Sự hình thành và các đặc tính của từ trường trái đất

Sự hình thành và các đặc tính của từ trường trái đất. .1. Sự hình thành từ trường trái đất: - Từ trường Trái Đất (và từ trường bề mặt) được coi như một lưỡng cực từ trường, với một cực gần cực bắc địa lý và cực kia gần cực nam địa lý. Một đường thăng tưởng tượng nối hai cực tạo thành một góc khoảng 11,3° so với trục quay của trái đất. Nguyên nhân gây ra từ trường có thể được giải thích theo lý thuyết dynamo. Các trường từ có thể mở rộng vô hạn, tuy nhiên nếu xét các điểm càng ra xa nguồn thì chúng càng yếu dần. - Từ trường của Trái Đất có tác dụng đến hàng chục ngàn km trong vũ trụ và được gọi là quyển từ. . Phát hiện từ trường : - Vào năm 1600, nhà vật lí người Anh W. 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 la bàn lại gần trái đất tí hon ông thấy trừ ở 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 giả thuyết "Đinamô" để giải thích nguồn gốc từ trường của 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 thuỷ" 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 thuỷ", 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. III.3.Các đặc tính của từ trường : III.3.1. 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). - Từ trường của Trái đất có thể được tạo ra bởi các chuyển động mạnh của các chất dẫn điện lỏng trong lòng đất... đó là khám phá mới của các nhà khoa học Pháp: F Bằng cách tạo ra sự chuyển động mạnh của dung dịch natri lỏng trong ống nghiệm, một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc Trung tâm nghiên cứu khoa học Pháp (CNRS), Trung tâm nghiên cứu khoa học về Trái đất và môi trường (CEA) và các trường ĐH sư phạm tại Paris và Lyon đã tạo ra được từ trường Trái đất trong phòng thí nghiệm. Các nhà nghiên cứu nhận thấy từ trường được tạo ra mang nhiều đặc điểm giống với từ trường tự nhiên của Trái đất. Phần lớn các vật chất thiên văn trong vũ trụ như hành tinh, các vì sao và các dải thiên hà đều có từ trường. Các từ trường này đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển của các vật chất trong không gian. Từ trường của Trái đất cũng rất quan trọng với cuộc sống trên hành tinh. Nó bảo vệ chúng ta, giúp ta tránh được những tác động có hại của các tia vũ trụ và gió Mặt trời. Nếu không có từ trường, chúng ta sẽ không ngừng bị các vật chất độc hại tấn công và cuộc sống không thể duy trì trên Trái đất. Tìm hiểu cơ cấu phát sinh ra từ trường Trái đất, các hành tinh và các vì sao là mục tiêu mà rất nhiều nhà khoa học trên thế giới theo đuổi. - Từ năm 1919, Joseph Larmor, một nhà vật lý người Anh, đã đưa ra giả thuyết cho rằng từ trường của Mặt trời được sinh ra do sự chuyển động của các chất lỏng dẫn điện. Giờ đây, giả thuyết này của ông đã được các nhà khoa học hậu sinh khẳng định. - Là tấm chắn bảo vệ trái đất, nhưng là tấm lá chắn vô hình, nên không ai có thể nhìn thấy từ trường trái đất. Song, chính cực quang lại tiết lộ cho chúng ta - những "người trần mắt thịt" - biết nó ở đâu. Mặt trời không chỉ đem đến ánh sáng và hơi ấm mà còn là mối hiểm nguy của con người. Lý do: mặt trời liên tục phóng ra các hạt giàu năng lượng - gió mặt trời - vào vũ trụ và về hướng trái đất. Trước khi các hạt đó có thể chạm vào hành tinh của chúng ta thì chúng đã bị một tấm chắn ngăn lại, đó là từ trường của trái đất. Các nhà vật lý khẳng định rằng từ trường ngày càng yếu đi và sẽ dẫn đến sự thay đổi cực. .2. Khi từ trường giảm đi : - Từ trường là tấm chắn bảo vệ cho trái đất. Từ trường giảm đi thì ngày càng có nhiều tia cực tím đến bề mặt. Điều đó nghĩa là gì thì các cơn bão mặt trời trong quá khứ đã chỉ ra: Tháng giêng năm 1997 nó làm tê liệt một vệ tinh viễn thông trị giá 200 triệu dollar. 