CHƯƠNG 1: TỪ TRƯỜNG TRÁI DAT 1. Trường địa từ: 1. Sơ lược về lịch sử phát hiện: Trưởng địa từ hay từ trường Trái đất được biết đến từ rất sớm. Hiện nay tại bảo tàng các sáng chế cỗ của Học viện Smith về lịch sử khoa học tại London vẫn còn giữ lại được chiếc la bàn hình thìa đầu tiên trên thé giới, do người Trung hoa chế ra vào khoảng năm 220 trước Công nguyên.
Chiếc la bàn hình thìa được làm bằng quặng macnetit luôn chỉ hướng Nam quay trên một đĩa bằng đồng gọi là đĩa vũ trụ và được đặt trên chiếc bàn gỗ tượng trưng cho Trái đất (Hình 1. Chiếc la bàn hình thìa do người Trung Hoa chế tạo. Từ cuỗi thé ky 15, la bàn đã được sử dụng dé định hướng trong tat cả các cuộc hành trình vòng quanh thế giới. Tuy nhiên vào lúc đó người ta vẫn tin rằng la bàn luôn luôn chỉ đúng hướng Bắc địa lý.
Sự lệch giữa hướng bắc từ với hướng Bắc địa lý- độ từ thiên chỉ được biết đến sau chuyền thám hiểm của Christophe Colomb tìm ra châu Mỹ: 3 chiếc thuyền của ông và đoàn thủy thủ xuất phát từ châu Âu đi theo hướng Tây băng đường biển để tìm ra một cách đi mới đến Án Độ và Trung Hoa. Ông đã trang bị cho ca 3 chiếc thuyền đụng cụ định hướng là chiếc la bàn. Nhưng đến giữa đường thì bỗng dưng cả 3 chiếc la bàn đều không còn chỉ về phương Bắc nữa mà lệch đi tới 6-7°, nếu đem so với việc định hướng bằng sao Bắc dau vào ban đêm. Thủy thủ va si quan trên tàu hoang mang đòi quay vẻ.
Christophe Colomb phải trấn an họ bằng cách bí mật điều chỉnh hướng đi của tàu. Nhưng rồi sự việc bại lộ. Các thuyền viên nghi ngờ về mục tiêu của nhà thám hiểm vĩ đại này, họ cho rằng ông có những toan tính riêng. Ong đã phải giải thích rang, vì sao Bắc dau đang đi chuyển vị trí nên kim la ban hơi lệch khỏi phương Bắc- Nam địa lý.
Khi Colomb khám phá ra châu Mỹ (nhưng lúc đó ông vẫn tin là thuộc đất An Độ) thì kỳ lạ thay, kim la bàn lại chỉ về đúng hướng Bắc thực. Chính vì độ từ thiên thay đôi khác nhau trên mặt đất. nên đã gây ra nỗi kinh hoàng cho si quan va thủy thu của Christophe Colomb. William Gilbert (1544-1603)- tác giả cuốn “De Magnet”.
Ngành khoa học về địa từ chỉ ra đời năm 1600 khi William Gilbert, nha vat lý hoàng gia thời nữ hoàng Elizabeth I, xuất bản cuốn sách De Magnete. Trong cuỗn sách này lần đầu tiên, W. Gilbert chỉ ra rằng về thực chất, Trái đất là một chiếc nam châm không lỗ. Ông đã đưa ra giả thuyết cho rằng Trái đất là một quả cầu nhiễm từ dong nhât, nguôn gốc va đặc diém nhiềm từ của Trái dat năm chính trong bản thân nó.
Nếu ta giả thiết rằng momen từ tập trung ở trong một chiếc nam châm nằm cách tâm Trái đất khoảng 400 km thì hướng của chiếc nam châm này tạo với trục quay của Trái đất một góc khoảng 11,5°. Trường do nam châm tạo nên gọi là trường lưỡng cực. Cực từ của bán cầu Bắc năm cách cực địa lý 1900 km, Góc lệch giữa kinh tuyến địa lý và kinh tuyến từ do kim la bàn chỉ gọi là góc từ thiên. Chúng ta có thé hình dung ra các đường sức không nhìn thay của trường địa từ như hình 1.3 nếu tưởng tượng răng Trái đất có một thanh nam châm trong lòng của nó va hướng từ Bac xuông Nam.
