LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU về từ TRƯỜNG TRÁI đất

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM
BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ


Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƢ PHẠM VẬT LÝ

TÌM HIỂU VỀ TỪ TRƢỜNG TRÁI ĐẤT

Giảng viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Dƣơng Quốc Chánh Tín

Trần Minh Cảnh
Mã số sinh viên: 1090160
Lớp: Sƣ Phạm Vật Lý- K35

Cần Thơ, 05/ 2013


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô trường Đại Học Cần Thơ,
Khoa Sư Phạm và Bộ Môn sư phạm Vật lý là những người đã trang bị cho em rất nhiều
kiến thức, kinh nghiệm nghề nghiệp và cuộc sống vô cùng quý báu trong suốt bốn năm
học tập và rèn luyện tại trường. Đó là hành trang vững chắc không chỉ giúp em hoàn
thành đề tài tốt nghiệp mà còn là nền tảng cho sự nghiệp của em trong tương lai.
Đặc biệt em cũng xin chân thành biết ơn sâu sắc với thầy Dương Quốc Chánh Tín,

thầy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Thầy đã nhiệt
tình hướng dẫn, góp ý, cung cấp tài liệu, hỗ trợ để em có thể hoàn thành đề tài này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy Hồ Hữu Hậu và Thầy Phạm Văn Tuấn, là hai
giảng viên phản biện đã đóng góp những ý kiến quý báu để đề tài luận văn của em được
hoàn chỉnh hơn.
Và đồng thời em cũng xin chân thành cảm ơn các anh ,chị, bạn bè sinh viên đã giúp
đỡ và đóng góp ý kiến trong suốt quá trình thực hiện đề tài.


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

GAD

Geocentric Axial Dipole

GVP

virtual geomagnetic pole

GPS, LORAN, OMEGA

Hệ thống đường truyền

Jerk

Dạng biến thiên

NOAA

Trung tâm môi trường vũ trụ

SD

Hạt tinh thể macnetit

IAG

Hội trắc địa

IAGA

Hội địa từ và cao không quốc tế

IASPEI

Hội địa chấn và cấu trúc bên trong Trái đất

IGRF

International Geomagnetic Reference Field


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.........................................................................................................
PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ............................................................................................................ 1
1.1 Lịch sử vấn đề nghiên cứu ....................................................................................................... 1
1.2 Mục đích của đề tài .................................................................................................................. 1
1.3 Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................................. 1

2 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................................... 2
3 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ..................................... 2
3.1 Phương pháp ............................................................................................................................ 2
3.2 Phương tiện ............................................................................................................................. 2
4 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ......................................................................................... 2
PHẦN NỘI DUNG ...................................................................................................................... 3
CHƯƠNG I TỔNG QUAN TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT ............................................................. 3
1 TRƯỜNG ĐỊA TỪ VÀ CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA TRÁI ĐẤT ................................... 4
1.1 Cấu trúc phân lớp của Trái đất ................................................................................................. 4
1.1.1 Vỏ Trái đất ........................................................................................................................... 5
1.1.2 Lớp manti ............................................................................................................................. 6
1.1.3 Nhân Trái đất ........................................................................................................................ 7
1.2 Biểu diễn giải tích trường địa từ ............................................................................................... 7
1.3 Biến thiên thế kỷ của trường địa từ ........................................................................................ 15
1.3.1 Xác định biến thiên thế kỷ dựa trên các quan trắc trực tiếp trường địa từ ............................. 17


1.3.2 Xác định biến thiên thế kỷ theo kết quả nghiên cứu khảo cổ từ và cổ từ .............................. 19
1.3.2.1 Xác định cường độ của trường địa từ trong quá khứ địa chất ............................................ 19
1.3.2.2 Xác định biến thiên thế kỷ theo các số liệu cổ từ và khảo cổ từ ........................................ 20
1.3.3 Biến thiên thế kỷ và cấu trúc bên trong của Trái đất ............................................................ 21
1.4 Sự đảo cực của trường địa từ và cấu trúc bên trong của Trái đất ............................................. 22
1.4.1 Hiện tượng đảo cực của trường địa từ và cấu trúc bên trong của Trái đất ............................. 23
1.4.2 Hiện tượng đảo cực của trường địa từ và thang niên đại địa chất ......................................... 25
1.5 Trường địa từ và cấu trúc vỏ Trái đất ..................................................................................... 26
1.5.1 Dị thường từ và cấu trúc vỏ Trái đất .................................................................................... 26
1.5.2 Dị thường từ tuyến tính tại vùng sống giữa đại dương và sự tách giản vỏ Trái đất ............... 27
1.5.3 Dịch chuyển lục địa theo kết quả khảo sát cổ từ .................................................................. 28
1.5.4 Dị thường từ và cấu trúc địa chất ........................................................................................ 31
2 TRƯỜNG ĐỊA TỪ VÀ MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH TRÁI ĐẤT ................................ 33

