TRƯỜNG ĐỊA TỪ VÀ MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH TRÁI ĐẤT
1. Trường địa từ có nguồn gốc bên ngoài Trái đất
Chúng ta biết rằng trên mặt đất là tầng khí quyển, trên tầng khí quyển là tầng điện ly được tạo nên bởi bức xạ Mặt trời. Phía trên tầng điện ly là từ quyển, nơi mà trường địa từ tác động như một tấm chắn bảo vệ Trái đất đối với sự tấn công của gió Mặt trời và các luồng hạt tích điện đến từ Mặt trời. Các dòng điện trong tầng điện ly và từ quyển gây nên từ trường mà chúng ta quan sát được trên mặt đất đồng thời với từ trường của chính bản thân Trái đất tạo ra.
Biến thiên theo thời gian của phần trường này liên quan với tính hoạt động của Mặt trời.
1.1. Biến thiên ngày đêm từ trường yên tĩnh Sq
Biến thiên ngày đêm là những biến thiên của trường địa từ xảy ra trong một ngày đêm và liên quan tới phần trường địa từ có nguồn gốc bên ngoài Trái đất. Những biến thiên này có biên độ khoảng 20- 30 nT/ngày, có thể tăng đến 150 nT/ngày tại vùng gần xích đạo từ và cần phải được tính đến để hiệu chỉnh trong các khảo sát địa từ.
Khi chúng ta ghi liên tục từ trường Trái đất tại một đài địa từ,
chúng ta sẽ có băng ghi biến thiên của trường địa từ hàng ngày.
Quan sát các băng ghi từ, chúng ta sẽ thấy những những nhiễu loạn bất thường chồng lên những biến thiên đều đặn. Những ngày mà biến thiên rất đều đặn được xếp vào những ngày từ trường yên tĩnh, những ngày mà trường địa từ biến thiên mạnh và không đều đặn được xếp vào những ngày từ trường nhiễu loạn. Khi tiến hành phân tích bằng hàm cầu điều hòa, người ta thấy rằng nguồn gốc của những biến thiên này nằm bên ngoài Trái đất. Chúng được gây nên bởi những dòng điện chạy trong tầng điện ly quay ở phía Mặt trời.
Gần với xích đạo, các dòng điện trong tầng điện ly được tăng cường, dẫn tới việc hình thành dòng điện xích đạo.
Hình 3.1. Dòng điện trong tầng điện ly gây nên biến thiên Sq các ngày từ trường yên tĩnh (16-20/7/1999) ghi được tại đài địa từ Ottawa, Canađa [9]
Chúng ta biết rằng các hiện tượng dẫn tới sự tăng nhiễu loạn địa từ có nguồn gốc từ Mặt trời. Có thể xem xét một hiện tượng đơn giản bắt đầu với bức xạ điện từ phát ra từ Mặt trời như sau: khi chiếu sáng và nung nóng phía ban ngày của Trái đất, bức xạ điện từ đồng thời cũng nung nóng tầng điện ly, gây nên chuyển động đối lưu. Chuyển động đối lưu này sẽ đẩy các hạt tích điện trong tầng điện ly chuyển động trong từ trường Trái đất tạo nên tác động đinamo, gây nên dòng điện trong tầng điện ly ở bên trên xích đạo cho tới vùng vĩ độ trung bình. Dòng điện này gây nên từ trường, đã được nhìn thấy từ vũ trụ, xuất hiện một cách cố định tại phía ban ngày của Trái đất. Hệ dòng Sq có vị trí gần như cố định so với Mặt trời. Trái đất quay trong bao dòng này, do đó trường địa từ tại một điểm dưới mặt đất sẽ có chu kỳ 24 giờ (xem H.3.1).
Thông thường người ta tính trung bình từ trường yên tĩnh Sq cho một tháng dựa vào 5 ngày yên tĩnh được thông báo trong bảng “Số liệu địa từ” của trung tâm số liệu địa từ Potstdam tại Niemegk, Cộng hòa liên bang Đức. Một số nhà nghiên cứu khác lại chọn những ngày trong tháng, khi mà cả 8 chỉ số Kp trong ngày đều ở mức thấp hơn một mức đã ấn định.
