Kim la bàn luôn chỉ về phương bắc. Cả người leo núi lẫn những thủy thủ thời xưa đều dựa vào điều này để tìm đường. Thế nhưng, nếu ngược dòng lịch sử lâu dài của Trái Đất, đã có nhiều thời kỳ kim la bàn chỉ về phương nam, hoàn toàn ngược với hiện nay. Hiện tượng kỳ diệu khi nam châm của Trái Đất đảo ngược hoàn toàn này chính là “đảo cực địa từ (Geomagnetic Reversal)”.
Nói một cách đơn giản, đảo cực địa từ có nghĩa là “cực bắc và cực nam của từ trường Trái Đất đổi chỗ cho nhau”. Cực bắc và cực nam ở đây chỉ hướng của từ trường, chứ không phải các cực địa lý trên bản đồ. Mặt đất không dịch chuyển, Trái Đất cũng không quay ngược lại, mà chỉ có hướng của từ trường được tạo ra bên trong Trái Đất đổi ngược.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu từ cách từ trường Trái Đất hình thành, quá trình các nhà khoa học tìm ra dấu vết đảo cực, những gì xảy ra trong lúc đảo cực, cho đến trạng thái hiện nay của từ trường Trái Đất.
Bí mật về nam châm đảo chiều của Trái Đất
Từ trường Trái Đất được tạo ra như thế nào?
Sâu bên trong Trái Đất có một lõi cấu tạo từ sắt và niken. Lõi trong ở chính giữa là chất rắn cứng, nhưng lõi ngoài bao quanh nó là kim loại lỏng nóng chảy. Sự chuyển động không ngừng của lớp kim loại lỏng này tạo ra từ trường Trái Đất.
(1) Máy phát điện Trái Đất (Geodynamo)
Do nhiệt, sắt nóng chảy tạo ra dòng đối lưu chuyển động lên xuống, và sự tự quay của Trái Đất khiến dòng chảy này cuộn xoáy. Khi kim loại dẫn điện chuyển động như vậy, dòng điện xuất hiện, rồi dòng điện lại tạo ra từ trường. Cơ chế mà quá trình này tự duy trì được gọi là máy phát điện Trái Đất.
(2) Thanh nam châm nghiêng
Từ trường Trái Đất thường được ví như một thanh nam châm khổng lồ nằm ở tâm Trái Đất. Thanh nam châm này nghiêng khoảng 11 độ so với trục tự quay, nên hướng bắc từ mà la bàn chỉ và Bắc Cực trên bản đồ hơi lệch nhau.
(3) Từ trường luôn biến đổi
Dòng chảy trong lõi ngoài không ngừng dù chỉ một khoảnh khắc, nên cường độ và hướng của từ trường cũng liên tục thay đổi từng chút một. Có thể xem đảo cực địa từ là trường hợp những biến đổi này tiến đến mức cực đoan.
Dấu vết đảo cực khắc trong đá và đáy biển
Các nhà khoa học đã nhận biết những lần đảo cực xảy ra từ rất lâu trước khi con người xuất hiện nhờ các hạt nam châm nhỏ trong đá. Khi dung nham nguội và đông cứng, các khoáng vật chứa sắt bên trong xếp theo hướng từ trường lúc đó rồi cố định lại.
(1) Đá núi lửa bị từ hóa ngược
Vào đầu thế kỷ 20, nhà địa vật lý người Pháp Bernard Brunhes lần đầu nhận thấy một số đá núi lửa bị từ hóa theo hướng ngược với từ trường hiện nay. Vào cuối thập niên 1920, Motonori Matuyama của Nhật Bản phát hiện rằng tất cả các mẫu đá bị từ hóa ngược đều chỉ xuất hiện trong những địa tầng cổ.
(2) Những sọc ngựa vằn dưới đáy biển
Trong các thập niên 1950–60, khi các tàu nghiên cứu đo từ trường dưới đáy biển và lập bản đồ, những dải sọc có hướng từ trường bình thường và đảo ngược xen kẽ nhau dọc theo sống núi giữa đại dương đã hiện ra. Năm 1963, Frederick Vine và Drummond Matthews giải thích rằng đây là kết quả của việc lớp vỏ đại dương mới hình thành tại sống núi ghi lại hướng từ trường đương thời rồi tách dần sang hai bên. Cách giải thích này trở thành bằng chứng quyết định củng cố thuyết tách giãn đáy biển và thuyết kiến tạo mảng.
