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.
Hình 1.11. Dòng điện xích đạo.
1.1.3.3.2. Bão từ:
Bão từ hay còn gọi là bão địa từ là sự biến đổi của các yếu tố của từ trường theo thời gian xảy ra với quy mô toàn cầu.
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 từ 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.
Giải 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. Từ 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. Từ quyển của Trái đất.