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. 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 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.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 Đấtngăn cản hầu hết gió Mặt Trời, vì nó chứa các hạt tích điện khi thổitầng 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 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 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 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).
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.
Độ từ khuynh.
Độ từ khuynh được cho bởi một góc có thể giả định các giá trị từ -90° (lên) đến 90° (xuống). Ở bán cầu bắc, trường trỏ xuống. Nó trỏ thẳng xuống tại cực Bắc từ và quay ngược trở lên khi vĩ độ giảm cho đến khi nó nằm ngang (0°) tại xích đạo từ. Nó tiếp tục quay lên cho đến khi nó trỏ thẳng lên ở cực Nam từ. Độ từ khuynh có thể được đo bằng cái vòng tròn đo góc từ khuynh.
Một biểu đồ đẳng khuynh (bản đồ các đường đồng mức từ khuynh) cho từ trường của Trái Đất được hiển thị bên dưới.
Độ từ thiên.
Độ từ thiên là dương đối với độ lệch về phía đông của trường so với hướng Bắc thật. Nó có thể được ước tính bằng cách so sánh hướng bắc từ / nam từ của la bàn với hướng của thiên cực. Bản đồ thường bao gồm thông tin về độ từ thiên dưới dạng một góc hoặc một sơ đồ nhỏ cho thấy mối quan hệ giữa hướng bắc từ và hướng bắc thật. Thông tin về độ từ thiên cho một vùng có thể được biểu diễn bằng biểu đồ có các đường đẳng từ thiên (các đường đồng mức với mỗi đường biểu diễn một độ từ thiên cố định).
Biến động theo địa lý.
Thành phần của từ trường Trái Đất tại bề mặt được mô tả từ Mô hình Từ trường Thế giới năm 2015.
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. Tương đương với thanh nam châm mạnh, với cực nam hướng về cực Bắc Địa từ. Điều này có vẻ đáng ngạc nhiên, nhưng cực bắc của nam châm được định nghĩa như vậy vì, nếu được phép quay tự do, nó trỏ gần đúng về phía bắc (theo ý nghĩa địa lý).. 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.
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 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.
Từ quyển.
Từ trường của Trái Đất, chủ yếu là lưỡng cực ở bề mặt của nó, bị gió mặt trời bóp méo thêm nữa ở phía ngoài. Đây là một dòng các hạt tích điện tích rời khỏi vành nhật hoa của Mặt trời và tăng tốc từ 200 đến 1.000 km/s. Chúng mang theo một từ trường, từ trường liên hành tinh (IMF).
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.
Bên trong từ quyển là plasma quyển (quyển plasma), một vùng hình bánh rán có chứa các hạt tích điện năng lượng thấp hoặc plasma. Vùng này bắt đầu ở độ cao 60 km, mở rộng lên đến 3 hoặc 4 bán kính Trái Đất, và bao gồm cả tầng điện ly. Vùng này xoay cùng Trái Đất. Ngoài ra còn có hai vùng hình lốp đồng tâm, được gọi là vành đai bức xạ Van Allen, với các ion năng lượng cao (năng lượng từ 0,1 đến 10 triệu electron volt (MeV)). Vành đai bên trong là 1-2 bán kính Trái Đất tính ra phía ngoài trong khi vành đai ngoài là 4-7 bán kính Trái Đất. Quyển plasma và vành đai bức xạ Van Allen chồng lấn lên nhau một phần, với mức độ chồng lấn dao động nhiều theo mức độ hoạt động của Mặt Trời.
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.
Một số hạt mang điện tích đi vào từ quyển. Chúng chuyển động xoắn ốc xung quanh các đường từ, nảy tới lui giữa các cực vài lần mỗi giây. Ngoài ra, các ion dương trôi dạt chậm về phía tây và các ion âm trôi dạt về phía đông, làm tăng dòng điện tròn. Dòng điện này làm giảm từ trường tại bề mặt Trái Đất. Các hạt xâm nhập vào tầng điện ly và va chạm với các nguyên tử ở đó làm phát ra ánh sáng của cực quang và tia X.
