Từ trường của Trái đất là bao nhiêu? Có từ đâu và khi nào?

1. Từ trường của Trái đất là gì?

Từ trường của Trái đất là trường từ được tạo ra do tính chất từ của các vật chất trên Trái đất, đặc biệt là lõi ngoài nóng chảy. Từ trường này có ảnh hưởng đến không gian xung quanh Trái đất, tạo thành một khu vực gọi là từ quyển. 

Từ quyển bảo vệ Trái đất khỏi các hạt tích điện của gió mặt trời và các tia vũ trụ, giúp duy trì sự sống trên hành tinh; giúp xác định hướng của la bàn và các thiết bị dẫn đường. 

Từ trường Trái đất có hai cực từ, gần nhưng không trùng với hai cực địa lý. Các cực từ thay đổi vị trí theo thời gian do sự biến động của lõi ngoài. Đôi khi, các cực từ còn đảo ngược, khiến cực bắc thành cực nam và ngược lại. Sự đảo ngược này được ghi lại trong các lớp đá mácma và có thể được sử dụng để nghiên cứu lịch sử của Trái đất.

Trong đó đặc biệt phải kể đến Vành đai bức xạ Van Allen.

Vành đai bức xạ Van Allen là những vùng chứa các hạt sạc năng lượng cao, phần lớn bắt nguồn từ gió mặt trời, bị hấp dẫn và giữ lại xung quanh một hành tinh bởi từ trường của hành tinh đó. Trái đất có hai vành đai như vậy, và đôi khi có thể xuất hiện thêm các vành đai tạm thời. Các vành đai được đặt tên theo James Van Allen, người được công nhận là người phát hiện ra chúng. Vành đai bức xạ Van Allen của Trái đất có hai cực từ, gần nhưng không trùng với hai cực địa lý. Các cực từ thay đổi vị trí theo thời gian do sự biến động của lõi ngoài. Đôi khi, các cực từ còn đảo ngược, khiến cực bắc thành cực nam và ngược lại. Sự đảo ngược này được ghi lại trong các lớp đá mácma và có thể được sử dụng để nghiên cứu lịch sử của Trái đất. Các vành đai bức xạ Van Allen bảo vệ Trái đất khỏi các hạt tích điện của gió mặt trời và các tia vũ trụ, giúp duy trì sự sống trên hành tinh. Các vành đai bức xạ Van Allen cũng giúp xác định hướng của la bàn và các thiết bị dẫn đường. Các du hành viên vũ trụ phải được bảo vệ khỏi bức xạ trong các vành đai này nếu họ muốn đi xa hơn quỹ đạo thấp của Trái đất.  

2. Từ trường Trái Đất có vai trò gì?

Từ trường của Trái Đất đóng vai trò quan trọng trong nhiều khía cạnh của cuộc sống trên hành tinh chúng ta. 

– Bảo vệ khỏi bức xạ mặt trời: Từ trường Trái Đất tạo ra một vùng không gian xung quanh hành tinh có tên là Van Allen Belt, nơi nắm giữ và chuyển hóa năng lượng từ gió mặt trời. Van Allen Belt giúp bảo vệ Trái Đất và các hệ thống sống khỏi bức xạ mạnh từ mặt trời.

– Định hướng động vật di cư: Từ trường Trái Đất đóng vai trò quan trọng trong việc định hướng các loài động vật di cư, như chim và cá, trong cuộc di cư hàng năm của chúng. Chúng có khả năng cảm nhận và sử dụng từ trường địa cầu để tìm đường đi và không bị lạc.

– Hỗ trợ định vị GPS: Từ trường Trái Đất đóng vai trò quan trọng trong công nghệ định vị toàn cầu (GPS). Hệ thống GPS sử dụng mạng các vệ tinh để xác định vị trí trên Trái Đất, và từ trường Trái Đất được sử dụng để định hướng và giúp xác định vị trí chính xác.

– Ảnh hưởng đến hệ thống dẫn điện: Từ trường Trái Đất có thể tương tác với các hệ thống dẫn điện trên Trái Đất, ví dụ như dây điện và mạng lưới điện. Sự tương tác này có thể gây ra hiện tượng như nguyên nhân nhiễu điện và các vấn đề kỹ thuật khác trong hệ thống dẫn điện.

– Nghiên cứu về địa chất và địa tầng: Từ trường Trái Đất cung cấp thông tin quan trọng cho các nhà khoa học trong việc nghiên cứu địa chất và địa tầng của hành tinh chúng ta. Qua việc đo và theo dõi từ trường địa cầu, các nhà khoa học có thể xác định cấu trúc nội tại của Trái Đất và tìm hiểu về quá trình địa chất học.

