Từ trường Trái đất là gì: Giải thích chi tiết

Hình minh họa của nghệ sĩ cho thấy từ trường của Trái đất lan truyền vào không gian.
Từ trường Trái đất được tạo ra sâu bên trong Trái đất và mở rộng ra ngoài không gian.
(Tín dụng hình ảnh: Elen11 qua Getty Images.)

Từ trường của Trái đất – còn được gọi là trường địa từ – được tạo ra bên trong hành tinh của chúng ta và mở rộng ra ngoài không gian, tạo ra một vùng được gọi là từ quyển.

Không có từ trường, cuộc sống trên Trái đất như chúng ta biết sẽ không thể thực hiện được vì nó bảo vệ tất cả chúng ta khỏi sự bắn phá liên tục bởi các hạt tích điện phát ra từ mặt trời – gió mặt trời. (Để tìm hiểu điều gì sẽ xảy ra với một hành tinh khi nó mất từ ​​trường, bạn chỉ cần nhìn vào Sao Hỏa.)

Trái đất có hai bộ cực, cực địa lý và cực từ. Từ trường của Trái đất có thể được hình dung nếu bạn tưởng tượng một nam châm thanh lớn bên trong hành tinh của chúng ta, gần như thẳng hàng với trục của Trái đất. Mỗi đầu của nam châm nằm tương đối gần (khoảng 10 độ) so với cực Bắc và Nam địa lý. Các đường sức từ trường không nhìn thấy của Trái đất truyền theo một vòng khép kín, liên tục và gần như thẳng đứng tại mỗi cực từ.

Địa lý Cực Bắc và Nam là nơi hội tụ các đường kinh độ theo Địa lý GIS (mở trong tab mới). Cực Bắc Địa lý nằm ở giữa Bắc Băng Dương và Cực Nam Địa lý được tìm thấy ở Nam Cực.

Các cực từ nằm ở vị trí các đường sức hút của từ trường đi vào Trái đất. Cực Bắc Từ tính còn được gọi là Cực Bắc Dip và hiện được tìm thấy trên Đảo Ellesmere ở miền Bắc Canada. Khi một la bàn từ chỉ về phía bắc, nó sẽ tự căn chỉnh với từ trường của Trái đất và hướng đến Cực Bắc Từ tính, không phải Cực Bắc Địa lý, thực tế cách đó khoảng 310 dặm (500 km) theo GIS Địa lý!

Các đường sức từ của Trái đất truyền theo những vòng khép kín liên tục. (Tín dụng hình ảnh: VectorMine qua Getty Images)

(mở trong tab mới)

Và chỉ để làm cho mọi thứ khó hiểu hơn một chút, cái mà chúng ta gọi là Cực từ tính Bắc thực ra là một cực từ phía nam … hãy chịu đựng với tôi về điều này. Nguồn từ trường là lưỡng cực, nghĩa là chúng có cực bắc và cực nam. Và khi nói đến nam châm, các cực đối diện (N và S) hút trong khi các cực khác (N và N, S và S) đẩy nhau. Vì vậy, khi một la bàn chỉ về phía bắc, nó thực sự bị thu hút bởi cực từ phía nam nằm gần với Cực Bắc địa lý, theo trang web Câu hỏi thường gặp về khoa học của Nhà vật lý Christopher Baird. (mở trong tab mới) “Câu hỏi bất ngờ với câu trả lời đáng ngạc nhiên.”

Không giống như các cực địa lý, các cực từ của Trái đất không cố định và có xu hướng dao động theo thời gian. Nhà thám hiểm địa cực người Anh James Clark Ross lần đầu tiên xác định được Cực Bắc từ tính trên bán đảo Boothis thuộc lãnh thổ Nunavut của Canada vào năm 1831, theo trang web du lịch Nam Cực Antarctic Logistics (mở trong tab mới). Kể từ khi được phát hiện, cực bắc từ trường di chuyển khoảng 25 dặm (40 km) mỗi năm theo hướng tây bắc theo Bảo tàng Hoàng gia Greenwich (mở trong tab mới). Hơn nữa, các cực từ trường của Trái đất cũng đã ‘lộn’ theo đó từ bắc trở thành nam và nam trở thành bắc. Những sự đảo ngược từ trường này xảy ra với những khoảng thời gian không đều đặn cứ sau 200.000 năm hoặc lâu hơn.

