Từ trường Trái Đất: Nguồn gốc, cấu trúc và tác động đến nhân loại

Từ trường của Trái Đất, còn được gọi là trường địa từ, là một hiện tượng mạnh mẽ, quan trọng kéo dài từ bên trong Trái Đất ra ngoài không gian, nơi nó tương tác với gió Mặt Trời, một luồng các hạt tích điện phát ra từ Mặt Trời.

Từ trường Trái Đất này đóng vai trò như một lá chắn bảo vệ chống lại bức xạ Mặt Trời và đóng vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống duy trì sự sống của Trái Đất.

Nguồn gốc từ trường của Trái Đất

Từ trường của Trái đất bắt nguồn chủ yếu từ một vùng gọi là lõi ngoài, là một lớp sắt và niken nóng chảy nằm cách bề mặt Trái đất khoảng 2.890 km.

Sự kết hợp giữa bản chất lưu chất của lõi ngoài, sự quay của Trái đất và các dòng đối lưu do nhiệt tỏa ra từ lõi trong sâu hơn tạo nên một hệ thống trong đó chất lỏng chuyển động dẫn điện tạo ra từ trường, một quá trình được gọi là địa động lực.

Thuyết địa động lực cho rằng các chuyển động phức tạp của chất lỏng này, do các lực tác động lên lõi ngoài tạo ra, tạo ra các dòng điện. Do hiệu ứng địa động lực, những dòng điện đó tạo ra và duy trì từ trường. Do đó, nguồn gốc của từ trường Trái đất gắn liền chặt chẽ với các tính chất vật lý và các quá trình động diễn ra trong lõi ngoài của Trái đất.

Điều quan trọng cần lưu ý là thuyết địa động lực dựa trên sự hiểu biết hiện tại của chúng ta và các bằng chứng có sẵn. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều khía cạnh của địa động lực học và quá trình tạo ra từ trường mà các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu.

Cấu tạo cơ bản của từ trường Trái Đất

• Trường lưỡng cực: Từ trường thường được coi là trường lưỡng cực, với các cực từ gần các cực địa lý. Tuy nhiên, các cực từ và cực địa lý không thẳng hàng hoàn hảo và liên tục dịch chuyển.
• Cường độ: Cường độ của từ trường thay đổi trên khắp bề mặt Trái đất, dao động từ 25 đến 65 microtesla (µT).
• Độ nghiêng: Từ trường có cả độ nghiêng (góc giữa đường sức từ và đường nằm ngang) và độ nghiêng (góc giữa cực bắc từ và cực bắc thực).
• Từ quyển: Từ trường mở rộng xa vào không gian, tạo ra một từ quyển làm chệch hướng và giữ lại các hạt tích điện từ gió mặt trời.

Từ trường Trái Đất bảo vệ chúng ta như thế nào?

"Bong bóng" từ tính bảo vệ của chúng ta, được gọi là từ quyển, bảo vệ chúng ta khỏi thời tiết không gian có hại như gió mặt trời. Nếu không có từ quyển, gió mặt trời sẽ làm xói mòn bầu khí quyển của chúng ta, tước đi không khí mang lại sự sống cho hành tinh xanh.

Theo NASA, từ quyển cũng bảo vệ Trái đất khỏi lượng lớn bức xạ hạt phát ra trong các sự kiện phun trào khối lượng vành nhật hoa (CME) và cũng khỏi các tia vũ trụ — các mảnh nguyên tử — rơi xuống Trái đất từ ​​không gian sâu thẳm. Từ quyển đẩy lùi năng lượng có hại ra khỏi Trái đất và giữ nó trong các vùng được gọi là vành đai bức xạ Van Allen. Những vành đai bức xạ hình bánh rán này có thể phình ra khi hoạt động của mặt trời tăng lên.

Nhưng lá chắn bảo vệ của chúng ta không hoàn toàn bất khả chiến bại.

Trong các sự kiện thời tiết vũ trụ đặc biệt mạnh như gió mặt trời mạnh hoặc CME lớn, từ trường của Trái đất bị nhiễu loạn và các cơn bão địa từ có thể xâm nhập vào từ quyển và dẫn đến tình trạng mất điện trên diện rộng cũng như gây nguy hiểm cho các phi hành gia và vệ tinh quay quanh Trái đất.

Năm 1859, một cơn bão mặt trời lớn được gọi là Sự kiện Carrington đã gây ra sự cố hệ thống điện báo trên diện rộng và năm 1989, một CME đi kèm với một đợt bùng phát mặt trời và khiến toàn bộ tỉnh Quebec, Canada rơi vào tình trạng mất điện kéo dài khoảng 12 giờ theo một tuyên bố của NASA.

Mức độ nhiễu loạn từ trường từ CME phụ thuộc vào từ trường của CME và Trái đất. Nếu từ trường của CME thẳng hàng với từ trường của Trái đất, hướng từ nam ra bắc, CME sẽ đi qua mà không gây ra nhiều tác động. Tuy nhiên, nếu CME thẳng hàng theo hướng ngược lại, nó có thể khiến từ trường của Trái đất được tổ chức lại, gây ra các cơn bão địa từ lớn.

Các nhiễu loạn trong từ trường của Trái Đất dẫn ion xuống mỗi cực của Trái Đất, nơi chúng va chạm với các nguyên tử oxy và nitơ trong khí quyển của Trái Đất, tạo ra các màn trình diễn ánh sáng cực quang rực rỡ.

Theo Science Daily, chỉ riêng trong 200 triệu năm trở lại đây, các cực từ của Trái Đất đã đảo ngược hàng trăm lần trong một quá trình mà cực bắc trở thành cực nam và cực nam trở thành cực bắc.

Các cực từ đảo ngược khoảng 200.000 đến 300.000 năm một lần theo NASA, mặc dù đã hơn gấp đôi thời gian đó kể từ lần đảo ngược cuối cùng. Lần đảo ngược từ trường gần đây nhất của Trái Đất xảy ra cách đây khoảng 790.000 năm, nên chúng ta đã khá chậm trễ cho một lần đảo ngược khác. Nhưng đừng lo lắng, các cực từ sẽ không chỉ đảo ngược trong một đêm, có thể mất hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn năm để các cực đảo ngược.