2.1 Trường địa từ có nguồn gốc bên ngoài Trái đất ...................................................................... 33
2.1.1 Biến thiên ngày đêm từ trường yên tĩnh S q .......................................................................... 33
2.2 Chỉ số tính hoạt động địa từ ................................................................................................... 35
2.2.1 Chỉ số K.............................................................................................................................. 36
2.2.2 Chỉ số Dst ............................................................................................................................ 40
2.3 Từ quyển và môi trường xung quanh Trái đất ........................................................................ 41
2.4 Dự báo thời tiết vũ trụ ............................................................................................................ 42
2.4.1 Nhu cầu dự báo thời tiết vũ trụ ............................................................................................ 43
2.4.2 Làm thế nào để dự báo thời tiết vũ trụ ? .............................................................................. 44
CHƯƠNG II: MỘT SỐ LÝ THUYẾT GIẢI THÍCH NGUYÊN NHÂN HÌNH THÀNH TỪ
TRƯỜNG TRÁI ĐẤT ............................................................................................................... 46


1 KIỂM TRA MÔ HÌNH TRƯỜNG DIPOLE TRỤC ĐỒNG TÂM ...................................... 46
2 MÔ HÌNH ĐĨA ĐINAMÔ FARADAY GIẢI THÍCH NGUỒN GỐC CỦA TỪ TRƯỜNG
TRÁI ĐẤT ................................................................................................................................. 49
3 MÔ HÌNH ĐINAMÔ THỦY TỪ ........................................................................................... 51
CHƯƠNG III: ẢNH CỦA TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT TRONG CUỘC SỐNG VÀ MÔI
TRƯỜNG XUNG QUANH ....................................................................................................... 53
1 SINH ĐỊA TỪ ......................................................................................................................... 53
1.1 Vi sinh vật từ ......................................................................................................................... 53
1.2 Vi sinh vật từ liên quan với môi trường và cổ từ .................................................................... 54
1.3 Giác quan từ .......................................................................................................................... 55
2 BẢO TỪ .................................................................................................................................. 55
2.1 Ảnh hưởng tới con người ....................................................................................................... 56
2.2 Ảnh hưởng đến mạng thông tin trên Trái đất .......................................................................... 59
2.3 Ảnh hưởng tới hệ thống truyền tải điện .................................................................................. 60
3 ẢNH HƯỞNG CỦA TỪ TRƯỜNG TRONG NUÔI CẤY MÔ CÂY CHÈ ......................... 61
3.1 Ảnh hưởng của cường độ từ trường đến giai đoạn vào mẫu .................................................... 61
3.2 Ảnh hưởng của cường độ từ trường đến giai đoạn nhân chồi .................................................. 62

3.3 Ảnh hưởng của cường độ từ trường đến giai đoạn ra rễ .......................................................... 64
PHẦN KẾT LUẬN ................................................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................... 67


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

PHẦN MỞ ĐẦU
1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
1.1 Lịch sử vấn đề nghiên cứu
Mặt trời không chỉ đem đến ánh sáng và hơi ấm mà còn là mối hiểm nguy của con
người mặt trời liên tục phóng ra các hạt giàu năng lượng - gió mặt trời - vào vũ trụ và về
hướng trái đất. Trước khi các hạt đó có thể chạm vào hành tinh của chúng ta thì chúng đã
bị một tấm chắn ngăn lại, đó là từ trường của trái đất. Từ trường trái đất là trường vật lý
tự nhiên tồn tại trên trái đất có tác động rõ rệt tới môi trường địa quyển, sinh quyển, khí
quyển cũng như các hoạt động sinh lý của con người và sinh vật. Vì những tầm quan
trọng đó nên từ trường trái đất luôn là vấn đề nghiên cứu của các nhà khoa học nói chung
và của các nhà vật lý học nói riêng, qua khảo sát có rất nhiều tài liệu viết về từ trường trái
đất nhưng có rất ít tài liệu tổng hợp chúng một cách có hệ thống vì thế tôi quyết định
chọn đề tài “Tìm Hiểu Về Từ Trƣờng Trái Đất” nhằm tổng hợp những kiến thức cơ
bản về từ trường trái đất nhằm phục vụ lợi ít con người.
1.2 Mục đích của đề tài
Nghiên cứu những vấn đề cơ bản về từ trường trái đất dựa trên những quan điểm
hiện đại.
Nghiên cứu một số lý thuyết giải thích về sự hình thành từ trường Trái đất.
Phân tích vai trò của từ trường trái đất cũng như tác động của từ trường trái đất đối
với môi trường xung quanh.
Tạo tài liệu tham khảo cho giáo viên và sinh viên.

1.3 Phạm vi nghiên cứu
Tập chung gồm ba nội dung
Tổng quan về từ trường Trái đất
Lý thuyết giải thích về sự hình thành từ trường Trái đất
Luận văn tốt nghiệp

1


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

Ảnh hưởng của từ trường Trái đất trong cuộc sống và môi trường xung quanh

2 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI
Từ trường trái đất có nguồn gốc từ đâu ?
Từ trường Trái đất giải thích dựa trên những nguyên lý nào ?
Từ trường trái đất có ảnh hưởng như thế nào trong cuộc sống và môi trường xung
quanh ?

3 CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
3.1 Phƣơng pháp
Tìm tài liệu.
Nghiên cứu,chọn lọc,phân tích thông tin thu nhận.
Tham khảo ý kiến thầy cô bạn bè.
Tổng hợp tài liệu để hoàn chỉnh nội dung.
3.2 Phƣơng tiện
Các loại sách và tài liệu liên quan đến đề tài.
Máy vi tính, Internet, máy ảnh

4 CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Trao đổi về thầy cô về đề tài nghiên cứu.
Nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài, viết đề cương cho đề tài.
Tổng hợp tài liệu viết luận văn.
Xin ý kiến người hướng dẫn, chỉnh sửa luận văn.
Hoàn thành và báo cáo luận văn.