Nguyên nhân nào gây ra từ trường Trái đất?

Từ trường của Trái đất được tạo ra bởi quá trình được gọi là quá trình geodynamo. Theo National Geographic (mở trong tab mới)để một hành tinh tạo ra từ trường của chính nó bằng quá trình geodynamo, nó phải có các đặc điểm sau:

  • Hành tinh quay đủ nhanh
  • Bên trong của nó phải có một môi trường chất lỏng
  • Chất lưu bên trong phải có khả năng dẫn điện
  • Lõi phải có một nguồn năng lượng bên trong để đẩy các dòng đối lưu trong chất lỏng bên trong.

Sự tạo ra từ trường của Trái đất xảy ra sâu bên trong Trái đất, trong một lớp chính xác được gọi là lõi bên ngoài. Tại đây, năng lượng đối lưu từ sắt nóng chảy chuyển động chậm được chuyển thành năng lượng điện và từ trường, theo Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (mở trong tab mới). Sau đó, từ trường tạo ra các dòng điện, từ đó tạo ra từ trường riêng của chúng, tạo ra nhiều dòng điện hơn, trong một vòng phản hồi dương.

Từ trường bảo vệ Trái đất như thế nào?

Từ quyển của Trái đất giúp bảo vệ Trái đất khỏi thời tiết không gian có hại. (Tín dụng hình ảnh: MARK GARLICK / THƯ VIỆN ẢNH KHOA HỌC qua Getty Images)

(mở trong tab mới)

“Bong bóng” từ tính bảo vệ của chúng tôi, được gọi là từ quyển, bảo vệ chúng tôi khỏi tác hại thời tiết không gian chẳng hạn như gió mặt trời. Nếu không có từ quyển, gió mặt trời sẽ làm xói mòn bầu khí quyển của chúng ta, lấy đi không khí cung cấp sự sống mà chúng ta đang hít thở trên hành tinh của chúng ta.

Theo NASA (mở trong tab mới)từ quyển cũng bảo vệ Trái đất khỏi một lượng lớn bức xạ hạt phát ra trong khối lượng tràng hoa phóng ra Sự kiện (CME) và cả từ các tia vũ trụ – các mảnh vỡ nguyên tử – mưa từ không gian sâu xuống Trái đất. Từ quyển đẩy lùi năng lượng có hại ra khỏi Trái đất và giữ nó trong các vùng được gọi là vành đai bức xạ Van Allen. Những vành đai bức xạ hình bánh rán này có thể phình ra khi hoạt động của mặt trời tăng lên.

Nhưng lá chắn bảo vệ của chúng ta không hoàn toàn bất khả chiến bại.

Nhưng câu chuyện liên quan:

– Thời tiết mặt trời hoang dã đang khiến vệ tinh lao khỏi quỹ đạo

– Bão mặt trời có thể phá hủy vệ tinh một cách dễ dàng – một chuyên gia thời tiết vũ trụ giải thích khoa học

– Lưới điện đã sẵn sàng cho thời tiết không gian khắc nghiệt chưa?

Trong các sự kiện thời tiết không gian đặc biệt mạnh như gió mặt trời lớn hoặc CME lớn, từ trường của Trái đất bị xáo trộn và các cơn bão địa từ có thể xuyên qua từ quyển và dẫn đến tình trạng mất điện trên diện rộng cũng như gây nguy hiểm cho các phi hành gia và vệ tinh quay quanh Trái đất.

