Từ trường của trái đất - liệu còn hay mất ?

Từ trường của trái đất - liệu còn hay mất ?

Các đài quan trắc ghi hoạt động của từ trường Trái Ðất (địa từ) cho thấy cường độ địa từ giảm đều đặn từ 150 năm nay mỗi năm giảm 0,05%. Với nhịp điệu này, thì có khả năng nó sẽ mất đi trong hai nghìn năm tới. Khuynh hướng này thực sự có ý nghĩa gì ? Các nhà chuyên môn phải đi tìm câu trả lời trong lịch sử địa chất.

Thật ra, địa từ đã tồn tại từ ít nhất 3,5 tỉ năm. Chủ yếu, nó là lưỡng cực, nghĩa là giống như một thanh nam châm khổng lồ đặt ở tâm trái đất. Tuy nhiên, địa từ biến đổi nhiều theo các thời đại địa chất những đổi thay ấn tượng nhất là các sự đảo ngược cực từ: chỉ vài nghìn năm, có khi vài trăm năm cực từ Bắc đã đột ngột biến đổi thành cực Nam, lúc đó kim la bàn lại chuyển về Nam - và sau đó ngược lại. Còn cường độ từ trường lại giảm mạnh. Tần số đảo cực thay đổi thất thường: ví dụ trong suốt 780.000 năm không hề có một lần đảo cực, nhưng trong khoảng ba triệu năm trước đó lại xảy ra không ít hơn 11 lần. Người ta đã thiết lập được chuỗi các biến cố này từ những năm 1970, nhưng về sự biến đổi của cường độ từ trường trong một thời hạn dài thì người ta biết được còn quá ít.

Thế nhưng, muốn hiểu và giải thích được sự giảm cường độ từ trường hiện nay, thì ta phải đi ngược dòng thời gian địa chất. Có thể, địa từ có những dao động đều chăng ? Và như thế, thì căn nguyên là ở đâu ? Liệu có mối liên hệ gì giữa cường độ địa từ với sự khởi động các đảo cực ? Thành thử, khi tái lập lại các độ biến thiên của địa từ trong quá khứ, các nhà địa từ học hy vọng sẽ tìm được đáp án cho những vấn đề nói trên.

Từ năm 1935, người ta thực hiện các phép đo đầu tiên trên các cổ vật và các dòng nham thạch và nhận thấy các oxyt sắt trong sét đồ gốm, gạch hay các dòng nham thạch đều xếp thẳng hàng dọc theo phương của từ trường xung quanh khi các vật liệu nguội đi. Sự định hướng của các "nam châm" cực nhỏ đó, cố định không nhúc nhích ở nhiệt độ xung quanh và có thể được giữ nguyên gần như vô hạn. Ta nói đó là sự "từ dư". Ta đã biết mỗi nam châm đều được đặc trưng bởi một "mômen từ", đặc trưng cho phương chiều và cường độ từ hóa của nó.

Thành thử, việc đo mômen từ của các mẫu lấy theo một định hướng đã biết, cho phép ta tái dựng lại chiều của từ trường thuở các mẫu vật nguội lạnh đi. Còn việc xác định cường độ từ trường lúc đó có khó khăn hơn vì phải nung nóng các mẫu, và như thế đã làm thay đổi từ tính của mẫu vật.

Thu thập dấu vết

Ðộ từ dư của các vật liệu khảo cổ và núi lửa cho ta một bức ảnh gần như tức thời của từ trường địa phương. Muốn từ đó, suy ra các đặc trưng của từ trường tổng quát, thì phải thực hiện nhiều quan sát phân phối đều trên trái đất.

Năm 1982, với các dữ liệu về độ từ dư thu thập trên các mẫu gạch và đồ gốm, nhóm nghiên cứu Mike Mc Echinny trường đại học quốc gia ÚC Ở CANBERRA ÐÃ VẼ LẠI ÐƯỢC SỰ biến đổi cường độ địa từ trong suốt mười hai thiên niên kỷ vừa qua (Hình 1). Ðược hoàn thiện thêm bởi nhiều số đo mới, nhưng về toàn bộ, đường cong chuẩn này hầu như không thay đổi. Ví dụ: mômen lưỡng cực từ trái đất (mômen lưỡng cực địa từ) hiện nay là cỡ 7,8 . 1022 A.m2 trong khi cách đây hai nghìn năm trước là gần giá trị 12.1022 A.m2 và cách đây tám nghìn năm lại nhỏ hơn hai lần.

