Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Đo từ trường trái đất

Vector trường địa từ đo được tại môt vị trí bat ky o gan mat dat duoc hinh thanh tir 3 nguồn: nguồn ở trong nhân Trái đất, nguồn nằm trong vỏ Trái dat và nguồn nằmtrong tầng điện ly và t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

G ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHOA VAT LÝ

.-.000

NGUYEN THUY NHƯ

LUAN VAN TOT NGHIEP DAI HOC

Thành Phố Hồ Chí Minh - 2012

“BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO FONG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHOA VAT LÝ

000

NGUYÊN THÙY NHƯ

ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐÁT

Thành Phố Hồ Chí Minh - 2012

LOI CAM ON

Sau một khoảng thời gian đài thực hiện thì luận văn cũng đã hoàn thành đúng

thời hạn Trong suốt quá trình làm luận văn, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình

của quý thay cô trường Dai học Sư phạm thành phó Hồ Chí Minh Xin cho em gởilời cảm ơn chân thành của mình đến:

- ThS Trương Đình Tòa, người hướng dẫn khoa học, đã dành nhiều thời gian

quý báu của mình dé hướng dẫn va đưa ra nhiều gợi ý cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn này Thay đã tận tình giúp đỡ những lúc em bề tắc, mở

ra hướng đi mới cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

- Thay Nguyễn Hoàng Long đã dành nhiều thời gian hướng dẫn em tìm hiệu các

dụng cụ thí nghiệm, những lúc gặp khó khăn khi thực hiện thí nghiệm thay đều

tận tình giúp đỡ.

- Cô Nguyễn Thanh Loan, người đã tan tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em

có thé hoàn thành tốt việc nghiên cứu của mình

- _ Tiến sĩ Andreas Kastner, chuyên gia của Leybolb, ông đã giải đáp các thắc mắc

một cách tận tình giúp em hoàn thành dé tài của mình.

- Các thầy cô của khoa Vật lý - trường Dai học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh

vẻ những bài giảng nghiêm túc và chất lượng dé em có đủ kiến thức nên tảng

hoàn thành tốt luận văn nảy.

Cuỗi cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn và sự kính trong sâu sắc nhất đôi với sự

động viên, hỗ trợ lớn lao của những người thân yêu trong gia đình, các bạn bè của

khoa Vật lý trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Vì đây là lần đầu tiên thực hiện luận văn nên em còn nhiều thiểu sót, kính

mong quý thầy cô góp ý và chi dẫn dé em học hỏi được nhiều hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 4 năm 2012

MỤC LỤC

TÔNG ‘QUAN :oniniiniioiiiiiitiiiiinitt011310131133116131038363381531885181318333183835148155833385338818535188886838583388 13

CHƯƠNG I: TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐÁT

TT Trưởng địA ẲÙgttttaitititiitttittittiiniitititiiiiittiitiiitiii111101113111513111i1ã4143118543163513ã53ã831383313388313138 15

1.1.1 Sơ lược vẻ lịch sử phát hiện: -©ccs cceEckSEktErkrrktrrkrrrkrrtserrkeerree 15

1.1.2 2010 77 17

1.1.2.1 Các (Hành phần của trường địa từ: sas sscsssessecssncssssonsssasonnsscaconsscnssnonsssonssensonsssensaes 17

1.1.2.2 Cực tù và Cực GA EỒÏ::cccccccicicesrorioiicoiioiigsiitigtigtilt20212011531135155535855851835855655885585558555 20

1.1.2.3 Xích đạo từ vả xích đạo Aja LÙ: óc Lọ HT TH ng ty 23

1.1.2.4 — Các bản đồ phân bố trường địa từ: ccccsssoooeersseororrcee 23

LG HNguÖB8ỗtsosnusnnoosannnaatanoonainiitostiRtibititiiiliiilitliRiiiiiiliiRiiiSIĐ6lg0i088000E0i00008 24

1.1.3.1 Trường địa từ và nguồn gốc bên trong Trái đất: c-cccccccccecccercrsrrcrseee 24

1.1.3.2 Dị thường từ và nguồn gốc từ V6 Trái đất: cccvccvveeeeerrevirrrrierrres 27

1.1.3.3 Trường địa từ và nguồn gốc bên ngoài Trái đất: . 2ss-ccssecccxercrvsee 28

1.2.2 Các phương pháp quan trắc trưởng địa từ: cecoccvseerieeriierrirrrirertiirrrirrssrrree 36

1.2.2.1 Quan trắc sự phân bố theo không gian: csseccsssssssseccsssecsssesssssscesseessssecceseesese 36

1222 — QuantốcsựybiếnthiêntheotiiờigiaB: eoeoooooenoeneeieeienoenooie 38 12.23 QuaatrickhäocÖttr ì oỖeiieeinnnnieiiniiiinieinioee 39

1đ24 7 | Sẽ ennerenesnnnoenreenrnenie 40

1.2.3 Cac thông số của trường địa từ tại thành phố Hồ Chí Minh và một số thành phó lân

cận:

1.3 Quan tric địa từ tại Việt Nam: ooooocoee

1.3.1 Mạng lưới đài trạm quan trắc địa từ ở Việt Nam: -ccccxckecrkSzkevreckecrecrkerseree 44 1.3.2 Tir trường bình thường lãnh thé Việt Nam: -v cv cticstitsrrrrtirrrirrrrrrrrrvree 45

1.3.3 — Biển thiên thé kỷ của từ trưởng Trái đất: cccccctieetiicrtirrrirrriirrriirrrirrsrree 45

1.3.4 — Bão từ: HH TH HH TH HH nghệ 46 1.3.S Nghiên cứu từ trưởng Ứng dỤn§: ccc tinh rier 46

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU DỤNG CỤ

ZL Phan mdm CASSY ÙáÐioiooooooanonnnnnnnnnn-innniiiiiiiiiiitidtiiiiiiiiitOiiliiiiSRiSiidSiiSgii88 47

ZA Giới thiệu: HH HH Hàn Hà TH H11 030k 1k 47

2.1.2 Vai điều cần biết về giao điện của phần MEM CASSY: -cocccccccveccrree 48

SH, Cain PHI SN (006i2002100/00210221000/021010003302340061022021/1010/0002/1/21210021000124091041/ 41020103 51

Ai 2n› ‘COM CDG tioiniraiiiiitiriiiitiiotitinit2221222011202217425i43521205121232223353135813ã8515553ã853ã52385538687355135558ã8 51

322 Thông SOG CUR sesiiccssscsasscoasicoasssasssssvsiiscusssasasaioanisoniasssusascoasinsosssstaaaitosaisnsiaitiaiatie 52

