Il campo magnetico terrestre , noto anche come scudo terrestre , è un campo magnetico presente in un ampio spazio attorno alla Terra (non uniformemente a causa della sua interazione con il vento solare ) così come nella crosta e nel mantello . Ha la sua origine nel nucleo esterno , da un meccanismo a dinamo autoeccitato .
Secondo gli studi di John Tarduno dell'Università di Rochester ( Stati Uniti ), la Terra aveva già un campo magnetico 3,45 miliardi di anni fa. A quel tempo l'intensità del campo era dal 50 al 70% del suo valore attuale. Ma già nel 3,2 Ga il campo terrestre era intenso come lo è oggi. Nel 2014 è stato proposto che il campo magnetico terrestre esistesse già 4,2 miliardi di anni fa, ma la validità di questi studi, basati sulla magnetizzazione di antichi cristalli di zircone , è stata messa in dubbio nel 2020.
Il campo magnetico terrestre è generato dai movimenti di convezione del nucleo esterno del nostro pianeta, costituito da liquido metallico (principalmente Fe e Ni ). Questo nucleo esterno funziona come un Autoeccitato dinamo (diciamo anche autosufficiente ), vale a dire che il campo magnetico è all'origine delle correnti elettriche che si generano il campo (nidificazione della induzione elettromagnetica e la legge di Biot e Savart ). La convezione è probabilmente solutale (a causa di gradienti di concentrazione ) piuttosto che termica (a causa di gradienti di temperatura ), e strettamente correlata alla crescita del nucleo interno : il ferro-nichel solido è meno ricco di elementi disciolti come il liquido, la cristallizzazione di questo liquido arricchisce la base del nucleo esterno in elementi disciolti; essendo questi elementi più leggeri del Fe e del Ni, il liquido metallico profondo tende a salire sotto l'effetto della spinta di Archimede .
Il nucleo interno, tuttavia, è troppo giovane perché il meccanismo di cui sopra abbia funzionato più di 1,5 Ga fa . Un altro processo di convezione solutale sarebbe stata la dissoluzione dell'ossido di magnesio MgO, dovuto al progressivo raffreddamento del nucleo (mentre è completamente liquido). L'MgO è infatti solubile in ferro liquido a temperature molto elevate. Una quantità significativa di MgO potrebbe essersi dissolta nel nucleo durante l' accrescimento della Terra, e in particolare durante il gigantesco impatto all'origine della Luna.
Il campo magnetico terrestre può essere paragonato, in prima approssimazione, a quello di un magnete destro (o di un dipolo magnetico , o di una bobina piatta percorsa da una corrente elettrica ), di momento magnetico 7,7 × 10 22 A m 2 nel 2000 Il punto centrale di questo magnete non è esattamente al centro della Terra, si trova a poche centinaia di chilometri dal centro geometrico. Questa approssimazione non deve far dimenticare che il campo ha componenti multipolari la cui intensità, sebbene molto inferiore alla componente dipolare, non è trascurabile, soprattutto durante un'inversione del campo magnetico terrestre che vede l'indebolimento. i componenti non dipolari diventano predominanti.
La teoria del potenziale descrive, dall'equazione di Laplace , che un quadrupolo si sovrappone a questo magnete di destra del secondo ordine , al terzo ordine un polipo, ecc., Fino all'infinito. Questa cosiddetta decomposizione armonica sferica ammette coefficienti che pesano sull'importanza da attribuire a ciascun magnete. Il primo ad aver misurato il loro valore è Gauss da una maglia di osservatori magnetici distribuiti intorno alla Terra, poi a ricavarne studi statistici.
L'insieme delle linee del campo magnetico terrestre sopra la ionosfera , a più di 1.000 km di distanza , è chiamato magnetosfera . L'influenza del campo magnetico terrestre si fa sentire a diverse decine di migliaia di chilometri di distanza.
Altri pianeti del sistema solare hanno un campo magnetico: Mercurio , Saturno , Urano , Nettuno e soprattutto Giove . Il Sole stesso ne ha uno.
