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Petizione OCEAN4FUTURE

Titolo : Impariamo a ridurre le plastiche in mare

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Nautica: la danza dei poli magnetici, cause ed effetti sulla navigazione

livello elementare

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ARGOMENTO: NAUTICA
PERIODO: na
AREA: na
parole chiave: magnetismo terrestre, poli, navigazione

Quattro miliardi di anni fa la Terra sviluppò il suo campo magnetico. Abituati a valutare quello che percepiamo con i nostri sensi, noi Umani non realizziamo la sua importanza se non attraverso degli strumenti di misurazione, considerando la sua presenza un semplice fatto fisico. Eppure la sua conoscenza è fondamentale in molti campi applicativi, ci protegge dalle radiazioni cosmiche e, non ultimo, da circa un millennio di anni ci consente di navigare.

Dall’analisi di alcuni dei più antichi minerali sulla Terra, gli zirconi di Jack Hills (Australia), è stato scoperto che il campo magnetico si formò oltre 4 miliardi di anni fa ovvero solo, si fa per dire, poche centinaia di milioni di anni dopo la formazione del pianeta. Questo significa che la tettonica a placche iniziò molto prima di quanto pensavamo e che, grazie a quel campo invisibile, intorno al nostro pianeta si formò quello scudo che da allora ci protegge dalle radiazioni cosmiche.

Gli scienziati hanno utilizzato un magnetometro ad alta risoluzione per misurare i deboli segnali magnetici dei minerali ferrosi intrappolati all’interno degli zirconi. La cosa straordinaria è che questi segnali ci indicano la forza e la direzione del campo magnetico terrestre fotografati al momento della formazione di questi cristalli ovvero 4 miliardi di anni fa. Gli zirconi di Jack Hills hanno rivelato che il campo magnetico fluttuò in forza da un valore simile agli odierni – circa 25 microteslas – a circa il 12% di quello attuale. Il valore misurato non è costante ma i due zirconi più antichi ritrovati hanno rivelato che il campo magnetico era già esistente  4,2 miliardi di anni fa. 

La presenza di un così antico campo magnetico terrestre suggerisce che la tettonica delle placche iniziò quindi più di 4 miliardi di anni fa, avviando un fenomeno fisico di convezione che favorì la perdita di calore nello spazio quando le placche si mescolavano intorno e lo sviluppo della vita.

Conosciamo il campo magnetico terrestre
Il campo geomagnetico è un fenomeno fisico naturale che possiamo visualizzare come quello di un dipolo magnetico (ovvero un magnete) con poli non coincidenti con quelli geografici e con un asse inclinato di 11,30° rispetto all’asse di rotazione terrestre.

Il campo si estende per migliaia di chilometri nello spazio, formando una zona chiamata magnetosfera. La sua presenza genera una sorta di “scudo” elettromagnetico che devia i raggi cosmici e tutte le particelle cariche, riducendo la quantità che raggiunge il suolo. Le sue linee di forza perdono, già a qualche raggio terrestre di quota, la simmetria planetaria e risultano schiacciate nella direzione del Sole ed allungate nella direzione opposta fino alla distanza di circa 190 raggi terrestri. Vedremo che la magnetosfera ha origine nel nucleo esterno fluido del pianeta ad una profondità di circa 3000÷5000 km. Instabilità nelle correnti magnetofluidodinamiche causano inversioni di polarità del campo geomagnetico dovute alla non omogeneità elettromagnetica delle placche tettoniche nel nucleo terrestre.  Sebbene non evidenziabile se non con strumentazioni scientifiche, alle alte latitudini crea effetti spettacolari come l’aurora polare, generata dall’interazione tra il vento solare e la magnetosfera.

 

Campo magnetico terrestre
Immaginiamo che il dipolo magnetico sia posto nel nucleo esterno terrestre, con una direzione coincidente con l’asse del dipolo. Per convenzione, le linee di forza del campo magnetico terrestre entrano nell’emisfero nord (emisfero boreale) ed escono dall’emisfero sud (emisfero australe). Probabilmente tutti avete fatto a scuola l’esperimento con la limatura di ferro posta su un foglio appoggiato su una calamita (che fungeva da magnete).

 

Avvicinando il magnete al foglio si notava che la limatura di ferro si disponeva su delle linee immaginarie tra il polo positivo e quello negativo, evidenziando le linee di forza di quel campo magnetico. 

