Terra: campo geomagnetico

Magnetosfera Aaronne Colagrossi

Il campo magnetico terrestre (geomagnetico) circonda il nostro pianeta, creando un vero scudo.

Siamo ben a conoscenza che la Terra genera il campo magnetico, ma sulla genesi dello stesso si possono solo ancora formulare ipotesi: niente di certo.


Come tutti i corpi dotati di propria massa, anche la Terra è circondata da un campo gravitazionale, che attrae altri corpi.

Molti di voi avranno certamente sentito la parola “magnetite”. La magnetite è un minerale del ferro (Fe3O4). Questo minerale ha proprietà magnetiche, di cui si era già a conoscenza 2.500 anni fa. I cinesi sfruttarono queste proprietà per creare la bussola. Questo utilissimo strumento è stato poi perfezionato in Italia nel 1200 circa.

Come ben sapete le scoperte geografiche del XV e XVI secolo furono possibili grazie alla bussola, con esplorazione di territori e di mari sconosciuti.

In meno di cinquant’anni, ad eccezione dell’Antartide e dell’Australia (definita su alcune mappe antiche “Terra Incognita”), le conoscenze geografiche del nostro pianeta aumentarono a dismisura: tutto grazie alla bussola (e allo spirito avventuriero).

Bussola Aaronne Colagrossi
Bussola

La teoria di una Terra completamente magnetizzata fu espressa per la prima volta dall’inglese Roger Bacon. Fu poi ripresa dallo scienziato francese Pierre de Maricourt nel 1269 e infine trattata in maniera definitiva dal fisico inglese William Gilbert nel 1600.

Gilbert, nella sua trattazione, definì la Terra “come un grande magnete, il cui campo agisce sull’ago della bussola, orientandolo Nord-Sud”

Per avere una configurazione piuttosto esatta del campo magnetico della Terra bisogna però attendere la prima metà dell’Ottocento, quando il grande matematico e astronomo tedesco K. F. Gauss tracciò le linee di forza.

La presenza del campo magnetico terrestre è rilevabile in maniera diretta, osservando alcuni fenomeni. I materiali ferromagnetici subiscono il magnetismo, ma vi sono anche altri fenomeni; ricordo l’azione orientatrice che subiscono i corpi magnetizzati. La Terra, inoltre, cattura particelle elettricamente cariche, provenienti dallo spazio.

Limatura Aaronne Colagrossi
Distribuzione della limatura di ferro con foglio e magnete

La magnetosfera è un sorta di “scudo” elettromagnetico che devia i raggi cosmici e tutte le particelle cariche, diminuendone la quantità in arrivo al suolo.

Anche l’aurora polare è generata dall’interazione tra il vento solare e la magnetosfera. Il magnetismo terrestre è molto importante per la vita sulla Terra: si sviluppa nello spazio per migliaia di chilometri, formando una zona chiamata magnetosfera.

L’unità di misura del campo geomagnetico è il Tesla (in onore del serbo Nikola Tesla). L’intensità del CM presenta valori di circa ventimila nano Tesla all’equatore e settantamila ai poli geografici. Quindi l’intensità del campo magnetico è maggiore ai poli e minima all’equatore.

Aurora Aaronne Colagrossi
Aurora boreale

Curiosità: l’oceano Atlantico meridionale presenta un’anomalia nel CM, con valori bassi che migrano costantemente verso nord dagli anni 50. La genesi di tale anomalia non è ancora del tutto chiara; ad ogni modo i satelliti artificiali che transitano nel sud Atlantico presentano una maggiore schermatura alle radiazioni. Il telescopio Hubble deve addirittura sospendere le osservazioni mentre transita sull’anomalia.


Caratteristiche e poli del CM

La Terra presenta una forma apparentemente sferica, in realtà è un ellissoide con uno schiacciamento polare e un rigonfiamento equatoriale. Tralasciando comunque questo dettaglio, i metodi di Gauss hanno consentito di stabilire che l’origine del campo magnetico è per la quasi totalità (96%) interna al nostro pianeta Terra.

Magnetite Aaronne Colagrossi
Magnetite

Gauss delineò anche linee di forza del CM. Queste linee si dispongono radialmente rispetto alla campo generato. Un simpatico esperimento da fare anche a casa è quello di limare una barra di ferro e sistemare la polvere della limatura su un foglio bianco, posizionando un magnete al di sotto del foglio, la polvere si disporrà secondo precise linee di forza.

Immaginate che al centro della Terra sia presente una gigantesca barra magnetica inclinata. Un dipolo inclinato di 11° 30’ rispetto al nord geografico (a sua volta inclinato di 27° e 27’ rispetto al piano orizzontale).

I punti in cui il diametro della Terra coincide con la direzione del dipolo sono detti poli geomagnetici. Bisogna quindi distinguere tra poli magnetici e poli geografici. Per convenzione il polo nord magnetico viene associato al cugino geografico settentrionale, viceversa per il polo sud.

Angolo Aaronne Colagrossi
Angolo tra i poli magnetici e geografici

Attenzione però! Non è proprio così: in realtà le linee di forza del campo magnetico terrestre entrano nell’emisfero nord (emisfero boreale) ed escono dall’emisfero sud (emisfero australe). Praticamente il polo nord magnetico è quello in prossimità del polo sud geografico (e viceversa).


Teoria della Terra a Dinamo Autoalimentata

Abbiamo parlato del minerale magnetite e di alcune sue caratteristiche. Questo minerale perde le sue caratteristiche se posto ad alte temperature. Il valore di temperatura per cui ciò avviene è detto punto di Curie.

