Xemtailieu Tải về 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 Tải về bản full