Nhiễu loạn từ có dạng và biên độ khác nhau tại những vĩ độ khác nhau. Việc phân chia địa cầu thành các khu vực phụ thuộc vào đặc trưng biến thiên của trường địa từ có nguồn gốc bên ngoài Trái đất [24] được biểu diễn trên H.3.2. Vào những ngày từ trường yên tĩnh, tại vùng vĩ độ trung bình, các thành phần của trường địa từ biến thiên có tính hệ thống như là một hàm số của vĩ độ từ 5o đến 60o. Gần tới xích đạo (vùng gạch nghiêng trên H.3.2), do tác động của dòng điện xích đạo đã gây nên việc tăng cường biến thiên của trường địa từ vào ban ngày. Tại các vùng vĩ độ cao (vùng cực quang và đặc biệt tại mỏm cực), do các đường sức của từ trường không
“khép kín”, trường giữa các hành tinh sẽ gây ảnh hưởng đối với biến thiên của trường địa từ vào những ngày yên tĩnh tại vùng cực.
1.2. Bão từ
Bão từ xảy ra khi tính hoạt động từ trong tầng điện ly tăng lên một cách đột ngột. Nguồn gốc của những bão từ như vậy liên quan tới sự tăng hoạt động của các vết đen trên Mặt trời. Trường địa từ quan sát được vào những lúc bão từ cao một cách bất thường và không thể dự đoán trước, có biên độ tới cỡ 1.000 nT.
mámcùc vùngcựcquang
vùngvĩ độtrungbình vùngvĩ độtrungbình
vùng xích dạo
0ο 20 40ο ο60ο 80ο100ο120ο140ο160ο180ο200ο220ο240ο260ο280ο300ο320ο340ο360ο
−80ο
−70ο
−60ο
−50ο
−40−30οο
−20−1050103040200οοοοοοοο 60ο 70ο
ο
vùngcựcquang
Hình 3.2. Việc phân chia địa cầu thành các khu vực phụ thuộc vào đặc trưng biến thiên của trường địa từ có nguồn gốc bên ngoài Trái đất (nguồn: Rangarajan [34])
Mặt trời còn phóng vào vũ trụ các hạt tích điện gọi là gió Mặt trời. Gió Mặt trời ép vào từ quyển ở phía Mặt trời và kéo dài phần từ quyển về phía ban đêm. Các vụ bùng nổ sắc cầu trên Mặt trời phóng ra những luồng hạt tích điện có tốc độ cao trong gió Mặt trời.
Các luồng hạt tốc độ cao này lại tiếp tục nén ép từ quyển gây ra những thay đổi đột ngột của trường địa từ quan sát được trên mặt đất. Đây là dấu hiệu báo trước của một trận bão từ, còn gọi là bắt đầu bất ngờ của bão từ ("storm sudden commencement" - SSC).
Tương tác liên tục giữa gió Mặt trời với từ quyển làm tăng cường số lượng các hạt tích điện dồn vào một khu vực của từ quyển được gọi là “vành đai bức xạ”, nằm ở khoảng cách với Trái đất từ 25.000 đến 40.000 km. Các hạt tích điện này trôi dạt xung quanh Trái đất tạo nên một vòng dòng trong mặt phẳng xích đạo của Trái đất và
làm giảm cường độ của thành phần nằm ngang trường địa từ, được quan sát thấy trên toàn cầu như là “pha chính” của bão từ. Pha chính này được tiếp nối bởi “pha phục hồi” kéo dài chừng một ngày hoặc hơn, trong thời gian này vòng dòng giảm đi và trường từ trở lại bình thường (xem H.3.3).
Hình 3.3.
