Trường địa từ và biến thiên thế kỷ

Trường từ chính của Trái Đất, ở cấp độ đầu tiên, là trường của một lưỡng cực địa tâm nghiêng, nhưng nó khác biệt so với mô hình này ở các chi tiết và trôi dạt đáng kể từ năm này sang năm khác trong một sự thay đổi chậm được gọi là biến thiên thế kỷ.

Definition

Trường địa từ là trường từ được quan sát tại và phía trên bề mặt Trái Đất, bị chi phối bởi một lưỡng cực địa tâm bên trong và được mô tả toán học bằng một khai triển điều hòa cầu, với những thay đổi chậm theo thời gian có nguồn gốc bên trong tạo thành biến thiên thế kỷ.

Scope

Chủ đề này bao gồm mô tả và sự tiến hóa theo thời gian của trường từ chính của Trái Đất: sự biểu diễn của nó bằng một thế năng điều hòa cầu bị chi phối bởi một lưỡng cực địa tâm, các yếu tố trường (độ lệch từ, độ nghiêng từ, cường độ), và các mô hình tham chiếu như Trường Tham chiếu Địa từ Quốc tế. Nó đề cập đến biến thiên thế kỷ, bao gồm sự trôi dạt về phía tây và các giật địa từ, và sự phân tách các nguồn trường bên trong khỏi bên ngoài. Trọng tâm là trường hiện tại và những thay đổi hàng thập kỷ của nó hơn là hồ sơ thời gian sâu của nó.

Core questions

• Trường chính được mô tả bằng lưỡng cực địa tâm và điều hòa cầu như thế nào?
• Các yếu tố trường là gì, và chúng được lập bản đồ như thế nào trong các mô hình tham chiếu?
• Biến thiên thế kỷ là gì, và trường thay đổi nhanh như thế nào?
• Các đóng góp bên trong và bên ngoài vào trường được phân tách như thế nào?

Key concepts

• Lưỡng cực trục địa tâm và trường không lưỡng cực
• Các yếu tố trường: độ lệch từ, độ nghiêng từ, cường độ
• Biểu diễn điều hòa cầu (Gauss)
• Biến thiên thế kỷ, sự trôi dạt về phía tây và các giật địa từ
• Trường Tham chiếu Địa từ Quốc tế

Key theories

Biểu diễn điều hòa cầu của trường

Gauss đã chỉ ra rằng một trường từ không có nguồn có thể được viết dưới dạng gradient của một thế năng được khai triển trong các điều hòa cầu, cho phép trường chính được tách thành một lưỡng cực chiếm ưu thế, các thuật ngữ không lưỡng cực và các đóng góp có nguồn gốc bên trong so với bên ngoài.

Biến thiên thế kỷ từ dòng chảy lõi

Sự trôi dạt chậm của trường, bao gồm chuyển động về phía tây và các giật đột ngột, phản ánh sự thay đổi dòng chảy chất lỏng ở đỉnh lõi lỏng, cung cấp một cửa sổ bề mặt để quan sát động lực học lõi trong các khoảng thời gian hàng thập kỷ.

Mechanisms

Trường chính bắt nguồn từ các dòng điện trong lõi lỏng; tại và phía trên bề mặt, nó không có dòng điện và do đó có thể suy ra từ một thế năng vô hướng, với các hệ số điều hòa cầu thay đổi chậm khi dòng chảy lõi bên dưới tiến hóa, tạo ra biến thiên thế kỷ được đo lường trong khi các nguồn vỏ Trái Đất và bên ngoài (tầng điện ly và từ quyển) bổ sung các đóng góp có bước sóng ngắn hơn và nhanh hơn.

Clinical relevance

Các mô hình chính xác về trường và biến thiên thế kỷ của nó là cần thiết cho định vị bằng la bàn từ, khoan định hướng, hoạt động của vệ tinh và tàu vũ trụ, và như một tham chiếu được cập nhật liên tục cho các khảo sát từ.

History

Halley đã lập bản đồ độ lệch từ trên Đại Tây Dương khoảng năm 1700, Gauss vào những năm 1830 đã giới thiệu phân tích điều hòa cầu và lần đầu tiên tách các nguồn bên trong khỏi bên ngoài, và Trường Tham chiếu Địa từ Quốc tế hiện đại, hiện được thông tin bởi các nhiệm vụ vệ tinh, cung cấp các mô hình toàn cầu được cập nhật thường xuyên về trường và sự biến đổi của nó.

Key figures

• Carl Friedrich Gauss
• Edmond Halley
• George Backus

Seminal works

• backus1996
• merrill1996
• alken2021

Frequently asked questions

Tại sao la bàn không chỉ về hướng bắc thật?

La bàn căn chỉnh với trường từ ngang cục bộ, hướng của nó (độ lệch từ) khác với hướng bắc địa lý vì trường địa từ không phải là một lưỡng cực trục hoàn hảo và thay đổi từ nơi này sang nơi khác; các mô hình trường tham chiếu cung cấp độ lệch từ cần thiết để hiệu chỉnh la bàn.

Biến thiên thế kỷ là gì?

Biến thiên thế kỷ là sự thay đổi chậm, hàng năm của trường từ chính của Trái Đất, chẳng hạn như sự trôi dạt của các đặc điểm từ và sự suy yếu dần của lưỡng cực, được thúc đẩy bởi sự chuyển động chất lỏng đang tiến hóa trong lõi ngoài lỏng.