Đo từ trường trái đất

Việc nghiên cứu trường địa từ đòi hỏi cùng lúc phải tiến hành quan trắc các quá trình vật lý không những trên mặt đất mà cả bên trong và bên ngoài Trái đất nữa.. Vector trường địa từ đo

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

… o0o…

ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

Thành Ph ố Hồ Chí Minh – 2012

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

….o0o…

ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

L ỜI CẢM ƠN

Sau một khoảng thời gian dài 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 thầy cô trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh Xin cho em gởi

lời 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 để hướng dẫn và đưa ra nhiều gợi ý cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn này Thầy đã tận tình giúp đỡ những lúc em bế tắc, mở

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

- Thầy Nguyễn Hoàng Long đã dành nhiều thời gian hướng dẫn em tìm hiểu các

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

tận tình giúp đỡ

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

có thể 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 đề tài của mình

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

về những bài giảng nghiêm túc và chất lượng để em có đủ kiến thức nền tảng hoàn thành tốt luận văn này

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn và sự kính trọng sâu sắc nhất đối 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 thiếu sót, kính mong quý thầy cô góp ý và chỉ dẫn để em học hỏi được nhiều hơn

Xin chân thành cảm ơn!

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

M ỤC LỤC

MỞ ĐẦU 10

TỔNG QUAN 13

CHƯƠNG I: TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 1.1 Trường địa từ: 15

1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát hiện: 15

1.1.2 Đặc điểm: 17

1.1.2.1. Các thành ph ần của trường địa từ: 17

1.1.2.2. Cực từ và cực địa từ: 20

1.1.2.3 Xích đạo từ và xích đạo địa từ: 23

1.1.2.4. Các b ản đồ phân bố trường địa từ: 23

1.1.3. Nguồn gốc: 24

1.1.3.1. Trường địa từ và nguồn gốc bên trong Trái đất: 24

1.1.3.2. D ị thường từ và nguồn gốc từ vỏ Trái đất: 27

1.1.3.3. Trường địa từ và nguồn gốc bên ngoài Trái đất: 28

1.1.4. Sự biến thiên theo thời gian: 32

1.1.4.1. Biến thiên thế kỷ: 32

1.1.4.2. Biến thiên ngày đêm: 33

1.1.4.3. Từ mạch động: 34

1.1.5 Vai trò: 34

1.2. Quan trắc trường địa từ: 35

1.2.1. Mô hình trường địa từ: 35

1.2.2. Các phương pháp quan trắc trường địa từ: 36

1.2.2.1. Quan tr ắc sự phân bố theo không gian: 36

1.2.2.2. Quan tr ắc sự biến thiên theo thời gian: 38

1.2.2.3. Quan tr ắc khảo cổ từ: 39

1.2.2.4. Kh ảo sát cổ từ: 40

1.2.3. Các thông số của trường địa từ tại thành phố Hồ Chí Minh và một số thành phố lân c ận: 41

1.3. Quan trắc địa từ tại Việt Nam: 43

1.3.1. M ạng lưới đài trạm quan trắc địa từ ở Việt Nam: 44

1.3.2. T ừ trường bình thường lãnh thổ Việt Nam: 45

1.3.3. Bi ến thiên thế kỷ của từ trường Trái đất: 45

1.3.4. Bão từ: 46

1.3.5. Nghiên c ứu từ trường ứng dụng: 46

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU DỤNG CỤ 2.1. Phần mềm CASSY Lab: 47

2.1.1. Gi ới thiệu: 47

2.1.2. Vài điều cần biết về giao diện của phần mềm CASSY: 48

2.2. Cảm biến CASSY: 51

2.2.1. Công d ụng: 51

2.2.2. Thông s ố kỹ thuật: 52

2.3. Hộp µV: 53

2.3.1. Công d ụng: 53

2.3.2. Thông s ố kỹ thuật: 53

2.4. Cặp cuộn dây Helmholtz: 53

2.4.1. Công d ụng: 54

2.4.2. Thông s ố kỹ thuật: 54

2.5. Dây nối: 54

2.5.1. Công d ụng: 54

2.5.2. Thông s ố kỹ thuật: 55

2.6. Động cơ và bộ điều khiển động cơ: 55

2.6.1. Chú ý an toàn: 55

2.6.2. Mô t ả, thông số kỹ thuật: 55

2.6.2.1. Động cơ thí nghiệm: 55

2.6.2.2. B ộ điều khiển động cơ: 58

2.6.3. Cách ho ạt động: 59

2.7. Cục biến thế: 60

2.8. La bàn: 60

CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM 3.1. Mục đích thí nghiệm: 62