Il valore del punto di Curie si aggira tra i 600 e i 700 gradi centigradi; in merito ai materiali magnetici. Per citare alcuni esempi, per la magnetite è di circa 580°C, mentre per l’ematite è all’incirca di 680°C.

Queste temperature vengono raggiunte intorno ai 30 chilometri di profondità (si tratta di un valore medio).

Linee Aaronne Colagrossi
Linee di forza e struttura interna della Terra

Tutto ciò ci dice che in prossimità del centro della Terra non esiste un qualcosa di permanentemente magnetizzato. Non è possibile. E a dircelo è la struttura stessa dell’interno della Terra.

Il mantello e il nucleo della Terra, infatti, presentano temperature estremamente elevate. Tra il nucleo interno (solido) e quello esterno (liquido) le temperature variano dai 5000 ai 3000 gradi centigradi. Nel mantello inferiore le temperature raggiungono anche i 4000 gradi, nei pennacchi. Insomma le temperature sono ben al di sopra dei 600 gradi C a cui fondono i minerali magnetici.

L’elettricità ci viene in aiuto

A seguito degli studi sull’elettricità si è visto che si possono produrre campi magnetici a seguito di correnti elettriche, e viceversa.

Significa che all’interno della Terra esisterebbe una dinamo; si definisce quindi come la teoria della dinamo autoalimentata, con genesi nel nucleo.

Questa teoria nacque nel 1919 e fu perfezionata nel 1948. Il nucleo sarebbe in grado di produrre questo campo magnetico. Tutto è iniziato 4 miliardi di anni fa con un minimo campo magnetico che ha attivato un processo a catena.

Migrazione Aaronne Colagrossi
Migrazione del polo magnetico

Gli scambi convettivi all’interno del nucleo a diverse temperature avrebbero attivato quindi il meccanismo della dinamo. Come quando si mette la pentola con l’acqua sul fornello, man mano che gli strati inferiori vengono riscaldati dal calore, questi salgono e fanno scendere gli strati superiori più freddi, sino ad arrivare al punto di ebollizione. C’è una convezione.

Questa teoria fa parte di quelle definite “elettriche”. Vi sono anche teorie “magnetiche”, ma non saranno discusse in questa sede.

Declinazione e inclinazione del CM

Si tratta di due importanti parametri. La declinazione del campo magnetico è un angolo tra due grandi cerchi, ovvero i meridiani con cui viene suddivisa in spicchi di longitudine la nostra Terra. L’angolo suddetto è proprio quello formato tra il meridiano geografico e quello magnetico (i poli, come detto, non coincidono, quindi anche i meridiani).

L’angolo di declinazione è compreso tra 0 e 180 gradi e può essere positivo se la punta nord dell’ago magnetico devia (o declina) verso est; negativo se l’angolo declina verso ovest. La bussola di declinazione è lo strumento utilizzato per calcolare la declinazione.

Declinazione Aaronne Colagrossi
Declinazione magnetica

L’inclinazione magnetica è invece sempre un angolo, in un dato punto della superficie della Terra, formato però dalla direzione del campo magnetico con il piano orizzontale.

L’inclinazione presenta un valore pari a zero all’Equatore e aumenta (positivamente nell’emisfero boreale, negativamente in quello australe) avvicinandosi ai poli magnetici (dove vale 90 gradi).

In Italia il valore si attesta a 57 gradi. L’inclinazione magnetica è soggetta a variazioni secolari, finanche diurne o irregolari (nel caso di tempeste magnetiche).

Inclinazione Aaronne Colagrossi
Inclinazione magnetica

Curiosità animalesche

Siete ben a conoscenza delle migrazioni nel mondo animale. La sterna codalunga (un piccolo uccello) migra dalle zone artiche a quelle antartiche ogni anno, compiendo circa 70.000 chilometri di viaggio andata e ritorno, da polo a polo. Nel becco della sterna codalunga vi sono dei cristalli di magnetite, che aiutano questo grazioso uccello a percepire il campo magnetico terrestre, orientandosi durante il volo di questo lungo viaggio terrestre.

Sterna Aaronne Colagrossi
Sterna codalunga, 70.000 km di migrazione

Un altro record del mondo animale è il grande squalo bianco, il re del mare. Di recente è stato scoperto che questo massiccio squalo predatore è un viaggiatore oceanico instancabile. In alcuni esemplari monitorati si è visto che compie migrazioni sino a 22.000 chilometri.

Squalo Aaronne Colagrossi
Grande squalo bianco, 22.000 km di migrazione oceanica

Il muso dello squalo è costellato di sacche gelatinose chiamate “Ampolle del Lorenzini” (dal nome dello scienziato italiano che le descrisse). Queste sacche gelatinose percepiscono i campi elettrici delle prede, soprattutto negli ultimi metri prima dell’attacco. Ma le sacche hanno una doppia funzione: percepiscono anche il campo magnetico terrestre negli abissi del mare, aiutando il grande squalo bianco nelle migrazioni stagionali. (Articolo)

Chrysomallon squamiferum

I gasteropodi neri Chrysomallon squamiferum vivono negli abissi degli oceani Indiano e Pacifico. Queste creature si sono adattate alla vita lungo le fumarole vulcaniche Black Smokers, a circa 2800 metri di profondità. Il loro guscio è diviso in tre strati, uno di base ci carbonato di calcio (come tutti i gasteropodi), uno intermedio di materia organica flessibile e uno esterno di solfuro di ferro, che dona la colorazione nera. Il ferro contenuto nell’ultimo strato aiuta però queste creature a orientarsi nei bui abissi oceanici, poiché permette ai gasteropodi di identificare il campo magnetico terrestre.

Aaronne Colagrossi


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