Các điều kiện biến đổi trong từ quyển, được gọi là thời tiết không gian, chủ yếu là do hoạt động của Mặt Trời. Nếu gió mặt trời yếu, từ quyển sẽ mở rộng; trong khi nếu nó mạnh, nó nén từ quyển lại và nhiều gió mặt trời hơn nữa được thâm nhập vào. Các giai đoạn của hoạt động mạnh đặc biệt, được gọi là bão địa từ, có thể xảy ra khi phun trào vật chất nhật hoa nổ ra trên mặt trời và truyền sóng xung kích xuyên qua hệ Mặt Trời. Một sóng như vậy có thể chỉ mất hai ngày để đến Trái Đất. Bão địa từ có thể gây ra nhiều sự gián đoạn; cơn bão "Halloween" năm 2003 đã làm hỏng hơn 1/3 vệ tinh của NASA. Cơn bão lớn nhất đã ghi nhận được xảy ra năm 1859. Nó gây ra các dòng điện đủ mạnh để làm đoản mạch các đường dây điện tín, và các cực quang được thông báo là xa về phía nam tới Hawaii .
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:
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:
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, trường này sẽ không đáng kể trong khoảng 1600 năm. 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. 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 CN và 1400 CN.
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.
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.
Từ hoá dư nhiệt là nguồn chính của các dị thường từ xung quanh các sống núi giữa đại dương. Khi đáy biển lan ra, magma trào ra từ lớp phủ, nguội đi để tạo ra lớp vỏ bazan mới ở cả hai bên sống núi, và bị đẩy ra khỏi nó bằng sự tách giãn đáy biển. Khi nó nguội, nó ghi lại hướng của từ trường Trái Đất. Khi từ trường Trái Đất đảo chiều, đá bazan mới ghi lại hướng đảo ngược. Kết quả là một loạt các dải đối xứng xung quanh sống núi. Một chiếc tàu kéo một từ kế trên bề mặt đại dương có thể phát hiện ra các dải này và suy ra độ tuổi của đáy biển phía dưới. Điều này cung cấp thông tin về tốc độ mà đáy biển đã tách giãn trong quá khứ.
Nguyên nhân khiến từ trường Trái Đất đảo cực là nằm ở trong nhân Trái Đất. Ở đó có dòng kim loại nóng chảy chảy xoay vòng quanh nhân. Bằng chuyển động cắt ngang từ trường, nó tạo ra dòng điện và dòng điện này tạo ra từ trường. Gia sử hướng chuyển động này giữ nguyên thì sẽ không có gì xảy ra cả nhưng do dòng kim loại nóng chảy liên tục thay đổi nên từ trường tạo ra cũng liên tục thay đổi và làm giảm từ trường hiện tại của Trái Đất
Định tuổi phóng xạ của dòng dung nham đã được sử dụng để thiết lập thang thời gian phân cực địa từ, một phần trong đó được hiển thị trong hình ảnh. Điều này tạo thành nền tảng của từ địa tầng, một kỹ thuật tương quan địa vật lý có thể được sử dụng cho đến nay cho cả các chuỗi trầm tích lẫn núi lửa cũng như dị thường từ dưới đáy biển.
Các nghiên cứu về dòng dung nham trên núi Steens, Oregon, chỉ ra rằng từ trường có thể đã dịch chuyển ở tốc độ lên đến 6 độ mỗi ngày vào thời điểm nào đó trong lịch sử Trái Đất, điều này thách thức đáng kể sự hiểu biết phổ cập về việc từ trường Trái Đất hoạt động như thế nào. 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.
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.
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.
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 , 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". 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 là vận tốc của chất lưu; là trường từ B; và 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.
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.
Các mô hình số.
Mô phỏng địa động lực học đòi hỏi phải giải quyết một cách số lượng một tập hợp các phương trình vi phân một phần phi tuyến cho từ trường nam châm (MHD) của bên trong Trái Đất. Mô phỏng các phương trình MHD được thực hiện trên lưới điểm 3D và độ mịn của lưới, phần nào xác định tính thực tế của các giải pháp, bị giới hạn chủ yếu bởi sức mạnh của máy tính. Trong nhiều thập kỷ, các nhà lý thuyết đã giới hạn để tạo ra các mô hình máy tính động học trong đó chuyển động của chất lỏng được chọn trước và ảnh hưởng đến từ trường được tính toán. Lý thuyết động lực học chủ yếu là vấn đề thử các dạng hình học dòng chảy khác nhau và kiểm tra xem các dạng hình học đó có thể duy trì một động lực học hay không. [52]
Các mô hình máy phát điện tự ổn định đầu tiên, mô hình xác định cả chuyển động của chất lỏng và từ trường, được phát triển bởi hai nhóm vào năm 1995, một ở Nhật Bản [53] và một ở Hoa Kỳ. [1] [54] Loại thứ hai nhận được sự chú ý vì nó tái tạo thành công một số đặc điểm của trường Trái Đất, bao gồm cả đảo ngược địa từ. [52]
Dòng điện trong tầng điện ly và từ quyển.
