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Il campo geomagnetico del pianeta Terra

Reading Time: 7 minutes


livello elementare
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ARGOMENTO: GEOLOGIA
PERIODO: NA
AREA: DIDATTICA
parole chiave: magnetismo terrestre

Il campo magnetico terrestre (geomagnetico) circonda il nostro pianeta, creando un vero scudo senza il quale non ci sarebbe vita.

L’argomento è complesso e lo semplificheremo al massimo per dare un’idea del campo magnetico del nostro pianeta.
Come tutti i corpi dotati di propria massa, anche la Terra è circondata da un campo gravitazionale che attrae altri corpi. Quando parliamo di campo magnetico possiamo immaginarlo come un campo gravitazionale ad altissima polarizzazione e conseguente fortissima interattività nei confronti di alcuni materiali.

Molti di voi avranno certamente sentito la parola “magnetite“. La magnetite (Fe3O4) è il minerale ferroso con il più alto tenore di ferro utilizzabile industrialmente. È inoltre il minerale con le più intense proprietà magnetiche esistente in natura. E la usa notorietà deriva proprio da queste proprietà magnetiche di cui si era già a conoscenza 2.500 anni fa. Sembrerebbe che i Cinesi ne sfruttarono le proprietà magnetiche per creare le prime bussole di orientamento. Questi utilissimi strumenti furono poi perfezionati in Italia dagli Amalfitani nel 1200 circa che furono i primi a comprenderne l’utilità per la navigazione. 

magnetite

Come ben sapete le prime scoperte geografiche del XV e XVI secolo furono rese possibili anche grazie alla bussola, spingendo l’Uomo all’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 ed allo spirito avventuriero dei primi esploratori.

Il magnete terra
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 ideò e tracciò le linee di forza.

La presenza del campo magnetico terrestre è rilevabile in maniera diretta, osservando alcuni fenomeni naturali. Ad esempio i materiali ferromagnetici subiscono l’effetto del magnetismo e possiamo facilmente osservare l’azione orientatrice che subiscono i corpi quando vengono magnetizzati. 

Il nostro pianeta cattura particelle elettricamente cariche provenienti dallo spazio. Forse il più appariscente fenomeno è quello dell’aurora polare,  generata dall’interazione tra il vento solare e la magnetosfera. Il campo magnetico terrestre è molto importante per la vita sulla Terra: si estende nello spazio per migliaia di chilometri, formando una zona chiamata magnetosfera, una specie di “scudo” elettromagnetico che devia i raggi cosmici e tutte le particelle cariche, diminuendone la quantità in arrivo al suolo.

Come si misura?
L’unità di misura del campo geomagnetico è il Tesla (in onore del serbo Nikola Tesla). In realtà la sua intensità sulla Terra 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.

 

Curiosità
L’oceano Atlantico meridionale presenta un’anomalia del campo magnetico con valori 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 necessitano una maggiore schermatura alle radiazioni. Pensate che anche il telescopio spaziale Hubble deve addirittura sospendere le sue osservazioni mentre transita su questa anomalia.

Caratteristiche e poli del Campo magnetico
La Terra presenta una forma apparentemente sferica; come sappiamo la sua forma è molto irregolare ma viene rappresentata per comodità come un ellissoide con uno schiacciamento polare e un rigonfiamento equatoriale. Dobbiamo ad un grande matematico tedesco, Carl Friederich Gauss la descrizione del campo magnetico terrestre. Si racconta che Gauss fece costruire un osservatorio magnetico nel giardino dell’osservatorio astronomico, e insieme a Weber confermarono le misurazioni del campo magnetico terrestre in diverse regioni del pianeta. Inoltre sviluppò un metodo di misurazione dell’intensità orizzontale del campo magnetico, largamente utilizzato per tutta la metà del XX secolo, elaborando la teoria matematica per la distinzione delle sorgenti del campo magnetico terrestre in interne (nucleo e crosta) e esterne (magnetosfera) e delineando le linee di forza del campo che si dispongono radialmente rispetto alla campo generato. I metodi di Gauss consentirono di stabilire che l’origine del campo magnetico è per la quasi totalità (96%) interna al nostro pianeta Terra.