Ded HGP [VE n. esccrccersocssccesseerssesoeeroenreresscesssnesesesousroenssrseseeescneseueseussoeerseessseeseussesssonsroserocereeeesee 53

DBMS, (GGDE((ÌDỆtauiiiiiitittqiitiiitiitttiiiiiiitiiiiiiiiiiiiitiiiiiiiiiiiilii1143343312551ã33333173ã11383i1885i18ã8ã838 53

2.3.2 Thông số kỹ thudts cs cccccecssscssseesssessssessssecsvecsssscssscessesssesssseesucessusessessnssssasscoseceneeesses 53

2.4 Cặp cuộn đây HelmthoÌtZ: cà ng nh nh ng rerree 53

Ghế CGO QU tïïi21150131/121313100451123)11/1105))1271/52132112230112310312123123/43/3925311231532/1363)1321023/1313123ii34 54

để, oe 54

D5: DẪYHỗN:innooooiiohoiiinittiitiiittiiH1G0111GE00011081150118081188818010G10181003888531164818831483118131803888 54

2.S.I Công Ay ng scecscscscessccssscesscossenssensscnsscesescoeseoescoeseasscnsssesssecssessseceseoesenssccseasssessaee 54

DED; Thông kÝ H[usoanoananonennitnoinniiioniiiitiiiiititiiiiditiiiiiiiidiitaiiiiaiiaiiiaiii 55 2.6 Động cơ và bộ điều khiển động CƠ: HH ghe S5

3.3.

3A C& bước tiên hànhthinghiệfi::ooosooooeiioooooioionioRiinniiioiihiiiiiiiiiiiiiiiltieiiiaiiiaassse 66

3.4.1 Lắp ráp thínghiệm: -o-ccSCL HH nrrrgrxergreerrrerrreeree 66 3.42 — Cài đặt các thông số cho phép GO% ssssssessssssrssecssserssecesserssesseeesseessessssscssssenneceneseesrecnesee 68

3.4.3 Thực hiện phép đo: “HH HH HH HH He 70

eR eee Ch 71

HN, 7T l Ba õäc c cõẽõ na n0 na an 71

Si, (C&@lifflRÏEE=esseroisnsrrrrrrirrrotrrentriirtetiiiEniniiiiutaisittetraa 76

BF, BAG Cho Kếtquảt(hÏnEliệifl::ssoaoanoaniiannnnainiiinniiitiiniiiiiiiiitiiitiiiiiiitiHIEE11181101508803080010i888886 79

3.7.1 Một số kết quả khi do theo 3 truc toa độ IDes€art€S: ccc«cceceeeeeereereeee 79

3/72 K&cquả khi đó theo 2 tỤế!cosoaaaaanpninaniiiiiiitiiiiiitiditdiiidiiidiiiiiiBiiRRiiiiäiillEiHiidi 101

TÀI LIEU THAM KHAO 5 1 22 2221521222122211220120111121112011120010000011101100.0010 156

DANH MỤC CAC BANG

Ký hiệu của bảng Trang

ï Bang 1: Các thông s6 của trường địa từ tại thành phô Hồ Chí 41-43

Minh và một số thành phô lân cận

2ˆ) Bảng 3.1: Kết quả Eit hàm của các lần đo theo hai trục 131-135

DANH MỤC CÁC HÌNH VE VA DO THỊ

STT Ký hiệu của các hình vẽ và đô thị

1 | Hình 1.1: Chiếc la bàn hình thìa do người Trung Hoa chế tạo

2 Hình 1.2: W Gilbert (1544-1603)-tac giả cuôn sách “De Magnet”

Hinh 1.3: Trường lưỡng cực của Trai dat

Hình 1.4: Các thành phân của trường địa từ

IKR

> Hình 1.5: Mô hình lưỡng cực từ có trục xuyên tâm

P Hình 1.6: Đường dịch chuyên của cực từ Bac qua phía Bac Canada

Le |= Hinh 1.12: Dine tac Mat trời- Trai dat

Hình 1.14: Từ quyền của Trai dat

Hình 1.15: Nền biên bị đây ra xa day núi, trải ra như một phan của

hệ lục địa trôi

Hình 1.16: Phân bô các dai quan trac địa từ trên toàn câu

Hình 1.17: VỊ trí các đài trạm địa từ trên lãnh thô Việt Nam (chữ

a Hình 2.1: Đĩa cai đặt phan mem CASSY Lab —

Hình 2.2: Bang kiêm tra thiệt bi CASSY

Hình 2.3: Giao diện của phan mềm CASSY Lab 49

5

;

; 5

5

7 |Mmaintipmenim ———————

41 | Hình 3.1b: So đô khôi của thí nghiệm

Hình 3.2: Giao diện khi kích hoạt phân mém CASSY

Hình 3.3: Hiện thị các hộp kết nôi với CASSY

Hình 3.11: Xác định tan số bằng chức năng tính tâm đỉnh

Hình 3.14: Kết quả khi do 3 trục lan 2 82

:

47 | Hình 3.17: Kêt quả khi do 3 trục lan 5 88

Hình 3.18: Kêt qua khi do 3 trục lan 6

„mHị èảm svn om mY S|) WwW

101

=tờ

Hình 3.27: Ket quả khi đo 2 trục lần 5

Hình 3.28: Ket quả khi đo 2 trục lần 6 Hình 3.29: Kêt quả khi đo 2 trục lần 7

Hình 3.30: Kết quả khi đo 2 trục lần 8

Hình 3.32: Ket quả khi đo 2 trục lần 10

Hình 3.33: Kết quả khi đo 2 trục lan 11

Hình 3.34: Kết quả khi đo 2 trục lần 12 Hình 3.35: Kết quả khi đo 2 trục lần 13 113

Hình 3.36: Kết quả khi đo 2 trục lần 14

Hình 3.37: Kết quả khi đo 2 trục lan 15 Hình 3.38: Kết quả khi do 2 trục lan 16 Hình 3.39: Két quả khi đo 2 trục lan 17

Hình 3.40: Kết quả khi đo 2 trục lan 18

71 | Hình 3.41: Ket quả khi đo 2 trục lan 19

72 | Hình 3.42: Ket quả khi đo 2 trục lan 20

Hình 3.43: Ket quả khi do 2 trục lần 21 Hình 3.44: Kết quả khi đo 2 trục lần 22

75 | Hình 3.45: Ket quả khi đo 2 trục lan 23 123

76 | Hình 3.46: Kết quả khi đo 2 trục lan 24 124

lee

—

Căn Íimmn35K t quả khi đo 2 trục lan 29 129 82 Hình 3.52: Kết quả khi đo 2 trục lan 30