Từ trường Trái Đất có tác động sâu rộng và đa dạng đến cuộc sống trên hành tinh chúng ta. Các nghiên cứu về từ trường Trái Đất đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu sự hoạt động của Trái Đất và ảnh hưởng của nó đến môi trường và cuộc sống trên hành tinh chúng ta.

3. Từ trường Trái Đất có từ khi nào?

Theo thuyết geodynamo, nguyên nhân gây ra từ trường Trái đất là do sự chuyển động của các dòng chảy kim loại nóng chảy trong lõi ngoài của Trái đất, kết hợp với chuyển động quay của Trái đất. Các dòng chảy này tạo ra các dòng điện và từ đó phát sinh ra từ trường. 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.

Từ trường Trái đất không phải là ổn định và có thể thay đổi theo thời gian. Các nhà nghiên cứu nhận định rằng từ trường Trái đất có thể xuất hiện cách đây từ 3,2 đến 3,9 tỷ năm. Điều này cho thấy rằng “Cỗ máy phát từ trường” tồn tại trong lòng Trái đất đã hoạt động liên tục trong suốt quá khứ xa xôi. Tuy nhiên, trong quá khứ, các cực từ của Trái đất đã nhiều lần đảo ngược vị trí. Sự đảo ngược này có thể xảy ra sau mỗi vài chục nghìn năm hoặc vài triệu năm, không có quy luật nhất định. Lần cuối cùng các cực từ của Trái đất đã hoán vị là vào khoảng 780.000 năm trước.

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. 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.  

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.  

4. Trái Đất có bao nhiêu cực từ?

Trái Đất có 2 cực địa từ, không trùng với 2 cực địa lý. 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.

Cực từ Bắc và cực từ Nam là hai điểm trên bề mặt Trái Đất mà trường từ của Trái Đất có hướng gần như thẳng đứng, là những điểm ảo được tạo ra bởi sự chuyển động của dung nham nóng chảy trong lõi ngoài của Trái Đất. Các cực từ thường dao động theo thời gian và có thể đảo ngược vị trí trong quá trình đảo cực từ. Các cực từ có ảnh hưởng đến sự phân bố của các vùng cực quang, các cơn gió mặt trời và các thiết bị dùng la bàn.

5. Từ trường của Trái đất ảnh hưởng bởi những yếu tố nào?

– Hoạt động nội tại của Trái Đất: Từ trường của Trái Đất được tạo ra bởi sự tương tác giữa lõi nóng chảy của hành tinh và quá trình quay của nó. Sự chuyển động và tuần hoàn của chất lỏng nóng trong lõi Trái Đất tạo ra dòng điện và từ trường địa cầu.

– Đặc tính của vật liệu trong lõi Trái Đất: Cấu trúc và thành phần của lõi Trái Đất, bao gồm sự tồn tại của kim loại như sắt và nickel, ảnh hưởng đáng kể đến từ trường địa cầu. Sự hợp lý và tương tác giữa các chất liệu trong lõi Trái Đất đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra từ trường.

– Sự tương tác giữa từ trường và môi trường ngoại vi: Từ trường của Trái Đất tương tác với các yếu tố khác trong môi trường ngoại vi, như các tác động từ mặt trời và không gian gần Trái Đất. Các tác động này có thể gây ra biến đổi và biến động trong từ trường địa cầu.

– Thay đổi địa chất: Các sự biến đổi địa chất, bao gồm các sự kiện như động đất, núi lửa, và diễn biến lục địa, có thể ảnh hưởng đến từ trường của Trái Đất. Sự thay đổi trong cấu trúc địa chất có thể làm thay đổi từ trường địa cầu và tạo ra các biến đổi trong thiên văn địa chất.

– Biến đổi hàng ngày và hàng năm: Từ trường của Trái Đất có thể trải qua biến đổi hàng ngày và hàng năm. Các biến đổi này có thể do tác động của các yếu tố về thời tiết không gian, như các cơn gió mặt trời và các sự kiện môi trường khác.

– Tương tác với từ trường của các hành tinh khác: Từ trường của Trái Đất có thể tương tác với từ trường của các hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời. Sự tương tác này có thể gây ra các hiện tượng như hiện tượng cảm ứng từ và tạo ra các biến đổi phức tạp trong từ trường Trái Đất.

Tất cả các yếu tố trên đều có ảnh hưởng đến từ trường của Trái Đất và đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và nghiên cứu về từ trường địa cầu.