Luận văn tốt nghiệp

2


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

PHẦN NỘI DUNG
CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ TỪ TRƢỜNG TRÁI ĐẤT
Trường địa từ được biết đến rất sớm. Hiện nay tại các bảo tàng các sáng chế cổ học
của học viện Smith về lịch sử khoa học tại London vẫn còn giử lại chiếc la bàn hình thìa
đầu tiên trên thới 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 vuông tượng trưng
cho Trái đất.

Hình 1.1 Chiếc la bàn hình thìa do người Trung Hoa chế tạo đang được
lưu giữ tại Viện Bảo tàng Smith tại London.
Từ cuối thế kỷ 15, la bàn 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 chênh 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.
Nghành khoa học về địa từ chỉ thực sự ra đời từ năm 1600 khi W.Gilbert, nhà vật lý
của nữ hoàng Elizabeth I, xuất bản cuốn sách ―trường địa từ‖. 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 rẳng Trái đất là một quả cầu nhiễm từ đồng chất, nguồn gốc
và đặc điểm nhiễn từ của Trái đất nằm chính trong bản thân nó. Nếu ta giả thuyết rằng
3
Luận văn tốt nghiệp


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

momen từ được tập trung ở trong một chiếc nam châm nằm cách tâm Trái đất khoảng
400km thì hướng của trục nhiễm từ của chiếc nam châm này tạo với trục quay của Trái
đất một góc ~11.5 độ. Trường do nam châm tạo nên gọi là trường lưỡng cực. Cực từ của
bán cầu bắc nằm cách cực địa lý 1900km. Góc chênh lệch giữa kinh tuyến địa lý và kinh
tuyến từ do kim la bàn chỉ gọi là góc từ thiên.

Hình 1.2 W.Gilbert tác giả cuốn sách “De Magnet”

1 TRƢỜNG ĐỊA TỪ VÀ CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA TRÁI ĐẤT
1.1 Cấu trúc phân lớp của Trái đất
Những hiểu biết về cấu trúc bên trong của Trái đất giảm dần theo chiều sâu vào
trong lòng đất. Phần vỏ lục địa nông được khảo sát khá nhiều bằng cách sử dụng các
phương pháp địa chấn phản xạ có độ phân giải cao trong tìm kiếm dầu khí và khoáng sản.
Công nghệ được phát triển trong công nghiệp dầu khí này cũng được ứng dụng để khảo
sát các đứt gãy sâu trong vỏ Trái đất và xây dựng mô hình tiến hóa của vỏ Trái đất. Các

công trình khảo sát gần mặt đất đã khẳng định là cấu trúc của vỏ Trái đất khá phức tạp do
sự có mặt của đất đá đã tồn tại hơn 4 tỷ năm và đã trải qua những tiến hóa và vận động
kiến tạo qua nhiều triệu năm. Hiện chưa có lỗ khoan sâu nào tới ranh giới Môhô: lỗ
khoan sâu nhất thế giới cũng chưa vượt quá 20 km, tức chỉ xấp xỉ 1/1.000 đường kính của
Trái đất. Các tư liệu dựa vào kết quả quan trắc địa từ, địa điện, địa nhiệt và đặc biệt là sự
Luận văn tốt nghiệp

4


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

lan truyền của sóng địa chấn cung cấp thông tin về cấu trúc bên trong của Trái đất. Trong
số các tư liệu nói trên thì các thông tin do sóng động đất cuung cấp đóng một vai trò hết
sức quan trọng. Sóng địa chấn có thể đi qua phần bên trong của Trái đất rồi phản xạ lên
mặt đất dưới hình thức sóng dọc và sóng ngang. Sóng dọc truyền tương đối nhanh, và
sóng ngang truyền tương đối chậm, hơn nữa tốc độ truyền của chúng đều liên quan tới
trạng thái vật chất nơi chúng đi qua. Sóng ngang chỉ có thể truyền qua thể rắn, còn sóng
dọc có thể truyền qua thể rắn, thể lỏng và thể khí. Vì vậy, căn cứ vào sự thay đổi tốc độ
truyền sóng địa chấn dưới lòng đất và hiện tượng sóng ngang không thể truyền qua nhân
Trái đất, có thể suy đoán ra về cấu trúc bên trong của Trái đất.
Dung nham của núi lửa phun ra cũng cho phép hình dung được về thành phần vật
chất ở độ sâu tới mấy chục km: nhiệt độ của các dòng nham thạch phun lên mặt đất đều
cao hơn 1.0000C. Kết quả đo trực tiếp từ nhiều giếng khoan, lỗ khoan, cho thấy là trong
khoảng 10 km bên dưới mặt đất, cứ mỗi khi tiến sâu thêm 100m, thì nhiệt độ tăng trung
bình thêm 30C. Theo xu hướng này thì nhiệt độ tại ranh giới vỏ - mati phải tới vài ngàn
độ C, càng xuống sâu nhiệt độ và áp suất càng tăng cao, nồng độ vật chất càng đậm đặc
và nhiệt độ ở phần nhân của Trái đất phải trên 5.0000C.