3.2. Nguyên lý: 62

3.3. Dụng cụ thí nghiệm: 65

3.4. Các bước tiến hành thí nghiệm: 66

3.4.1. Lắp ráp thí nghiệm: 66

3.4.2. Cài đặt các thông số cho phép đo: 68

3.4.3. Th ực hiện phép đo: 70

3.4.4. Những điều cần lưu ý: 71

3.5. Xử lý kết quả: 71

3.6. Cách tính sai số: 76

3.7. Báo cáo kết quả thí nghiệm: 79

3.7.1. M ột số kết quả khi đo theo 3 trục tọa độ Descartes: 79

3.7.2. K ết quả khi đo theo 2 trục: 101

KẾT LUẬN 155

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 156

DANH M ỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 1: Các thông số của trường địa từ tại thành phố Hồ Chí

Minh và một số thành phố lân cận

41-43

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

3 Bảng 3.2: Kết quả tính sai số tỉ đối của U và T theo hai trục 138-142

4 Bảng 3.3: Kết quả tính thành phần nằm ngang 143-148

5 Bảng 3.4: Kết quả tính từ trường tổng hợp và độ từ khuynh 148-153

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

1 Hình 1.1: Chiếc la bàn hình thìa do người Trung Hoa chế tạo 15

2 Hình 1.2: W Gilbert (1544-1603)-tác giả cuốn sách “De Magnet” 16

4 Hình 1.4: Các thành phần của trường địa từ 18

5 Hình 1.5: Mô hình lưỡng cực từ có trục xuyên tâm 20

6 Hình 1.6: Đường dịch chuyển của cực từ Bắc qua phía Bắc Canada

7 Hình 1.7: Bản đồ phân bố độ từ khuynh của trường địa từ- niên đại

8 Hình 1.8: Chuyển động của chất lỏng dẫn điện tạo ra từ trường 25

9 Hình 1.9: Thang đảo cực của trường địa từ trong 5,5 triệu năm gần

15 Hình 1.15: Nền biển bị đẩy ra xa dãy núi, trải ra như một phần của

20 Hình 2.3: Giao diện của phần mềm CASSY Lab 49

30 Hình 3.1a: Đo từ trường Trái đất bằng cuộn dây cảm ứng 66

32 Hình 3.2: Giao diện khi kích hoạt phần mềm CASSY 68

33 Hình 3.3: Hiển thị các hộp kết nối với CASSY 69

34 Hình 3.4: Giao diện sau khi đã chọn kênh 69

35 Hình 3.5: Hộp thoại cài đặt các thông số của phép đo 70

36 Hình 3.6: Hộp thoại cài đặt cho đầu vào của cảm biến 70

42 Hình 3.12: Kết quả khi đo theo trục x lần 1 79

43 Hình 3.13: Kết quả khi đo lần 1 lần lượt theo trục y, trục z 80

49 Hình 3.19: Kết quả khi đo 3 trục lần 7 92

77 Hình 3.47: Kết quả khi đo 2 trục lần 25 125

M Ở ĐẦU

1 Lý do ch ọn 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 để giải thích các hiện tượng hay chế tạo máy móc phục vụ cho đời sống và kỹ thuật Việc nghiên cứu các vấn đề vật lý đa số

dựa trên thực nghiệm, các tri thức vật lý là sự khái quát các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và các hiện tượng diễn ra trong đời sống Vì vậy, việc dạy và học vật lý có dùng thí nghiệm là hết sức cần thiết Tuy nhiên, việc dạy và học vật lý ở nước ta còn mang đậm tính lý thuyết, việc luyện tập kỹ năng thực hành cho sinh viên còn

hạn chế do nhiều nguyên nhân:

- Phương tiện thí nghiệm trang bị còn thiếu thốn, chưa đáp ứng được sự phát triển của vật lý học hiện đại

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

Đất nước đang ngày càng hội nhập và phát triển, yêu cầu ngày càng cao về nguồn nhân lực Chính vì vậy, ngành giáo dục phải đào tạo ra thế 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 dạy sao cho vấn 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 đầy đủ kỹ năng về thực hành để từng bước đáp ứng được nhu cầu 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 thực nghiệm Phòng thí nghiệm vật lý nâng cao của khoa có nhập về 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 “Đo từ trường Trái đất” làm đề tài luận văn tốt

nghiệp của mình

Luận văn ngoài phần mở đầu và phần kết luận còn có các chương:

