Sơ lược về từ trường trái đất

Ngày nay người ta biết rằng trường từ quan sát được tại một điểm trên bề mặt trái đất có sự đóng góp của các nguồn bên trong và bên ngoài trái đất, và có thể phân chia thành 3 thành phần khác nhau: trường chính, trưởng vỏ và trường ngoài.

Các số liệu địa chấn đã khẳng định rằng trái đất có bán kính trung bình là 6371 km, với cấu tạo phân lớp và gồm các lớp chính: vỏ, manti, nhân ngoài và nhân trong. Nguồn của trường chính là các dòng điện chạy trong nhân lỏng dẫn của trái đất ở độ sâu khoảng 2900km đến 5100 km. Thành phần của nhân lỏng là kim loại, chủ yếu là sắt nóng chảy, vì vậy nhân có độ dẫn điện cao. Chuyển động của chất lỏng trong nhân ngăn cản sự suy giảm của trường do sự tán xạ nhiệt Ôm bằng cách tạo ra trong nhân các dòng điện mới bởi một quá trình phức tạp gọi là quá trình dynamo tự kích. Nguồn năng lượng để duy trì các chuyển động đối lưu trong nhân lỏng chủ yếu do sự nguội lạnh đi của trái đất; trái đất nguội dần theo thời gian, sắt kết tinh dần dần trên bề mặt của nhân rắn làm cho bán kinh của nhân rắn ngày càng tăng, các yếu tố nhẹ nổi lên trên bị giữ lại ở dưới bề mặt của nhân. Quá trình kết tinh giải phóng ra năng lượng thế trọng lực và ẩn nhiệt kết tinh. Mô phỏng cơ chế dynamo giải thích nguồn gốc trường từ trái đất phải giải thích được chuyển động chất lỏng trong nhân, các quá trình nhiệt cũng như tiến trình của trường từ trái đất là một bài toán rất phức tạp, và chỉ giải được một cách gần đúng với những giả thiết nhất định. Phần trường có nguồn gốc trong nhân lỏng dẫn điện này được gọi là trường chính vì thực tế nó chiếm khoảng 99% trường từ quan sát được. Cường độ trường chính thay đổi từ khoảng 60000 nT ở vùng cực tới khoảng 30000 nT ở xích đạo.

Biến thiên theo thời gian của trường chính có hằng số thời gian từ hàng chục năm tới hàng trăm năm, được gọi là biến thiên thế kỷ. Ngày nay người ta đã giải thích khá thành công các biến thiên thế kỷ bằng chuyển dộng của chất lỏng ở bề mặt của nhân, hoặc đúng hơn là trong một lớp mỏng ngay sát bề mặt của nhân. Người ta đã tìm thấy những mối liên hệ nhất định giữa biến thiên thế kỷ của trường từ, chuyển động của chất lỏng ở bề mặt của nhân và biến thiên hàng chục năm của vectơ quay của trái đất, và mối liên hệ này giúp người ta hiểu được phần nào cơ chế tương tác giữa nhân lỏng và manti rắn của trái đất.

Trường chính có thể coi một cách gần đúng là trường của một lưỡng cực nằm ở tâm và trục của lưỡng cực nghiêng khoảng 11 độ so với trục quay của trái đất. Theo các số liệu cổ từ người ta thấy rằng trường chính có một đặc trưng rất quan trọng là có hiện tượng đảo cực. Trong khoảng 10 triệu năm gần đây, sự nghịch đảo xảy ra trung bình khoảng 200000 năm một lần, nhưng nhịp điệu nghịch đảo rất thất thường. Thời gian để hoàn tất một đảo cực khoảng 4-5000 năm, nghĩa là ngắn hơn rất nhiều so với khoảng cách giữa hai lần nghịch đảo. Sự đảo cực kèm theo sự giảm đáng kể cường độ trường chính, làm thay đổi sự cân bằng giữa các hài điều hoà của trường. Ngày nay người ta cho rằng nguyên nhân của sự đảo cực cũng là các quá trình trong nhân trái đất, nhưng việc xây dựng mô hình vật lý có thể giải thích một cách đầy đủ bản chất của hiện tượng đảo cực không phải là dễ dàng và vẫn đang được nhiều nhà nghiên cứu địa từ trên thế giới quan tâm.

