Il Campo Magnetico Terrestre

A cura di:

Francesca Cuteri V B

“P. Liceo Scientifico Mazzone”

Roccella Jonica

A. S. 2006/2007

Introduzione: storia e modelli di rappresentazione

• Le caratteristiche del campo magnetico terrestre e il vettore campo magnetico
• I poli geomagnetici
• Il campo geomagnetico risultato della sovrapposizione di più campi
• Campo magnetico crostale: il paleomagnetismo
• La migrazione dei poli
• Le inversioni di polarità
• Le anomalie dei fondali oceanici
• La magnetizzazione dei corpi
• Le proprietà magnetiche dei materiali
• Classificazione dei materiali in base alle loro qualità magnetiche
• La magnetite
• Il campo esterno
• Le fasce di Van Allen
• Le variazioni del campo geomagnetico
• Le aurore polari
• Il progressivo indebolimento del campo magnetico terrestre e il rischio di inversione
• Campo magnetico terrestre e orientamento animale
• La bussola
• Il magnetometro

Si definisce campo magnetico una regione di spazio perturbata dalla presenza di un magnete capace di esercitare forze di natura magnetica su altri magneti o su conduttori percorsi da corrente elettrica. La presenza di queste forze può essere rivelata da un ago magnetico libero di ruotare su un piano orizzontale, in quanto fissato a un perno posto nel suo centro di gravità: tale ago costituisce un dipolo magnetico che, immerso nel campo magnetico, è sollecitato da forze che lo fanno ruotare fino a quando non si arresta in una posizione di equilibrio.

Poiché l’ago sulla superficie terrestre, in posizione di equilibrio, si orienta lungo una direzione preferenziale anche in assenza di altri corpi magnetizzati, si è così ipotizzato che la Terra si comporta come un gigantesco magnete avente i poli in prossimità dei poli geografici. Ciò fu asserito da W. Gilbert, fisico che giunse a tale conclusione studiando il comportamento di un ago calamitato posto nel campo vettoriale di forze generato da una calamita di forma sferica, la cosiddetta “Terrella di Gilbert”, e riportò le sue osservazioni nel “De magnete” (prima pubblicazione concernente il magnetismo terrestre datata 1600).

Per quanto riguarda l’origine del campo magnetico terrestre si sono rivelati fondamentali gli studi di Gauss che nel 1832 ne tracciò le linee di forza, considerando il campo generato da un unico dipolo magnetico posto al centro della Terra e inclinato di circa 11°30’ rispetto all’asse terrestre. Attraverso l’analisi dei valori di magnetizzazione degli elementi magnetici Gauss arrivò alla conclusione che l’origine del campo magnetico terrestre è per la quasi totalità (96%) interna.

Il campo residuo è dovuto ad anomalie magnetiche, scambi elettrici tra atmosfera e superficie e flussi di particelle cariche provenienti dallo spazio e, in particolare, dal Sole (vento solare).

Modelli di rappresentazione del campo geomagnetico

Col progredire degli studi e delle conoscenze relativamente al campo geomagnetico, sono stati proposti per esso vari modelli di rappresentazione.

Secondo un primo modello il campo magnetico terrestre poteva essere rappresentato ipotizzando al centro della Terra la presenza di una potentissima barra magnetica inclinata di 11°30’ rispetto all’asse terrestre: in questo modello si definiscono poli magnetici quei punti in cui il diametro terrestre coincidente con la direzione del dipolo incontra la superficie della Terra, asse geomagnetico il suddetto diametro ed equatore geomagnetico il cerchio massimo perpendicolare a questo asse e avente centro nel dipolo.

Fu in seguito verificato però che, mentre in questo caso si considera un campo totalmente dipolare (le linee di flusso confluiscono ai due poli), in realtà, poiché il campo magnetico presenta alcuni scostamenti per via della sua origine non interamente interna, esso può dirsi solo prevalentemente dipolare.

Da quest’osservazione nacque l’idea di rappresentare il campo geomagnetico come costituito da un dipolo centrale più otto dipoli radiali collocati a 4800 km di profondità.

Anche questo modello però si è rivelato impreciso poiché esiste una certa temperatura critica, detta Punto di Curie (dal nome di colui che la scoprì), al di sopra della quale i materiali ferromagnetici perdono il loro magnetismo permanente, diventando paramagnetici.

Essendo questa temperatura di 631 K per il nichel, 753 K per la magnetite, 1043 K per il ferro, 1388 K per il cobalto, essa è di gran lunga inferiore rispetto alle temperature riscontrabili all’interno della Terra, al contrario la si raggiunge a profondità di soli 20-30 km, nel nucleo abbiamo invece temperature che raggiungono i 4500 K.

È dunque esclusa la supposta presenza di qualcosa di analogo a un magnete permanente, pertanto le ipotesi quanto all’origine del campo geomagnetico si sono orientate verso il modello della DINAMO AD AUTOECCITAZIONE (teoria proposta da Bullard nel 1948).

Nonostante si sia compreso che il campo interno non rende conto degli effettivi valori misurati con dei magnetometri nei vari luoghi del pianeta, gli scienziati fanno a tutt’oggi riferimento all’IGRF (International Geomagnetic Reference Field), un modello globale del campo geomagnetico e vuole rappresentare il contributo del solo campo principale.

Il vettore campo magnetico

Sempre in seno ai modelli di rappresentazione del campo magnetico terrestre, le sue linee di campo, la cui direzione è data da quella assunta dall’ago magnetico in un determinato luogo, hanno verso entrante alla Terra nel polo situato nell’emisfero Nord (Boreale) che, definito Nord (per la sua prossimità al polo geografico omonimo), è in realtà un polo Sud (positivo) poiché da esso è attratta l’estremità nord dell’ago calamitato.