Chương 1: 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 M ục đích nghiên cứu của đề tài:

- Xác định các thành phần của từ trường Trái đất từ đó tính từ trường tổng hợp

- Xác định độ chính xác của thí nghiệm cũng như khả năng 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 Nhi ệm vụ nghiên cứu:

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

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

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

- Ghi nhận, xử lý số liệu và biểu diễn kết quả

- Phân tích, đánh giá kết quả

5 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 đề tài

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

mềm để ghi nhận và xử lý số liệu, biểu diễn số liệu đo đạc

- Phương pháp tổng hợp, phân tích: Sau khi xử lý số liệu, phân tích kết quả, rút ra nhận xét và đi đến kết luận chung nhằm tìm ra phương án tối ưu nhất

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

- Kết quả 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 phương pháp đo

- Triển khai được một thí nghiệm thuộc lĩnh vực điện từ cho sinh viên khoa

Vật lý - trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh

T ỔNG QUAN

Người ta đã biết về 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 thống, vào năm 1600 đã kết luận rằng Trái đất là một nam châm

khổng lồ Vào thời kỳ mạo hiểm khám phá đại dương và đi biển 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 và thăm dò nên từ trường Trái đất được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều năm Việc nghiên cứu trường địa từ đòi hỏi cùng lúc phải tiến hành quan trắc các quá trình vật lý không những trên mặt đất mà cả bên trong và bên ngoài Trái đất nữa Trong khi đó, số lượng các

vị trí được quan trắc là không đáng kể so với diện tích bề 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 để quan trắc địa từ trên biển chỉ có thể bố trí các đài, trạm quan trắc trên các đảo cách nhau hàng nghìn km Hơn nữa, mỗi nước lại chỉ tiến hành quan

trắc trên lãnh thổ nước mình và nhiều khi không có cơ hội sử dụng kết quả nghiên

cứu tương tự của nước láng giềng Do vậy đã xuất hiện nhu cầu tập hợp lực lượng các 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, để các chuyên gia cùng xử lý

Ở nước ta, các nghiên cứu và ứng dụng trường địa từ mới chủ yếu được tiến hành khoảng 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 dựng được đài Vật lý địa cầu Sa Pa, đài Vật lý địa

cầu Phủ Liễn với các hạng mục quan trắc là địa từ, địa chấn, điện khí quyển và khí tượng Có thể nói là nghiên cứu địa từ tại Việt Nam bắt đầu từ năm Vật lý địa cầu

quốc tế 1957

Hòa vào xu hướng của nhân loại trong việc khám phá thế 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 tổng quát về trường địa từ Ngoài

ra, còn có một bài thực hành xác định thành phần nằm ngang của từ trường Trái đất Thí nghiệm này sử dụng các thiết bị đơn giản và việc tính toán, xử lý số liệu cũng khá dễ dàng phù hợp với học sinh trung học phổ thông Mặc dù đã đưa ra phương pháp phù hợp để sai số tỉ đối của thí nghiệm là nhỏ nhất song vẫn còn nhiều yếu tố

có thể ảnh hưởng đến phép đo gây sai lệch kết quả Chẳng 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 rất 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 thể 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 thế giới Và thí nghiệm đo từ trường Trái đất với phần

mềm CASSY là một thử nghiệm phù hợp

CHƯƠNG 1: TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 1.1 Trường địa từ:

1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát hiện:

Trường địa từ hay từ trường Trái đất được biết đến từ rất sớm Hiện nay tại

bảo tàng các sáng chế cổ của Học viện Smith về lịch sử khoa học tại London vẫn còn giữ lại được chiếc la bàn hình thìa đầu tiên trên thế 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 Chi ếc la bàn hình thìa do người Trung Hoa chế tạo

Từ cuối thế kỷ 15, la bàn đã được sử dụng để định hướng trong tất 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 chuyến 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 bằng đường biển để tìm ra một cách đi mới đến Ấn Độ và Trung Hoa Ông đã trang bị cho cả 3 chiếc thuyền dụng 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 6-7o

