Những bí ẩn về từ trường với việc Mất tích.

Những bí ẩn về từ trường của Trái Đất

I. - GIỚI THIỆU:

Phần lớn các vật chất thiên văn trong vũ trụ như hành tinh, các vì sao và các dải thiên hà đều có từ trường. Các từ trường này đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển của các vật chất trong không gian. Từ trường của Trái Đất cũng rất quan trọng với cuộc sống trên hành tinh. Nó bảo vệ chúng ta, giúp ta tránh được những tác động có hại của các tia vũ trụ và gió Mặt Trời.

Nếu không có từ trường, chúng ta sẽ không ngừng bị các vật chất độc hại tấn công và cuộc sống không thể duy trì trên Trái Đất.

Tìm hiểu cơ cấu hoạt động, nguyên nhân phát sinh ra từ trường Trái Đất, các hành tinh và các vì sao, là mục tiêu mà rất nhiều nhà khoa học trên thế giới  Đồng  thời cũng đặt ra nhiều câu hỏi cho các thế hệ học sinh ham hiểu biết.

Tài liệu này ghi lại một số tìm tòi của Nhóm HS lớp 11A3 - trường PTTH Lê Hồng Phong về những vấn đề liên quan từ trường Trái Đất, kem theo xin cập nhật vài thông tin mới nhât mà các nhà khoa học mới chứng minh, khám phá

II.-NHỮNG CÂU HỎI ĐẶT RA

1/ Từ trường trái đất có từ đâu?

1.1/ Cách giải thích đơn giản :

Từ trường xuất hiện trong lòng trái đất . Nơi đó có nhân trái đất được cấu tạo chủ yếu là sắt. Nhân rắn bên trong được bao bọc bởi cái vỏ bằng sắt dạng lỏng. Do sức nóng từ trong nhân, kim loại sẽ chảy tràn lên bề mặt nhân, nguội đi và lại chìm xuống phía dưới. Đồng thời nó chảy theo đường xoắn ốc do trái đất quay. Sự chuyển động của sắt có khả năng dẫn điện sẽ làm xuất hiện một nguồn điện, tương tự như một máy phát điện khổng lồ. Và khi có dòng điện chảy thì sẽ xuất hiện từ trường.

Hình dạng của từ trường cũng giống như từ trường của một thỏi nam châm. Từ trường đi ra từ bán cầu nam và đi vào phía bán cầu bắc của trái đất. Hai nơi này được gọi là cực từ. Nó không trùng với cực nam và cực bắc địa lý mà cách nhau vài trăm cây số.

1.2/ Cách giải thích sâu hơn (Nguồn gốc của địa từ trường)

Trái đất coi như có cấu tạo gồm một vỏ bao ngoài (đá silicat hóa) từ mặt đất (0 km) đến độ sâu 2900 Km, một lõi cứng ở tâm, bán kính cỡ 1300km, và ở giữa là một nhân lỏng, chủ yếu là sắt nóng chảy từ độ sâu 2900 km đến độ sâu 5100km. Nhân là một chất dẫn điện rất tốt ở phần trên, nhiệt độ tới 3000oC và áp suất hơn một triệu at-môt-phe. Ở PHẦN DƯỚI, ÁP SUẤT LÊN TỚI 3,5 triệu atmôtphe khiến cho lõi trở thành cực kỳ cứng. Sự truyền tải nhiệt trong nhân lỏng thực hiện bằng đối lưu, vật chất nóng chuyển lên trên mặt, vật chất lạnh chuyển xuống dưới sâu và nguồn gốc của từ trường gắn liền với chuyển động đối lưu của chất lỏng dẫn điện này. Hoạt động của nó giống như hoạt động của một máy phát điện tự kích, nghĩa là không có sự tham gia của các hiện tượng bên ngoài.
 

2.- Lịch sử nghiên cứu

Vào năm 1600, nhà vật lí người Anh W. Gilbert đã đưa ra giả thuyết Trái đất là một nam châm khổng lồ. Ông đã làm một quả cầu lớn bằng sắt nhiễm từ, gọi nó là "Trái đất tí hon" và đặt các từ cực của nó ở các địa cực. Đưa la bàn lại gần trái đất tí hon ông thấy trừ ở hai cực, còn ở mọi điểm trên quả cầu, kim la bàn đều chỉ hướng Nam Bắc. Hiện nay vẫn chưa có sự giải thích chi tiết và thỏa đáng về nguồn gốc từ tính của Trái Đất.