MO DAU

1 Lý do chon đề tài:

Vật lý là một ngành khoa học hết sức quan trọng nó nghiên cứu các quy luật

vận động trong tự nhiên từ đó ứng dụng dé giải thích các hiện tượng hay chế tạo

máy móc phục vụ cho đời sông và kỹ thuật Việc nghiên cứu các van đề vật lý da số

dựa trên thực nghiệm, các tri thức vật lý là sự khái quất các kết quả nghiên cứu thực

nghiệm và các hiện tượng diễn ra trong đời sông Vì vậy, việc dạy và học vật lý có

dùng thí nghiệm là hết sức cần thiết Tuy nhiên, việc day và học vật lý ở nước ta

còn mang đậm tính lý thuyết, việc luyện tập kỹ năng thực hành cho sinh viên cònhạn chế do nhiều nguyên nhân:

- Phương tiện thí nghiệm trang bị còn thiếu thốn, chưa đáp ứng được sự phát

trién của vật lý học hiện đại.

- Việc dau tư kinh phí ở các trường cho thí nghiệm còn hạn chế.

Dat nước đang ngày càng hội nhập và phát triển, yêu cầu ngày càng cao vẻnguồn nhân lực Chính vì vậy, ngành giáo dục phải dao tạo ra thé hệ trẻ với đầy đủ

tri thức và kỹ năng, muốn vậy thì việc cấp thiết là cần phải đổi mới phương pháp

giảng dạy từng bộ môn Riêng bộ môn vật lý cần phải điều chỉnh phương pháp

giảng day sao cho van đề thực nghiệm cần được chú trọng hơn Vì vậy, người giáo viên vật lý ngoài nắm vững kiến thức còn cần phải trang bị đây đủ kỹ năng vẻ thực

hành dé từng bước đáp ứng được nhu cau giáo dục ngày càng đổi mới và hoàn thiện

theo xu hướng “Học đi đôi với hành”.

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của ngành giáo dục là một sinh viên sư phạm

ngành vật lý, em đã quyết định chọn làm luận văn theo hướng nghiên cứu thựcnghiệm Phòng thí nghiệm vật lý nâng cao của khoa có nhập vẻ nhiều bộ thí nghiệm

mới với kỹ thuật hiện đại nhưng vẫn chưa triển khai sử dụng nhiều Do đó, em quyết định chọn thí nghiệm “Do từ trường Trái dat” làm dé tài luận văn tốt

nghiệp của mình.

a x x h x ` > £ ˆ ` ‘ ,

Luận văn ngoai phan mở dau và phan kết luận còn có các chương:

Chương |: Cơ sở lý thuyết

Chương 2: Giới thiệu dụng cụ.

Chương 3: Kết quả thí nghiệm

Luận văn được thực hiện từ khoảng tháng 11/2011 đến tháng 4/2012.

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài:

- Xác định các thành phan của từ trường Trái đất từ đó tinh từ trường tông hợp

- Xac định độ chính xác của thí nghiệm cũng như khả nang ứng dụng vào thực

tiễn của thí nghiệm.

- _ Rèn luyện kỹ năng thực hành, nâng cao khả năng hiểu biết một số thiết bị thí

nghiệm hiện đại.

3 Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bộ thí nghiệm đo từ trường Trái đất, phương

pháp đo và cách xử lý số liệu bằng phần mềm CASSY Lab

4 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Tim hiểu từ trường Trái đất về đặc điểm, nguồn gốc và vai trò của nó trong đời

sông, kỹ thuật và trong các khoa học về Trái đất

- Tim hiểu những thành tựu trong đo đạc từ trường Trái đất trên thế giới và ở

Việt Nam.

- Tìm hiểu các thiết bị làm thí nghiệm, cách cải đặt và sử dụng phân mềm

CASSY Lab.

- Tiến hành do các thành phan của từ trường Trái đất tại nhiều vị trí trong phòng

thí nghiệm Vật lý nâng cao nhằm tìm ra phương pháp đạt hiệu quả cao nhất.

-_ Ghi nhận, xử lý số liệu và biéu diễn kết qua

- Phân tích, đánh giá kết qua.

Š Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết: tra cứu, tìm tài liệu, giáo trình, sách báo, trang Web

trên internet có nội dung liên quan đến đẻ tài

Nghiên cứu thực nghiệm: lắp ráp thí nghiệm, tiến hành đo đạc và dùng phan

mềm dé ghi nhận và xử lý số liệu, biéu dién số liệu đo đạc

Phương pháp tông hợp, phân tích: Sau khi xử lý số liệu, phân tích kết qua,

rút ra nhận xét và đi đến kết luận chung nhằm tìm ra phương án tôi ưu nhất

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu:

Kết qua thí nghiệm là cách minh họa sinh động cho những hiểu biết về lý

thuyết trường địa từ.

Rèn luyện khả năng tự nghiên cứu, tìm tài liệu và phân tích tài liệu.

Đánh giá được cấp chính xác của bộ dụng cụ thí nghiệm và của các phươngpháp đo.

Triển khai được một thí nghiệm thuộc lĩnh vực điện từ cho sinh viên khoa Vật lý - trường Dai học Sư phạm thành phố Hỗ Chí Minh.

TÓNG QUAN

Người ta đã biết vẻ từ trường Trái đất từ rất sớm Nhà vật lý hoàng gia thời

nữ hoàng Elizabeth I, William Gilbert, người đầu tiên quan sát các hiện tượng từ

một cách có hệ thông, vào năm 1600 đã kết luận tằng Trái đất là một nam châm

không 16 Vào thời kỳ mạo hiểm khám phá đại dương và đi bién phiêu lưu này, việc

phát hiện ra từ trường Trái đất là một phát hiện thực tiễn có tầm quan trọng bậc

nhất Vì có những ứng dụng thực tiễn trong hàng hải, liên lạc va thăm đỏ nên từ

trường Trái đất được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều năm Việc nghiên cứu trường

địa từ đòi hỏi cùng lúc phải tiễn hành quan trắc các quá trình vat lý không nhữngtrên mặt đất mà cả bên trong và bên ngoài Trai đất nữa Trong khi đó số lượng các

vị trí được quan trắc là không đáng kẻ so với điện tích bẻ mặt Trái đất Số lượng các

đài quan trắc địa từ trên toàn cầu mới đạt tới 180 mà chủ yếu nằm ở châu Âu và ở

Mỹ Đặc biệt là dé quan trắc dia tir trên biển chi có thé bố trí các đài, trạm quan trắc

trên các đáo cách nhau hang nghìn km Hơn nữa, mỗi nước lại chỉ tiền hành quantrắc trên lãnh thé nước mình và nhiều khi không có cơ hội sử dụng kết quả nghiêncứu tương tự của nước láng giéng Do vậy đã xuất hiện nhu cầu tập hợp lực lượngcác nhà khoa học nghiên cứu Vật lý địa cầu trên toàn thế giới cùng tiến hành

nghiên cứu theo một chương trình, với cùng một phương pháp và kết quả thu được

là tài sản chung của nhân loại dé các chuyên gia cùng xử lý.

