Il magnetismo terrestre è un fenomeno fisico naturale presente sul pianeta Terra, assimilabile al campo magnetico generato da un dipolo magnetico con poli magnetici non coincidenti con quelli geografici e non statici, e con asse inclinato di . L'intensità del campo geomagnetico sulla superficie terrestre varia da 25 a 65 microtesla (o da 0.25 a 0.65 gauss).Finlay, C. C.; Maus, S.; Beggan, C. D.; Bondar, T. N.; Chambodut, A.; Chernova, T. A.; Chulliat, A.; Golovkov, V. P.; Hamilton, B.; Hamoudi, M.; Holme, R.; Hulot, G.; Kuang, W.; Langlais, B.; Lesur, V.; Lowes, F. J.; Lühr, H.; Macmillan, S.; Mandea, M.; McLean, S.; Manoj, C.; Menvielle, M.; Michaelis, I.; Olsen, N.; Rauberg, J.; Rother, M.; Sabaka, T. J.; Tangborn, A.; Tøffner-Clausen, L.; Thébault, E.; Thomson, A. W. P.; Wardinski, I.; Wei, Z.; Zvereva, T. I. (December 2010). "International Geomagnetic Reference Field: the eleventh generation". Geophysical Journal International. 183 (3): 1216–1230. Bibcode:2010GeoJI.183.1216F. doi:10.1111/j.1365-246X.2010.04804.x. Anche altri corpi celesti, come il Sole o Giove, generano un loro campo magnetico. Le ipotesi sulle origini di questo campo sono numerose, ma oggi le teorie sono orientate verso un modello analogo a quello di una dinamo ad autoeccitazione.
Primo campo terrestre ad essere teorizzato e descritto, la sua scoperta è attribuita alle osservazioni di Pierre de Maricourt, riportate nella sua Epistola de magnete (Lettera sul magnete) del 1269. La sua formazione viene datata a 4 miliardi di anni fa. Causa numerosi effetti facilmente sperimentabili, ad esempio l'aurora polare è generata dall'interazione tra il vento solare e la magnetosfera. Il magnetismo terrestre ha inoltre una notevole importanza per la vita sulla Terra: esso si estende per svariate decine di migliaia di chilometri nello spazio, formando una zona chiamata magnetosfera, la cui presenza genera una sorta di "scudo" elettromagnetico che devia i raggi cosmici e tutte le particelle cariche, azzerando quasi completamente la quantità che raggiunge il suolo dando origine alle fasce di Van Allen.
Caratteristiche
La prima esatta configurazione del campo magnetico terrestre, con uno studio fisico-matematico e la delineazione delle linee di forza, fu ad opera di Gauss nel 1832. Il campo magnetico terrestre può essere assimilato, in prima approssimazione, al campo prodotto da un dipolo situato al centro della terra e formante un angolo di 9,34° con l'asse terrestre.
Tale dipolo ha il proprio polo nord magnetico diretto verso il nord geografico e i punti di intersezione del suo asse con la superficie terrestre sono detti poli geomagnetici. Dall'equatore ai poli, sulla superficie terrestre, il valore del campo varia da circa poco più di 20 000 nT all'equatore ai circa 70 000 nT delle zone polari. La sua massima intensità è ai poli e la minima si trova all'equatore. Il modello del campo prodotto da un dipolo è solo una approssimazione: non potrebbe esistere un vero dipolo in quanto il centro della Terra si trova a temperature ben superiori ai 1043 K (circa 770°C), valore della temperatura di Curie al di sopra della quale qualunque minerale ferromagnetico perde le sue proprietà magnetiche, divenendo paramagnetico.
Il campo geomagnetico non è omogeneo lungo la superficie terrestre e le sue variazioni non riflettono né le variazioni della geologia di superficie, né la morfologia topografica. L'analisi armonica sferica dei dati del campo magnetico di superficie dimostra che più del 94% del campo è di origine interna e la rimanenza è di origine esterna. Dai dati raccolti in alcune centinaia di anni si deduce che il campo geomagnetico è composto da tre parti, le prime due appartenenti al campo interno e la terza all'esterno:
Il campo nucleare che, sebbene variabile nel tempo, cambia in modo relativamente lento ed ha origine nel nucleo esterno ad opera di sistemi di correnti elettriche. Il suo contributo al campo totale è maggiore del 94% e riguarda i termini armonici fino al dodicesimo ordine circa. Il campo crostale, generato da rocce magnetizzate dal campo nucleare, che crea anomalie magnetiche locali. Il suo contributo è dell'ordine di qualche punto percentuale e riguarda i termini armonici superiori all'ordine 15. Il campo esterno o atmosferico e il campo indotto interno. Il primo è generato da correnti elettriche prodotte nell'atmosfera terrestre per interazione del campo magnetico con il vento solare e il secondo da un campo indotto nella crosta e nel mantello dalle stesse correnti. Il contributo dei due campi è compreso tra qualche punto per mille e qualche punto percentuale.
Unità di misura L'unità di misura del campo geomagnetico nel sistema internazionale (SI) è il tesla (T). I valori del campo, espressi in quest'unità di misura, sono molto piccoli e nella pratica si utilizza il suo sottomultiplo microtesla (μT), pari a 10−6 T, oppure il gauss (G) nel sistema CGSem (1 G = 10−4 T).
Poli Poli magnetici Per definizione, un polo magnetico è un punto dove il campo geomagnetico generato da un dipolo magnetico, posto nel nucleo esterno terrestre, ha una direzione coincidente con l'asse del dipolo, cioè verticale. Questa definizione fu proposta nel 1600 da William Gilbert, che faceva parte della corte di Elisabetta I d'Inghilterra, ed è tuttora in uso. Tuttavia, la nomenclatura che definisce il polo magnetico Nord e quello Sud è solo una convenzione; infatti le linee di forza del campo magnetico terrestre entrano nell'emisfero nord (emisfero boreale) ed escono dall'emisfero sud (emisfero australe).
