Lá chắn Trái đất: Hành tinh của chúng ta có từ trường ở đâu?

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Từ trường bảo vệ bề mặt Trái đất khỏi gió mặt trời và bức xạ vũ trụ có hại. Nó hoạt động như một loại lá chắn - nếu không có sự tồn tại của nó, bầu khí quyển sẽ bị phá hủy. Chúng tôi sẽ cho bạn biết từ trường Trái đất được hình thành và thay đổi như thế nào.

Cấu trúc và đặc điểm của từ trường Trái đất

Từ trường của Trái đất, hay trường địa từ, là một từ trường được tạo ra bởi các nguồn bên trong trái đất. Đối tượng nghiên cứu của địa từ. Xuất hiện cách đây 4, 2 tỷ năm.

Từ trường của Trái đất (trường địa từ) có thể được chia thành các phần chính sau:

• Trường chính,
• lĩnh vực dị thường thế giới,
• từ trường ngoài.

Trường chính

Hơn 90% trong số đó bao gồm một trường, nguồn của nó nằm bên trong Trái đất, trong lõi bên ngoài chất lỏng - phần này được gọi là trường chính, trường chính hoặc trường bình thường.

Nó được tính gần đúng dưới dạng một chuỗi trong sóng hài - một chuỗi Gauss, và trong một phép gần đúng đầu tiên gần bề mặt Trái đất (lên đến ba bán kính của nó), nó gần với từ trường lưỡng cực, nghĩa là, nó trông giống như trái đất là một nam châm dạng dải có trục hướng khoảng từ bắc xuống nam.

Các lĩnh vực dị thường trên thế giới

Các đường sức thực của từ trường Trái đất, mặc dù ở mức trung bình gần với các đường sức của lưỡng cực, khác với chúng bởi sự bất thường cục bộ liên quan đến sự hiện diện của đá từ hóa trong lớp vỏ nằm sát bề mặt.

Do đó, ở một số nơi trên bề mặt trái đất, các thông số trường rất khác với các giá trị ở các khu vực lân cận, hình thành nên cái gọi là dị thường từ trường. Chúng có thể chồng lên nhau nếu các vật thể nhiễm từ tạo ra chúng nằm ở các độ sâu khác nhau.

Từ trường bên ngoài

Nó được xác định bởi các nguồn dưới dạng hệ thống dòng điện nằm bên ngoài bề mặt trái đất, trong bầu khí quyển của nó. Ở phần trên của khí quyển (100 km trở lên) - tầng điện ly - các phân tử của nó ion hóa, tạo thành một plasma lạnh dày đặc bốc lên cao hơn, do đó, một phần của từ quyển Trái đất phía trên tầng điện ly, kéo dài tới khoảng cách lên đến ba bán kính của nó, được gọi là plasmasphere.

Plasma được giữ bởi từ trường của Trái đất, nhưng trạng thái của nó được xác định bởi sự tương tác của nó với gió mặt trời - dòng plasma của hào quang mặt trời.

Do đó, ở khoảng cách xa hơn so với bề mặt Trái đất, từ trường không đối xứng, vì nó bị bóp méo dưới tác động của gió Mặt trời: từ Mặt trời nó co lại, và theo hướng từ Mặt trời, nó tạo ra một "đường mòn" kéo dài trong hàng trăm nghìn km, vượt ra ngoài quỹ đạo của Mặt trăng.

Dạng "có đuôi" đặc biệt này phát sinh khi plasma của gió mặt trời và các luồng phân tử mặt trời dường như chảy quanh từ quyển của trái đất - khu vực của không gian gần trái đất, vẫn được điều khiển bởi từ trường của Trái đất, chứ không phải Mặt trời và các nguồn liên hành tinh.

Nó được ngăn cách với không gian liên hành tinh bởi một lực từ trường, nơi áp suất động của gió mặt trời được cân bằng bởi áp suất từ trường của chính nó.