Ở nước ta, các nghiên cứu và ứng dụng trường địa từ mới chủ yêu được tiền hành khoáng một nửa thế kỷ nay Nhờ sự giúp đỡ hết sức tận tình của Viện Vật lý

địa cầu Ba Lan, nước ta đã xây dung được dai Vật lý địa cầu Sa Pa, đài Vật lý địa

cầu Phủ Liễn với các hạng mục quan trắc là địa từ, địa chan, điện khí quyền và khí

tượng Có thé nói là nghiên cứu địa từ tại Việt Nam bắt đầu từ năm Vật lý địa cầuquốc tế 1957

Hoa vào xu hướng của nhân loại trong việc khám phá thé giới, chinh phục vũ trụ, nhà nước ta quan tâm đến việc cung cấp những kiến thức về khoa học trái đất và

vũ trụ cho học sinh Hiện tại, trong chương trình lớp 11 (sách giáo khoa mới xuất

bản lần đầu vào năm 2007), có trình bày một số khái niệm liên quan đến từ trường

Trái đất nhằm giúp cho học sinh những kiến thức tong quát về trường địa từ Ngoài

ra, còn có một bài thực hành xác định thành phan nằm ngang của từ trường Trai đất.

Thí nghiệm này sử dụng các thiết bị đơn giản và việc tính toán, xử lý số liệu cũng

khá dé dàng phù hợp với học sinh trung học phô thông Mặc dù đã đưa ra phương

pháp phù hop dé sai số tỉ đối của thí nghiệm là nhỏ nhất song vẫn còn nhiều yếu tố

có thé ảnh hưởng đến phép đo gây sai lệch kết qua Ching hạn như việc điều chỉnh

la bàn tang sao cho mặt thước đo góc thật sự nằm ngang, việc giữ nguyên vị trí la

bàn trong suốt quá trình thí nghiệm là một điều khó thực hiện Ngoài ra chiết áp

điện tử rât nhạy đòi hỏi sự kỹ lưỡng cao của học sinh trong lúc làm thí nghiệm.

Với sinh viên sư phạm ngành vật lý, cần có những thí nghiệm với độ chính

xác cao hơn và còn có thẻ giúp cho sinh viên phát triển những kỹ năng cao hơn

trong việc tiếp cận các thiết bị thí nghiệm hiện đại đã được ứng dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm trên thé giới Và thí nghiệm đo từ trường Trái đất với phan

mém CASSY là một thử nghiệm phù hợp

CHƯƠNG 1: TỪ TRƯỜNG TRÁI DAT

1.1 Trường địa từ:

1.1.1 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 1.1).

Hình 1.1 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.

Hình 1.2 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.

1.1.2 Đặc điểm:

1.1.2.1 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 - Thành phan năm ngang

Z.— Thành phan thăng đứng

Hình 1.4 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 phannằm ngang H của vector trường toàn phân E

+ Độ từ thiên sẽ dương khi phương Bắc từ nằm về phía Đông của phươngBắc 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 = 100.000 nT

+ Cường độ trường địa từ thay đổi trong khoảng 25.000 — 65.000 nT hoặc

0.25 - 0,65 Gauss Dé thay rằng cường độ trường địa từ trên bề mặt Trái đấtkhông 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:

X =HcosD : V=HsinD

X?+y2=H? ; X?+Y?+Z?=Hˆ+7? =T?

1.1.2.2 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)

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 đolặp 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

Hình 1.6 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 tựtrường 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 vàcực 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

1.1.2.3 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.

Sự phân biệt xích đạo từ và xích đạo địa từ giống như sự phân biệt cực từ và

cực địa từ ở trên.

1.1.2.4 Cac bản đồ phân bố trường địa từ:

Phương pháp pho biến nhất trong việc biểu diễn phân bố trường địa từ làbiểu diễn dưới dang bản đồ các đường đồng mức tức là nỗi các giá trị bằng nhau

của từng yếu tố của trường địa từ.

Hình 1.7 Ban do phân bố độ từ khuynh của trưởng địa từ -niên đại 2010

Trên các bản đồ I và Z, đường đồng mức không chính là xích đạo từ.

Trên bản đô H, nơi H = 0 chính là cực từ Các điềm cực (cũng tương tự như các cực địa lý) là các điểm hội tụ của các đường đồng mức trên bản đô D.

Đôi với mỗi quốc gia bản đồ trường địa từ cũng trở nên can thiết như các

ban đồ địa hình, bản đồ địa chất, bản đỗ trọng lực Trên cơ sở những đo đạc về trường địa từ, các nhà khoa học đã xây dựng được một bức tranh chỉ tiết toàn cầu

về phân bô không gian và biên thiên theo thời gian của trường địa từ.

1.1.3 Nguồn gốc:

Những khảo sát địa từ từ thế kỷ 16 đến nay cho thấy trường địa từ có hai

nguồn gốc: nguồn gốc ở bên trong Trái đất và nguồn gốc ở bên ngoài Trái đất

Vector trường địa từ đo được tại môt vị trí bat ky o gan mat dat duoc hinh thanh tir

3 nguồn: nguồn ở trong nhân Trái đất, nguồn nằm trong vỏ Trái dat và nguồn nằmtrong tầng điện ly và trong từ quyên của Trái đất

1.1.3.1 Trường dia từ và nguồn gốc bên trong Trái đất:

1.1.3.1.1 Máy phát điện địa từ:

Người ta thực sự tin rằng lưỡng cực chiếm khoảng 90 % từ trường Trái đất,

được gây ra bởi sự từ hóa vĩnh cứu của các vật chất trong lòng đất.

Dé giải thích nguồn gốc từ trường Trái dat, một số nhà vật lý đã đưa ra họcthuyết dynamo nhưng thuyết nay đến nay vẫn chưa thật hoàn chỉnh

Trong địa vật lý thuyết dynamo dé xuất một cơ chế ma theo đó một thiên thể

như Trái đất hoặc một ngôi sao tạo ra từ trường Thuyết này mô tả quá trình mà

thông qua hoạt động của các chất lưu dẫn điện, đối lưu và xoay dé duy trì một từtrường lâu đài qua quy mô thời gian thiên văn.