Đảo cực xảy ra thường xuyên đến mức nào và kéo dài bao lâu?
Đảo cực địa từ xảy ra không đều, không có chu kỳ cố định. Trong 8,300 vạn năm qua, hiện tượng này đã xảy ra ít nhất 183 lần, tức trung bình vài trăm nghìn năm một lần, nhưng cũng có thời kỳ kéo dài hàng chục triệu năm mà không hề đảo cực.
- Lần đảo cực gần nhất (Brunhes–Matuyama Reversal): Xảy ra cách đây khoảng 78 vạn năm và được gọi là đảo cực Brunhes–Matuyama theo tên hai nhà khoa học. Dấu vết của lần đảo cực này còn lưu lại rõ nét trong địa tầng ở tỉnh Chiba, Nhật Bản, nên vào năm 2020, thời kỳ địa chất lấy địa tầng này làm chuẩn đã được đặt tên là “kỳ Chiba (Chibanian)”.
- Thời gian diễn ra đảo cực (Transition Duration): Phần lớn được ước tính kéo dài khoảng từ 1,000 đến 10,000 năm. Cũng có nghiên cứu cho rằng lần đảo cực gần nhất kéo dài khoảng 2 vạn 2 nghìn năm.
- Lệch địa từ ngắn hạn (Geomagnetic Excursion): Cũng có những sự kiện từ trường dao động mạnh trong chốc lát rồi trở về hướng ban đầu, như sự kiện lệch địa từ Laschamp (Laschamp Excursion) cách đây khoảng 4 vạn 1 nghìn năm.
Trong quá trình đảo cực, từ trường không biến mất hoàn toàn. Tuy nhiên, cường độ của nó suy yếu đáng kể, nhiều cực nhỏ xuất hiện hỗn loạn ở nhiều nơi, rồi theo thời gian từ trường ổn định theo hướng mới.
Từ trường Trái Đất hiện có đang đảo cực không?
Theo các quan sát của vệ tinh Swarm thuộc Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA), trong 200 năm qua, từ trường Trái Đất đã suy yếu trung bình khoảng 9% trên toàn cầu. Vì vậy, đôi khi xuất hiện ý kiến cho rằng một đợt đảo cực có thể sắp bắt đầu.
(1) Dị thường Nam Đại Tây Dương (South Atlantic Anomaly)
Trên không trung giữa châu Phi và Nam Mỹ có một khu vực rộng lớn với từ trường đặc biệt yếu. Các vệ tinh nhân tạo đi qua đây tiếp xúc nhiều hơn với những hạt bay tới từ không gian nên dễ gặp trục trặc.
(2) Hiện vẫn chưa đến mức phải lo ngại
Các nhà khoa học cho rằng sự suy yếu hiện nay nằm trong phạm vi dao động tự nhiên. Từ trường hiện tại thậm chí còn khá mạnh so với mức trung bình trong thời gian dài, nên chưa có đủ cơ sở để cho rằng đảo cực sẽ bắt đầu ngay lúc này.
(3) Mối liên hệ với cuộc sống của chúng ta
Dù không gây ảnh hưởng đáng kể đến con người trên bề mặt Trái Đất, những thay đổi của từ trường vẫn tác động đến hoạt động vệ tinh và các thiết bị dẫn đường. Vì vậy, Mô hình Từ trường Thế giới (World Magnetic Model), do các cơ quan của Mỹ và Anh cùng xây dựng, được cập nhật mỗi 5 năm để ứng dụng vào việc dẫn đường trên bản đồ điện thoại thông minh, máy bay và tàu thuyền.
Đảo cực địa từ cho thấy kim loại lỏng chuyển động ở độ sâu hàng nghìn kilômét dưới chân chúng ta có thể ảnh hưởng đến cả diện mạo của toàn Trái Đất. Nhờ những ghi chép từ các nam châm nhỏ còn lưu lại trong đá và đáy biển, các nhà khoa học đã có thể đọc được cả lịch sử dịch chuyển của các lục địa lẫn tuổi của các địa tầng.
Hiểu rằng ngay trong một chiếc kim la bàn quen thuộc cũng chứa đựng lịch sử lâu dài của Trái Đất chính là bước đầu tiên của khoa học Trái Đất trong hành trình tìm hiểu hành tinh của chúng ta.