Curiosità
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. Ora 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. E’ importante 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. Attenzione però! Non è proprio così: in realtà 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. Questo minerale perde le sue caratteristiche se posto ad alte temperature. Il valore di temperatura per cui ciò avviene è detto punto di Curie e si aggira tra i 600 e i 700 gradi centigradi. Ad esempio per i minerali magnetici come la magnetite è circa 580°C, mentre per l’ematite è circa 680°C. Ma queste temperature vengono raggiunte intorno ai 30 chilometri di profondità (si tratta di un valore medio). Per cui in prossimità del centro della Terra non esiste un qualcosa di permanentemente magnetizzato ed a confermarcelo è la struttura stessa dell’interno della Terra. Come sappiamo il mantello e il nucleo della Terra infatti presentano temperature estremamente elevate. Tra il nucleo interno (solido) e quello esterno (liquido) le temperature variano 5000 ai 3000 gradi centigradi. Nel mantello inferiore le temperature raggiungono anche i 4000 gradi nei pennacchi. In sintesi le temperature sono ben al di sopra dei 600 gradi Centigradi, temperatura a cui fondono i minerali magnetici. Come si forma allora il campo magnetico?

L’elettricità ci viene in aiuto
A seguito dei primi studi sull’elettricità si scoprì che si possono produrre campi magnetici con delle correnti elettriche, e viceversa. Questo significa che all’interno della Terra esiste una configurazione fisica simile ad una dinamo con genesi nel suo nucleo. Questa teoria nacque nel 1919 e fu perfezionata nel 1948. Il nucleo terrestre sarebbe quindi in grado di produrre un campo magnetico. Tutto è iniziato quattro miliardi di anni fa da un minimo campo magnetico che poi attivò un processo a catena. Gli scambi convettivi all’interno del nucleo a diverse temperature avrebbero attivato quindi il meccanismo della dinamo. Per capirci meglio. Un fenomeno simile a quello che si verifica quando si mette una 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. Avviene quindi una convezione. Questa teoria fa parte di quelle definite “elettriche”. Per completezza vi sono anche teorie “magnetiche” ma non le affronterò in questa sede.

Declinazione e inclinazione del campo magnetico
Descriviamo ora due importanti parametri che vanno conosciuti per le loro implicazioni pratiche, in particolare nel campo della navigazione e cartografia. La declinazione del campo magnetico è un angolo misurato tra due grandi cerchi, ovvero i meridiani con cui viene suddivisa in spicchi di longitudine la nostra Terra. L’angolo suddetto è quello formato tra il meridiano geografico e quello magnetico (non coincidendo i poli ovviamente non coincidono neanche 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.

L’inclinazione magnetica è sempre un angolo, calcolato 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 ed aumenta (positivamente nell’emisfero boreale, negativamente in quello australe) avvicinandosi ai poli magnetici (dove vale 90 gradi). In Italia il valore si attesta intorno ai 57 gradi. L’inclinazione magnetica è soggetta a variazioni secolari, finanche diurne o irregolari (nel caso di tempeste magnetiche).

Curiosità
Non potevo terminare con un’altra curiosità che riguarda le migrazioni nel mondo animale. La sterna codalunga migra dalle zone artiche a quelle antartiche ogni anno, compiendo circa 70.000 chilometri di viaggio andata e ritorno, da polo a polo. Ma come fa ad orientarsi?

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. Un altro record del mondo animale è il grande squalo bianco, il re del mare. Di recente è stato scoperto che questo grande predatore è un viaggiatore oceanico instancabile.

In alcuni esemplari monitorati si è visto che compie migrazioni sino a 22.000 chilometri. Nel muso dello squalo esistono delle 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 sue migrazioni stagionali.

Aaronne Colagrossi.

 

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