% Có 3 yếu tổ cần thiết cho một máy phát điện địa từ hoạt động:

- Một từ trường nguyên thủy (từ trường ban đầu)

- Một chất lưu chuyên động trong tir trường.

- _ Một nguồn năng lượng nội bộ đề truyền chuyên động đổi lưu trong chat lưu.

Trong trường hợp của Trải đất, từ trường được gây ra và duy trì liên tục bởi

sự đối lưu của sắt lỏng trong lõi ngoài Yêu cầu cho sự cảm ứng từ là một chất long

quay Sự quay trong lỗi ngoài được tạo ra bởi hiệu ứng Coriolis gây ra bởi sự quaycủa Trái đất Lực Coriolis có xu hướng tô chức các chuyên động va dong điện vào

các trục song song với trục quay (Chất lỏng bị nhiễu loạn có xu hướng tạo thành

các cột song song với trục quay gọi là cột Taylor).

Hình 1.8 Chuyên dong cua chat long dan điện tạo ra từ trưởng.

% Có thé giải thích nguồn góc trường địa từ như sau: Sự khác biệt về nhiệt độ

trong nhân lỏng của Trái đất đã làm xuất hiện các dòng đối lưu Chuyên động của

chat lỏng được duy trì bởi các dong đối lưu này Nếu trong nhân Trái đất có một từ

trường yếu, được coi là từ trường nguyên thủy thì các dòng đỗi lưu nói trên sẽ có

vai tro như những cuộn dây trong máy phát điện Dong điện nhờ đó được hình thành và chính nó đã tạo ra từ trường có cường độ lớn.

Thuyết này tuy đã được bô sung, hoàn thiện nhưng vẫn còn nhiều điểm chưa

rõ, chăng hạn: Trong quá trình hình thành từ trưởng Trái đất, cần phải có từ trường

nguyên thủy nhưng từ trường nguyên thủy được hình thành từ bao giờ và bằng

cách nào? Vì vậy, cách hoạt động chính xác của "máy phát điện” địa từ nội tại này

và nguồn năng lượng can thiết đê nó hoạt động vẫn còn là đối tượng nghiên cứu.

1.1.3.1.2 Sự đảo cực của trường địa từ và nguồn gốc bên trong Trái đất:

Sự đảo cực là sự thay đổi hướng momen từ của Trải đất theo hướng ngược lại,

trong đó các cực từ của Trái đất đôi chỗ cho

nhau.

Có thé nghiên cứu sự thay đôi từ trường

Trái đất qua thời gian rất đài bằng cách đo từ

tính vốn có và yếu của đáy đại dương ở bắt kì

phía nào của đấy núi Mid-Atlantic Đáy này

được phủ bởi chất lắng đọng do mac-ma ri ra

từ đỉnh núi Chất mac-ma rắn lại lan ra với

mức độ vài em trong một năm Từ tính yếu của

mac-ma đông cứng nảy lưu lại một bản ghi tức

thời của từ trường Trái đất ở thời điểm rắn lại

của mac-ma, và như vậy cho phép ta nghiên

cứu hướng và độ lớn của từ trường Trái đất

trong quá khứ xa xôi.

Những nghiên cứu này cho ta thấy là

trưởng địa từ ctr mỗi triệu năm hoặc cỡ như

thé lại thay đôi hoàn toàn hướng của nó.

Tên các giai đoạn phần cực được đặttheo tên các nhà khoa học có nhiều đóng góp

trong nghiên cứu địa từ và khoa học Trái đât.

Hình 1.9 mô cực địa từ trong suốt kỷ nguyên | Mink 1.9 Thang đáo cực của

; ‹ a —ằ ằ - ¬ trường dia tự trong 5,5 triệu

Cenozoic Vùng tôi biêu thị thời gian có phân i

nam gan day.

cực phù hợp với phân cực hiện tại Vùng sáng biêu thị thời gian có phân cực ngược

với phân cực hiện tại Trong từng giai đoạn, nhiễm từ thuận hay ngược chỉ là đặc

trưng chủ yếu vẫn có những lần đảo cực có thời gian rất ngăn trong từng giai đoạn.

Việc phát hiện ra hiện tượng dao cực cho thay là trong nhân của Trái đất nhất

định phải tồn tại các chuyên động dạng xoáy đối lưu, hướng của nó sẽ được điềuchỉnh bởi hoạt động quay của Trái đất Nói cách khác, tính hiện thực của hiện tượngđảo cực trong quá khứ địa chất đã chỉ ra là cơ chế dẫn đến sự hình thành trưởng địa

từ chỉ có thé là do những hệ thống dòng điện trong nhân của Trái đất

1.1.3.2 Dị thường từ và nguồn gốc từ vỏ Trái dat:

DỊ thường từ là sự lệch đáng kề của giá tri của trường địa từ ở một vùng so

với các giá trị của nó ở các vùng xung quanh Dị thường từ phản ánh sự thay đôi

trong phân bố cũng như dạng của khoáng sắt từ trong vỏ Trái đất Một phần của

trường này được tạo nên bởi độ từ hóa cảm ứng đo đất đá có mang từ tính chịu tác

động lâu dài của phan trường chính của Trái đất Một phần khác của nguồn trường

gây dị thường từ chính là độ từ dư được giữ lại trong đất đá ké từ khi chúng hình

thành.

Hình 1.10 Bản đồ dị thưởng từ toàn cau thu được từ tài liệu do đạc vệ tinh

s% Vai trò của di thường từ:

Dữ liệu vé dj thường từ cho phép “nhin xuyên qua” các đá phi từ và lớp phủ

như c6, đất trồng, cát sa mac, các lớp đất sét bị đóng bang và nước dé phát hiện ra

biến thiên của thạch quyền và các đặc trưng cấu trúc như đứt gãy

Việc kiểm tra dị thưởng tir cung cấp những phương tiện nhanh chóng và ít

tốn kém dé lập bản đỗ cấu trúc địa chat theo độ sâu.

Qua việc phát hiện các vùng dị thường từ, người ta đã tìm thấy quặng có thể khai thác được Chang hạn mỏ sat lớn nhất của nước Nga tại vùng Kursk được phát hiện bởi việc quan sát dị thường từ lớn nhất thế giới Mỏ sắt Thạch Khê lớn nhất

Việt Nam, cũng được phát hiện khi đo bay từ hàng không.