, nếu đem so với việc định hướng bằng sao Bắc đẩu vào ban đêm Thủy thủ và sĩ quan trên tàu hoang mang đòi quay về 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 Ông đã phải giải thích rằng,

vì sao Bắc đẩu đang di chuyển vị trí nên kim la bàn hơi lệch khỏi phương Bắc- Nam địa lý Khi Colomb khám phá ra châu Mỹ (nhưng lúc đó ông vẫn tin là thuộc đất Ấn Độ) thì kỳ lạ thay, kim la bàn lại chỉ về đúng hướng Bắc thực

Chính vì độ từ thiên thay đổi khác nhau trên mặt đất, nên đã gây ra nỗi kinh hoàng cho sĩ quan và thủy thủ của Christophe Colomb

Hình 1.2 William Gilbert (1544-1603)- tác gi ả cuốn “De Magnet”

Ngành khoa học về địa từ chỉ ra đời năm 1600 khi William Gilbert, nhà vật

lý hoàng gia thời nữ hoàng Elizabeth I, xuất bản cuốn sách De Magnete Trong

cuốn sách này lần đầu tiên, W Gilbert chỉ ra rằng về thực chất, Trái đất là một chiếc nam châm khổng lồ Ông đã đưa ra giả thuyết cho rằng Trái đất là một quả

cầu nhiễm từ đồng nhất, nguồn gốc và đặc điểm nhiễm từ của Trái đất nằm 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 11,5o Trường do nam châm tạo nên

gọi là trường lưỡng cực Cực từ của bán cầu Bắc nằm 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 thể hình dung ra các đường sức không nhìn thấy của trường địa

từ như hình 1.3 nếu tưởng tượng rằng Trái đất có một thanh nam châm trong lòng

của nó và hướng từ Bắc xuống Nam

Hình 1.3 Trường lưỡng cực của Trái đất

1.1.2 Đặc điểm:

1.1.2.1 Các thành ph ần của trường địa từ:

Trường lưỡng cực thể hiện gần đúng nhất từ thực của Trái đất Hiện tại, trục lưỡng cực tạo với trục địa lý một góc 11,5o Cũng 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 dây để

nó có thể quay theo bất cứ hướng nào, 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):

Hình 1.4 Các thành ph ần của trường địa từ

 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 phần

nằm ngang H của vector trường toàn phần F

I

D

Z

hướng Bắc (địa lý) X

H

F

Y

hướng Đông

hướng vào tâm Trái đất

+ Độ từ thiên sẽ dương khi phương Bắc từ nằm về phía Đông của phương

Bắc địa lý, ngược lại độ từ thiên âm

 Độ từ khuynh I:

+ Góc I là góc giữa vector F và thành phần nằm ngang H

+ I có giá trị trong khoảng -90o đến 90o

Ở Bắc bán cầu, cực Bắc của kim nam châm nằm phía dưới mặt phẳng nằm ngang Khi đó độ từ khuynh dương Ngược lại, ở Nam bán cầu, cực Bắc của kim nam châm nằm ở phía trên mặt phẳng nằm ngang, được quy ước là độ từ khuynh âm

 Tham số chỉ cường độ toàn phần F: được miêu tả bởi thành phần nằm ngang H và thành phần thẳng đứng Z, thành phần Bắc từ X, thành phần Đông từ Y của cường độ nằm ngang H

+ Mặt phẳng thẳng đứng đi qua thành phần H được gọi là mặt phẳng kinh tuyến từ

+ Cường độ từ trường lớn nhất ở các cực và yếu hơn ở gần xích đạo

+ Được tính bằng nanoTesla hoặc Gauss với: 1Gauss = 100.000 nT

+ Cường độ trường địa từ thay đổi trong khoảng 25.000 – 65.000 nT hoặc 0,25 – 0,65 Gauss Để thấy 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

- Tại một điểm O bất kỳ trên mặt đất, vector trường địa từ được đặc trưng bởi hướng và cường độ mà chúng ta có thể đo được Người ta sử dụng 2 cách đo

để xác định vector trường địa từ

+ Cách 1: Đo T là giá trị tuyệt đối của vector F, góc D và I Góc D dương

nếu H lệch về phía Đông, góc I dương khi H hướng xuống dưới so với mặt

- Tất cả 7 giá trị T, H, X, Y, Z, D, I được coi là các thành phần của trường địa

từ Chúng liên hệ với nhau theo các biểu thức sau:

𝐻 = 𝐹 cos 𝐼 ; 𝑍 = 𝐹 sin 𝐼 = 𝐻 tan 𝐼

Tại vị trí mà thành phần nằm ngang bằng 0, kim la bàn hướng thẳng đứng

gọi là cực từ Có hai vị trí như vậy, một ở phía Bắc gọi là cực từ Bắc, một ở phía Nam gọi là cực từ Nam

