TRƯỜNG ĐỊA TỪ VÀ MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH TRÁI ĐẤT
4. Quan hệ Mặt trời- Trái đất
Những nghiên cứu thiên văn và vật lý địa cầu đã cho phép chúng ta xác định được các hoạt động khác nhau xẩy ra trên Trái đất, đặc biệt là tầng sinh quyển, chịu ảnh hưởng rõ rệt của hoạt động Mặt trời. Trong quá trình chuyển động của mình (thể hiện qua việc thay đổi số lượng các vết đen, cường độ của các vụ bùng nổ sắc cầu…), Mặt trời sẽ phát ra một khối năng lượng khổng lồ và những dòng bức xạ vật chất dưới dạng hạt và trường.
Các nghiên cứu về mối tương tác Mặt trời - Trái đất được tiến hành theo hai hướng sau đây:
4.1. Dự báo môi trường Mặt trời - Trái đất
Dự báo môi trường Mặt trời - Trái đất được tiến hành thông qua việc dự báo trạng thái hoạt động của Mặt trời, dự báo trạng thái từ quyển và trường địa từ, dự báo trạng thái tầng điện ly và các ứng dụng trong việc truyền sóng vô tuyến.
Hiện nay tại nhiều nước trên thế giới đã xây dựng các phòng thí nghiệm nghiên cứu môi trường Mặt trời -Trái đất. Như chúng ta đã biết, trong số rất nhiều quá trình xẩy ra trên Trái đất chịu ảnh hưởng của Mặt trời thì các quá trình trong từ quyển và tầng điện ly là chịu tác động trực tiếp của bức xạ địa hiệu dụng của Mặt trời [4, 8,16, 25, 26-28].
Hình 3.7. Tương tác Mặt trời-Trái đất (Nguồn tư liệu: [41])
Bức xạ địa hiệu dụng bao gồm bức xạ tử ngoại, bức xạ Rơngen, các tia vũ trụ và các dòng hạt tạo nên gió Mặt trời, các sóng va
chạm và các nhiễu loạn khác. Cùng với sự phát triển của các phương tiện vũ trụ, chúng ta có thể nghiên cứu trực tiếp các bức xạ địa hiệu dụng Mặt trời nói trên, cũng như các quá trình xẩy ra trong các tầng khí quyển trên cao của Trái đất, trong từ quyển và trong không gian vũ trụ.
Sự phát triển mạng lưới các đài quan trắc thiên văn, các đài địa từ và điện ly trên toàn cầu với các thiết bị ngày một hiện đại hơn, sự trao đổi quốc tế rộng rãi và nhanh chóng các dữ liệu thu được, đặc biệt là từ sau năm Vật lý Địa cầu Quốc tế 1957-1958, đã cho phép các nhà khoa học kiểm chứng các mối tương quan giữa hoạt động Mặt trời, với sự biến đổi của trường địa từ cũng như với những thay đổi về cấu trúc trong tầng điện ly.
Các kết quả quan trắc nói trên cùng với các mô hình lý thuyết để giải thích cấu trúc tầng điện ly đã từng bước cho ra đời một lĩnh vực mới là dự báo trạng thái tầng điện ly phục vụ cho việc truyền sóng vô tuyến.
Nhu cầu dự báo trạng thái tầng điện ly dựa trên việc dự báo trạng thái nhiễu loạn của môi trường Mặt trời - Trái đất xuất hiện từ những năm 1930, khi người ta phát hiện thấy vào thời gian xẩy ra nhiễu loạn từ, toàn bộ mạng thông tin vô tuyến với bắc cực đã bị phá huỷ [26-28]. Bởi vì đặc trưng truyền sóng vô tuyến được xác định bởi trạng thái tầng điện ly, các thông số về các lớp của nó (nồng độ điện tử và số lần va chạm). Do đó, cơ sở của dự báo là dự báo các thông số điện ly như là hàm số của bức xạ ion hoá của Mặt trời và các thông số cao không của khí quyển.
Người ta phân biệt hai loại dự báo: dài hạn và ngắn hạn.
Dự báo dài hạn các điều kiện truyền sóng vô tuyến giải tần decamet (hay còn gọi là dự báo vô tuyến) bao gồm việc dự báo hàng loạt những đặc trưng ảnh hưởng tới chất lượng truyền thông tin qua tầng điện ly. Đó chính là các đặc trưng giới hạn của dải tần số: các tần số cực đại và cực tiểu có thể sử dụng được cũng như cường độ trường của tín hiệu vô tuyến, các đặc trưng quỹ đạo bao gồm các góc bức xạ và góc tới của sóng vô tuyến, thời gian bị làm chậm lại cùng sự dịch chuyển doppler của các tần số.