Thông số trường

Hình ảnh thể hiện vị trí của các đường cảm ứng từ của trường Trái đất được cung cấp bởi một kim từ trường, được cố định sao cho nó có thể quay tự do cả theo phương thẳng đứng và quanh trục hoành (ví dụ: trong một gimbal) - Tại mỗi điểm gần bề mặt Trái đất, nó được lắp đặt theo một cách nhất định dọc theo các đường này.

Vì các cực địa từ và địa lí không trùng nhau nên kim từ tính chỉ hiển thị một hướng bắc nam gần đúng.

Mặt phẳng thẳng đứng mà kim từ được lắp đặt được gọi là mặt phẳng của kinh tuyến từ của một địa điểm nhất định, và đường mà mặt phẳng này cắt với bề mặt Trái đất được gọi là kinh tuyến từ.

Như vậy, kinh tuyến từ là hình chiếu của các đường sức của từ trường Trái đất lên bề mặt của nó, hội tụ tại các cực từ nam và bắc. Góc giữa các hướng của từ trường và kinh tuyến địa lý được gọi là góc lệch từ trường.

Nó có thể là phía tây (thường được biểu thị bằng dấu "-") hoặc phía đông (dấu "+"), tùy thuộc vào việc cực bắc của kim từ trường lệch khỏi mặt phẳng thẳng đứng của kinh tuyến địa lý về phía tây hay phía đông.

Hơn nữa, các đường sức của từ trường Trái đất, nói chung, không song song với bề mặt của nó. Điều này có nghĩa là cảm ứng từ của trường Trái đất không nằm trong mặt phẳng của đường chân trời của một địa điểm nhất định, mà tạo với mặt phẳng này một góc nhất định - nó được gọi là độ nghiêng của từ trường. Nó gần bằng không chỉ tại các điểm của đường xích đạo từ - chu vi của một vòng tròn lớn trong một mặt phẳng vuông góc với trục từ.

Kết quả mô hình số của từ trường Trái đất: ở bên trái - bình thường, bên phải - trong quá trình nghịch đảo

Bản chất của từ trường trái đất

Lần đầu tiên J. Larmor cố gắng giải thích sự tồn tại của từ trường Trái đất và Mặt trời vào năm 1919, đề xuất khái niệm về một máy phát điện, theo đó sự duy trì từ trường của một thiên thể xảy ra dưới tác dụng của nó. của chuyển động thuỷ động của môi trường dẫn điện.

Tuy nhiên, vào năm 1934, T. Cowling đã chứng minh định lý về sự không thể duy trì từ trường không đối xứng trục bằng cơ chế động lực học thủy động lực học.

Và vì hầu hết các thiên thể đã được nghiên cứu (và thậm chí cả Trái đất) đều được coi là đối xứng trục, nên trên cơ sở đó có thể đưa ra giả thiết rằng trường của chúng cũng sẽ đối xứng trục, và sau đó tạo ra nó theo nguyên tắc này sẽ là không thể theo định lý này.

Ngay cả Albert Einstein cũng nghi ngờ về tính khả thi của một máy phát điện như vậy do không thể tồn tại các nghiệm đơn giản (đối xứng). Mãi sau này, người ta mới chỉ ra rằng không phải tất cả các phương trình có đối xứng trục mô tả quá trình tạo ra từ trường sẽ có nghiệm đối xứng trục, ngay cả trong những năm 1950. các giải pháp không đối xứng đã được tìm thấy.

Kể từ đó, lý thuyết đinamô đã được phát triển thành công, và ngày nay cách giải thích thường được chấp nhận nhất về nguồn gốc từ trường của Trái đất và các hành tinh khác là cơ chế đinamô tự kích thích dựa trên sự tạo ra dòng điện trong một vật dẫn. khi nó chuyển động trong một từ trường được tạo ra và khuếch đại bởi chính các dòng điện này.

Các điều kiện cần thiết được tạo ra trong lõi Trái đất: trong lõi bên ngoài chất lỏng, chủ yếu bao gồm sắt ở nhiệt độ khoảng 4-6 nghìn Kelvin, dẫn dòng điện một cách hoàn hảo, các dòng đối lưu được tạo ra để loại bỏ nhiệt từ lõi rắn bên trong. (được tạo ra do sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ hoặc sự giải phóng nhiệt tiềm ẩn trong quá trình đông đặc vật chất ở ranh giới giữa lõi bên trong và bên ngoài khi hành tinh dần nguội đi).