Năm 1859, một cơn bão mặt trời lớn được gọi là Sự kiện Carrington đã gây ra sự cố hệ thống điện báo trên diện rộng và vào năm 1989, một cuộc CME đi kèm với một ngọn lửa mặt trời và khiến toàn bộ tỉnh Quebec, Canada rơi vào cảnh mất điện kéo dài khoảng 12 giờ theo một tuyên bố của NASA (mở trong tab mới).

Mức độ nhiễu loạn từ trường của CME phụ thuộc vào từ trường của CME và của Trái đất. Nếu từ trường của CME thẳng hàng với Trái đất, hướng từ nam lên bắc, CME sẽ truyền qua với ít ảnh hưởng. Tuy nhiên, nếu CME được căn chỉnh theo hướng ngược lại, nó có thể khiến từ trường của Trái đất được tổ chức lại, (mở trong tab mới) gây ra các cơn bão địa từ lớn.

Một tác dụng phụ ít phá hoại hơn và đẹp hơn nhiều của nhiễu loạn từ quyển là cực quang trên các vùng cực của Trái đất. Hiện tượng này được gọi là ánh sáng phía bắc (aurora borealis) ở Bắc bán cầu và ánh sáng phía nam (aurora australis) ở Nam bán cầu.

Các nhiễu động trong từ trường của Trái đất phễu các ion xuống phía các cực của Trái đất, nơi chúng va chạm với các nguyên tử oxy và nitơ trong khí quyển của Trái đấttạo ra những màn trình diễn ánh sáng cực quang rực rỡ.

CME có thể kích hoạt các cơn bão địa từ lớn dẫn đến cực quang ấn tượng như hình ảnh ở Alaska. (Tín dụng hình ảnh: Noppawat Tom Charoensinphon qua Getty Images)

(mở trong tab mới)

Đảo cực từ

Theo Science Daily (mở trong tab mới)chỉ trong 200 triệu năm qua, các cực từ trường của Trái đất đã đảo ngược hàng trăm lần trong một quá trình mà bắc trở thành nam và nam trở thành bắc.

Các cực từ lật khoảng 200.000 đến 300.000 năm một lần (mở trong tab mới) Theo NASA, mặc dù nó đã lâu hơn gấp đôi kể từ lần đảo ngược cuối cùng. Sự đảo ngược từ trường gần đây nhất của Trái đất xảy ra cách đây khoảng 790.000 năm, vì vậy chúng ta đã quá hạn cho một lần đảo ngược từ trường khác. Nhưng đừng lo lắng, các cực từ không chỉ chuyển đổi trong một sớm một chiều mà có thể mất hàng trăm, thậm chí hàng nghìn năm để các cực này lật.

Từ trường trên các hành tinh khác

Trái đất không phải là hành tinh duy nhất trong hệ mặt trời sở hữu từ trường. Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương đều thể hiện từ trường mạnh hơn nhiều so với Trái Đất, theo Đại học Union (mở trong tab mới)mặc dù các cơ chế cơ bản thúc đẩy các từ trường này vẫn chưa được hiểu hoàn toàn.

Không phải hành tinh nào cũng may mắn có được lớp từ trường bảo vệ. Sao Hỏa không có đủ nhiệt bên trong cũng như không có bên trong chất lỏng cần thiết để tạo ra từ trường. Mặt khác, sao Kim có lõi lỏng nhưng không quay đủ nhanh để tạo ra từ trường.

Tài nguyên bổ sung

Nếu bạn muốn đọc thêm về cách các nhà khoa học đang điều tra môi trường bên trong hành tinh và môi trường không gian lân cận của chúng ta mà không cần rời khỏi mặt đất, hãy xem các tài nguyên này (mở trong tab mới)từ Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ. Tìm hiểu thêm về từ trường của Trái đất với video ngắn này từ Arbor Scientific (mở trong tab mới). Khám phá các cực từ và địa lý chi tiết hơn với Chương trình Nam Cực của Úc (mở trong tab mới).