Cac thành phần của trường địa từ: Trường lưỡng cực thé biện gần đúng nhất từ thực của Trái đất. Hiện tai, trục lưỡng cực tạo với trục địa lý một góc 11,5°. Cùng như mọi trường vector khác. các đại lượng quan tâm là độ lớn và hướng của trường tại các điểm khác nhau trên mặt đất và không gian xung quanh.
Khi treo một kim nam châm bằng một sợi đây để nó có thé quay theo bat cứ hướng nao, kim nam châm sẽ nằm song song với đường sức địa phương của trường địa từ và chỉ về hướng Bắc. Trường địa từ được mô tả bằng các tham số sau (xem hình 1.4): H Z « l ` hướng h Š ; \ : NI vào tâm v `\ os ak X ' am Trai dat , 1 ~“” F \ il sae vĩ or” M_.~” F - Cường độ toàn phân D - Độ từ thiên I[= Độ từ khuynh H - Thành phan năm ngang Z.— Thành phan thăng đứng Hình 1. Các thành phần của trường địa từ. 4 Tham số mô tả hướng của trường địa từ: % Độ từ thiên D: góc giữa phương Bắc từ và phương Bắc địa lý.
+ Góc D được tạo thành giữa kinh tuyến địa lý (hướng Bắc) và thành phan nằm ngang H của vector trường toàn phân E. + Độ từ thiên sẽ dương khi phương Bắc từ nằm về phía Đông của phương Bắc địa lý, ngược lại độ từ thiên âm. Do từ khuynh I: + Góc I là góc giữa vector F và thành phan năm ngang H. + I có giá trị trong khoảng -90° đến 90°.
Ở Bắc bán cầu, cực Bắc của kim nam châm nằm phía đưới mặt phẳng nằm ngang. Khi đó độ từ khuynh dương. Ngược lại, ở Nam bán cầu, cực Bắc của kim nam châm nam ở phía trên mặt phẳng năm ngang, được quy ước là độ từ khuynh âm. % Tham số chỉ cường độ toàn phan F: được miêu tả bởi thành phan nằm ngang H và thành phan thăng đứng Z, thành phần Bắc từ X.
thành phan Đông từ Y của cường độ nằm ngang H. + Mặt phăng thăng đứng đi qua thành phần H được gọi là mặt phẳng kinh tuyến từ. + Cường độ từ trường lớn nhất ở các cực và yêu hơn ở gần xích dao. + Được tính bằng nanoTesla hoặc Gauss với: [Gauss = 100.
+ Cường độ trường địa từ thay đổi trong khoảng 25. Dé thay rằng cường độ trường địa từ trên bề mặt Trái đất không lớn. ta so sánh với một nam châm tủ lạnh có từ trường khoảng 100 Gauss. Tai một diém O bat ky trén mat dat, vector trường địa từ được đặc trưng bởi hướng và cường độ mà chúng ta có thê đo được.
Người ta sử dụng 2 cách đo dé xác định vector trường địa từ. + Cách I: Do T là giá trị tuyệt đôi của vector F, góc D va I. Góc D đương nếu H lệch về phía Đông, góc I đương khi H hướng xuống dưới so với mặt phẳng ngang. + Cách 2: Sử dụng việc phan tách vector F ra các thành phan X, Y va Z- 1a thành phan Bắc (X) và Đông (Y) của thành phan nằm ngang H và thành phan thing đứng (Z).
Z đương nếu F hướng xuống đưới. Tất cả 7 giá trị T, H, X, Y, Z, D, I được coi là các thành phan của trường địa từ. Chúng liên hệ với nhau theo các biéu thức sau: H=Fcos! ; Z=FsinI = Htan! X =HcosD : V=HsinD X?+y2=H? ; X?+Y?+Z?=Hˆ+7? =T? 1. Cực từ và cực dia từ: s%% Cực từ: Thường dé đo độ từ khuynh người ta dùng kính kinh vĩ từ: kim la bàn quay trong mặt phang kinh tuyến trên một trục năm ngang.