8 năm trước đó, nó đã làm hỏng mạng lưới điện ở Canada. - Các nhà khoa học cho rằng còn phải tính đến sự thay đổi thời tiết và khí hậu. Những cơn giông tố có lẽ sẽ xảy ra thường xuyên hơn và mạnh hơn. Lốc xoáy, lũ lụt cùng các kỳ hạn hán sẽ trở thành thông lệ. - Đối với một số loài động vật thì từ trường rất quan trọng vì chúng sử dụng từ trường để định hướng. Kiến, chim di cư, rùa và cá mập có lẽ sẽ lạc hướng nếu không có từ trường. Sự thay đổi cực sẽ xảy ra muộn nhất là trong 1.000 năm - Thực sự là địa từ trường đã yếu đi rõ ràng - một dẫn chứng cho việc cứ một triệu năm có một lần thay đổi cực. Các nhà vật lý địa cầu đã tính toán rằng chậm nhất là 1.000 năm nữa thì điều đó sẽ xảy ra. 3. Từ trường trái đất có từ : Từ trường xuất hiện trong lòng trái đất . Nơi đó có nhân trái đất được cấu tạo chủ yếu là sắt. Nhân rắn bên trong được bao bọc bởi cái vỏ bằng sắt dạng lỏng. Do sức nóng từ trong nhân, kim loại sẽ chảy tràn lên bề mặt nhân, nguội đi và lại chìm xuống phía dưới. Đồng thời nó chảy theo đường xoắn ốc do trái đất quay. Sự chuyển động của sắt có khả năng dẫn điện sẽ làm xuất hiện một nguồn điện, tương tự như một máy phát điện khổng lồ. Và khi có dòng điện chảy thì sẽ xuất hiện từ trường. - Hình dạng của từ trường cũng giống như từ trường của một thỏi nam châm. Từ trường đi ra từ bán cầu nam và đi vào phía bán cầu bắc của trái đất. Hai nơi này được gọi là cực từ. Nó không trùng với cực nam và cực bắc địa lý mà cách nhau vài trăm cây số. Từ trường vươn ra ngoài vũ trụ hơn 60.000 km. Nó tạo thành một cái vỏ bảo vệ chung quanh trái đất. Sự bảo vệ này là cần thiết vì mặt trời không ngừng phát ra các hạt tích điện, còn được gọi là gió mặt trời. Từ trường cản gió mặt trời và dẫn nó đi vòng qua trái đất. Từ trường bị biến dạng bởi gió mặt trời, hướng phía mặt trời bị nén lại, còn hướng kia thì xuất hiện một cái đuôi dài, có thể vươn vào vũ trụ đến 250.000 km. 4 Nguyên nhân gây ra từ trường trái đất giảm : Nguyên nhân từ trường giảm nằm ở trong lòng trái đất. Ở đó kim loại chảy lỏng xoay vòng quanh nhân ngoài. Bằng chuyển động cắt ngang từ trường nó tạo ra một dòng điện, dòng điện đó cũng tạo ra một từ trường nữa. Giả sử như hướng chuyển động đó giữ nguyên thì từ trường trước đó vẫn nguyên vẹn. Nhưng do đường chuyển động của nó thường xuyên thay đổi, từ trường được tạo ra cũng thay đổi và làm giảm bớt đi từ trường có trước. 5 Kết quả là trái đất đổi cực : Cứ khoảng 1 triệu năm thì cực từ của trái đất thay đổi. Theo sự phỏng đoán của các nhà vật lý trái đất thì khi thay đổi cực, từ trường của trái đất không ổn định và phân ra làm nhiều từ trường nhỏ, bao bọc lấy trái đất khắp mọi hướng. Sau đó thì từ trường sẽ ổn định trở lại nhưng theo hướng ngược lại. Điều đó có nghĩa là đường đi của từ trường sẽ không phải là từ Nam đến Bắc mà từ Bắc đến Nam. 6 Từ trường trái đất - nguyên nhân của các hiện tượng tự nhiên : Không chỉ có các nhà vật lý mới bận tâm đến từ trường của trái đất. Thực tế thì từ trường cũng đóng một vai trò quan trọng trong thế giới động vật. Không có nó thì các loài chim di cư sẽ mất phương hướng. Nhà động vật học, giáo sư Wolfgang Wiltschko, người nghiên cứu hơn 35 năm qua về giác quan cảm nhận từ trường của chim di cư, đã chứng minh được điều đó bằng một thử nghiệm thông minh: trong một cái phễu lớn không có khả năng định hướng, Wiltschko đã nhốt một con chim hồng tước và để nó tìm hướng bay. Cũng như các loài chim di cư khác thường thay đổi hướng bay theo mùa. Mùa thu chúng bay về vùng ấm áp hơn ở phương Nam, trong tháng tư chúng lại bay trở về phương Bắc. Trong cuộc thử nghiệm, con hồng tước vẫn định hướng được rõ ràng về phương Bắc mà không có sự chỉ đường của thiên nhiên như vị trí mặt trời hay các vùng núi. Nếu cực từ tiếp tục dịch chuyển với tốc độ nhanh, thì điều này sẽ là một vấn đề nghiêm trọng đối với các loài chim di cư trong tương lai. 7 Khái niệm cực quang : Một hiện tượng vô hại khác nhưng rất ấn tượng: mặt trời luôn phóng vào vũ trụ một khối lượng khổng lồ các hạt mang năng lượng, kể cả hướng trái đất. Nhưng trái đất đã may mắn được từ trường bảo vệ, ngoại trừ ở cực Bắc và cực Nam. Nơi đó thì tấm chắn bảo vệ có thể bị xuyên qua được. Ở đây các hạt năng lượng cao của gió mặt trời có thể xâm nhập vào vùng khí quyển trên cùng và làm nó phát sáng. Những dải, vòng cung hoặc băng ánh sáng xuất hiện trên trời, đó là cực quang. Thỉnh thoảng cực quang có thể được nhìn thấy ở miền Bắc nước Đức. Thông thường hơn người ta có thể quan sát cực quang ở vùng cao phía Bắc như Alaska, Canada hay Bắc Scandinavia