Phát hiện những thay đổi dị thường của từ trường Trái Đất

Nhiều vệ tinh và tàu vũ trụ đã gặp rắc rối vì sự thay đổi dị thường của từ trường Trái Đất.

Tình trạng này được cho là có thể là báo hiệu cho sự lặp lại của hiện tượng “đảo ngược địa từ” xảy ra lần gần đây nhất là 780.000 năm trước.

Bí ẩn ở vùng dị thường

Người ta cho rằng, từ trường có liên quan đến các quá trình diễn ra sâu dưới lớp vỏ Trái Đất. Lõi của Trái Đất chứa kim loại, trong đó, lõi trong của nó là một quả cầu chủ yếu ở dạng rắn còn lõi ngoài chứa chất lỏng. Do chênh lệch nhiệt độ và áp suất giữa 2 lõi nên đã xảy ra sự đối lưu, dòng chảy của sắt nóng tạo ra dòng điện và tạo thành từ trường bảo vệ bề mặt hành tinh chúng ta và mọi sinh vật khỏi bức xạ mặt trời và bức xạ vũ trụ nguy hiểm.

Nói một cách đơn giản, Trái Đất là một lưỡng cực từ mà trục của nó không hoàn toàn trùng khớp với trục quay của hành tinh. Một đường thẳng tưởng tượng nối 2 cực tạo thành một góc khoảng 11,3 độ so với trục quay của Trái Đất.

Tuy nhiên, Trái Đất không phải là một lưỡng cực lý tưởng. Từ trường của hành tinh không đồng nhất, có những dị thường do đặc điểm của cấu trúc sâu dưới lòng đất và mức độ từ hóa khác nhau của các loại đá trong lớp vỏ Trái Đất. Khi từ trường trong trạng thái bình thường, các hạt tích điện của tia vũ trụ và gió mặt trời (electron và proton) bắt đầu giảm tốc độ ở khoảng cách 60.000 km so với bề mặt Trái Đất và không thể tiến gần hơn 1.300-1.500 km.

Đây được coi là ranh giới của vành đai bức xạ. Dị thường lớn nhất là vùng Nam Đại Tây Dương – một khu vực rộng lớn, với trung tâm là Nam Mỹ, kéo dài đến cực Nam của châu Phi, thường được gọi là “Tam giác Bermuda của vũ trụ”. Trong khu vực này, các hạt tích điện của tia vũ trụ có thể đến gần Trái Đất ở khoảng cách 200 km.

Điều này đặc biệt nguy hiểm đối với các vệ tinh có quỹ đạo thấp và kính viễn vọng không gian – các thiết bị được bố trí ở độ cao này. Điều đó dẫn đến việc thiết bị điện tử không được bảo vệ có thể gặp trục trặc.

Ví dụ, vào năm 2007, các vệ tinh liên lạc Globalstar thế hệ đầu tiên của Mỹ đã bị ngắt kết nối. Năm 2016, vệ tinh Hitomi của Cơ quan Hàng không vũ trụ Nhật Bản được đưa lên vũ trụ để quan sát các tia X đã bị mất tích. Khi kính thiên văn không gian Hubble bay trên vùng dị thường Nam Đại Tây Dương đã được đưa vào chế độ ngủ.

Đặc biệt, ngày 1/6/2009, một chiếc máy bay của hãng hàng không Pháp Air France đang bay từ Rio de Janeiro, Brazil đến Paris đã biến mất khỏi radar. Vài tháng sau đó, những mảnh vỡ của máy bay đã được phát hiện dưới lòng đại dương. Theo một giả thuyết, sự cố đã xảy ra do lỗi thiết bị trong vùng dị thường Nam Đại Tây Dương.

Phát hiện bất ngờ

Năm 2013, Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đã phóng chòm vệ tinh Swarm để nghiên cứu từ trường hành tinh. Ba vệ tinh ghi nhận tất cả các tín hiệu phát ra từ lõi, lớp phủ, lớp vỏ Trái Đất và đại dương, cũng như các thông số chính của tầng điện ly và từ quyển. ESA gần đây khẳng định, xét theo dữ liệu vệ tinh, vùng dị thường từ trường lớn nhất Trái Đất đã bắt đầu di chuyển, tách thành hai và thay đổi cường độ. Từ trường của Trái Đất mạnh nhất ở gần hai cực.