Sebbene i magneti siano conosciuti fin dall'antichità, furono i cinesi che, intorno all'anno 1000-1100, li usarono per orientarsi con l'aiuto della bussola . La relazione tra i magneti e il campo magnetico terrestre è stata scoperta nel 1600 da William Gilbert , un medico e fisico inglese della regina Elisabetta I che ripubblicò nel 1600 Magno Magnete Tellurium ("Dal grande magnete della Terra"). Questa teoria è la prima riguardante le caratteristiche globali della Terra, prima della gravità di Isaac Newton . Ha dimostrato come una bussola posta sulla superficie di una sfera magnetizzata (la " Terrella ") indichi sempre lo stesso punto, come fa sulla Terra.
I poli magnetici sono convenzionalmente definiti come i punti sulla superficie terrestre dove il campo magnetico è localmente verticale, cioè l'inclinazione magnetica è di 90 gradi (vedi sotto le proprietà del campo magnetico per una definizione dell'inclinazione). C'è un polo magnetico per emisfero, il nord e il sud. Nel XI ° secolo, l' erudito cinese Shen Kuo è stato il primo a notare che i poli geografici e magnetici non corrispondono. Fu nel 1831 che gli scienziati notarono che i poli magnetici si stavano spostando.
Il Polo Nord magnetico della Terra è infatti un polo di magnetismo “sud”. Si tratta di una convenzione pura, dovuta alla scelta di chiamare "nord" la punta dell'ago della bussola che punta questo polo magnetico, che non è molto distante dal Polo Nord geografico. L'asse geomagnetico, passante per i due poli geomagnetici, forma un angolo di 11,5 ° rispetto all'asse di rotazione della Terra; è la declinazione magnetica .
Una misurazione dell'aprile 2007 del progetto "Poly-Arctic" ha individuato il Polo magnetico nord (Nm) a una latitudine di 83,95 ° N e una longitudine di 121,02 ° W ( 83 ° 57 ′ 00 ″ N, 121 ° 01 ′ 12 ″ O ), o 673 km dal Polo Nord geografico (Ng) e quindi con una velocità media di movimento di 55 km / anno contro i 15 km / anno prima del 1990. Questa accelerazione fa muovere il polo. XXI ° secolo, in tutto il XX ° .
Dalla metà degli anni 1990 si è trasferito dal Canada (dove era sempre stato situato sin dai primi bar) alla Siberia senza che questo sviluppo fosse compreso dalla comunità scientifica.
Nell'estate del 2010 si trovava a 550 km dal Polo Nord geografico.
L'accelerazione del movimento si unisce ad un altro fenomeno: i "sobbalzi geomagnetici", impulsi che localmente "accelerano" il campo magnetico. Uno è avvenuto nel 2016. I servizi specializzati americani sono stati così portati a distribuire, nel 2019, una nuova versione del modello magnetico World , uno dei riferimenti nel settore.
Nel settembre 2019, la longitudine del Polo Nord magnetico era quella del meridiano di Greenwich .
Inoltre, la posizione del polo magnetico varia durante il giorno, spostando così diverse decine di km attorno alla sua posizione media.
Il Polo Sud magnetico , nel frattempo, si trova al largo di Adélie Land , nel Mare di Urville , a 65 ° S e 138 ° E.
Polo nord magnetico | (2001) 81 ° 18 ′ N, 110 ° 48 ′ O | (2004) 82 ° 18 ′ N, 113 ° 24 ′ O | (2005) 82 ° 42 ′ N, 114 ° 24 ′ O | (2010) 85 ° 00 ′ N, 132 ° 36 ′ O |
Polo Sud magnetico | (1998) 64 ° 00 ′ S, 138 ° 30 ′ E | (2004) 63 ° 30 ′ S, 138 ° 00 ′ E | (2005) 63 ° 06 ′ S, 137 ° 30 ′ E | (2010) 64 ° 24 ′ S, 137 ° 18 ′ E |
In un dato punto del campo magnetico terrestre, il vettore del campo magnetico può essere scomposto in una componente verticale (diretta lungo la verticale locale, o approssimativamente verso il centro della Terra) e una componente orizzontale . Ai poli magnetici, la componente orizzontale ha valore zero.