Ngoài ra, việc nghiên cứu thành phần hoá học của các thiên thạch từ trên trời đã rơi
xuống mặt đất cũng cho phép chúng ta suy đoán về thành phần vật chất bên trong Trái
đất.
Từ những nguồn dử liệu trên, có thể thấy rằng Trái đất là một hành tinh có dạng
hình cầu với đường kính là 12.750 km và được cấu thành từ nhiều lớp được gọi lần lượt
là vỏ, manti, nhân ngoài và nhân trong ( hình 1.3 ). Các lớp được phân cách với nhau
bằng các ranh giới ( ranh giới Moho, ranh giới nhân manti, ranh giới nhân trong và nhân
ngoài ) mà khi truyền qua đó các sóng địa chấn bị khúc xạ rõ rệt.
1.1.1 Vỏ Trái đất
Lớp ngoài cùng của Trái đất là lớp vật chất rắn và mỏng được gọi là vỏ Trái đất. Bề
dầy của vỏ Trái đất cho tới Moho dao động trong khoảng từ 5 đến 70 km. Vỏ đại dương
có độ dày trung bình là 5 km và tương đối đồng đều. Vỏ đại dương được cấu thành từ
loại vật chất nặng như bazan có nguồn gốc nham thạch. Vỏ lục địa có bề dầy trung bình
Luận văn tốt nghiệp

5


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

là 30 km tại khu vực đồng bằng, nhưng tại vùng nói có thể lên tới 70 km. Thành phần chủ
yếu của vỏ lục địa là đá núi lửa gồm: granite và diorit. Tuổi của vỏ lục địa có thể tới 3,8
tỷ năm, trong khi vỏ đại dương còn rất trẻ, chỉ vào khoảng 200 triệu năm.

Hình 1.3 Mô hình phân lớp bên trong Trái đất ( nguồn tư liệu:SEDI )
1.1.2 Lớp manti
Lớp manti là lớp nằm ngay dưới vỏ Trái đất cho đến độ sâu 2.900 km và chiếm
khoảng 82 % thể tích của toàn bộ Trái đất. Vật chất trong lớp manti đặc, nóng, chứa

nhiều sắt, magiê và canxi. Khi càng xuống sâu dưới mặt đất thì nhiệt độ và áp suất càng
tăng , nên vật chất trong lớp manti dưới sẽ nóng và đặc hơn. Dựa theo cấu trúc hóa học,
lớp manti được chia làm 2 phần: manti ngoài và manti trong.
Lớp manti ngoài chỉ chiếm một phần rất nhỏ, bắt đầu ngay từ dưới vỏ Trái đất đến
độ sâu 410 km. Thành phần vật chất của lớp manti ngoài bao gồm silicate của sắt và
magiê nhiệt độ 1.4000C – 3.0000C.

Luận văn tốt nghiệp

6


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

Lớp manti trong nằm ờ độ sâu từ 410 km cho tới 2.900 km nhiệt độ trung bình là
3.0000C. Vật chất của lớp manti trong có dạng rất do áp suất rất cao. Thành phần chính
của lớp manti trong bao gồm sunfua và oxit của silic và magiê.
Vị trí của lớp manti luôn thay đổi theo độ sâu liên quan với sự thay đổi của cấu trúc
nhiệt và hóa bên trong Trái đất, phân cách phần manti silicat với phần nhân hỗn hợp bao
gồm sắt – kền nóng chảy.
1.1.3 Nhân Trái đất
Kể từ độ sâu 2.900 km đến tâm Trái đất là phần nhân với tỷ trọng gần gấp đôi tỷ
trọng lớp manti. Nhân được chia thành 2 phần: nhân ngoài và nhân trong .
Nhân ngoài có độ dày khoảng 2.200 km ( 2.890 – 5.150 km dưới mặt đất ) và ở
dạng lỏng. Nhân ngoài bao gồm sắt, niken và khoảng 10% khí sunfua và ôxy.
Nhân trong ở thể rắn, dày khoảng 1.250 km ( 5.150 – 6.370 km dưới mặt đất ) có
nhiệt độ và áp suất rất cao ( 5.0000C – 6.0000C với thành phần chủ yếu là sắt, niken và
một số nguyên tố nhẹ hơn như lưu quỳnh, carbon, oxy, silic và kali….

Lý do về việc Trái đất phân chia thành nhiều tầng lớp được giải thích phụ thuộc vào
các giả thuyết về sự hình thành Trái đất ( thí dụ như giả thuyết về sự hình thành Trái đất
do tinh vận nóng đỏ nguội đi, hoặc giả thuyết cho rằng Trái đất là do các hạt bụi vũ trụ ở
thể rắn ngưng kết lại tạo nên ….)
1.2 Biểu diển giải tích trƣờng địa từ
Cho đến nay, các kết quả đo đạc và quan trắc địa từ đã cho phép khẳng định trường
địa từ đo được trên mặt đất là tổ hợp của phần trường chính của Trái đất ( được tạo nên
bởi các dòng điện chạy trong nhân ngoài của Trái đất ); phần trường của vỏ Trái đất
( được tạo nên do các đá nhiễm từ trong vỏ Trái đất ) và phần trường có nguồn gốc bên
ngoài Trái đất ( được tạo nên do các dòng hạt tích điện bên ngoài Trái đất ).
Từ năm 1835 nhà khoa học Đức Gauss đã tiến hành phân tích điều hòa cầu trường
địa từ và đã xác định được giá trị của các hệ số chính của nó, dựa trên các kết quả quan
trắc trường địa từ trên toàn cầu.
Luận văn tốt nghiệp