Năm 1940, một số nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết "Đinamô" để giải thích nguồn gốc từ trường của trái đất. Theo thuyết này thì từ trường Trái đất chủ yếu được hình thành từ các dòng đối lưu trong chất lỏng của trái đất ở độ sâu trên 3000 km. Sự khác biệt về nhiệt độ trong chất lỏng của trái đất đã làm xuất hiện các dòng đối lưu. Nếu trong nhân của trái đất có một " từ trường nguyên thuỷ " thì các dòng đối lưu trên sẽ có vai trò như một cuộn dây trong máy phát điện. Dòng điện nhờ đó được hình thành và chính nó đã tạo ra từ trường cho trái đất. Tuy nhiên thuyết vẫn còn một số điểm chưa rõ ràng. Trong quá trình hình thành từ trường trái đất, cần có "từ trường nguyên thuỷ", nhưng từ trường này được hình thành từ bao giờ và bằng cách nào? Đây là một trong những tồn tại chưa giải quyết được của các ngành khoa học về Trái đất.

3 . Cách giải thích của Gauss ( Trái đất - Một nam châm khổng lồ)
Ngay từ năm 1838, , đã chứng tỏ rằng nguồn gốc chính của từ trường đo được trên mặt địa cầu lại định vị trong lòng trái đất. Còn các nguồn khác, gọi là các nguồn bên ngoài, định xứ ở các tầng cao khí quyển và xa hơn nữa, thì đóng góp không đáng kể chỉ vào cỡ sai số các phép đo.

Giống như một dây đàn dương cầm rung động theo một âm cơ bản và các họa âm, từ trường do nguồn gốc nội tại cũng được phân tích thành một thành phần nổi trội và các thành phần thứ cấp. Khi dời xa nguồn, các thành phần thứ cấp suy giảm rất nhanh. Tín hiệu từ chính yếu, còn gọi là trường lưỡng cực định tâm, giống như tín hiệu từ do một thanh nam châm khổng lồ đặt tại tâm trái đất gây ra. Cường độ của thành phần này chiếm khoảng 90% cường độ từ trường tổng cộng đo trên Mặt Ðất. Thành thử, trên Trái Ðất có trường lưỡng cực chiếm ưu thế, thì chỉ có hai cực từ, nghĩa là có hai điểm "đối nhau", mà tại đó từ trường địa phương là "thẳng đứng". Hiện nay, lưỡng cực nghiêng 11,5 độ so với trục quay quả đất. Vị trí của lưỡng cực thay đổi theo thời gian, nhưng trung bình cứ khoảng chục nghìn năm thì trục lưỡng cực lại trùng với trục quay.

Còn trường phi lưỡng cực, nghĩa là thiếu mất thành phần lưỡng cực nói trên, lại vô cùng phức tạp với số cực rất cao (tứ cực, bát cực, v.v....). Trong những khoảng thời gian cỡ vài trăm hay vài nghìn năm, thì các độ biến thiên trung bình của trường phi lưỡng cực này bằng không. Do vậy, ở thang cỡ chục nghìn năm thì trường địa từ quy về trường của một lưỡng cực định tâm mà các cực từ tương ứng với các cực địa lý.

2/ -Nếu từ trường Trái Ðất mất đi ?...
Dĩ nhiên, lúc đó mọi cơ cấu dẫn hướng theo la bàn từ đều mất tác dụng. Nhưng may thay, ngày nay các máy bay, tàu biển đã sử dụng được song song nhiều công nghệ định vị, dẫn đường như vệ tinh, rađa, hay các hệ thống hàng hải, hàng không quán tính. Thành thử lo ngại chính ở đây là sẽ mất đi màn chắn từ bảo vệ Trái Ðất khỏi bức xạ vũ trụ (chủ yêú là các prôtôn năng lượng rất cao từ các thiên hà và Mặt Trời đi tới).

Còn một số loài chìm di cư, loài rùa, thậm chí một số loại vi khuẩn sử dụng địa từ trường để dẫn đường, có thể sẽ bị rối loạn. Tuy nhiên chắc chắn chúng vẫn có thể tổ hợp vài hệ thống định vị khác nhau để dò đường, khỏi lạc.