Hình 1.Mười hai thiên niên kỷ. Từ 150 năm nay, cường độ địa từ lưỡng cực đo được tại các đài quan sát (khung nhỏ) suy giảm không ngừng với nhịp điệu 0,05%/năm. Thế nhưng, các biến thiên trong mười hai nghìn năm gần đây được tái tạo lại nhờ các dữ liệu khảo cổ, chứng tỏ rằng khuynh hướng suy giảm nói trên không thể hiện được sự biến đổi tổng thể.

Sự phân tích các dòng nham thạch núi lửa rõ ràng cho phép ta đi ngược lại thời gian xa xưa hơn, nhưng khó khăn là ở chỗ các phun trào xảy ra lại lác đác, lẻ tẻ không theo một nhịp điệu tuần tự nào và tuổi càng tăng thì độ bất định trong việc xác định niên đại càng lớn.

Ðể có được hình ảnh biến thiên liên tục hơn của địa từ trường, từ mười lăm năm nay, người ta bắt đầu quan tâm đến các tầng trầm tích. Dưới tác dụng của từ trường, các hạt từ tính chứa trong các hạt trầm tích được định hướng dưới đáy biển giống như các kim la bàn. Như vậy, chúng ghi liên tục các biến thiên địa từ, nhưng vì các hạt lắng đọng từ từ, nên chúng không nhạy với các biến đổi nhanh. Thành thử sự từ hóa một cột các tầng trầm tích, về nguyên lý, cho phép tái dựng lại quá trình biến đổi của phần lưỡng cực của địa từ trường.

Tuy nhiên, việc đo độ từ hóa còn phụ thuộc nhiều yếu tố, do vậy, người ta chỉ có thể từ đó suy ra các biến đổi tương đối của cường độ từ trường. Muốn rút ra các giá trị tuyệt đối của cường độ từ trường, thì phải đối chiếu các số ghi trên nham thạch núi lửa và trên các tầng trầm tích trong cùng thời kỳ. Sự so sánh kết quả trong tám chục nghìn năm gần đây cho thấy có sự phù hợp giữa hai loại dữ liệu, do đó làm tăng hiệu lực chất lượng của các số đo từ trường theo các tầng trầm tích. Vì vậy, phương pháp này được nhiều nhóm nghiên cứu triển khai. Cho đến năm 1994 đã có mười lăm nhóm dữ liệu tách biệt, cho phép dựng được một đường cong toàn bộ, mô tả được sự biến đổi cường độ của lưỡng cực địa từ trong hai trăm nghìn năm trở lại đây.

Có phải khí hậu gây ra các biến thiên địa từ ?

Việc còn lại là phải chứng thực rằng sự biến đổi này của địa từ trường không phải do các yếu tố khí hậu gây ra. Thực vậy, những sự thay đổi khí hậu chỉ có thể làm biến đổi mạnh mẽ bản chất các trầm tích, nghĩa là các đặc trưng từ của chúng, và do đó làm thay đổi cường độ của sự từ hóa.

Chỉ có một vật chứng duy nhất chỉ thị các biến thiên địa từ, nhưng không nhạy cảm với khí hậu là có thể cho phép phân biệt được nguồn gốc các thăng giáng. Ðó là bêrili -10(, một đồng vị phóng xạ được sản sinh ở tầng cao của khí quyển do phản ứng của tia vũ trụ với nitơ và ôxy. Thế nhưng phần lớn các hạt tích điện trong tia vũ trụ lại bị các đường sức địa từ trường làm lệch. Màn chắn này càng mạnh nếu cường độ từ trường càng cao. Thành thử, sự sinh sản 10Be được điều biến bởi cường độ địa từ trường.