7


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

Để làm rõ điều này có thể phân tích trường toàn cầu bằng cách xấp xỉ theo một
chuỗi của hàm cầu điều hòa như Gauss đã tiến hành vào năm 1839.
Phương pháp này có thể chấp nhận được nế lưu ý rằng cường độ dòng điện trong
tầng khí quyển nằm giữa mặt đất và tầng điện ly ( ở độ cao từ 80 km trở lên ) là không
đáng kể. Như vậy có thể ứng dụng phương trình Maxwell
rot B = 0
Trong trường hợp này, từ trường B có thể là đạo hàm của 1 trường thế V, và chúng
ta có thể viết :

B = gradV
Do tính chất của từ trường B là div B = 0, nên
div B = div gradV =  V =0
Hàm V thường được biểu diễn dưới dạng hàm điều hòa cầu. Khi chúng ta sử dụng
hệ tọa độ Đềcac ( x, y , z ) với gốc tọa độ đặt tại tâm của Trái đất, trục Z trùng với trục
quay của Trái đất, trục X nằm trong mặt phẳng xích đạo và hướng về phía kinh tuyến
Greenwith, trục Y là thành phần toàn thiện của hệ tọa độ theo tay phải. Theo cách như
vậy, chúng ta xác định tọa độ cầu ( r, theta, phi ) , ở đó trục cực trùng với trục Z. Công
thức chuyển đổi từ hệ tọa độ Đề cac sang hệ tọa độ cầu là :
 x  r sin  cos 

 y  r sin  sin 
 z  r cos 


Trong hệ tọa độ cầu, biểu thức giải tích của V sẽ có dạng :


R 
V r , ,    R   E 
n 1 m 0  r 
n

n 1

g

m
n



cos m  hnm sin m Pnm cos  

Trong đó :
RE là bán kính trung bình của Trái đất ( 6371,2 km ) Pnm cos   là hàm số Legendre
liên kết, tính theo chuẩn hóa của Schmidt.
Luận văn tốt nghiệp

8


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

Việc khai triển là một chuỗi vô hạn, nhưng trên thực tế thì người ta thường giới hạn
ở hài n= 10 hoặc n= 13. Số liệu phục vụ cho tính toán các hệ số hệ số gnm và hnm được thu
nhận từ các đài địa từ trên toàn cầu, các số liệu của mạng lưới biến thiên thế kỷ, các kết
quả đo từ trên mặt đất, trên máy bay, vệ tinh, số liệu của mạng đài địa từ hành tinh
( INTERMAGNET ).
Phần trường chính được xác định cho mỗi niên đại gồm 5 năm liên tiếp. Vào năm
cuối của niên đại, thí dụ niên đại 2000.5, một mô hình biến thiên thế kỷ được đưa vào để
chuyển tiếp trường cho 5 năm tiếp theo. Các mô hình IGRF được tính toán và cung cấp
liên tục bởi nhóm làm việc V-8 của IAGA ―Phan tích từ trường toàn cầu và khu vực cùng
với biến thiên thế kỷ của nó‖. Trên cơ sở đó họ xây dựng các hệ số đặc trưng cho trường
vào từng thời kỳ nhất định, thường là 5 năm một lần và được gọi là mô hình IGRF
( International Geomagnetic Reference Field ). Các file số liệu tính toán hệ số IGRF cũng
như trương trình tính toán tổng hợp các hệ số có sẵn tại các trung tâm số liệu quốc tế.
Khi khai triển, số hạng thứ nhất của chuỗi có giá trị lớn nhất và đóng vai trò quan

trọng nhất.
Ví dụ về các hệ số điều hòa cầu cho mô hình hoàn chỉnh được dẫn trên bảng 1. Các
mô hình IGRF đã được tính cho niên đại 5 năm từ 1900.0 đến 2005.0. Các hệ số cho mô
hình trước năm 2000 được tính đến hài n = 10 với độ chính xác là 1 nT. Năm 2001 IAGA
quyết định là IGRF từ năm 2000 trở đi sẽ được tính đến n = 13 và với độ chính xác là 0.1
nT.
Các mô hình IGRF được sử dụng trong việc định hướng lái của tàu biển, máy bay,
định vị các vệ tinh nhân tạo, các thiết bị GPS. Chúng cũng được dùng trong nghiên cứu
vỏ Trái đất, lớp manti, nhân Trái đất, tầng điện ly, từ quyển và các dị thường từ.
Có thể tải bảng IGRF -10 cho các mô hình từ năm 1900 đến 2005 từ trang web của
IAGA.
Bảng 1 : Mô hình trường chuẩn toàn cầu IGRF 2000
Niên đại 2000
13 hài cực đại của phần trường chính
Luận văn tốt nghiệp