Từ quyển & tương tác với gió Mặt trời tạo thành bão từ đã ghi được tại Đài Địa từ Phú Thụy ngày 31 tháng 3 năm 2001 (nguồn NASA [26] và Viện Vật lý Địa cầu)
1.3. Bão từ nhỏ (Magnetic Substorms)
Bão từ nhỏ là dạng bão từ ở vùng cực được gây nên bởi tác động của gió Mặt trời với cụm đường sức dày đặc của trường địa từ tại hai cực từ. Khi xảy ra bão từ nhỏ, các hạt tích điện còn chạy theo đường sức của trường địa từ rồi thâm nhập vào vào tầng khí quyển trên cao gây nên cực quang tại bắc và nam bán cầu [8]. Cực quang là một hiện tượng thiên nhiên kỳ thú chỉ quan sát được ở vùng cực, nhưng khi có bão từ mạnh, thì cực quang có thể quan sát được ở cả những vùng vĩ độ trung bình (xem Bảng 3.8).
“Trong đêm đen ở vùng Bắc cực, bỗng bừng sáng chói loà, ánh sáng đủ màu rực rỡ, nhiều lần đẹp hơn cầu vồng mà chúng ta vẫn nhìn thấy ở Việt Nam. Bầu trời sáng rực bởi chính sự phát quang của những luồng hạt plasma tích điện phát ra từ những vụ bùng nổ sắc cầu trên Mặt trời, đã tràn vào từ quyển Trái đất rồi theo đường
sức từ trường Trái đất lao về Bắc cực. Tôi đã đứng nhiều giờ dưới cái lạnh phương Bắc (-50oC) để theo dõi hiện tượng tự nhiên kỳ lạ này”. Đó là những gì còn ghi lại trong cuốn nhật ký thực địa của tác giả vào năm 1967, năm Mặt trời hoạt động mạnh nhất trong chu kỳ 11 năm, khi còn là một nữ sinh viên thực tập trong đoàn thám hiểm bắc cực của Liên xô.
Các dòng điện mạnh cũng được hình thành và chạy về phía dưới tầng điện ly và gây nên dòng điện chạy ở vùng cực, còn gọi là dòng điện cực. Các nhiễu loạn từ ở vĩ độ cao là do từ trường của các dòng điện cực này gây ra.
1.4. Từ mạch động (Pulsation)
Hình 3.4. Dạng của đường sức trường địa từ và băng ghi từ mạch động (nguồn tư liệu: Tài nguyên thiên nhiên Canađa [9])
Biến thiên của trường địa từ có nguồn gốc bên ngoài Trái đất có thể có chu kỳ rất ngắn trong khoảng từ 0,2 giây cho tới 10 phút. Loại biến thiên này được gọi là biến thiên từ mạch động Từ mạch động đôi khi có thể được nhìn thấy dưới dạng các chuỗi sóng chạy trên đường sức của trường địa từ (H.3.4).
Nhờ các tín hiệu của biến thiên từ mạch động mà ta có thể nghe thấy tiếng đập của từ quyển, giống như tiếng đập của trái tim trong mạch máu. Từ giữa những năm 1960, những cuộc thí nghiệm hợp tác của Liên xô và Pháp tại hai đầu mút của đường sức từ trường Trái đất tại Sogra, gần cực từ bắc và Kergelen, gần cực từ nam đã cho phép các nhà khoa học hiểu được sự phân bố của từ mạch động, để từ đó tìm hiểu được cấu trúc của từ quyển [18-19].
Từ mạch động được phân chia thành 2 nhóm: nhóm biến thiên đều đặn và liên tục (PC) và nhóm biến thiên không đều đặn (Pi), trong từng nhóm lại phân chia theo chu kỳ biến thiên như trong bảng 3.1 dưới đây:
Khi so sánh các chỉ số về tốc độ gió Mặt trời với sự biến thiên của chỉ số hoạt động từ Kp và sự xuất hiện từ mạch động, có thể thấy chúng có mối tương quan rất chặt chẽ. Vì vậy các chuyên gia nghiên cứu từ quyển đã coi sự xuất hiện của từ mạch động như là một công cụ dự báo để nghiên cứu từ quyển và môi trường giữa các hành tinh.
Bảng 3.1. Phân loại từ mạch động theo chu kỳ [16]
Loại từ mạch động Chu kỳ (giây)
PC1 0,2-5 PC2 5-10 PC3 10-45 PC4 45-150 PC5 150-600 Pi1 1-40 Pi2 40-150