Dòng điện gây ra trong tầng điện ly tạo ra từ trường (vùng động lực tầng điện ly). Một trường như vậy luôn được tạo ra gần nơi khí quyển gần Mặt trời nhất, gây ra những thay đổi hàng ngày có thể làm chệch hướng từ trường bề mặt tới một độ. Các biến thể điển hình hàng ngày của cường độ trường là khoảng 25 nanoteslas (nT) (một phần vào năm 2000), với các biến thể trong vài giây thường là khoảng 1 nT (một phần trong 50.000).
Đo lường và phân tích.
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.
Hàm điều hòa cầu.
Cách phổ biến nhất để phân tích các biến thể toàn cầu trong từ trường của Trái Đất là để phù hợp với các phép đo cho một tập hợp các sóng hài cầu. Điều này lần đầu tiên được thực hiện bởi Carl Friedrich Gauss. 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.
Hệ số Gauss thấp nhất, g00, cho đóng góp của một điện tích từ bị cô lập, vì vậy nó là số không.Ba hệ số kế tiếp - g10, g11, và h11 - xác định hướng và cường độ của sự đóng góp dipole.Lưỡng cực lắp tốt nhất được nghiêng ở góc 10 ° so với trục quay, như được mô tả ở trên.
Phân tích sự dao động của hình cầu có thể được sử dụng để phân biệt nội bộ từ các nguồn bên ngoài nếu các phép đo có sẵn ở nhiều hơn một chiều cao (ví dụ như các đài quan sát mặt đất và vệ tinh). Trong trường hợp đó, mỗi thuật ngữ với hệ số gmℓ hoặc hmℓ có thể được chia thành hai thuật ngữ: một trong đó giảm với bán kính là 1 / rℓ + 1 và một bán tăng với bán kính như rℓ. Các thuật ngữ ngày càng phù hợp hơn với các nguồn bên ngoài (dòng trong tầng điện ly và quyển từ).Tuy nhiên, trung bình trong một vài năm các khoản đóng góp trung bình từ bên ngoài là không.
Các giai đoạn còn lại dự đoán rằng tiềm năng của một nguồn lưỡng cực (ℓ = 1) giảm xuống là 1 / r2. Từ trường, là một dẫn xuất của động năng, giảm xuống là 1 / r3. Các giai đoạn của Quadrupole giảm xuống là 1 / r4 và các bậc cao hơn sẽ giảm nhanh chóng hơn với bán kính. Bán kính của lõi ngoài là khoảng một nửa bán kính của Trái Đất. Nếu trường ở ranh giới lớp vỏ lõi - phù hợp với sóng hài cầu, phần lưỡng cực nhỏ hơn khoảng 8 ở bề mặt, phần tứ cực bằng 16, v.v. Do đó, chỉ có các thành phần có bước sóng lớn có thể được chú ý ở bề mặt. Từ nhiều đối số, thường giả định rằng chỉ các thuật ngữ lên đến độ 14 hoặc ít hơn có nguồn gốc của chúng trong lõi.Chúng có bước sóng khoảng 2.000 km (1.200 dặm) hoặc nhỏ hơn. Các tính năng nhỏ hơn được cho là do dị thường vỏ Trái Đất.
Hiệp hội Địa lý Quốc tế và khí tượng duy trì một mô hình tiêu chuẩn toàn cầu được gọi là Trường Tham chiếu Quốc tế.Nó được cập nhật 5 năm một lần.Mô hình thế hệ 11, IGRF11, được phát triển bằng cách sử dụng dữ liệu từ các vệ tinh (Ørsted, CHAMP và SAC-C) và mạng lưới các đài quan sát địa từ thế giới. 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 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 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 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.