Mục đích của dự báo dài hạn là dự báo các đặc trưng tần số trước một tháng. Ngoài ra còn có loại dự báo tần số theo chu kỳ, bao gồm dự báo trước hàng tháng, hàng năm hay theo một chu kỳ hoạt động Mặt trời.
Dự báo ngắn hạn bao gồm việc xác định các chu kỳ nhiễu loạn, cường độ của chúng và biến thiên của các tham số điện ly vào những ngày giờ cụ thể. Cơ sở của dự báo ngắn hạn chính là các quy luật biến thiên của điện ly vào những ngày từ trường yên tĩnh hay nhiễu loạn và mối quan hệ của chúng với hoạt động Mặt Trời, với sự nhiễu loạn của từ quyển và gió Mặt trời.
Những vấn đề sau đây được quan tâm đặc biệt trong nghiên cứu dự báo môi trường Mặt trời - Trái đất:
Mô hình hoá các nghiên cứu trong dự báo môi trường vật lý Mặt trời - Trái đất.
Xu hướng hiện đại trong cộng đồng khoa học đối với điều kiện môi trường vũ trụ.
Các khả năng ứng dụng quan trắc từ vệ tinh đối với hoạt động dự báo môi trường Mặt trời - Trái đất.
Ảnh hưởng của môi trường vũ trụ tới các thiết bị công nghệ.
Những nội dung trên cho phép các chuyên gia có thể tiến hành dự báo một cách chính xác hơn trạng thái tầng điện ly phục vụ việc truyền sóng vô tuyến.
4.2. Vai trò của trường địa từ đối với hoạt động của cơ thể sống Ảnh hưởng của việc thay đổi trường địa từ - vật dẫn trung gian của hoạt động Mặt trời tới Trái đất - đến hoạt động của các cơ thể sống trên Trái đất đã bắt đầu được nghiên cứu từ nhiều năm nay.
Sức thuyết phục của các tài liệu thực nghiệm thống kê đã kích thích nhiều công trình nghiên cứu nhằm xác ðịnh vai trò của trường địa từ đối với sinh quyển, góp phần mở rộng nhận thức của con người với môi trường xung quanh.
Ảnh hưởng của hoạt động Mặt trời tới các quá trình vật lý trên Trái đất được thể hiện trong sự phụ thuộc chặt chẽ giữa hoạt động Mặt trời với các quá trình tự nhiên. Thí dụ: người ta đã phát hiện thấy rằng sự thay đổi của áp suất khí quyển, việc xuất hiện khô hạn, chế độ đối lưu gió, tốc độ dịch chuyển trong lớp F của tầng điện ly, nhiệt độ của tầng khí quyển trên cao, sự tấn công của các luồng khí lạnh từ vũ trụ vào Trái đất, sự hình thành các phông gió và các cơn lốc khí quyển … đều có liên quan chặt chẽ với sự thay đổi của trường địa từ.
Trong mối tương tác Mặt trời - Trái đất, trường địa từ đóng vai
trò trung gian - là vật dẫn chủ yếu của hoạt động Mặt trời tới Trái đất. Giống như lực hút, trường địa từ là một nhân tố vật lý bao trùm và xuyên thấu tất cả mọi sự vật trên Trái đất. Đặc trưng của nó là tính liên tục của tác động cũng như ảnh hưởng rộng khắp trong một thời gian dài. Do vậy, việc nghiên cứu tác động của nó tới các quá trình sống trên Trái đất đặt ra rất cấp thiết.
