Il campo magnetico terrestre

INTRODUZIONE STORICA

Nel corso della storia dell’Umanità si era già supposta l’esistenza di una forza magnetica che agisse

sulla superficie terrestre.

Sin dal tempo dei Greci oltre 2500 anni fa erano note le proprietà di un particolare minerale di ferro

chiamato magnetite.

Addirittura una prima ipotesi sull’origine del campo magnetico terrestre fu formulata nel 1200 da

Pietro Peregrino di Maricourt, il quale, per spiegare l’orientamento verso nord di un ago magnetico,

immaginò che al polo vi fossero grandi giacimenti di magnetite.

In seguito, in estremo oriente, venne inventata il primo prototipo di bussola, perfezionata ad Amalfi

nella prima metà del XIII secolo.

Nel XVI sec. lo scienziato W. Gilbert cercò di studiare e di analizzare

dettagliatamente le proprietà della magnetite. A tale scopo predispose dei piccoli

cilindri di magnetite che chiamò "magneti" e nei suoi esperimenti si accorse che

la proprietà di attirare la limatura di ferro si concentrava nelle estremità dei

magneti, che chiamò poli magnetici e, nella sua opera “De Magnete”, asserì che

“l’intera Terra è un grande magnete” il cui campo agisce sull’ago della bussola

orientandolo in direzione nord – sud.

Solo successivamente si capì che ciò non era vero in quanto la temperatura all’interno del pianeta

non consente a nessuna sostanza di mantenersi magnetizzata.

Quando nell’800, si scoprì che un campo magnetico può essere prodotto da una corrente elettrica, si

ipotizzò che il campo magnetico terrestre fosse generato da correnti prodotte nello stesso strato di

ferro fuso che avvolge il nucleo solido del pianeta, attraverso un meccanismo di geodinamo.

Occorre però attendere fino al 1832 per avere una esatta configurazione del campo magnetico

terrestre ad opera di K. F. Gauss (1777-1855) che per primo ne tracciò le linee di forza e ne iniziò lo

studio dal punto di vista fisico - matematico.

INTERPRETAZIONE DEL CAMPO MAGNETICO

Il campo magnetico terrestre può essere schematizzato come un enorme dipolo magnetico le cui

linee di induzione magnetica escono dal Polo N magnetico ed entrano nel Polo S magnetico su un

asse detto geomagnetico.

I punti in cui il diametro terrestre coincidente con la direzione del dipolo incontra la superficie sono

detti poli geomagnetici: asse geomagnetico è il diametro terrestre anzidetto ed equatore

geomagnetico è il cerchio massimo perpendicolare a questo asse e con centro in quello del dipolo.

I Poli magnetici non coincidono con quelli geografici ma formano un angolo, tra gli assi di

rotazione e quello magnetico, di 11°30'.

Per effetto del campo magnetico terrestre un ago magnetico libero di muoversi si dispone parallelo

alle linee di forza del campo in dato punto della crosta terreste e sarà verticale ai poli e orizzontale

all'equatore (principio base della bussola).

Le linee di induzione magnetica sono orizzontali rispetto alla superficie terrestre solo all’equatore,

in tutti gli altri punti la linea di induzione e la superficie terrestre in quel punto formano un angolo

detto inclinazione magnetica. Il polo situato nell’emisfero settentrionale, indicato

convenzionalmente con B (boreale), ha polarità negativa e si trova

a 78°30’ N, 69° W,

mentre l’altro, indicato con A (australe), risulta positivo, con

posizione 78°30’ S, 111° E.

Quindi una volta individuato il polo nord magnetico, con la bussola, bisogna correggere il dato per

declinazione magnetica,

poter individuare il polo nord geografico, utilizzando la che è l’angolo

che l’ago della bussola forma con il polo nord geografico, in un qualsiasi punto della superficie

terrestre; questa ovviamente varia nel tempo e da un luogo all’altro.

È importante ricordare anche che il polo nord magnetico si sposta continuamente intorno al polo

nord geografico e, inoltre, oscilla di circa 10 km al giorno per via delle interazioni con lo strato

ionizzato dell’atmosfera.