Lực Coriolis xoắn những dòng này thành những đường xoắn ốc đặc trưng tạo thành cái gọi là trụ Taylor. Do sự ma sát của các lớp, chúng thu được điện tích, tạo thành dòng điện vòng. Do đó, một hệ thống các dòng điện được tạo ra chạy dọc theo một mạch dẫn điện trong các dây dẫn chuyển động trong một từ trường (hiện tại ban đầu, mặc dù rất yếu), như trong một đĩa Faraday.

Nó tạo ra một từ trường, với dạng hình học thuận lợi của các dòng chảy, tăng cường từ trường ban đầu, và điều này, do đó, tăng cường dòng điện, và quá trình khuếch đại tiếp tục cho đến khi tổn thất nhiệt Joule, tăng khi dòng điện tăng lên, cân bằng dòng năng lượng do chuyển động của thủy động lực học.

Người ta cho rằng động cơ có thể bị kích thích do tuế sai hoặc lực thủy triều, tức là nguồn năng lượng là chuyển động quay của Trái đất, tuy nhiên, giả thuyết phổ biến và được phát triển nhất cho rằng đây chính xác là đối lưu nhiệt hóa học.

Những thay đổi trong từ trường của Trái đất

Đảo từ trường là sự thay đổi hướng của từ trường Trái đất trong lịch sử địa chất của hành tinh (được xác định bằng phương pháp cổ từ).

Trong một sự đảo ngược, từ tính phía bắc và nam từ bị đảo ngược và kim la bàn bắt đầu chỉ theo hướng ngược lại. Đảo ngược là một hiện tượng tương đối hiếm chưa từng xảy ra trong thời kỳ tồn tại của Homo sapiens. Có lẽ, lần cuối cùng nó xảy ra cách đây khoảng 780 nghìn năm.

Sự đảo ngược của từ trường xảy ra trong những khoảng thời gian từ hàng chục nghìn năm đến những khoảng thời gian khổng lồ của từ trường yên tĩnh hàng chục triệu năm, khi sự đảo ngược không xảy ra.

Do đó, không có tính tuần hoàn nào được tìm thấy trong sự đảo ngược cực, và quá trình này được coi là ngẫu nhiên. Thời gian dài của một từ trường yên tĩnh có thể được theo sau bởi các khoảng thời gian đảo chiều nhiều lần với các khoảng thời gian khác nhau và ngược lại. Các nghiên cứu cho thấy sự thay đổi các cực từ có thể kéo dài từ vài trăm đến vài trăm nghìn năm.

Các chuyên gia của Đại học Johns Hopkins (Mỹ) cho rằng trong quá trình đảo ngược, từ quyển của Trái đất suy yếu đến mức bức xạ vũ trụ có thể tới bề mặt Trái đất, vì vậy hiện tượng này có thể gây hại cho các sinh vật sống trên hành tinh, và sự thay đổi các cực tiếp theo có thể dẫn đến nhiều hơn hậu quả nghiêm trọng cho nhân loại lên đến thảm họa toàn cầu.

Các công trình khoa học trong những năm gần đây đã chỉ ra (kể cả trong thực nghiệm) khả năng thay đổi ngẫu nhiên hướng của từ trường ("bước nhảy") trong một động lực hỗn loạn đứng yên. Theo người đứng đầu phòng thí nghiệm địa từ học tại Viện Vật lý Trái đất, ông Vladimir Pavlov, theo tiêu chuẩn của con người, sự đảo ngược là một quá trình khá dài.

Các nhà địa vật lý tại Đại học Leeds Yon Mound và Phil Livermore tin rằng trong vài nghìn năm nữa sẽ có sự đảo ngược của từ trường Trái đất.