Il verso del vettore campo magnetico risulta invece uscente dalla Terra nel polo Sud (cosiddetto in quanto prossimo al polo sud geografico), situato nell’emisfero sud (Australe) cui invece si indirizza l’estremità sud dell’ago e che pertanto costituirebbe in realtà un polo nord, negativo in quanto si è assunta per convenzione positiva l’estremità dell’ago che ad esso si rivolge.

La dinamo ad autoeccitazione

La teoria della Dinamo ad autoeccitazione fu proposta da Bullard nel 1948: lo studio dei fenomeni elettrici aveva rivelato la possibilità di produrre campi vettoriali di natura magnetica mediante correnti elettriche percorrenti un conduttore.

La dinamo che, secondo le ipotesi di Bullard, sarebbe alla base del fenomeno del magnetismo terrestre è costituita da un disco di materiale buon conduttore di elettricità in rotazione attraverso le linee di flusso di un campo magnetico.

Si genera così nel conduttore una corrente elettrica indotta che viene fatta fluire in un circuito. Questa corrente, attraversando un solenoide inserito nel circuito, genera e mantiene il campo magnetico attraverso cui ruota il conduttore.

Per innescare la dinamo è necessaria, all’inizio, l’interazione con un campo magnetico esterno, la cui funzione è in seguito assunta da campo magnetico generato dalla corrente indotta. Finché il conduttore si mantiene in rotazione il sistema continua a mantenere attivo il campo magnetico.

Nel caso della Terra per innescare la geodinamo è bastato con molta probabilità che il nostro pianeta abbia attraversato qualche campo magnetico sporadico, probabilmente di origine solare, mentre nel nucleo esterno della Terra, costituito da elementi conduttori (tra cui ferro e zolfo fusi (oltre che potassio, silicio e ossigeno) che hanno elevata conducibilità elettrica (come il disco rotante della dinamo), erano in atto moti convettivi.

Le cause di tali moti sono: il calore emesso dal nucleo solido interno ad altissima temperatura; quello emesso da elementi radioattivi (Torio, Uranio, ecc.) e a quello che si libera per via della solidificazione di

I poli geomagnetici

Sulla superficie terrestre si può sperimentare che un ago magnetico libero di ruotare in un piano orizzontale assume una direzione che forma con quella del meridiano geografico del luogo un certo angolo.

Come già Gilbert aveva intuito, i poli magnetici non coincidono con quelli geografici e uno degli elementi che definiscono il campo magnetico terrestre è proprio l’ANGOLO DI DECLINAZIONE MAGNETICA (delimitato dalla direzione dell’ago, libero di ruotare su un piano orizzontale, in equilibrio e da quella del meridiano geografico del luogo), il cui valore varia al variare del punto della superficie in cui è posto l’ago e del tempo.

Possiamo avere in base al punto della superficie in questione: DECLINAZIONE EST (detta anche orientale e assunta positiva) o DECLINAZIONE OVEST (detta anche occidentale e assunta negativa) rispetto al meridiano geografico.

La declinazione risulterà nulla per tutti quei punti situati sul meridiano geografico passante per i poli magnetici.

Il campo magnetico terrestre è definito inoltre dall’angolo di INCLINAZIONE MAGNETICA, ovvero quello delimitato dall’orizzonte e dalla direzione che l’ago magnetico assume in posizione d’equilibrio, posto che esso sia libero di ruotare su un piano verticale: l’inclinazione varia andando dall’equatore magnetico (dove misura 0°) ai poli magnetici dove assume la sua massima ampiezza (misurando 90°).

L’inclinazione è dovuta al fatto che l’ago calamitato assume sempre posizione parallela rispetto alle linee di forza del campo magnetico terrestre.

Essa inoltre è detta INCLINAZIONE POSITIVA (attualmente riscontrabile nell’emisfero boreale) o INCLINAZIONE NEGATIVA (attualmente riscontrabile nell’emisfero australe), a seconda che il Nord dell’ago sia situato rispettivamente sotto o sopra l’orizzonte.

Gli elementi del campo magnetico terrestre

Gli altri cinque elementi che definiscono il campo magnetico terrestre sono:

• La componente secondo il piano orizzontale diretta verso il nord geografico e detta di conseguenza “COMPONENTE NORD-SUD” (X=HcosD);
• La componente secondo il piano orizzontale diretta verso l’est geografico e detta conseguentemente “COMPONENTE EST” (Y=HsenD);
• La componente secondo il piano verticale, assunta positiva quando è diretta verso il centro della Terra (il che oggi si verifica nell’emisfero boreale del globo terrestre) e detta “COMPONENTE VERTICALE” (Z=FsenI);
• La “COMPONENTE ORIZZONTALE” di intensità pari alla radice quadrata della somma dei quadrati delle componenti X ed Y (H=FcosI);

L’INTENSITÀ TOTALE DEL CAMPO MAGNETICO è data dalla radice quadrata della somma dei quadrati delle componenti X, Y, Z. Essa varia se ci si sposta dai poli magnetici (dove misura all’incirca 0.75 Gauss) all’equatore magnetico (dove scende a un valore medio di 0.35 Gauss).

Il Gauss è l’unità di misura dell’induzione magnetica, che è il fenomeno per cui si crea corrente in un circuito senza che sia presente un generatore di tensione. L’unità di misura corrisponde a 0.0001 Tesla, difatti è il Tesla l’unità di misura del campo