Hình 1.5 Mô hình lưỡng cực từ có trục xuyên tâm nghiêng

C ực từ Nam (I =-90 o )

Xích đạo từ

(I = 0 o )

C ực địa từ Bắc

Có hai cách xác định cực từ:

 Cách 1: Sử dụng kim la bàn Đó là khi kim la bàn có vị trí thẳng đứng

 Cách 2: Sử dụng mô hình trường địa từ Cực từ là nơi mà độ từ khuynh được xác định bằng 90oở cực bắc và bằng -90oở 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 mấy lý do:

- Độ từ khuynh gần bằng 90o trên một vùng rộng

- Khu vực cực không phải là những điểm cố định mà nó chuyển động trong khoảng từ 10 đến hàng trăm km do ảnh hưởng của biến thiên ngày đêm và bão từ

- Vùng cực là vùng rất khó đi tới bằng các phương tiện giao thông bình thường

Hai cực từ di chuyển độc lập nhau và không ở 2 vị trí đối diện trên mặt đất,

tức là đường nối 2 cực từ không đi qua tâm Trái đất

Cục Địa chất Canađa là cơ quan nhận trọng trách xác định cực từ Bắc Cực này di chuyển chậm trên vùng biển Bắc Băng Dương thuộc Canađa và họ phải đo

lặp lại đều đặn để 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 khẳng định là cực từ Bắc đang

dịch chuyển về phía Tây Bắc với tốc độ khoảng 40 km/ năm

Hình 1.6 Đường dịch chuyển của cực từ Bắc qua phía Bắc Canađa giai

đoạn 1831-2001

 Cực địa từ:

Trong nghiên cứu địa từ người ta còn sử dụng khái niệm cực địa từ (hay còn

gọi là lưỡng cực từ đồng tâm) Khi lấy gần đúng, trường từ của Trái đất sẽ tương tự trường của một lưỡng cực từ Nếu một đường thẳng được vẽ đi qua lưỡng cực từ đặt

tại tâm Trái đất thì hai vị trí mà nó cắt bề 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 kể của

yếu tố không lưỡng cực nên các cực địa từ và cực từ không trùng nhau

1.1.2.3 Xích đạo từ và xích đạo địa từ:

Vùng giá trị I dương và 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 dương Phía Nam của xích đạo từ,

1.1.2.4 Các b ản đồ phân bố trường địa từ:

Phương pháp phổ biến nhất trong việc biểu diễn phân bố trường địa từ là

biểu diễn dưới dạng bản đồ các đường đồng mức, tức là nối các giá trị bằng nhau

của từng yếu tố của trường địa từ

Hình 1.7 B ản đồ phân bố độ từ khuynh của trường địa từ -niên đại 2010

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

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

Đối với mỗi quốc gia, bản đồ trường địa từ cũng trở nên cần thiết như các

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

về phân bố không gian và biến thiên theo thời gian của trường địa từ

1.1.3 Ngu ồn 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 bất kỳ ở gần mặt đất được hình thành từ

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

1.1.3.1 Trường địa 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 cửu của các vật chất trong lòng đất

Để giải thích nguồn gốc từ trường Trái đất, một số nhà vật lý đã đưa ra học thuyết dynamo nhưng thuyết này đến nay vẫn chưa thật hoàn chỉnh

Trong địa vật lý, thuyết dynamo đề xuất một cơ chế mà 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 để duy trì một từ trường lâu dài qua quy mô thời gian thiên văn

 Có 3 y ếu tố cần thiết cho một máy phát điện địa từ hoạt động:

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

- Một chất lưu chuyển động trong từ trường

- Một nguồn năng lượng nội bộ để truyền chuyển động đối lưu trong chất lưu Trong trường hợp của Trái 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 lỏng quay Sự quay trong lõi ngoài được tạo ra bởi hiệu ứng Coriolis gây ra bởi sự quay

của Trái đất Lực Coriolis có xu hướng tổ chức các chuyển động và dòng 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 Chuy ển động của chất lỏng dẫn điện tạo ra từ trường