Điểm yếu nhất là trong vùng dị thường Nam Đại Tây Dương. Các phép đo khoa học do các vệ tinh Swarm thực hiện đã chỉ ra rằng, các biểu hiện dị thường của từ trường đang gia tăng. Theo thông báo trên trang web của ESA, từ năm 1970 đến năm 2020, ranh giới vùng dị thường Nam Đại Tây Dương đã dịch chuyển về phía Tây với tốc độ 20 km/năm, và cường độ từ trường ở khu vực này đã giảm từ khoảng 24.000 xuống còn 22.000 nanotesla, hay nói cách khác, từ trường trong khu vực dị thường Nam Đại Tây Dương đã giảm sức mạnh hơn 8% chỉ trong vòng 50 năm.

Vài năm trước, một phần vùng dị thường này dường như tách thành một khối được gọi là “trung tâm cường độ tối thiểu thứ hai” nằm ở Tây Nam châu Phi. Hiện nay, trên thực tế, vùng dị thường này được chia thành hai phần, bao gồm vùng dị thường Brazil và vùng dị thường Cape Town. Điều này có nghĩa là sẽ sớm xuất hiện một khu vực khác đe dọa sự an toàn của các vệ tinh và trạm vũ trụ. Các nhà khoa học chưa thể giải thích nguyên nhân của sự thay đổi nhanh chóng như vậy trong từ trường ở phần này của địa cầu.

Có giả thuyết cho rằng, dưới phần phía nam của châu Phi, tại ranh giới lõi-lớp phủ, có một phần với cực từ đảo ngược, tạo ra hiện tượng bất thường. Tại khu vực này, ở độ sâu khoảng 2.900 km có một tảng đá dày đặc mà các nhà địa vật lý gọi là lớp đá có tốc độ di chuyển thấp, còn các nhà địa chất gọi đó là siêu hạt (superplume). Có thể vì một số nguyên nhân, tảng đá này bắt đầu di chuyển, ảnh hưởng đến vùng dị thường.

Nguyên nhân của tình trạng trên vẫn chưa rõ ràng nhưng bản chất một sự thay đổi từ trường được cho là xuất phát từ một thay đổi ở sâu bên trong lõi Trái Đất. Theo ESA, khả năng lớn nhất của hiện tượng là dấu hiệu cho thấy Trái Đất sắp “đảo ngược” về mặt từ trường. Cụ thể, 2 cực từ sẽ bị thay đổi, Nam Cực thành Bắc Cực và ngược lại. Các nghiên cứu trước đây cho thấy Trái Đất thường đảo ngược cực từ mỗi 250.000 năm.

Tuy nhiên, lần đảo ngược gần nhất đã xảy ra 780.000 năm, tức đến nay đã qua chu kỳ đảo ngược nhiều năm nhưng hiện tượng này chưa xảy ra. Việc Trái Đất từng đảo ngược nhiều lần cho thấy hiện tượng này có vẻ không gây nguy hiểm cho các sinh vật sống. Song, với văn minh loài người hiện đại, chắc chắn chúng ta sẽ chịu thiệt hại lớn ở hệ thống định vị – viễn thông vì từ trường Trái Đất chính là “xương sống” của thế giới công nghệ.

Trong 20 năm qua, cực từ trường phía Bắc của Trái Đất cũng bắt đầu di chuyển. Hiện tượng này tạo ra nhiều vấn đề nghiêm trọng đối với các hệ thống điều hướng ở các cấp độ khác nhau – từ vận chuyển hàng hải đến bản đồ trên điện thoại thông minh, vì tất cả các thiết bị này đều dựa trên tọa độ địa lý chính xác của cực từ được chỉ bởi mũi kim của bất kỳ la bàn nào. Dữ liệu địa vật lý từ các vệ tinh chỉ ra rằng nguyên nhân chính của hiện tượng này cũng là do dị thường, trong trường hợp này là dị thường tích cực.

Một trong những vùng có từ trường mạnh có hình giọt nước nằm dưới phía Bắc Canada, vùng thứ hai – dưới thềm Siberia. Trong đó, “giọt nước” của Canada bắt đầu giảm, còn “giọt nước” Siberia bắt đầu tăng, làm cho cực Bắc từ của Trái Đất di chuyển từ Canada về phía Siberia. Những dị thường cục bộ trong từ trường trên các lục địa có liên quan đến những đặc điểm của phần trên của lớp vỏ đất – độ sâu của tầng hầm tinh thể hoặc lượng đất đá chứa khoáng chất như kim loại.

Ví dụ như dị thường từ tính Kursk trên lưu vực quặng sắt lớn nhất thế giới và dị thường từ tính Bangui ở Trung Phi mà nguồn gốc của nó vẫn là một bí ẩn đối với các nhà khoa học.