Il campo magnetico e la navigazione
La bussola magnetica utilizza lo stesso principio ovvero l’ago magnetico indica il polo nord magnetico e consente di orientarci ovvero di seguire direzioni costanti oppure di determinare posizioni geografiche attraverso più rilevamenti di oggetti fissi lungo il percorso. Questa caratteristica era già nota ai cinesi (nell’VIII secolo) e fu poi appresa dagli arabi nell’XI secolo. La prima descrizione di una bussola si deve invece ad un francese, Peter Peregrinus,  che diede alle due estremità dell’ago magnetico il nome di polo nord e polo sud.  Come sappiamo, lo strumento fu poi perfezionato da Flavio Gioia e diffuso per uso nautico dagli Amalfitani nel XIV secolo. 

Asse terrestre ed asse magnetico
Torniamo ora al nostro pianeta con alcune definizioni. L’asse terrestre è una linea immaginaria che congiunge i due poli terrestri e attorno a cui la Terra compie il suo moto di rotazione. Sfortunatamente l’asse magnetico, che congiunge i due poli magnetici, non è coincidente con l’asse terrestre. Questo comporta che per poter correlare il polo nord magnetico con quello geografico va apportata una  correzione chiamata declinazione magnetica (d)

Vediamo cosa comporta. Volendo mettere su una carta geografica una posizione, in assenza di altri strumenti, possiamo utilizzare l’intersezione di più rilevamenti angolari ottenuti con una bussola magnetica. Non coincidendo i due assi, dovremo per forza considerare il valore di declinazione magnetica. Ogni carta nautica riporta una rosa graduata sulla carta.  Nel cartiglio troviamo il valore di declinazione magnetica ad un certo anno specificando se tale valore aumenta o diminuisce col tempo. 

Il valore di declinazione magnetica d va sempre attualizzato, considerando che la correzione annua può essere positiva o negativa e il calcolo deve tenere conto dell’ultimo valore di riferimento calcolato in un anno di riferimento.

Ad esempio se trovate scritto:
Declinazione 1° 24′ Est (2004) con variazione annua 7′ Est significa che il valore di declinazione dovrà essere aggiornato di 7′ verso Est per ogni anno dopo il 2004. 

Vediamo subito una applicazione nautica.
Immaginiamo di prendere un rilevamento con la bussola RLVm di un punto noto sulla costa.  Se lo mettessimo direttamente sulla carta geografica commetteremo un errore a causa della declinazione magnetica locale. 

Per cui per ottenere il RLV geografico dovremo correggere il valore applicando questa questa formuletta:

RLV geografico = RLV magnetico  + d    dove d è il valore della declinazione magnetica attualizzato ovvero calcolato al momento dell’osservazione 

 

 

Ma non è finita qui.
Per completezza, essendo la bussola magnetica sensibile ai campi ferrosi circostanti, qualora si effettui la misura da un’imbarcazione in ferro, dovrete applicare anche un’altra correzione chiamata deviazione magnetica, che viene indicata con la lettera greca  δ.

Questi valori si ritrovano in tabelle specifiche calcolate per ogni imbarcazione, attraverso i giri di bussola. Essa viene determinata eseguendo i “giri di bussola“, ovvero dopo aver ormeggiato la nave  ad una boa viene misurata con precisione la differenza tra il valore della Prua magnetica conosciuta e l’indicazione della bussola. Alla fine viene compilata una tabellina simile a quella della figura a lato, in cui viene riportato il valore di Prua da mantenere per ottenere le prue magnetiche indicate Non vi preoccupate, ne parleremo un’altra volta; per ora sappiate che a bordo troverete queste tabelline che per ogni rilevamento vi daranno il valore di δ relativo da applicare per le correzioni. 

Nota bene
I valori della d e della δ sono sempre da applicare con il proprio segno.

Prima di iniziare la vostra navigazione dovrete tracciare sulla carta la rotta vera (prora vera) che volete seguire. Dovendo trasformare la prora vera in prora bussola (dato che seguirete in realtà la bussola) dovrete applicare queste semplicissime formule. 