Khi so sánh các quá trình sinh học, lý-hoá, địa vật lý xẩy ra tại những địa điểm khác nhau trên mặt đất, người ta phát hiện thấy rằng chúng có tính đồng pha và đồng thời rõ rệt. Thí dụ sự thay đổi đột ngột và đồng nhất các hiện tượng sinh học, tính lặp lại và phổ biến của các bệnh dịch, sự di chuyển của hàng loạt động vật không đúng mùa hay sự thay đổi thành phần tế bào trong máu người… Các nhà sinh lý học khi nghiên cứu tác động của các trường điện từ tự nhiên lên cơ thể sống, thấy rằng các dao động của các tham số chức năng của cơ thể sống không phải là một sự thăng giáng ngẫu nhiên quanh một đại lượng trung bình nào đó, mà là một sự thay đổi có trật tự của các đặc tính sinh học dưới ảnh hưởng của hàng loạt nhân tố, trong đó có tác động của Mặt trời và trường địa từ. Từ đó đã hình thành một chuyên ngành khoa học mới đó là Địa Vật lý Sinh học (Biogeophysics) nghiên cứu ảnh hưởng của tất cả các nhân tố địa vật lý tới cơ thể sống. Trong chuyên ngành này có một nhánh chuyên sâu là Sinh địa từ học (Geomagnetobiology).
Người ta đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng trực tiếp của trường địa từ đến sinh vật bằng cách tiến hành các thí nghiệm để chứng tỏ rằng khi loại bỏ trường địa từ thì sẽ phá vỡ đột ngột trạng thái chức năng của các cơ thể sống [12].
Trường địa từ có giá trị trung bình cỡ 50.000nT. Người ta đã sử dụng các màng ngăn bằng kim loại sắt từ mềm hoặc hệ vòng Helmholtz để tạo ra một không gian phi từ (ở đó trường địa từ giảm đi trên 100 lần). Cây cối, vi sinh vật, động vật có vú và cả con người lần lượt được đưa vào trong không gian phi từ đó những khoảng thơì gian khác nhau. Bằng thí nghiệm đối chứng người ta đã rút ra các kết luận về sự thay đổi của các cơ thể sống khi trường địa từ giảm đột ngột tới hơn 100 lần.
Các kết quả cho thấy là đối với cây cối và vi sinh vật, các tác động này không thể hiện rõ. Còn đối với động vật bậc cao thì khi ở trong môi trường phi từ, sẽ hình thành những thay đổi sai lệch trong cơ thể. Thí dụ: thí nghiệm đối chứng cho hai tập hợp chuột có các điều kiện sinh học như nhau, mỗi tập hợp có 4 con (1 chuột đực và
3 chuột cái) trong thời gian từ 4 đến 12 tháng. Tập hợp thứ nhất được nuôi dưỡng trong môi trường bình thường. Tập hợp thứ hai được nuôi dưỡng trong môi trường ngăn từ (trường địa từ giảm đi 100 lần). Sau thời gian thí nghiệm tập hợp thứ nhất phát triển bình thường, tập hợp thứ hai thì chuột cứ sẩy thai thường xuyên, các chuột con sinh ra yếu, thường bị chết yểu.
Đối với người, đã tiến hành thí nghiệm trên 2 người trong 5 ngày trong căn phòng mà trường địa từ chỉ còn 50 nT. Trong khoảng thời gian đó khả năng tiếp thụ ánh sáng giảm hẳn, chu kỳ sinh học ngày đêm bị phá huỷ và hệ thần kinh có phản ứng âm tính chậm chạp, nhưng nó được phục hồi sau 2 ngày ở trong môi trường bình thường.
Vào năm 1995, bản thân tác giả và nghiên cứu sinh Lưu Thị Phương Lan đã có cảm nhận như trên khi làm việc nhiều ngày liền trong buồng ngăn từ để đo mẫu cổ từ trên từ kế Cryogenic tại Phòng thí nghiệm cổ từ Niderlippach, thuộc Viện vật lý địa cầu Munich, Cộng hoà liên bang Đức.
Người ta cũng theo dõi hoạt động của cơ thể người trong các tầu ngầm và trong vũ trụ. Trong các tầu ngầm do vỏ tầu làm bằng thép đặc biệt nên nó có tác dụng như một buồng ngăn trường địa từ. Khi làm việc trong tầu ngầm thì quá trình trao đổi chất giảm, chu kỳ ngày đêm của chức năng sinh học bị phá huỷ và xuất hiện triệu chứng đau dạ dày.
Trong các con tầu vũ trụ thì con người chịu hai tác động: mất trọng lực và mất từ trường Trái đất. Nếu phản ứng về mất trọng lực xẩy đến ngay sau khi rời Trái đất thì trạng thái mất từ trường Trái đất chỉ xuất hiện khi ra ngoài ảnh hưởng của đường sức của trường địa từ, tức là ở độ cao khoảng 60.000km. Người ta theo dõi thấy những thay đổi trong cơ thể phi công vũ trụ hệt như những người đi tàu ngầm. Sự giống nhau đó cho phép giả thiết rằng sự giảm trường địa từ là một nhân tố quan trọng trong sự thay đổi trạng thái sinh học của con người.