9


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

8 hài cực đại của biến thiên thế kỷ
0 hài cực đại của trường bên ngoài Trái đất
6371,2 km – Bán kính Trái đất
gnm , hnm hệ số của phần trường chính
gdotnm , hdotnm hệ số của phần biến thiên thế kỷ
n

m

gnm

1

0

-29614.72

1

1

-1727.74

2

0

2267.11

-0

2

1

3071.78

-2477.69

1.10

-20.60

2

2

1672.18

-457.63

-1.10

-9.60

3

0

1340.85

0

0.70

3

1

-2289.53

-226.99

-5.40

6.00

3

2

1252.52

296.26

0.90

-0.10

3

3

715.10

-492.28

-7.70

-14.20

4

0

935.35

0

-1.30

0

4

1

786.71

271.92

1.60

2.10

4

2

250.81

-231.63

-7.30

1.30

4

3

-404.66

118.54

2.90

5.00

4

4

109.91

-303.88

-3.20

0.30

5

0

-216.82

0

0.00

5

1

350.96

Luận văn tốt nghiệp

hn m

gdotnm

0

14.60

0

5186.27

10.70

-22.50

-12.40

43.69

-0.70
10

hdotnm

0

0

0
-0.10


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

5

2

222.36

171.65

-2.10

0.60

5

3

-130.72

-133.88

-2.80

1.70

5

4

-168.53

-40.26

-0.80

1.90

5

5

-11.83

106.79

2.50

0.10

6

0

72.34

0

1.00

0

6

1

67.76

-17.09

-0.40

-0.20

6

2

73.98

63.84

0.90

-1.40

6

3

-161.06

65.19

2.00

0.00

6

4

-5.13

-61.34

-0.60

-0.80

6

5

17.03

1.33

-0.30

0.00

6

6

-90.53

44.11

1.20

0.90

7

0

79.01

0

-0.40

0

7

1

-74.49

-64.71

-0.40

1.10

7

2

-0.24

-24.33

-0.30

0.00

7

3

33.17

6.35

1.10

0.30

7

4

9.38

23.59

1.10

-0.10

7

5

6.72

15.07

-0.20

-0.60

7

6

7.60

-25.47

0.60

-0.70

7

7

-1.55

-5.55

-0.90

0.20

8

0

24.92

-0.30

0

8

1

6.30

11.78

0.20

0.10

8

2

-9.06

-21.58

-0.30

0.00

Luận văn tốt nghiệp

0

11


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

8

3

-7.71

8.45

0.40

0.00

8

4

-16.93

-21.26

-1.00

0.30

8

5

9.03

15.26

0.30

0.60

8

6

6.91

8.58

-0.50

-0.40

8

7

-7.84

-15.50

-0.70

0.30

8

8

-6.95

-2.70

-0.40

0.70

9

0

5.26

0

0

0

9

1

9.06

-20.00

0

0

9

2

2.61

13.40

0

0

9

3

-8.49

12.40

0

0

9

4

6.44

-6.26

0

0

9

5

-8.77

-8.47

0

0

9

6

-1.55

8.59

0

0

9

7

9.24

3.83

0

0

9

8

-3.98

-8.08

0

0

9

9

-8.24

4.64

0

0

10 0

-2.44

0

0

0

10 1

-5.92

1.23

0

0

10 2

1.52

0.12

0

0

10 3

-3.15

3.97

0

0

10 4

-0.40

4.95

0

0

10 5

3.81

-5.79

0

0

Luận văn tốt nghiệp

12


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

10 6

1.10

-1.25

0

0

10 7

2.03

-2.81

0

0

10 8

4.38

0.18

0

0

10 9

0.47

-2.02

0

0

10 10

-0.77

-7.66

0

0

11 0

2.96

0

0

11 1

-1.86

-0.45

0

0

11 2

-2.22

1.27

0

0

11 3

1.54

-0.82

0

0

11 4

-0.19

-2.61

0

0

11 5

0.03

0.93

0

0

11 6

-0.64

-0.75

0

0

11 7

0.89

-2.79

0

0

11 8

1.86

-0.79

0

0

11 9

0.05

-1.14

0

0

11 10

1.09

-2.11

0

0

11 11

4.07

-0.83

0

0

12 0

-1.85

0

0

12 1

-0.19

-0.99

0

0

12 2

-0.15

0.29

0

0

12 3

0.72

2.57

0

0

12 4

-0.29

-2.53

0

0

Luận văn tốt nghiệp

0

0

13


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

12 5

0.91

0.64

0

0

12 6

-0.51

0.22

0

0

12 7

0.32

-0.14

0

0

12 8

-0.25

0.10

0

0

12 9

-0.34

0.30

0

0

12 10

-0.02

-0.95

0

0

12 11

0.11

-0.23

0

0

12 12

-0.55

0.84

0

0

13 0

-0.04

0

0

0

13 1

-1.11

-1.56

0

0

13 2

-0.26

0.25

0

0

13 3

0.04

1.86

0

0

13 4

-0.37

-0.50

0

0

13 5

1.39

-1.03

0

0

13 6

-0.39

-0.06

0

0

13 7

0.60

0.59

0

0

13 8

-0.31

0.22

0

0

13 9

0.20

0.61

0

0

13 10

-0.16

0.38

0

0

13 11

0.50

-0.14

0

0

13 12

0.11

-0.23

0

0

13 13

0.32

-0.73

0

0

Luận văn tốt nghiệp

14


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

1.3 Biến thiên thế kỷ của trƣờng địa từ
Biến thiên thế kỷ của trường địa từ được phát hiện trước hết qua việc quan trắc trực
tiếp trường địa từ.
Những hiểu biết hiện đại về trường địa từ cho phép chúng ta tách được phần trường
địa từ biến thiên theo thời gian thành 2 loại, phụ thuộc vào nguồn gốc của nó: phần biến
thiên có nguồn gốc bên ngoài và phần biến thiên có nguồn gốc bên trong Trái đất. Những