Sự dịch chuyển của các cực từ của Trái đất

Lần đầu tiên, tọa độ của cực từ ở Bắc bán cầu được xác định vào năm 1831, một lần nữa - vào năm 1904, sau đó là các năm 1948 và 1962, 1973, 1984, 1994; ở Nam bán cầu - một lần nữa vào năm 1841 - vào năm 1908. Sự dịch chuyển của các cực từ đã được ghi nhận từ năm 1885. Trong hơn 100 năm qua, cực từ ở Nam bán cầu đã di chuyển gần 900 km và đi vào Nam đại dương.

Dữ liệu mới nhất về trạng thái của cực từ trường Bắc Cực (di chuyển về phía dị thường từ trường của thế giới Đông Siberi qua Bắc Băng Dương) cho thấy từ năm 1973 đến năm 1984 quãng đường đi được của nó là 120 km, từ năm 1984 đến năm 1994 - hơn 150 km. Mặc dù những con số này được tính toán, chúng được xác nhận bởi các phép đo của cực từ phía bắc.

Sau năm 1831, khi vị trí của cực được cố định lần đầu tiên, vào năm 2019, cực đã dịch chuyển hơn 2.300 km về phía Siberia và tiếp tục di chuyển với gia tốc.

Tốc độ di chuyển của nó tăng từ 15 km một năm vào năm 2000 lên 55 km một năm vào năm 2019. Sự trôi dạt nhanh chóng này đòi hỏi những điều chỉnh thường xuyên hơn đối với các hệ thống định vị sử dụng từ trường Trái đất, chẳng hạn như la bàn trong điện thoại thông minh hoặc hệ thống định vị dự phòng cho tàu và máy bay.

Cường độ từ trường của trái đất giảm và không đều. Trong 22 năm qua, nó đã giảm trung bình 1,7% và ở một số khu vực, chẳng hạn như Nam Đại Tây Dương, giảm 10%. Ở một số nơi, cường độ của từ trường, ngược với xu hướng chung, thậm chí còn tăng lên.

Gia tốc chuyển động của các cực (trung bình 3 km / năm) và chuyển động của chúng dọc theo các hành lang đảo ngược cực từ (những hành lang này có thể để lộ hơn 400 chuyển hướng cổ tử) cho thấy rằng trong chuyển động của các cực này, một sẽ không phải là một chuyến du ngoạn, mà là một sự đảo ngược khác của từ trường Trái đất.

Từ trường của trái đất hình thành như thế nào?

Các chuyên gia tại Viện Hải dương học Scripps và Đại học California cho rằng từ trường của hành tinh được hình thành bởi lớp phủ. Các nhà khoa học Mỹ đã đưa ra một giả thuyết do một nhóm các nhà nghiên cứu đến từ Pháp đề xuất cách đây 13 năm.

Được biết, trong một thời gian dài, các nhà chuyên môn cho rằng chính phần lõi bên ngoài của Trái đất đã tạo ra từ trường của nó. Nhưng sau đó các chuyên gia từ Pháp cho rằng lớp phủ của hành tinh này luôn ở trạng thái rắn (kể từ thời điểm nó được sinh ra).

Kết luận này khiến các nhà khoa học cho rằng không phải phần lõi có thể hình thành từ trường mà là phần chất lỏng của lớp phủ bên dưới. Thành phần của lớp áo là vật liệu silicat được coi là chất dẫn điện kém.

Nhưng vì lớp phủ bên dưới phải ở trạng thái lỏng trong hàng tỷ năm, nên sự chuyển động của chất lỏng bên trong nó không tạo ra dòng điện, và trên thực tế, nó chỉ đơn giản là cần thiết để tạo ra từ trường.

Các chuyên gia ngày nay tin rằng lớp phủ có thể là một ống dẫn mạnh mẽ hơn người ta nghĩ trước đây. Kết luận này của các chuyên gia hoàn toàn chứng minh tình trạng của Trái đất sơ khai. Động lực silicat chỉ có thể thực hiện được nếu độ dẫn điện của phần chất lỏng của nó cao hơn nhiều và có áp suất và nhiệt độ thấp.