Il vento solare è responsabile delle variazioni nel campo misurato, dalle correnti elettriche che genera nella ionosfera e nella magnetosfera. A seconda dell'attività solare, le tempeste magnetiche possono disturbare il campo magnetico terrestre variando l'intensità della componente orizzontale B 0 . Inoltre, i venti solari distorcono le linee di campo del campo magnetico terrestre. Sul lato giorno sono appiattiti verso la Terra e sul lato notte deviano su dieci raggi terrestri .
Il valore dell'induzione magnetica è espresso in tesla (nome dell'unità nel Sistema internazionale di unità ), in onore di Nikola Tesla . Attualmente è di circa 47 μT nella Francia centrale.
L' archeomagnetismo , basato sullo studio delle tracce del campo magnetico incastonato in oggetti archeologici (mattoni, ceramiche, ecc.), E il paleomagnetismo , piuttosto fondato sulle rocce, per comprendere l'evoluzione del geomagnetismo nel tempo; datando le inversioni di polarità magnetiche attraverso i secoli, per esempio.
Per due bobine di Helmholtz identiche separate da una distanza pari al loro raggio, il campo creato al centro di queste due bobine può essere considerato uniforme (le due bobine sono attraversate dalla stessa corrente). Posizionando queste bobine in modo tale che il campo che inducono sia allineato con il campo magnetico terrestre, il campo totale risultante tra le bobine è quindi:
.Un ago magnetico (bussola) posizionato in R / 2 si allinea con questo campo risultante. Tolto dalla sua posizione di equilibrio, oscilla in un periodo:
dove μ indica il momento magnetico del magnete e J il suo momento di inerzia.
Se invertiamo la direzione della corrente nelle bobine, il campo indotto cambia direzione (conservazione della direzione collineare con il campo terrestre). Assicurandosi che il campo indotto dalla bobina sia inferiore al campo magnetico terrestre (il cambiamento nella direzione della corrente non deve indurre un cambiamento nella direzione dell'ago), l'ago oscilla quindi nel periodo:
.Da questi due periodi otteniamo:
.Quindi, se consideriamo bobine di raggio R , composte da N spire e percorse da una corrente di intensità I , misurando T 1 e T 2 deduciamo il campo magnetico terrestre:
.Le bobine di Helmholtz sono questa volta posizionate in modo che il campo che inducono sia ortogonale al campo magnetico terrestre.
L'ago magnetico, sottoposto all'azione di due campi, è orientato in base alla loro risultante. Il campo risultante a cui è sottoposto il compasso è uguale alla somma del campo terrestre e del campo indotto ed è allineato nella direzione α tale che:
.Una misura dell'angolo α permette di ottenere il valore del campo magnetico:
.L'ago di un compasso perfetto (non disturbato da un campo parassita), è orientato lungo la componente parallela al quadrante (normalmente posizionato orizzontalmente), rimanendo tangente alla linea di campo del luogo in cui si trova. La bussola indica la direzione del Polo Nord magnetico (e non quella del Polo Nord geografico ); la differenza angolare relativa viene chiamata declinazione magnetica , il cui valore dipende da dove ti trovi.
La bussola utilizzata in navigazione, chiamata bussola , generalmente non indica il nord magnetico, ma la bussola nord , una direzione verso la quale deve essere fatta ancora un'altra correzione (chiamata deviazione della bussola) per trovare la direzione del nord magnetico.
La variazione magnetica di una posizione è fornita su mappe dettagliate (1 / 50.000 o 1 / 25.000) della regione. Sulle carte nautiche e aeronautiche viene fornita anche una stima della sua variazione annua (ad esempio diminuzione di 6 'all'anno). Per alcune applicazioni moderne (aviazione, ecc.), Viene invece utilizzato un magnetometro , che misura le tre componenti del vettore del campo magnetico.