1.1.3.3 Trường địa từ và nguồn gốc bên ngoài Trái đất:

Trường địa từ là từ trường lưỡng cực nội tại của Trái đất bị thay đôi mạnh bởi gió Mặt trời Trong phan này chúng ta xét tới phần trường biến thiên có nguồn gốc bên ngoài Phan trường này chỉ chiếm khoảng < 10 % trường địa từ quan sat

được trên mặt dat va được gây nên do những quá trình xảy ra trong tang điện ly va

từ quyền của Trái đất

Trên mặt đất là tầng khí quyền, trên tầng khí quyền là tầng điện ly được tạo

nên bởi bức xạ Mặt trời Phía trên tầng điện ly là từ quyền, nơi mà trường địa từ tác

động như một tắm chắn bảo vệ Trái đất đối với sự tân công của gió Mặt trời Các

dòng điện trong tang điện ly và tir quyên gây nên từ trưởng mà chúng ta quan sát được trên mặt đất đồng thời với từ trường của chính bản thân Trái đất tạo ra.

1.1.3.3.1 Dòng điện xích đạo:

Khi chiếu sáng và nung nóng phía ban ngày của Trái đất, bức xạ điện từ

đông thời cũng nung nóng tang điện ly, gây nên chuyên động đối lưu Chuyên động

đối lưu này sẽ day các hạt tích điện trong tang điện ly chuyên động trong từ trường của Trái đất tạo nên đòng điện trong tang điện ly ở bên trên xích đạo cho tới vùng vĩ

độ trung bình Dòng điện như vậy được gọi là dòng điện xích đạo.

Vùng chịu ảnh hưởng của dòng điện xích đạo là vùng chứa xích dao địa ly, xích đạo từ và xích đạo địa từ.

Hình 1.11 Dòng điện xích đạo.

1.1.3.3.2 Bão tir:

h

Bão từ hay còn gọi là bão địa từ là sự biến đối của các yếu tổ của từ trường

theo thời gian xảy ra với quy mô toàn câu.

Bao từ xảy ra khí tính hoạt động tir trong tầng điện ly tăng lên một cách độtngột Nguồn gốc của những cơn bão từ như vậy liên quan đến sự tăng hoạt động củacác vết đen trên Mặt trời Trường địa từ quan sát được vào những lúc bão từ caomột cách bất thường và không thé dự đoán trước, có biên độ cỡ 1000 nT.

Bão từ được gây ra do các chùm plasma không 16 trung hoà vẻ điện của cáchạt tích điện phát ra từ các vụ bùng nô của sắc cầu Mặt trời với tốc độ hàng nghìnkm/giây Các chim nay trên đường đi tới Trái đất sẽ bao trùm lên Trái dat, tác độnglên từ quyền Trai đất tạo ra hệ dòng điện tròn xung quanh Trái dat, gây ra bão từ

1.1.3.3.3 Bão từ nhỏ:

Bão từ nhỏ là dạng bão từ ở vùng cực được gây nên bởi tác động của gió Mat trời với cụm đường sức dày đặc của trường địa từ tại hai cực từ Khi xảy ra bão từnhỏ, các hạt tích điện còn chạy theo đường sức của trường địa từ rồi thâm nhập vàotầng khí quyền trên cao gây nên cực quang tại Bắc và Nam bán cầu Cực quang là

một hiện tượng thiên nhiên kỳ thú chí quan sắt được ở vùng cực.

s% Giải thích hiện tượng cực quang:

Từ Mặt trời, luôn luôn có đòng hạt mang điện, chủ yếu là electron và

proton, bay đến Trái đất Dưới tác dụng của lực Lorentz, các hạt mang điện này chuyền động theo quỹ đạo xoáy ốc quanh các đường sức từ của Trái đất và bị phản

xạ Ở hai cực Ta bảo chúng bị bây trong một chai từ tạo nên vanh đai bức xạ Van

Allen ở trên tầng cao của khí quyên Trái đất giữa địa cực tử Bắc và Nam Các hạt

cứ chạy đi chạy lại giữa hai đầu của chai từ trong vòng vài giây.

Mỗi khi có một bùng nô ở Mặt trời, thì sẽ có thêm một số electron và

proton có năng lượng cao rơi vào vành đai bức xạ và một điện trường được hình

thành ở nơi mà bình thường các electron vẫn bị phản xạ Điện trường này làm các

electron không bị phản xạ nữa và bị day thăng vào trong khí quyền, tại day chúng

và chạm với các phân tử và nguyên tử khí và làm chúng phát quang Ánh sáng ấy tạo nên cực quang giỗng một bức rèm sáng treo từ độ cao cỡ 100 km rủ xuống.

1.1.3.3.4 Từ quyền:

Từ quyền là khu vực không gian vũ trụ kéo dài đến vị trí cách Trái đất

khoảng 10 lần bán kính của nó (tức lớn hơn 60.000 km) tức là nơi các đường sức

của trường địa từ bị giới hạn bởi các luồng gió Mặt trời

Từ quyền được hình thành từ hai yếu t6 quan trọng: Thứ nhất là trường địa từ

được gây nên bởi dòng điện chạy trong nhân long của Trái đất Bên ngoài Trái đất

nó sẽ có đạng trường của lưỡng cực có trục gần như song song với trục quay của

Trái đất Yếu tố thứ hai là gió Mặt trời- là các luồng hạt plasma liên tục phóng ra từ

Mặt trời vào khoảng không vũ trụ với vận tốc từ 300 đến 800 km/gy.

Gió Mặt trời bao quanh Trái đất, nén ép vào các đường sức của trường địa từ

ở phan ban ngày và kéo dai các đường sức từ theo chiều gió Mặt trời thành “cai

đuôi” vẻ phía ban đêm Như vậy, gió Mặt trời là nguyên nhân gây ra hình dang

tông thé của từ quyền Trái đất và gây ra một từ trường mạnh ảnh hưởng đến không

gian xung quanh Trái đất.

1.1.4 Sự biến thiên theo thời gian:

Trường địa từ thay đổi theo quy mô thời gian từ một phần nghìn giây đến hàng triệu năm Ngày nay, người ta phân biệt hai dạng biến thiên của trường địa từ tùy thuộc vào nguồn gốc phát sinh của nó: phan biến thiên có nguồn gốc bên ngoài

và phân biến thiên có nguồn gốc bên trong Trái đất.Những biến thiên có chu kỳ nhỏ

hơn 5-10 năm được coi là có nguồn gốc bên ngoài Trái đất, những biến thiên có chu

kỳ dài hơn thường được coi là có nguồn gốc bên trong Trái đất.