biến thiên theo thời gian có chu kỳ nhỏ hơn 5 – 10 năm được coi là có nguồn gốc bên
ngoài Trái đất; những biến thiên có chu kỳ thời gian dài hơn được gọi là biến thiên thế kỷ
và có nguồn gốc bên trong Trái đất. Danh từ ―biến thiên thế kỷ‖ được dùng để chỉ tất cả
các biến thiên của trường địa từ có chu kỳ trong khoảng một chục năm cho tới vài trăm
ngàn năm.
Thời gian đặc trưng của biến thiên trường địa từ, được gây nên trong nhân lỏng của
Trái đất, dao động trong một khoảng rất rộng. Dĩ nhiên là biến thiên thế kỷ với thời gian
đặc trưng khác nhau có thể thay đổi cả về đặc trưng và nguồn gốc. Nhưng trường địa từ
chỉ được quan trắc trực tiếp và liên tục trong khoảng 150 năm gần đây. Do vậy, các số
liệu trên chỉ có thể cung cấp thông tin đầy đủ về những biến thiên thế kỷ với đặc trưng 50
năm hoặc nhỏ hơn. Biến thiên thế kỷ với chu kỳ 60 – 120 năm tuy nằm trong khoảng thời
gian có số liệu quan trắc trực tiếp, nhưng việc miêu tả dạng biến thiên này còn rất hạn chế
vì thời gian quan trắc còn quá ít.
Trên H.1.4 là kết quả ghi biến thiên thế kỷ của trường địa từ tại London từ năm
1600 đến 1950: độ từ khuynh thay đổi trong khoảng 660 đến 750, còn độ từ thiên từ -250
tới +100. Trong cùng một lục địa thì dạng của đường biến thiên thế kỷ tương tự nhau.
Tuy nhiên, khi chuyển từ lục địa này tới lục địa khác thì dạng biến thiên thế kỷ cũng khác
nhau.

Luận văn tốt nghiệp

15

GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

Hình 1.4 Biến thiên thế kỷ quan sát được tại đài địa từ London từ năm 1600 đến
năm 1950 ( nguồn từ liệu Butler )
Việc quan sát biến thiên thế kỷ với chu kỳ dài hơn ( 100 – 600 năm ) được tiến hành
trên cơ sở số liệu quan trắc trực tiếp và số liệu khảo cổ từ. Số liệu khảo cổ từ bao trùm
khoảng thời gian cỡ 10.000 năm. Chúng cho phép quan trắc chu kỳ biến thiên thế kỷ từ
60, 120,180, 360 ,600, 900, 1.200, 1.800 đến 8.000 năm.
Nguồn gốc biến thiên thế kỷ của trường địa từ có thể do 2 nguyên nhân có chu kỳ
chồng lên nhau : 1/ biến thiên phi dipole có chu kỳ ngắn và 2/ biến thiên của trường
dipole có chu kỳ dài. Những thay đổi của trường phi dipole có chu kỳ nhỏ hơn 3.000
năm. Đặc trưng biến thiên phi dipole chính là sự dịch chuyển về phía tây của trường địa
từ, trong đó kinh độ chuyển dịch về phía tây với tốc độ 0,40/năm.
Phần dipole của trường ( bao gồm hơn 90% của trường trên mặt đất ) cũng thay đổi
cả về hướng và biên độ. Để tách các biên thiên dipole và phi dipole, người ta đã dùng các
số liệu ghi từ trực tiếp, các số liệu khảo cổ từ và cổ từ trên các đá trầm tích và phun trào
Holoxen để phân tích. Trái đất được chia làm 8 khu vực, tại mỗi khu vực giá trị trung
bình của trường được tính cho khoảng thời gian 100 năm. Vị trí của cực địa từ được xác
định từ các giá trị trung bình của mỗi khu vực như vậy được sử dụng để tính giá trị của
Luận văn tốt nghiệp

16


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

cực địa từ trung bình cho toàn cầu trong mỗi khoảng thời gian 100 năm trong suốt 2.000
năm qua. Kết quả được dẫn trên H.1.5

Hình 1.5 Vị trí cực địa từ bắc trong suốt 2000 năm qua ( nguồn Butler )
1.3.1 Xác định biến thiên thế kỷ dựa trên các quan trắc trực tiếp trƣờng địa từ
Nếu như trường địa từ có giá trị không đổi trong một thời gian dài, thì các nhà
nghiên cứu chỉ tiến hành đo các yếu tố của trường địa từ tại nước mình bằng các thiết bị
chuẩn, vào một niên đại nào đó rồi sau đó thông báo cho các nước khác để các nhà
nghiên cứu trên thế giới có thể thu thập được đầy đủ thông tin về trường địa từ. Nhưng
trường địa từ không chỉ thay đổi theo thời gian, mà lại có các đặc tính khác nhau tại các
vùng khác nhau trên Trái đất. Cho nên, các quan sát tiến hành tại những khu vực khác
nhau tại những thời điểm khác nhau trở nên không phù hợp với nhau và đòi hỏi phải tiến
hành hiệu chỉnh ―biến thiên thế kỷ‖ ( tức là sự thay đổi của yếu tố trường địa từ trong
thời gian một năm ). Lý do này đã khiến các nhà địa từ học trên toàn thế giới phải không
ngừng quan trắc sự biến thiên của trường địa từ nhằm hoàn thiện những quy luật về phân
bố biến thiên thế kỷ trên toàn cầu.
Luận văn tốt nghiệp