Các đá nằm trong lớp vỏ gần bề mặt trái đất có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Curie thường có các khoáng vật sắt từ, và đây là nguồn tạo ra phần trường vỏ, phần trường này là đối tượng quan tâm nhất của các nhà địa chất với mục đích tìm kiếm thăm dò khoáng sản cũng như việc nghiên cứu các quá trình địa chất khác xảy ra trong vỏ trái đất. Việc quan sát được các dị thường dạng dải giữa các sống núi giữa các đại dương liên quan tới các trạng thái phân cực khác nhau của trường từ là bằng chứng quan trọng về sự tách dãn của vỏ trái đất. Cường độ của trường vỏ phụ thuộc vào cấu trúc địa chất địa phương, nó biến đổi từ vài nT đến hàng ngàn nT tuỳ thuộc bản chất của đất đá, và đây là cơ sở của các nghiên cứu cấu trúc địa chất từ số liệu từ. Do tính bền vững của đất đá, trường vỏ được xem là không đổi đối với các nghiên cứu biến thiên thế kỷ, tức là nghiên cứu các hiện tượng có hằng số thời gian cỡ hàng chục năm, hàng trăm năm.

Trường ngoài có nguồn gốc trong tầng điện ly và trong từ quyển, có liên quan chặt chẽ với quá trình hoạt động của mặt trời. Trong tầng điện ly có hệ dòng điện chủ yếu được tạo bởi sự chuyển động của các hạt tích điện trong lớp E ở độ cao khoảng 110 km và được gọi là hệ dòng Sq. Các dòng điện này gây bởi hiện tượng triều nhiệt tập trung ở phía hướng về mặt trời. Trong vùng xích đạo từ, ngoài hệ dòng Sq có một dải dòng hẹp rất mạnh chạy từ Tây sang Đông dọc theo xích đạo từ được gọi là dòng điện xích đạo, dòng này có ảnh hưởng mạnh tới phần trường ngoài quan sát được trên bề mặt trái đất ở khu vực xích đạo và cận xích đạo.

Từ quyển được tạo thành do tương tác của gió Mặt trời với trường từ của trái đất. Các hạt ion của gió mặt trời, chủ yếu là các proton và các điện tử, tách ra từ quang quyển của mặt trời, chuyển động với một năng lượng cao theo trục mặt trời – trái đất. Các luồng hạt ion này “đẩy” các đường sức từ trường ở phía hướng về mặt trời ngược trở lại và tạo thành từ quyển, giống như một cái hốc trong không gian vũ trụ bao bọc quanh trái đất. Ranh giới từ quyển có tác dụng ngăn cản không cho phần lớn các ion trong gió mặt trời thâm nhập sâu vào bên trong. Vì tác dụng đó nên người ta thường hay ví từ quyển như là một cái khiên bảo vệ trái đất không bị các hạt ion năng lượng cao của gió mặt trời bắn phá. Khi có những bùng nổ sắc cầu mạnh trên mặt trời, người ta quan sát được hiện tượng biến thiên rất mạnh của từ trường trái đất gọi là bão từ. Khi đó có thể có những hạt năng lượng cao của gió mặt trời thâm nhập sâu xuống lớp khí quyển trên cao ở vùng mũ cực, gây nên hiện tượng ion hoá các phân tử khí trung hoà và tạo nên hiện tượng phát quang vùng cực. Biên độ bão từ có thể thay đổi từ hàng chục đến hàng trăm thậm trí hàng ngàn nT. Bão từ gây nên dòng điện cảm ứng lớn trong các hệ thống dẫn như các đường dây truyền tải điện, các đường ống dẫn dầu và khí, có thể gây nên những thiệt hại đáng kể. Ví dụ trận bão từ tháng 3 năm 1989 có biên độ đạt tới khoảng 2000 nT, đã làm thành phố Québec của Canada mất điện nhiều giờ liền và gây thiệt hại tới hàng triệu đô la Mỹ. Bão từ còn gây nên nhiễu loạn quá rình truyền sóng, ảnh hưởng tới sự chuyển động của các vệ tinh, sự biến đổi của thời tiết trái đất, cũng như các ảnh hưởng khác tới sức khoẻ con người.

Trường từ trái đất luôn luôn tồn tại. Nhiều hiện tượng quan hệ với trường từ đã được làm sáng tỏ, nhưng vẫn còn rất nhiều điều bí ẩn cần được khám phá. Việc nghiên cứu từ trường sẽ chẳng những góp phần tăng thêm nhiều hiểu biết của con người đối với thế giới tự nhiên mà còn vì những mục đích thiết thực của công cuộc phát triển kinh tế của mỗi đất nước.