Se in una bussola l’ago magnetico è libero di muoversi sia in orizzontale sia in verticale esso non si

dispone su un piano perfettamente orizzontale: nell’emisfero settentrionale la punta che indica il

nord tende verso il basso, nell’emisfero meridionale, invece tende verso il basso la punta che si

orienta verso il polo sud. L’angolo compreso tra il piano d’inclinazione dell’ago e il piano

inclinazione magnetica

orizzontale è detto ed è dovuto al fatto che l’ago si dispone parallelamente

alle linee di forza del campo che sono inclinate diversamente in base alla latitudine del luogo.

STRUTTURA E VARIAZIONI DEL CAMPO MAGNETICO

La composizione del campo magnetico terrestre viene suddivisa dagli scienziati in quattro

componenti che sono:

Campo principale generato nel nucleo fluido tramite il meccanismo di geodinamo.

• Campo crostale dovuto alle rocce magnetizzate della crosta terrestre.

• Campo esterno provocato da correnti elettriche che fluiscono nella ionosfera e nella

• magnetosfera come conseguenza dell'interazione tra il vento solare e il campo

geomagnetico.

Campo d'induzione elettromagnetica generato da correnti indotte nella crosta e nel

• mantello dal campo esterno variabile nel tempo.

Gli studiosi ritengono che il campo principale rappresenti il 99% di tutto il campo magnetico

osservato in superficie. Gli studi hanno dimostrato come il campo sia per il 95% analogo a quello

generato da un dipolo situato al centro della Terra il cui asse è inclinato, rispetto all'asse di

rotazione terrestre, di circa 11.5°.

È stato così elaborato un modello globale del campo geomagnetico che considera gli effetti del solo

campo principale.

Il campo magnetico terrestre è un campo statico ma tuttavia soggetto a variazioni che possono

essere: a lungo termine o a breve termine.

Le variazioni a lungo termine dette anche "Variazioni secolari", sono dovute all'azione

• delle sorgenti interne alla Terra, che generano il campo principale e hanno un tempo

variabile tra 5 e 10 anni. L'ampiezza di queste variazioni, oscilla tra pochi nT e qualche

decina di nT all'anno per le componenti intensive e da qualche primo a qualche decina di

primi l'anno per l'inclinazione e la declinazione. Anche se la variazione secolare sembra

avere andamenti diversi nei vari osservatori del mondo è considerato un fenomeno

planetario. La variazione secolare osservata al suolo, negli ultimi 400 anni, è costituita da:

una precessione verso ovest dell'asse del dipolo di 0.008% all'anno;

 uno spostamento del dipolo verso nord dell'ordine di 2 km all'anno;

 una variazione di intensità del campo non dipolare al tasso medio di circa 10 nT all'anno.



Le variazioni a breve termine possono avvenire in poche ore o in anni, e sono collegate

• alle iterazioni tra il campo magnetico interno alla Terra e gli strati fortemente conduttivi

nell’atmosfera. Queste variazioni possono essere divise in: regolari ed irregolari.

Tra le prime vi sono quelle giornaliere, determinate dalle azioni “mareali” del Sole e della Luna

sulla ionosfera terrestre (lo strato ionizzato presente nell’atmosfera tra i 50 – 60 Km e 400 Km di

altitudine) per esempio, alle medie latitudini, il vettore campo magnetico descrive un’ellisse durante

il giorno, seguendo lo spostamento del Sole; quella mensile (ogni 27 giorni circa) che è messa in

relazione con particolari campi magnetici della nostra stella.

Tra quelle irregolari, vi sono quelle che prendono il nome di tempeste magnetiche che sono collegate

ad attività solari particolarmente intense, dette “brillamenti solari”, o più in generale all’attività delle

macchie solari. Come ha dimostrato E. N. Parker nel 1958, il

vento solare è un plasma caldo emesso dalla

corona solare, costituito essenzialmente da

idrogeno ionizzato (protoni ed elettroni non legati

fra loro). Questo flusso di particelle cariche,

emesso dal Sole in direzione radiale con una

velocità variabile da 400 a 800 km/s, genera un

campo magnetico che, interagendo con quello

terrestre, ne modella le linee di forza, che risultano

leggermente schiacciate contro la Terra dalla parte

rivolta al Sole ed allungate in modo da formare

una coda dalla parte opposta.