 Có th ể giải thích nguồn gốc 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 Chuyển động của

chất lỏng được duy trì bởi các dòng đối lưu này Nếu trong nhân Trái đất có một từ trường yếu, được coi là từ trường nguyên thủy thì các dòng đối lưu nói trên sẽ có vai trò như những cuộn dây trong máy phát điện Dòng điện nhờ đó được hình thành và chính nó đã tạo ra từ trường có cường độ lớn

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

rõ, chẳng hạn: Trong quá trình hình thành từ trường Trái đất, cần phải có từ trường nguyên thủy nhưng từ trường nguyên thủy được hình thành từ bao giờ và bằng

Manti

Lõi trong Lõi ngoài

Hình 1.9 Thang đảo cực của trường địa từ trong 5,5 triệu năm gần đây

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

và nguồn năng lượng cần thiết để nó hoạt động vẫn còn là đối tượng nghiên cứu

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

Sự đảo cực là sự thay đổi hướng

momen từ của Trái đất theo hướng ngược lại,

trong đó các cực từ của Trái đất đổi chỗ cho

nhau

Có thể nghiên cứu sự thay đổi từ trường

Trái đất qua thời gian rất dài bằng cách đo từ

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

phía nào của dãy núi Mid-Atlantic Đáy này

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

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

mức độ vài cm trong một năm Từ tính yếu của

mac-ma đông cứng này 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

trường địa từ cứ mỗi triệu năm hoặc cỡ như

thế lại thay đổi hoàn toàn hướng của nó

Tên các giai đoạn phân cực được đặt

theo tên các nhà khoa học có nhiều đóng góp

trong nghiên cứu địa từ và khoa học Trái đất

Hình 1.9 mô cực địa từ trong suốt kỷ nguyên

Cenozoic Vùng tối biểu thị thời gian có phân

cực phù hợp với phân cực hiện tại Vùng sáng biểu 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 ngắn trong từng giai đoạn

Việc phát hiện ra hiện tượng đảo cực cho thấy là trong nhân của Trái đất nhất định phải tồn tại các chuyển động dạng xoáy đối lưu, hướng của nó sẽ được điều

chỉnh bởi hoạt động quay của Trái đất Nói cách khác, tính hiện thực của hiện tượng đảo cực trong quá khứ địa chất đã chỉ ra là cơ chế dẫn đến sự hình thành trường địa

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

1.1.3.2 D ị thường từ và nguồn gốc từ vỏ Trái đất:

Dị thường từ là sự lệch đáng kể của giá trị 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 đổi 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 do đất đá có mang từ tính chịu tác động lâu dài của phần 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 kể từ khi chúng hình thành

Hình 1.10 B ản đồ dị thường từ toàn cầu thu được từ tài liệu đo đạc vệ tinh

 Vai trò c ủa dị thường từ:

Dữ liệu về dị thường từ cho phép “nhìn xuyên qua” các đá phi từ và lớp phủ như cỏ, đất trồng, cát sa mạc, các lớp đất sét bị đóng băng và nước để phát hiện ra

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

Việc kiểm tra dị thường từ cung cấp những phương tiện nhanh chóng và ít

tốn kém để lập bản đồ cấu trúc địa chất theo độ sâu

Qua việc phát hiện các vùng dị thường từ, người ta đã tìm thấy quặng có thể khai thác được Chẳng hạn mỏ sắt 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 đổi mạnh

bởi gió Mặt trời Trong phần này chúng ta xét tới phần trường biến thiên có nguồn

gốc bên ngoài Phần trường này chỉ chiếm khoảng < 10 % trường địa từ quan sát được trên mặt đất và được gây nên do những quá trình xảy ra trong tầng điện ly và

từ quyển của Trái đất

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 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

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 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

của Trái đất tạo nên dòng điện trong tầng 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 đạo địa lý, xích đạo từ và xích đạo địa từ

Bão từ xảy ra khí tính hoạt động từ trong tầng điện ly tăng lên một cách đột

ngột Nguồn gốc của những cơn bão từ như vậy liên quan đến 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 cỡ 1000 nT

Bão từ được gây ra do các chùm plasma khổng lồ trung hoà về điện của các

hạt tích điện phát ra từ các vụ bùng nổ của sắc cầu Mặt trời với tốc độ hàng nghìn

km/giây Các chùm này trên đường đi tới Trái đất sẽ bao trùm lên Trái đất, tác động lên từ quyển Trái đất, tạo ra hệ dòng điện tròn xung quanh Trái đất, gây ra bão từ