Từ những kết quả thực nghiệm đó, đã cho phép các nhà khoa học triển khai ý tưởng về việc nghiên cứu mối quan hệ Mặt trời - Trái đất trong việc xét mối tương quan giữa những ngày bão từ với tình trạng sức khoẻ của con người. Bởi vì vào những ngày bão từ, do bức xạ hạt của Mặt trời tác động lên từ quyển của Trái đất gây ra những biến thiên rất lớn của trường địa từ. Và cơ thể con người sẽ
có những phản ứng khác nhau đối với sự thay đổi đó. Thí dụ, trên cơ sở phân tích hơn 24.000 phép đo mạch tim của những người khoẻ mạnh ở độ tuổi từ 20 đến 40, người ta đã xác lập mối tương quan giữa tần số nhịp tim và sự thay đổi của các yếu tố của trường địa từ (Bảng 3.6). Người ta phát hiện ra rằng tác động của trường địa từ lên nhịp tim được gây nên bởi sự thay đổi hướng của véctơ trường địa từ trong mặt thẳng đứng.
Bảng 3.6 Mối tương quan giữa tần số nhịp tim với các tác động địa vật lý [12].
Loại tác động Hệ số tương quan r ± mr Nhiễu loạn trường địa từ
Giảm áp suất khí quyển Giảm nhiệt độ
- 0,89 ± 0,09 + 0,54 ± 0,32 + 0,61 ± 0,28
Hoặc khi theo dõi nhịp tim và huyết áp ở những người trên 60 tuổi thấy rằng vào những ngày bão từ (khi trường địa từ thay đổi đột ngột tới 500 – 1.000 nT) và kéo dài từ 1 đến 3 ngày, thì mạch và huyết áp của những người già đều tăng lên rõ rệt (Bảng 3.7).
Tại một số bênh viện của Cộng hoà Liên bang Nga, Tiệp, Mỹ …, người ta đã tiến hành tăng cường theo dõi các bệnh nhân tim mạch vào những ngày có bão từ để có biện pháp xử lý kịp thời, để phòng các tai biến.
Bảng 3.7. Tương quan giữa hoạt động Mặt trời - Trái đất với các bệnh tim mạch [12].
Hệ số tương quan (r ± mr) Loại bệnh
Lượng vết đen Mặt Trời Hoạt động từ Suy tim
Tai biến động mạch Đứt mạch máu não Huyết áp thấp
0,75 ± 0,12 0,48 ± 0,22 0,36 ± 0,25 0,36 ± 0,27
0,59 ± 0,11 0,68 ± 0,14 0,70 ± 0,15 0,50 ± 0,22
Trên cơ sở các số liệu thống kê, người ta đã tìm được hệ số tương quan giữa tần suất của các tai biến tim mạch trong năm với chỉ số hoạt động từ (tính theo Σ K); và tương ứng, với chỉ số hoạt động Mặt trời (chỉ số Wolf - lượng vết đen Mặt trời).
Trong những năm qua, trên nhiều tạp chí y học và từ học đã công
bố thêm nhiều dẫn liệu thống kế nhằm khẳng định mối tương quan nói trên, đồng thời nhiều tác giả đề xuất phương án dự báo những ngày xấu đối với sức khoẻ con người- đó là những ngày bão từ. Tuy nhiên, ý kiến này vẫn còn đang được tranh cãi rất nhiều, vì để đi kết luận đó, chúng ta vẫn còn phải tiếp tục triển khai hướng nghiên cứu nói trên nhằm 3 mục đích:
Tích luỹ các tài liệu thống kê để khẳng định mối tương quan giữa trường địa từ với hoạt động của cơ thể sống.
Nghiên cứu thực nghiệm về cơ cấu của tương tác để lý giải bản chất của hiện tượng (chú ý tới vai trò của các phân tử nước, màng tế bào và các trường từ sinh học trong mối tương tác này).
Áp dụng những kết quả nói trên trong đời sống để phòng và chữa bệnh.
Những nghiên cứu trên đã khẳng định được tính đa dạng cũng như mối tương quan chặt chẽ của các yếu tố vật lý và sinh học trong quan hệ Mặt trời - Trái đất.