17


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

Những kết quả quan trắc biến thiên thế kỷ trên mặt đất trong 400 năm qua cho phép
khẳng định:
 Sự suy giảm của momen từ dipole chiếm khoảng 0.005% giá trị trung bình của
momen từ trong suốt thời gian quan trắc.

 Trục dipole quay tuế sai về phía tây là 0.008%/năm.
 Cực từ dịch chuyển về phía bắc khoảng 2km/năm
 Phần trường phi dipole dịch chuyển về phía tây khoảng 0.20 – 0.30/năm, kèm theo
chuyển dịch về phía nam.
 Cường độ biến thiên của phần trường phi dipole khoảng 10nT/năm.
Khi nghiên cứu biến thiên thế kỷ của trường địa từ dựa trên số liệu quan trắc từ các
đài địa từ trên toàn cầu, nhóm các nhà khoa học Pháp đã phát hiện thấy sự thay đổi nhanh
chóng trên đường cong biến thiên của độ từ khuynh biến thiên thế kỷ vào năm 1969.
Nhiều nghiên cứu về lượng và chất của hiện tượng này đã được tiến hành và dạng biến
thiên này được mang tên ―Jerk‖. Biến thiên từ Jerk được dùng để chỉ sự thay đổi nhanh
của đường cong biến thiên thế kỷ của độ từ khuynh, xẩy ra trên toàn cầu.

Hình 1.6 Các jerk đã được phát hiện tại đài địa từ Hartlant

Luận văn tốt nghiệp

18


GVHD: Ths Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Trần Minh Cảnh

Việc phát hiện Jerk năm 1978 được tiếp theo sau Jerk 1969. Việc phân tích đồng
thời cả hai Jerk cho thấy có sự tương đồng trong việc phân bố chúng trên toàn cầu. Dựa
trên số liệu của các đài châu Âu đã phát hiện Jerk 1991 và Jerk 1991 đã được kiểm chứng
tại số liệu quan trắc của 109 đài địa từ trên toàn cầu. Xem xét các tư liệu trước nữa, các
nhà khoa học còn phát hiện thêm 2 Jerk vào năm 1902 và năm 1925. Các Jerk đã được
phát hiện tại Đài địa từ Hartlant ( Vĩ độ 50,9950 ; kinh độ 355,5170 ) được dẫn trên H.1.6
1.3.2 Xác định biến thiên thế kỷ theo kết quả nghiên cứu khảo cổ từ và cổ từ

Các nghiên cứu khảo cổ từ tiến hành trên các đồ gốm cổ và gạch nung cổ đã mở
rộng khoảng thời gian chúng ta có thể khảo sát biến thiên thế kỷ. Tuy nhiên chỉ có những
kết quả nghiên cứu cổ từ mới cho phép phát hiện các biến thiên thế kỷ có chu kỳ 10 4 –
105 năm.
1.3.2.1 Xác định cƣờng độ của trƣờng địa từ trong quá khứ địa chất
Để xác định biến thiên thế kỷ, điều quan trọng là phải xác định được cường độ
trường địa từ cổ. Giá trị tuyệt đối của cường độ trường địa từ cổ được xác định dựa theo
độ từ dư ban đầu còn giử lại trong đất đá không chỉ vì hướng, mà cả về giá trị ( môđun ).
Độ từ dư ban đầu của các đá phun trào và trầm tích giử được các thông tin về giá trị tuyệt
đối của trường địa từ đã gây ra nhiễm từ cho đất đá vào thời điểm thành tạo đất đá, trong
điều kiện là đất đá không bị thay đổi trong quá trình tồn tại của mình.
Phương pháp chủ yếu và được đa số các nhà nghiên cứu chấp nhận để xác định
cường độ trường địa từ trong quá khứ địa chất là sử dụng khái niệm rằng : trong từ
trường yếu cường độ của từ dư nhiệt ( từ dư hình thành do đá phun trào nguội đi dưới
nhiệt độ Curie của khoáng sắt từ ) hoặc từ dư định hướng ( từ dư được hình thành trong
quá trình lắng đọng trầm tích ) được hình thành trong đất đá tỉ lệ thuận với cường độ của
trường tác động lên đất đá. Khi tiến hành những nghiên cứu từ dư nhiệt hoặc từ dư định
hướng, người ta đã tiến hành mô hình hóa các quá trình hình thành từ dư trong phóng thí
nghiệm bằng cách nung mẫu đá tới điểm Curie để phục hồi lại quá trình hình thành
macma hoặc thông qua thí nghiệm tái tạo lại trầm tích.
Hiện nay việc xác định cường độ trường địa từ trong quá khứ địa chất hãy còn chưa
được điều khắp trên mặt đất và cũng chưa bao trùm được toàn bộ thang niên đại địa chất :
Luận văn tốt nghiệp

19