Un gran numero di protoni e di elettroni energetici

del vento solare penetra nel campo magnetico terrestre, dove rimane confinato in due regioni,

denominate fasce di Van Allen, dal nome dello scienziato che ebbe l'occasione di scoprirle nel 1958.

FASCE DI VAN ALLEN

La presenza della fascia di van Allen era già stata teorizzata prima dell'era spaziale, ma ottenne una

conferma sperimentale solo con il lancio delle missioni Explorer 1 ed Explorer III, sotto la

supervisione del prof. James van Allen.

La fascia di van Allen consiste in realtà di due fasce che circondano il nostro pianeta, una interna ed

una più esterna. Le particelle cariche sono distribuite in maniera tale che la fascia interna consiste

principalmente di protoni, mentre quella esterna consiste principalmente di elettroni.

L'atmosfera terrestre limita inferiormente l'estensione delle fasce ad un'altitudine di 200-1000 km; il

loro confine superiore non arriva oltre i 40.000 Km ( che corrispondono a circa 7 raggi terrestri) di

distanza dalla superficie della Terra.

La fascia di van Allen esterna si estende ad un'altitudine di circa 10.000–65.000 km ed è

particolarmente intensa tra i 14.500 km e i 19.000 km. Si ritiene che essa consista di plasma

intrappolato dalla magnetosfera della Terra.

La presenza di diverse categorie di particelle suggerisce che sia stata generata dalla concomitanza di

diversi fenomeni.

La fascia di Van Allen interna si estende da circa 800 km fino a circa 4000 km al di sopra della

superficie terrestre. Esistono buone prove per dimostrare che la fascia interna è composta di protoni

ed elettroni derivati dal decadimento di neutroni prodotti nell'atmosfera terrestre da interazioni di

raggi cosmici, mentre la fascia esterna e' costituita principalmente da particelle cariche emesse dal

Sole. Un aumento del numero di queste particelle è associato con l'attività solare, e il loro

allontanamento dalla fascia di radiazioni provoca le aurore boreali sui poli ed interruzioni delle

trasmissioni radio.

Rispetto alla fascia interna, quella esterna è più estesa ed è caratterizzata da un livello di energia

minore (meno di 1 MeV), che aumenta significativamente solo quando una tempesta magnetica

provoca la risalita di nuove particelle dalla magnetosfera.

Le particelle elettrocariche vengono respinte dalle regioni dove il campo magnetico è più intenso,

ovvero quelle polari, e continuano a rimbalzare in direzione nord-sud nelle zone tropicali ed

equatoriali. Nel momento in cui la radiazioni solari vengono respinte,

principalmente nelle zone polari, si generano quelle che vengono

definite “Aurore polari”.

La separazione fra la fascia interna e quella esterna è causata dalla presenza di onde radio a bassa

frequenza che respingono le eventuali particelle che potrebbero venirsi a trovare in tale regione.

Tempeste magnetiche particolarmente intense possono spingere delle particelle cariche in questa

zona, ma entro pochi giorni l'equilibrio viene ristabilito.

In passato l'Unione Sovietica accusò gli Stati Uniti di aver dato origine alla fascia di van Allen

interna a seguito di test nucleari effettuati nel Nevada; allo stesso modo, l'URSS stessa è stata

accusata dagli statunitensi di aver generato la fascia esterna. Non è chiaro come gli effetti degli

esperimenti nucleari avrebbero potuto superare l'atmosfera e raggiungere l'altitudine che

caratterizza le fasce di radiazioni; certamente non è stata osservata alcuna diminuzione apprezzabile

della loro intensità da quando i test nucleari nell'atmosfera sono stati banditi per trattato.

PALEOMAGNETISMO

Da tempo si è constatato che alcune rocce possiedono una magnetizzazione propria.

Queste rocce cantengono minerali ferromagnetici, cioè minerali che possiedono una

magnetizzazione stabile che mantengono, indipendentemente dall’esistenza di un campo magnetico

esterno. I minerali ferromagnetici più noti sono la e l’ematite.

magnetite

Processi di Magnetizzazione delle rocce