sao Mộc

Tham khảo

Đọc thêm















Liên kết ngoài

USGS Geomagnetism Program. Real time monitoring of the Earth's magnetic field. U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey, ngày 17 tháng 2 năm 2005.
Geomagnetism. National Geophysical Data Center, NOAA. tháng 4 năm 2009.
BGS Geomagnetism. Information on monitoring and modelling the geomagnetic field. British Geological Survey, tháng 8 năm 2005.
William J. Broad, "Will Compasses Point South?". New York Times, ngày 13 tháng 7 năm 2004.
John Roach, "Why Does Earth's Magnetic Field Flip?". National Geographic, ngày 27 tháng 9 năm 2004.
"Magnetic Storm". PBS NOVA, 2003. (ed. about pole reversals)
"When North Goes South ". Projects in Scientific Computing, 1996.
"3D Earth Magnetic Field Charged-Particle Simulator" Tool dedicated to the 3d simulation of charged particles in the magnetosphere.. [VRML Plug-in Required]

- Interview with Dr. Dan Lathrop, Geophysicist at the University of Maryland, about his experiments with the Earth's core and magnetic field . 7 - 3 - 2008