Mặt khác, như các nghiên cứu quá trình biến đổi của địa từ trường đã nêu trên, thì từ trường Trái Ðất không phải đột ngột mất đi, mà phải trải qua thời gian khá dài, ít nhất cũng phải vài trăm, vài nghìn năm. Như thế sẽ có đủ thời gian cho con người điều chỉnh được các thiết bị liên quan và nhiều thế hệ sinh vật có thể thích nghi dần. Và sự sống vẫn sẽ tồn tại !

(Nhóm Quế Cường + Hòang Vũ - lớp 11A3 - trường Lê Hồng Phong )

III.- NHỮNG  PHÁT HIÊN, CHỨNG MINH MỚI NHẤT

1/ Những điều thú vị về từ trường trái đất

Là tấm chắn bảo vệ trái đất, nhưng là tấm lá chắn vô hình, nên không ai có thể nhìn thấy từ trường trái đất. Song, chính cực quang lại tiết lộ cho chúng ta - những "người trần mắt thịt" - biết nó ở đâu.

Mặt trời không chỉ đem đến ánh sáng và hơi ấm mà còn là mối hiểm nguy của con người. Lý do: mặt trời liên tục phóng ra các hạt giàu năng lượng - gió mặt trời - vào vũ trụ và về hướng trái đất. Trước khi các hạt đó có thể chạm vào hành tinh của chúng ta thì chúng đã bị một tấm chắn ngăn lại, đó là từ trường của trái đất. Các nhà vật lý khẳng định rằng từ trường ngày càng yếu đi và sẽ dẫn đến sự thay đổi cực.

2/ Từ trường giảm đi sẽ là thảm họa?

Từ trường là tấm chắn bảo vệ cho trái đất. Từ trường giảm đi thì ngày càng có nhiều tia cực tím đến bề mặt. Điều đó nghĩa là gì thì các cơn bão mặt trời trong quá khứ đã chỉ ra: Tháng giêng năm 1997 nó làm tê liệt một vệ tinh viễn thông trị giá 200 triệu dollar. 8 năm trước đó, nó đã làm hỏng mạng lưới điện ở Canada.

Các nhà khoa học cho rằng còn phải tính đến sự thay đổi thời tiết và khí hậu. Những cơn giông tố có lẽ sẽ xảy ra thường xuyên hơn và mạnh hơn. Lốc xoáy, lũ lụt cùng các kỳ hạn hán sẽ trở thành thông lệ.

Đối với một số loài động vật thì từ trường rất quan trọng vì chúng sử dụng từ trường để định hướng. Kiến, chim di cư, rùa và cá mập có lẽ sẽ lạc hướng nếu không có từ trường.

3/ Sự thay đổi của từ trường trái đất ? (Đổi cực sẽ xảy ra )

Thực sự là địa từ trường đã yếu đi rõ ràng - một dẫn chứng cho việc cứ một triệu năm có một lần thay đổi cực. Các nhà vật lý địa cầu đã tính toán rằng chậm nhất là 1.000 năm nữa thì điều đó sẽ xảy ra.

Từ trường vươn ra ngoài vũ trụ hơn 60.000 km. Nó tạo thành một cái vỏ bảo vệ chung quanh trái đất. Sự bảo vệ này là cần thiết vì mặt trời không ngừng phát ra các hạt tích điện, còn được gọi là gió mặt trời. Từ trường cản gió mặt trời và dẫn nó đi vòng qua trái đất. Từ trường bị biến dạng bởi gió mặt trời, hướng phía mặt trời bị nén lại, còn hướng kia thì xuất hiện một cái đuôi dài, có thể vươn vào vũ trụ đến 250.000 km.

4/ Tại sao từ trường trái đất lại giảm?

Nguyên nhân từ trường giảm nằm ở trong lòng trái đất. Ở đó kim loại chảy lỏng xoay vòng quanh nhân ngoài. Bằng chuyển động cắt ngang từ trường nó tạo ra một dòng điện, dòng điện đó cũng tạo ra một từ trường nữa. Giả sử như hướng chuyển động đó giữ nguyên thì từ trường trước đó vẫn nguyên vẹn. Nhưng do đường chuyển động của nó thường xuyên thay đổi, từ trường được tạo ra cũng thay đổi và làm giảm bớt đi từ trường có trước.