1.1.3.3.3 Bão t ừ nhỏ:

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

tầng khí quyển trên cao gây nên cực quang tại Bắc và Nam bán cầu Cực quang là

một hiện tượng thiên nhiên kỳ thú chỉ quan sát được ở vùng cực

Hình 1.13 Hi ện tượng cực quang

 Gi ải thích hiện tượng cực quang:

Từ Mặt trời, luôn luôn có dòng hạt mang điện, chủ yếu là electron và proton, bay đến Trái đất Dưới tác dụng của lực Lorentz, các hạt mang điện này chuyển 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 bẫy trong một chai từ tạo nên vành đai bức xạ Van Allen ở trên tầng cao của khí quyển Trái đất giữa địa cực từ 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 nổ 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 đẩy thẳng vào trong khí quyển, tại đấy chúng

va chạm với các phân tử và nguyên tử khí và làm chúng phát quang Ánh sáng ấy

tạo nên cực quang giống một bức rèm sáng, treo từ độ cao cỡ 100 km rủ xuống

1.1.3.3.4 T ừ quyển:

Từ quyển 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 quyển được hình thành từ hai yếu tố quan trọng: Thứ nhất là trường địa từ được gây nên bởi dòng điện chạy trong nhân lỏng của Trái đất Bên ngoài Trái đất

nó sẽ có dạng 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 phần ban ngày và kéo dài các đường sức từ theo chiều gió Mặt trời thành “cái đuôi” về phía ban đêm Như vậy, gió Mặt trời là nguyên nhân gây ra hình dạng

tổng thể của từ quyển Trái đất và gây ra một từ trường mạnh ảnh hưởng đến không gian xung quanh Trái đất

Hình 1.14 T ừ quyển của Trái đất

1.1.4 S ự 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: phần biến thiên có nguồn gốc bên ngoài

và phần 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

 Biến thiên phi lưỡng cực có chu kỳ ngắn

 Biến thiên lưỡng cực có chu kỳ dài

Những kết quả quan trắc biến thiên thế kỷ trên mặt đất trong 400 năm qua đã cho phép khẳng định:

- Sự suy giảm của momen lưỡng cực từ chiếm khoảng 0,005 % giá trị trung bình của momen từ trong suốt thời gian quan trắc

- Cực từ dịch chuyển về phía Bắc khoảng 2 km /năm

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

- Phần trường phi lưỡng cực dịch chuyển về phía Tây khoảng 0,2o -0,3o /năm kèm theo dịch chuyển về phía Nam

- Cường độ biến thiên của phần 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 điểm này thì biến thiên thế kỷ có thể được xem như là một đặc trưng động của nhân Trái đất Bất kỳ một lý thuyết nào về nguồn gốc trường địa từ không những phải giải thích được sự tồn tại của biến thiên thế kỷ 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 kỷ với các tính toán lý thuyết sẽ là một chỉ số về tính đúng đắn của giả thuyết Như vậy, biến thiên thế kỷ có thể xem như là một hiện tượng thường xuyên Nó chính là thuộc tính

của trường địa từ chứ không phải là do trường địa từ bị lệch khỏi trạng thái bình thường của mình

1.1.4.2 Bi ến thiên ngày đêm:

Phần trường biến thiên với quy mô ngắn hạn chủ yếu phát sinh từ những dòng điện trong tầng điện ly và từ quyển, và một số các thay đổi có thể được truy nguồn từ các cơn bão địa từ hoặc sự biến đổi hàng ngày trong các dòng điện

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

1.1.4.3 T ừ mạch động:

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 đến 10 phút Loại biến thiên này 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 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

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 trường địa 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 kỷ nguyên Sputnik thì vector trường địa từ đã được sử dụng để kiểm tra

độ cao và xác định độ cao cho vệ tinh và tàu vũ trụ Vector trường địa từ là một công cụ vô giá để điều khiển tàu vũ trụ tiếp tục quay sau khi được bắn lên khỏi bề

mặt Trái đất, đồng thời để nó bay ổn định trong không gian 3 chiều trên quỹ đạo của Trái đất Những nghiên cứu nhiều năm của NASA (Cơ quan hàng không và vũ trụ

Mỹ) đã khẳng 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 tiến hành trong vũ trụ, thì các số liệu thu được sẽ giúp cho việc điều hành chuyển động của tàu vũ trụ chính xác hơn