Tại vị trí mà thành phần nằm ngang bằng 0, kim la bàn hướng thăng đứng gọi là cực từ. Có hai vị trí như vậy, một ở phía Bắc gọi là cực từ Bac, một ở phía Nam gọi là cực từ Nam. Cực địa từ Bac " N (cực Bắc địa lý) Cực từ Bắc (I = 90°) Xich Xich dao tir <— dao (I= 0°) | dia ly Xich an dao Cwe tir Nam dia tir (I =-90°) kL Cực địa từ Nam S (cực Nam địa lý) Hình 1. M6 hình lưỡng cực từ có trực xuyên tâm nghiêng.
Có hai cách xác định cực từ: %% Cách I: Sử dụng kim la bàn. Dé là khí kim la ban có vị trí thắng đứng. % Cách 2: Sử dụng mô hình trường địa từ. Cực từ là nơi mà độ từ khuynh được xác định băng 90° ở cực bắc và bằng -90° ở cực nam.
Trên thực tế, cực từ quan trắc được không phải là một điểm đơn độc, mà nó là một khu vực, nơi có “nhiều cực từ" tồn tại. Việc xác định cực từ thường rất khó vì mây lý do: - Độ từ khuynh gan bằng 90° trên một vùng rộng. - Khu vực cực không phải là những điểm có định mà nó chuyên động trong khoảng từ 10 đến hàng trăm km do ảnh hưởng của biến thiên ngày đêm và bão từ. - Ving cực là vùng rất khó đi tới bang các phương tiện giao thông bình thường.
Hai cực từ di chuyên độc lập nhau và không ở 2 vị trí đối diện trên mặt đất, tức lả đường nôi 2 cực từ không đi qua tâm Trái dat. Cục Địa chất Canađa là cơ quan nhận trọng trách xác định cực từ Bắc. Cực này đi chuyển chậm trên vùng biển Bắc Băng Dương thuộc Canada và họ phải đo lặp lại đều đặn đề xác định vị trí cực từ Bắc. Lần đo lặp gần đây nhất là vào tháng 5 năm 2001 đã xác định được vị trí của cực từ Bắc và khăng định là cực từ Bắc đang dich chuyên vẻ phía Tây Bắc với tốc độ khoảng 40 km/ năm.
Đường dịch chuyển của cực từ Bắc qua phía Bắc Canada giai đoạn 1831-2001. “+ Cực dia tir: Trong nghiên cứu địa từ người ta còn sử dung khái niệm cực địa từ (hay còn gọi là lưỡng cực từ đồng tâm). Khi lấy gần đúng, trường từ của Trái dat sẽ tương tự trường của một lưỡng cực từ. Nếu một đường thăng được vẽ đi qua lưỡng cực từ đặt tại tâm Trái đất thì hai vị trí mà nó cắt bẻ mặt Trái đất được gọi là cực Bắc địa từ và cực Nam địa từ.
Hai vị trí này thường được dùng để tính tọa độ địa từ. Nếu từ trường Trái đất hoàn toàn lưỡng cực, các cực địa từ và cực từ sẽ trùng nhau và các la bàn sẽ chỉ về chúng. Tuy nhiên, từ trường Trái đất có sự đóng góp đáng kế của yêu tô không lưỡng cực nên các cực địa từ và cực tử không trùng nhau. Xích đạo từ và xích đạo địa từ: Vùng giá trị I dương va âm được phân chia bởi một đường, theo đường này độ từ khuynh I = 0, gọi là đường xích đạo từ.
Tại xích đạo từ, kim la bàn luôn nằm ngang. Phía Bắc của xích đạo từ, I vá Z có giá trị đương. Phía Nam của xích đạo từ, I và Z có giá tri âm. Không giống như xích đạo địa lý, xích đạo từ không có định mà thay đổi chậm chạp.