Si distingue tra archeomagnetismo , basato sullo studio delle tracce del campo magnetico fissate in oggetti archeologici (mattoni, ceramiche, ecc.), E paleomagnetismo basato sull'analisi delle variazioni del campo magnetico registrato dalle rocce. Durante la solidificazione “rapida” di un materiale (cottura di una ceramica, eruzione vulcanica, ecc.), I dipoli magnetici che contiene si congelano, fornendo così un'istantanea della direzione del campo magnetico terrestre. Il lavoro di Xavier Le Pichon negli anni '70 ha permesso di evidenziare il fenomeno della deriva dei continenti , dallo studio della variazione del campo magnetico terrestre registrato a livello delle dorsali medio atlantiche. Si è così scoperto che il campo magnetico terrestre ha subito molteplici inversioni di polarità nel corso di milioni di anni.
La prospezione mineraria è uno dei principali campi di applicazione per lo studio del geomagnetismo. Diverse rocce con differenti magnetizzazioni, il valore dell'intensità del campo magnetico terrestre viene modificato. È così possibile ottenere una mappa delle strutture in profondità, in base alle variazioni di magnetizzazione delle rocce.
Il campo magnetico terrestre gioca un ruolo vitale nello sviluppo della vita sulla Terra, deviando particelle mortali dal vento solare formando così l' aurora boreale e l' aurora australe.
Il nucleo esterno (liquido) che genera il campo magnetico globale della Terra si raffredda molto lentamente. Il nucleo interno (solido) diventa più grande dalla solidificazione del metallo liquido dal nucleo esterno a contatto con il nucleo interno. Si stima che il nucleo esterno sarà (quasi) completamente solidificato in pochi miliardi di anni e che di conseguenza il campo magnetico globale sarà scomparso.
La Terra presenterà quindi condizioni paragonabili a quelle presenti su Venere oggi, senza un campo magnetico globale.
Molti animali terrestri altamente migratori ( es: uccelli ) o acquatici ( es: tartarughe marine ) sembrano avere una buona percezione del campo magnetico terrestre ( magnetoricezione ), anche se durante le migrazioni sono coinvolti altri sensi. Ad esempio, le tartarughe marine sono sensibili alla latitudine a seconda del campo magnetico terrestre e della sua inclinazione. Così giovanissime tartarughe di questa specie si sono collocate, poco dopo la loro schiusa, in un bacino che riproduce le condizioni del campo magnetico di altre regioni ( Porto Rico e Capo Verde , situate sulla loro rotta migratoria abituale alla stessa latitudine (20 ° N), ma a differenti longitudini) hanno rapidamente girato nella direzione che avrebbero preso in questo ambiente (NE e SE rispettivamente).
L'inversione del campo magnetico terrestre è un fenomeno ricorrente nella storia geologica della Terra, il Polo Nord magnetico si sposta verso il Polo Sud geografico e viceversa. È il risultato di un disturbo della stabilità del nucleo terrestre . Il campo magnetico quindi va nel panico per un breve periodo (da 1000 a 10.000 anni) durante il quale i poli magnetici si muovono rapidamente su tutta la superficie del globo, o scompaiono, a seconda delle teorie.
Durante questa transizione, l'intensità del campo magnetico è molto debole e la superficie del pianeta può essere esposta al vento solare , potenzialmente pericoloso per gli organismi viventi. Se ciò accadesse oggi, potrebbero essere interessate anche molte tecnologie che utilizzano il campo magnetico.
Al termine di questo periodo di transizione, o i poli magnetici riprendono la loro posizione iniziale, si tratta quindi solo di un'escursione geomagnetica, oppure si permutano e si parla di inversione.
Il campo terrestre si è invertito circa 300 volte negli ultimi 200 milioni di anni. L'ultima inversione è stata 780.000 anni fa e l'ultima inversione 33.000 anni fa, nessuno sa quando accadrà la prossima.
Nel 2012, Mioara Mandea e il suo team hanno evidenziato una correlazione tra i cambiamenti magnetici terrestri e cambiamenti nei campi gravitazionali indotti da modifiche all'interno nucleo della Terra su una superficie che si estende dal dell'Alaska al Oceano Indiano , il rapporto di causa ed effetto ancora da dimostrare e la modello teorico da costruire.