1.1.4.1 Biến thiên thế ky:

Tên gọi "biên thiên the ky” được dùng dé chi tat cả các biên thiên của trường địa từ có chu kỳ trong khoảng hàng chục cho den vai tram ngàn năm.

Nguôn gốc của biên thiên the kỷ có thê do hai nguyên nhân có chu kỳ chồng

lên nhau:

s+ Biên thiên phi lưỡng cực có chu kỳ ngăn.

** Bién thiên lưỡng cực có chu kỳ dài.

Những kết quả quan trắc biến thiên thé kỷ trên mặt dat trong 400 năm qua đã

cho phép khăng định:

- Su suy giảm của momen lưỡng cực từ chiếm khoảng 0.005 % giá trị trung

bình của momen từ trong suốt thời gian quan trắc,

- Cue từ dịch chuyền về phía Bắc khoảng 2 km /năm

- Trục lưỡng cực quay tuế sai về phía Tây 0,008% /năm

- Phan trường phi lưỡng cực dich chuyển về phía Tây khoảng 0,2° -0,3° /năm

kèm theo dịch chuyên về phía Nam

- Cường độ bién thiên của phan trường phi lưỡng cực khoảng 10 nT/năm

Biến thiên thế kỷ của trường địa từ là một hiện tượng đặc biệt hấp dẫn đối

với việc phát triển lý thuyết về nguồn gốc trường địa từ, cũng như trong việc nghiên

cứu nhân Trái đất và những quá trình xảy ra trong nhân Trái đất Theo quan điềmnày thì biến thiên thế kỷ có thể được xem như là một đặc trưng động của nhân Tráiđất Bat kỳ một lý thuyết nào về nguồn gốc trường địa từ không những phải giải

thích được sự tôn tại của biến thiên thể ky mà còn phải đưa ra một số đánh giá định

lượng của nó Mức độ phù hợp của các tham số thực của biến thiên thế ky với cáctính toán lý thuyết sẽ là một chỉ số về tính đúng đắn của giả thuyết Như vậy biếnthiên thế kỷ có thể xem như là một hiện tượng thường xuyên Nó chính là thuộc tính

của trường địa từ chứ không phái là do trường địa từ bị lệch khói trạng thái bình

thường của mình.

1.1.4.2 Biến thiên ngày đêm:

Phần trường biến thiên với quy mô ngắn hạn chủ yếu phát sinh từ nhữngđòng điện trong tầng điện ly và từ quyền, và một số các thay đổi có thể được truynguồn tử các con bão địa từ hoặc sự biến đồi hàng ngày trong các dòng điện

Biến thiên ngày đêm là những biến thiên của trường địa từ xảy ra trong một

ngày đêm vả liên quan tới phân trường địa từ có nguồn gốc bên ngoài Trái dat.

Những biến thiên này có biên độ khoảng 20-30 nT/ngay, có thé tăng đến 150nT/ngay tại vùng gần xích đạo từ.

1.1.4.3 Từ mạch động:

Biển thiên của trường địa từ có nguồn gốc bên ngoài Trái đất có thé có chu

kỳ rất ngắn trong khoảng từ 0,2 giây cho đến 10 phút Loại biến thiên này gọi là

biến thiên từ mạch động Từ mạch động đôi khi có thé được nhìn thay dưới dang

các chuỗi sóng chạy trên đường sức của trưởng địa từ Nhờ các tín hiệu của biếnthiên từ mạch động mà ta có thể nghe thay tiếng đập của từ quyền, giống như tiếngđập của trái tim.

1.1.5 Vai trò:

Mặc dù cường độ trường địa từ trên bề mặt Trái đất không lớn, nhưng nó có

vai trò quan trọng trong cuộc sống và trong kỹ thuật Những ứng dụng của trườngđịa từ mang tính lịch sử là việc sử dụng trường địa từ trong việc định hướng lái cho

các phương tiện vận tải: tàu biển, tàu thủy, máy bay, trường địa từ còn được sử

dụng cho lĩnh vực định hướng bay cho tàu vũ trụ và sự định hướng của vệ tinh.

Sau ky nguyên Sputnik thì vector trường địa từ đã được sử dụng đề kiểm tra

độ cao và xác định độ cao cho vệ tinh va tàu vũ trụ Vector trường địa từ là một

công cụ vô giá dé điều khiển tàu vũ trụ tiếp tục quay sau khi được bắn lên khỏi bềmặt Trái dat, đồng thời dé nó bay ồn định trong không gian 3 chiều trên quỹ đạo của

Trai đất Những nghiên cứu nhiều nam của NASA (Cơ quan hàng không và vũ trụ

Mỹ) đã khang định rằng sự thiếu kiến thức về trường địa từ là một trong những

nguyên nhân lớn dẫn đến sai sót trong hoạt động của tàu vũ trụ Khi những số liệu

quan trắc địa từ chính xác được tiền hành trong vũ trụ, thì các số liệu thu được sẽ

giúp cho việc điều hành chuyên động của tau vũ trụ chính xác hon

Từ trường Trái đất làm lệch hướng hầu hết các hạt tích điện từ đó bảo vệ Trái

đất khỏi tác hại của gió Mặt trời vả các tia vũ trụ có hại.

Phan trường chính của trường địa từ luôn là đối tượng hữu ích trong việc hỗtrợ các kỹ thuật thăm dò địa vat lý khác để tìm kiếm khoáng sản trong vỏ Trái đất.

Các phương pháp thăm do từ đã được sử dung rộng rãi trong việc thành lập các bản

đồ địa vat lý thăm đò

Từ trường Trái đất được ghi lại trong đá Sự đảo cực từ đã dé lại hàng loạtcác sọc trên đáy biên, khiến nó có thẻ lan rộng trên đáy biên theo thời gian Sự vữngchắc của các cực địa từ giữa những lần dao cực cho phép các nhà cô từ học theo đốichuyên động của các châu lục trong quá khứ Những lần đảo cực cũng cung cấp cơ

sở cho từ địa tang học một cách dé xác định niên đại của đá và tram tích

Hình 1.15 Nên biển bị đẩy ra xa dãy núi, trai ra như một phan của hệ luc địa trôi

Các biến thiên của trường địa từ đang được sử dụng dé mô tả cấu trúc của

các lớp sâu bên trong Trái đất.

Động vật bao gồm các loài chim, cá và rùa được cho là có thé phát hiện từtrường Trai đất và sử dụng tir trường dé điều hướng trong quá trình di cư Tuy

nhiên, cho đến nay vẫn chưa đủ cơ sở khoa học chứng minh cho giả thiết đó.