Pv= Pb+d+δ dove Pv è la rotta disegnata sulla carta nautica

Pb= Pv-d-δ   dove Pb è la rotta da seguire con la bussola di bordo

Ecco alcuni esempi (i valori sono solo fittizi)


Sembra tutto facile ma c’è un problema
Mentre i poli geografici sono relativamente fissi (in realtà hanno anche loro una minima oscillazione) quelli magnetici sono soggetti ad un continuo spostamento, non costante e non uguale per ognuno di essi; teoricamente essi si dovrebbero muovere lungo una circonferenza di circa 160 km ma non è così semplice.

Il fatto che questo spostamento non sia costante comporta che gli scienziati debbono controllare annualmente l’effettivo spostamento per aggiornare le correzioni al World Magnetic Model (WMM), che descrive il campo magnetico del nostro pianeta.

 

Il controllo periodico ha rivelato un comportamento anomalo del campo magnetico terrestre; il Polo Nord magnetico della Terra si sta allontanando sempre più velocemente verso ovest, probabilmente a causa dei movimenti delle masse ferrose liquide che si trovano all’interno del nucleo del pianeta.

La versione più recente del modello era uscita nel 2015 e avrebbe dovuto durare fino al 2020, ma il campo magnetico sta cambiando così rapidamente che i ricercatori sono stati costretti a modificare il modello. Di fatto nel 2016 parte del campo magnetico ha temporaneamente accelerato il suo spostamento in profondità sotto il Nord America del Sud e l’Oceano Pacifico orientale e, all’inizio del 2018, i ricercatori della NOAA e della British Geological Survey di Edimburgo, si sono resi conto che il modello era così impreciso che stava per superare il limite accettabile per gli errori di navigazione. 

Il polo nord magnetico sembra quindi vagare in un modo imprevedibile, cambiando di fatto le regole del gioco.
La posizione del polo nord magnetico fu misurata per la prima volta da James Clark Ross nel 1831 nell’Artico canadese. A metà degli anni ’90 aveva guadagnato velocità, da circa 15 chilometri a circa 55 chilometri all’anno; poi, nel 2001, era entrato nell’Oceano Artico, attraversando nel 2018 la linea di data internazionale nell’emisfero orientale ed ora … sta dirigendosi verso la Siberia.

La posizione del polo nord magnetico sembra essere governata da due campi magnetici su larga scala, uno posto sotto il Canada e l’altro sotto la Siberia, che sembra stia vincendo la competizione. Secondo Larry Newitt, del Geological Survey canadese, verso la fine del 2040, dopo aver attraversato il mare Glaciale Artico, il polo nord magnetico potrebbe arrivare in Siberia. Continuando con questo gradiente di variazione,  ci potremmo avvicinare ad una relativamente rapida inversione dei poli magnetici o meglio del campo magnetico.

Inversione dei poli magnetici?
Nessun problema, è già avvenuto in passato. Gli scienziati, analizzando delle rocce magmatiche antiche contenenti minerali ferrosi, sono stati in grado di valutare la direzione del campo magnetico nel momento del loro raffreddamento. Dai dati in possesso sembrerebbe che l’inversione dei poli magnetici sia già avvenuta sulla Terra molte volte. Considerando la non ciclicità dei movimenti tettonici, non è però possibile comprendere la ciclicità di queste inversioni. Alcune sono avvenute dopo 40 milioni di anni, altre solo dopo qualche secolo. 


Le conseguenze sugli esseri viventi sono dubbie
Quali potrebbero essere gli effetti di queste inversioni sugli esseri viventi? Forse i più gravi consisterebbero in una maggiore esposizione ai raggi cosmici ed al vento solare con variazioni climatiche che potrebbero essere anche importanti. Alcuni scienziati ritengono che, oltre al riscaldamento attuale, si potrebbe aggiungere anche una minore protezione dovuta allo scudo del campo magnetico terrestre. Sicuramente le variazioni di inclinazione delle linee magnetiche potrebbero disorientare molti animali che normalmente se ne servono per le loro migrazioni. Un altro fattore da considerare sono gli effetti sui sistemi di comunicazioni che potrebbero subire black out ed importanti malfunzionamenti. Ci possiamo fare qualcosa? No. Non possiamo interagire con il campo magnetico ma possiamo continuare a monitorarlo al fine di mitigare gli effetti di questi cambiamenti fisici del nostro pianeta. Ci torneremo. 

 

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