5/ Kết quả là trái đất đổi cực?

Cứ khoảng 1 triệu năm thì cực từ của trái đất thay đổi. Theo sự phỏng đoán của các nhà vật lý trái đất thì khi thay đổi cực, từ trường của trái đất không ổn định và phân ra làm nhiều từ trường nhỏ, bao bọc lấy trái đất khắp mọi hướng. Sau đó thì từ trường sẽ ổn định trở lại nhưng theo hướng ngược lại. Điều đó có nghĩa là đường đi của từ trường sẽ không phải là từ Nam đến Bắc mà từ Bắc đến Nam.

6/ Từ trường trái đất - nguyên nhân của các hiện tượng tự nhiên

Không chỉ có các nhà vật lý mới bận tâm đến từ trường của trái đất. Thực tế thì từ trường cũng đóng một vai trò quan trọng trong thế giới động vật. Không có nó thì các loài chim di cư sẽ mất phương hướng. Nhà động vật học, giáo sư Wolfgang Wiltschko, người nghiên cứu hơn 35 năm qua về giác quan cảm nhận từ trường của chim di cư, đã chứng minh được điều đó bằng một thử nghiệm thông minh: trong một cái phễu lớn không có khả năng định hướng, Wiltschko đã nhốt một con chim hồng tước và để nó tìm hướng bay. Cũng như các loài chim di cư khác thường thay đổi hướng bay theo mùa. Mùa thu chúng bay về vùng ấm áp hơn ở phương Nam, trong tháng tư chúng lại bay trở về phương Bắc. Trong cuộc thử nghiệm, con hồng tước vẫn định hướng được rõ ràng về phương Bắc mà không có sự chỉ đường của thiên nhiên như vị trí mặt trời hay các vùng núi. Nếu cực từ tiếp tục dịch chuyển với tốc độ nhanh, thì điều này sẽ là một vấn đề nghiêm trọng đối với các loài chim di cư trong tương lai.

7/ Từ trường của Trái Đất có ảnh hương sức khỏe ?

Gần đây, các nhà khoa học cho rằng ngoài từ trường chính của trái đất hình thành từ lõi ngoài chiếm 98%, còn có phần từ trường với nguồn gốc bên ngoài trái đất chiếm 2%, phần từ trường này lại hay biến đổi, là phần quan trọng gây ra những tác động đối với cơ thể sống.

Những vật dụng nhiễm từ có khả năng chữa được nhiều bệnh

8/ - Nghiên cứu chưng minh về Từ trường trái đất

Từ trường của Trái Đất có thể được tạo ra bởi các chuyển động mạnh của các chất dẫn điện lỏng trong lòng đất.

Kết quả nghiên cứu này đã được đăng tải trên tờ Le Figaro ngày 12/3/2012

Bằng cách tạo ra sự chuyển động mạnh của dung dịch na-tri lỏng trong ống nghiệm, một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc Trung tâm nghiên cứu khoa học Pháp (CNRS), Trung tâm nghiên cứu khoa học về Trái Đất và môi trường (CEA) và các trường đại học sư phạm tại Pa-ri và Li-ông đã tạo ra được từ trường Trái Đất trong phòng thí nghiệm.

Các nhà nghiên cứu nhận thấy, từ trường được tạo ra mang nhiều đặc điểm giống với từ trường tự nhiên của Trái Đất.

9/ Bản đồ địa từ trường

Cũng như nam châm, Trái Đất có 2 cực địa từ, không trùng với 2 cực địa lý. Từ cực Bắc có toạ độ 700 Vĩ Bắc Và 960 Kinh Tây, trên lãnh thổ Canada, cách cực Bắc địa lý 800 km. Từ cực Nam có toạ độ 730 Vĩ Nam và 1560 Kinh Đông ở vùng Nam cực, cách cực Nam địa lý 1000 km. Trục từ trường tạo với trục trái đất một góc 110. Các từ cực thường có vị trí không ổn định và có thể đảo ngược theo chu kỳ. Do đó bản đồ địa từ cũng phải thường xuyên điều chỉnh (5 năm một lần). Việc thu nhập các thông tin từ vệ tinh đã phát hiện các vành đai bức xạ bao quanh trái đất ở môi trường khí quyển trên cao từ 500-600 km dến 60.000- 80.000 km: đó là từ quyển (tầng điện ly trở lên).