1.2 Quan trắc trường dia từ:

1.2.1 Mô hình trường địa từ:

Trường địa từ không những thay đôi trong không gian mà còn biến thiên

theo thời gian.

Những đặc trưng của trường địa từ đã có thay đôi rõ rệt trong suốt 400 nămgan đây, bao gồm thay đôi về hướng và cường độ.

Trường địa từ luôn luôn thay đôi nên ta không thé dự đoán chính xác gia trị

của trường tại một điểm bất kỳ trong một tương lai rất gần Do vậy, người ta phải

đo đạc thưởng xuyên các yếu tố của trường địa từ trên toàn cau Trên cơ sở các sốliệu đo đạc thực tế, người ta có thẻ xây dựng mô hình toán học mô tả phần trường

chính của Trái đất cùng với sự thay đổi của nó cho từng thời kỳ nhất định Độ chính

xác của mô hình trường địa từ chịu anh hưởng của nhiều yếu tô, kể cả việc từ

trưởng được đo ở dau,

Hiện nay, trên thé giới sử dụng hai mô hình tính trường đó là:

Mô hình trường quốc tế (IGRF- International Geophysical Reference Field)

do Hội Dia từ và Cao không quốc tế (IAGA) thông qua

% Mô hình trường toàn cầu (WMM-World Magnetic Model) do Cục Địa chat

Mỹ và Cục địa chất Anh xây dựng

Các mô hình phải làm mới lại sau 5 năm vi bản chat biên thiên của trường

địa từ.

1.2.2 Các phương pháp quan trắc trường địa từ:

Các phương pháp chính đề nghiên cứu trường địa từ bao gồm: quan trắc trực

tiếp sự phân bố không gian của trường địa từ trên bề mặt Trái đất và sự thay đôi của

nó theo thời gian.

1.2.2.1 Quan trắc sự phân bố theo không gian:

s% Do từ trên mat dat:

Việc đo vẽ bản đồ được tiền hành ngay từ khi Christophe Colomb phát hiện

ra độ từ thiên Tuy nhiên, trong 200 năm đầu tiên (1500-1700) đo vẽ bản đồ mới chỉ

được tiễn hành lẻ tẻ và chủ yếu do các nhà đi biển tiến hành, vì đối với họ độ từ

thiên rat quan trong trong việc xác định hướng lái tàu biên, khi sử dụng la bàn

Việc do vẽ độ từ thiên và độ từ khuynh có hệ thông đầu tiên do một nhà hànghai người Anh tiễn hành vào năm 1700.

Ngày nay việc đo vẽ bản đồ từ được tiền hành tại hầu khắp các nước trên thé

giới.

% Đo tir trên biện:

Biên và đại dương chiếm khoảng 5/6 diện tích bề mặt của Trái đất Vì vậy.

khoa học về trường địa từ sẽ mất ý nghĩa nêu như không tiễn hành đo từ trên bién

Mặt khác, chính các nha đi biển là người đã ứng dụng rộng rãi trường địa từ ngay từ

khi nó được phát hiện trong mục đích định hướng lái Độ từ thiên được xác định

đầu tiên tại Đại Tây Dương và Án Độ Dương.

%

s* Do từ hàng không:

Mục đích chính của đo từ hàng không là xây dựng các bản đồ đường đồng

mức của vector từ trường toàn phan, bản đồ này được sử dụng dé xác định các di thường từ trong vỏ Trái đất phục vụ cho việc thăm đò chỉ tiết bằng các phương pháp

vật lý khác.

Thành công của phương pháp đo từ hàng không là ở chỗ khi lập bản đồ từ

hàng không sẽ cho phép phát hiện được sự khác biệt rõ rệt về độ từ dư giữa các loại

đá thẻ hiện qua các dị thường từ Sự khác biệt này chính là các bê trầm tích bị

nhiễm từ yếu phủ lên trên các tầng đá gốc Số liệu đo từ sẽ cho phép chúng ta đánh

giá được bé day của tang trầm tích Sự tương phản vẻ độ nhiễm từ còn chỉ ra những

vùng có khả năng chứa khoáng sản.

s% Đo từ trên vệ tinh:

Việc đo vẽ ban 46 từ toàn cầu đã có một bước phát triển vượt bậc khi sử

dụng phương tiện vệ tỉnh Các phép đo từ trên vệ tỉnh đầu tiên được tiền hành bởi

vệ tinh Sputnik 3 vào năm 1958.

Số liệu đo từ vệ tỉnh MAGSAT đã cung cấp một bức tranh chính xác vềtrường địa từ đáp ứng đòi hỏi của việc lập bản đồ từ thé giới.

Các kết quả đo vẽ trên vệ tỉnh MAGSAT cho phép khăng định là ở độ cao

của MAGSAT phan trường chính có nguồn gốc bên trong Trái đất biến thiên trong

khoảng tử 30.000 đến 65.000 nT, phần trường có nguồn gốc bên ngoài Trái đất biénthiên trong khoảng từ 0 đến 1.000 nT, còn phần trường gây ra do các nguồn nằmtrong vỏ Trái đất là rất nhỏ, chỉ chiếm khoảng 0-50 nT

1.2.2.2 Quan trắc sự biến thiên theo thời gian:

Thang thời gian dé quan trắc sự thay đổi của các yếu tố trường địa từ được

hiểu là từ thời gian hiện tại ngược về các niên đại địa chat xa xôi Do vay, việc

nghiên cứu sự thay đôi theo thời gian của các yếu tô trường địa từ được tiễn hành

dựa trên các quan trắc sau đây:

- Quan trắc tại các dai, trạm địa từ nằm ở các vị trí khác nhau trên Trái đất.

- Quan trac tại mạng lưới điểm tựa biến thiên thé ky.

- Quan trắc khảo cô từ

- Khao sat cô từ.

Cho đến nay, con số dai địa từ trên toàn cầu ôn định trong khoảng 160 đến

180 đài Do công cuộc đô thị hóa, các đài địa từ ở vào vị trí bị nhiễu công nghiệp và

không còn cung cấp được số liệu có chất lượng cho công tác nghiên cứu sẽ phảiđóng cửa hay dịch chuyên vị trí Tuy nhiên, hàng năm lại có một số đài địa từ mới

được thành lập.

4 Yêu cầu đói với việc chọn vị trí dai địa từ:

- Vj trí đài địa từ phải nằm xa các nguồn gây nhiễu nhân tạo, đặc biệt là tránh

các giao thoa vẻ điện

- Dai quan trắc phải nằm ở vị trí mà gradient tự nhiên của trường là thấp nhất