Sau khi lưu lại trong nhiều bể chứa (khí quyển, đại dương,...), cuối cùng nguyên tố này hợp nhất với các trầm tích. Khi đo các độ biến thiên nồng độ của của nguyên tố này dọc theo cột trầm tích, ta có thể biết được các độ biến thiên tương đối của cường độ địa từ ngược dòng thời gian xa xưa về trước. Tất nhiên, phép đo này rất tinh tế và phải tiến hành dài ngày. Và đây, chính là công việc mà nhóm Martin Frank thuộc trường đại học Oxford đã thực hiện năm 1997 với 19 lõi khoan trầm tích dưới đáy đại dương mà mặt cắt tổng thể được đối chiếu với các kết quả đã đo trong khoảng 200.000 năm về trước. Nếu kể đến những sai lệch do độ bất định về các niên đại, thì có sự phù hợp khá tốt giữa các dữ liệu của hai phương pháp nói trên.

Sau đó, người ta lại so sánh các kết quả đo tiến trình hình thành một đồng vị phóng xạ khác là clo-36 ( chu kỳ bán rã 3.105 năm) trong băng giá của đảo Gronland với các độ biến thiên từ trường trái đất trong sáu chục nghìn năm gần đây trong các lớp trầm tích ở Bắc Ðại Tây dương.

Một điều lý thú là tất cả các đường cong đo được đều có dạng giống nhau, do đó cho phép xác nhận một cách đúng đắn rằng các độ biến thiên của cường độ lưỡng cực từ đều khởi nguồn từ các tín hiệu trầm tích.

Tin vui mở đường.

Với cách nghiên cứu có hiệu quả như trên, ta có thể tiếp tục đi theo phương hướng đó. Do vậy, với ba mươi biểu đồ ghi trong năm 1999, người ta đã tái tạo lại được quá trình biến đổi của từ trường trái đất trong tám trăm nghìn năm qua (H.2).


Hình 2.Nhờ việc đo độ từ hóa của các tầng trầm tích dưới đáy các đại dương phân bố trên toàn trái đất, người ta tái tạo lại được cường độ địa từ biến đổi trong 800.000 năm qua. Ta thấy rõ các thời kỳ cường độ mạnh yếu xen kẽ nhau. Cường độ giảm mạnh nhất cách đây 780.000 năm tương ứng với sự đảo cực của địa từ trường có tên là Brunhes-Matuyama. Lúc đó cực từ Bắc tương ứng với cực Nam địa lý.

Ta thấy từ trường biến đổi rất lớn, mạnh, yếu xen kẽ nhau. Thêm vào đó các cực tiểu cường độ rõ nét nhất lại đều trùng với các phương dị thường. Ví dụ, cách đây 35.000 năm, cường độ của lưỡng cực từ ít nhất cũng giảm đi 75% so với giá trị ngày nay của nó.

Từ những năm 1960, người ta hay đề xuất ý kiến cho rằng sự biến thiên của quỹ đạo trái đất trong thời gian dài (nhất là chuyển động tuế sai của trục quay trái đất với chu kỳ 23.000 năm) có thể làm thay đổi chuyển động của chất lỏng dẫn điện trong nhân trái đất. Và đấy là nguyên nhân khởi thủy của các biến thiên của cường độ địa từ. Tuy nhiên, trong 800.000 năm gần đây chỉ có một chuỗi bất thường các thăng giáng biên độ địa từ mà không hề có một tính chu kỳ nổi trội nào.

Sự đảo cực địa từ

Mặc dù mang nhiều thông tin phong phú, nhưng thời kỳ 800.000 năm qua cũng chẳng cho ta biết gì về mối liên quan giữa sự biến đổi cường độ địa từ trường với các đảo ngược chiều cực địa từ. Người ta đã biết cường độ từ trường rất yếu chỉ cỡ 10% giá trị từ trường hiện nay, khi có đảo cực, nhưng người ta vẫn còn chưa biết nó đã tiến hóa như thế nào trước và sau các đảo cực từ đó.