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 và các tia vũ trụ có hại

Phần trường chính của trường địa từ luôn là đối tượng hữu ích trong việc hỗ

trợ các kỹ thuật thăm dò địa vật lý khác để tìm kiếm khoáng sản trong vỏ Trái đất Các phương pháp thăm dò từ đã được sử dụng rộng rãi trong việc thành lập các bản

sở cho từ địa tầng học một cách để xác định niên đại của đá và trầm tích

Hình 1.15 N ền biển bị đẩy ra xa dãy núi, trải ra như một phần của hệ lục địa trôi

Các biến thiên của trường địa từ đang được sử dụng để 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 thể phát hiện từ trường Trái đất và sử dụng từ trường để 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 tr ắc trường địa từ:

1.2.1 Mô hình trường địa từ:

Trường địa từ không những thay đổi trong không gian mà còn biến thiên theo thời gian

Những đặc trưng của trường địa từ đã có thay đổi rõ rệt trong suốt 400 năm

gần đây, bao gồm thay đổi về hướng và cường độ

Trường địa từ luôn luôn thay đổi nên ta không thể dự đoán chính xác giá trị

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

đo đạc thường xuyên các yếu tố của trường địa từ trên toàn cầu Trên cơ sở các số

liệu đo đạc thực tế, người ta có thể 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 ảnh hưởng của nhiều yếu tố, kể cả việc từ trường được đo ở đâu

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

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

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

 Mô hình trường toàn cầu (WMM-World Magnetic Model) do Cục Địa chất

Mỹ và Cục địa chất Anh xây dựng

Các mô hình phải làm mới lại sau 5 năm vì bản chất biến thiên của trường địa từ

1.2.2 Các phương pháp quan trắc trường địa từ:

Các phương pháp chính để 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 đổi của

nó theo thời gian

1.2.2.1 Quan tr ắc sự phân bố theo không gian:

 Đo từ trên mặt đất:

Việc đo vẽ bản đồ được tiến 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 tiến hành lẻ tẻ và chủ yếu do các nhà đi biển tiến hành, vì đối với họ độ từ thiên rất quan trọng trong việc xác định hướng lái tàu biển, khi sử dụng la bàn

Việc đo vẽ độ từ thiên và độ từ khuynh có hệ thống đầu tiên do một nhà hàng

hải người Anh tiến hành vào năm 1700

Ngày nay, việc đo vẽ bản đồ từ được tiến hành tại hầu khắp các nước trên thế

giới

 Đo từ trên biển:

Biển 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 nếu như không tiến hành đo từ trên biển

Mặt khác, chính các nhà 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 Ấn Độ Dương

 Đo 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 phần, bản đồ này được sử dụng để xác định các dị thường từ trong vỏ Trái đất phục vụ cho việc thăm dò chi tiết bằng các phương pháp

 Đo từ trên vệ tinh:

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

dụng phương tiện vệ tinh Các phép đo từ trên vệ tinh đầu tiên được tiến hành bởi

vệ tinh Sputnik 3 vào năm 1958

Số liệu đo từ vệ tinh MAGSAT đã cung cấp một bức tranh chính xác về trường địa từ đáp ứng đòi hỏi của việc lập bản đồ từ thế giới

Các kết quả đo vẽ trên vệ tinh MAGSAT cho phép khẳng định là ở độ cao

của MAGSAT phần trường chính có nguồn gốc bên trong Trái đất biến thiên trong khoảng từ 30.000 đến 65.000 nT, phần trường có nguồn gốc bên ngoài Trái đất biến thiên trong khoảng từ 0 đến 1.000 nT, còn phần trường gây ra do các nguồn nằm trong vỏ Trái đất là rất nhỏ, chỉ chiếm khoảng 0-50 nT

1.2.2.2 Quan tr ắc sự biến thiên theo thời gian:

Thang thời gian để 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 chất xa xôi Do vậy, việc nghiên cứu sự thay đổi theo thời gian của các yếu tố trường địa từ được tiến hành

dựa trên các quan trắc sau đây:

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

- Quan trắc tại mạng lưới điểm tựa biến thiên thế kỷ

- Quan trắc khảo cổ từ

- Khảo sát cổ từ

Cho đến nay, con số đài địa từ trên toàn cầu ổn 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 phải đóng cửa hay dịch chuyển vị trí Tuy nhiên, hàng năm lại có một số đài địa từ mới được thành lập

 Yêu c ầu đối với việc chọn vị trí đài địa từ:

- Vị trí đài địa từ phải nằm xa các nguồn gây nhiễu nhân tạo, đặc biệt là tránh các giao thoa về điện

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