Như vậy, cần phải ngược dòng thời gian dài hơn nữa về quá khứ. Nhờ có sự hoàn thiện dần các kỹ thuật khoan các tầng trầm tích đại dương, ta có thể đi sâu vào các thời đại trước. Một loạt các phép đo đầu tiên ở vùng Thái Bình Dương xích đạo và ẤN ĐỘ DƯƠNG, ÐÃ PHÁC HỌA LẠI 4 triệu năm tiến hóa của cường độ địa từ qua 11 lần đảo cực từ liên tiếp (H.3). Các kết quả kỳ lạ khiến ta phải suy nghĩ cường độ dường như giảm từ từ trước mỗi lần đảo cực. Rồi sau vài thăng giáng chập chờn, cường độ tăng vọt lên, tất cả chỉ trong vài nghìn năm. Nhiều chuỗi phép đo trên các đại dương khác cũng chứng thực cùng một kiểu biến đổi theo "hình răng cưa" như trên của địa từ trường, và do đó, thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu cả về phương diện lý thuyết lẫn thực nghiệm.


Hình 3.Các kết quả đo, biểu diễn cường độ lưỡng cực từ biến đổi trong 4 triệu năm gần đây (với quy ước cực tính hiện giờ là dương và là âm trong trường hợp ngược lại). Cứ mỗi lần có đảo cực, lại lặp lại cùng một kịch bản như nhau: trước khi đảo chiều, cường độ giảm dần dần, rồi bỗng tăng đột ngột khi chuyển sang cực tính mới.
Tuy nhiên dạng răng cưa nói trên cũng còn phải luận bàn vì có thể do các cơ chế ghi nhận độ từ hóa gây ra và vì trong một số các tầng trầm tích lại không thấy xuất hiện dạng răng cưa như thế.

Còn các dữ liệu đo được trên các dòng nham thạch núi lửa tuy rất phù hợp với các dữ liệu ghi trên các tầng trầm tích, nhưng lại hơi tản mạn. Việc đo 10Be hình thành trong các thời kỳ cổ xưa đòi hỏi một sự tinh tế cao, vì sản lượng Be dường như không đổi một cách kỳ lạ trong suốt thời gian giữa hai lần đảo cực (cỡ 800.000 năm và 1 triệu năm) kể cả khi có đảo cực, trong khi cường độ địa từ lại sụt giảm mạnh (kết quả đo của Raisbeck và Yiou trường đại học Orsay).

Tổng kết lại, ta thấy từ trường trái đất biểu hiện rất không ổn định. Những bất thường lớn từ những thời kỳ rất ngắn cho đến các giai đoạn lệch phương và đảo cực đều là hậu quả của sự suy sụp trường lưỡng cực. Nhưng ngay tiếp sau lại có sự tăng mạnh của cường độ từ trường, biểu thị một sự bền vững của hệ nam châm trái đất. Cho đến nay, người ta vẫn chưa quan sát thấy một tính chu kỳ nào. Do đó, chưa thể dự đoán một sự đảo cực sắp tới hay một sự tiếp tục suy yếu của thành phần lưỡng cực từ. Trường địa từ vẫn còn, chưa mất !

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 2900km, 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.

Một nam châm khổng lồ.

Ngay từ năm 1838, Gauss, 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.

Nhưng 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 !

(La Recherche, 3-2002)

 

 


Công ty TNHH Thương Mại Kỹ Thuật ST&P

Địa chỉ: Số 14 Mai Động - Hoàng Mai - Hà Nội

Điện thoại: (+84) - 43.9951273   Fax: (+84) - 43.6320948

Hotline: (+84) - 903.40.90.95

Email: vnstp.com@gmail.com

Website: http://www.namcham.biz


 

free pokereverest poker revie

HỖ TRỢ TRỰC TUYẾN

Hỗ trợ Online


Kỹ thuật - KD

NAM CHÂM - SẢN PHẨM

HÌNH ẢNH CÔNG TRÌNH

Nam châm bản

 


 

Nam châm lọc sắt

 


 

Máy tuyển từ