Pertanto dal punto di vista magnetico il polo nord magnetico è quello posto in prossimità del polo Sud geografico e viceversa: e l'ago Nord della bussola si orienta verso il polo di segno opposto. Per comodità il polo magnetico Sud della Terra (fisico) è stato chiamato polo magnetico Sud in associazione a quello geografico, analogamente per il polo magnetico Nord. L'asse geografico e l'asse magnetico non sono coincidenti e la retta congiungente i due poli magnetici non passa per il centro della Terra.
L'asse magnetico si scosta da quello geografico in base alla posizione e al momento della sua rilevazione: mentre i poli geografici sono fissi (in realtà, a causa dell'oscillazione di Chandler si spostano lungo una circonferenza di 6 metri di diametro ogni 435 giorni), quelli magnetici sono soggetti ad un continuo, seppur lento, spostamento, non costante e non uguale per ognuno di essi lungo una circonferenza di circa 160 km.
Pertanto i poli geografici non coincidono con i poli magnetici rispettivi, dai quali si discostano anche di quasi 3000 km, ed il polo magnetico sud si trova maggiormente distanziato rispetto al polo magnetico nord. Dato che l'ago della bussola non indica il polo nord geografico e la sua misurazione ha sempre un fattore di imprecisione, la sua rilevazione viene corretta ricorrendo alla declinazione magnetica, che è l'angolo compreso tra la direzione indicata dalla bussola e la direzione del nord geografico.
Il suo valore dipende dal punto di osservazione sulla superficie terrestre e dal momento di osservazione. In talune zone la declinazione magnetica è tutt'altro che trascurabile, come non lo è se si deve seguire una rotta piuttosto lunga; ad esempio nell'Atlantico centrale essa raggiunge anche i 20° ed è, ovviamente, molto elevata in prossimità dei poli. Grazie alla posizione geografica più favorevole, l'esplorazione dei poli magnetici si è svolta con anticipo rispetto a quelli geografici. Il polo magnetico Nord è stato raggiunto per la prima volta nel 1831 dal britannico Sir James Clark Ross, mentre quello Sud nel 1909 dai geologi australiani Sir Tannat William Edgeworth David, Sir Douglas Mawson e dal medico scozzese Alistair McKay con un viaggio in slitta di 3 mesi.
Posizione dei poli magnetici Polo magnetico Nord (2001) 81,3 N 110,8 W (2004 est) 82,3 N 113,4 W (2005 est) 83,1 N 117,8 W(2009 est) 84,9 N 131,0 W(2012 est) 85,9 N 147,0 WPolo magnetico Sud (1998) 64,6 S 138,5 E (2004 est) 63,5 S 138,0 E (2005 est) 64,3 S 137,5 E(2007) 64,4 S 137,6 E
Poli geomagnetici I punti in cui il diametro terrestre coincidente con la direzione del dipolo incontra la superficie terrestre 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. Contrariamente ai poli magnetici non si tratta di punti reali, ma di una astrazione basata su un modello matematico chiamato modello del dipolo che spiega solo in parte (> del 94%) il reale comportamento del campo magnetico terrestre. La restante parte è infatti definita componente "non dipolare". Rispetto all'asse di rotazione terrestre, la retta congiungente i due poli geomagnetici è inclinata di 9,34°. I due poli geomagnetici non coincidono con quelli magnetici. Per la stessa ragione dei poli magnetici, anche quelli geomagnetici sono invertiti per convenzione, essendo positivo il polo geomagnetico sud e negativo il polo geomagnetico nord.
Nel 2005 quello Nord era approssimativamente localizzato a 79,74 N 71,78 W sulla costa nord occidentale della Groenlandia, mentre quello Sud era localizzato a 79,74 S 108,22 E vicino alla stazione Vostok.
Variazioni del campo, anomalie ed IGRF
Variazioni del campo Il campo magnetico terrestre non è né costante nel tempo, né uniforme nello spazio. Le variazioni del campo in direzione ed intensità possono essere misurate e presentate come valori medi giornalieri, mensili ed annuali Jonathan Amos, Scientists explain magnetic pole's wanderings, BBC news, 6 maggio 2020.. Nel corso delle ere geologiche queste variazioni hanno portato alla deriva dei poli magnetici e a ripetuti fenomeni di inversione del campo, ovvero di scambio dei poli magnetici Nord e Sud. L'origine delle variazioni può essere sia interna sia esterna.
Le variazioni a lungo periodo (5-10 anni), dette "variazioni secolari", sono dovute a cambiamenti nelle sorgenti profonde e sono riconosciute dai dati degli osservatori magnetici e dei record archeologici e geologici (paleomagnetismo). Le variazioni a breve periodo (da pochi minuti fino a 5 anni) sono di origine esterna.
Una terza categoria è quella delle variazioni a periodo molto lungo, legate al ciclo solare di 11 anni. Le "variazioni secolari" sono a loro volta divise in un contributo dovuto al campo dipolare ed uno al campo non dipolare, oppure a correnti elettriche che scorrono all'interfaccia nucleo-mantello, come evidenziato dalle indagini di tomografia magnetica.
In sintesi la variazione secolare è caratterizzata da una diminuzione media annua del momento di dipolo dello 0,05%, una precessione verso W dell'asse di dipolo di 0,08° annui, uno spostamento verso N di 0,01° annui, una deriva occidentale del campo non dipolare di 0,2-0,3° annui (vedi mappe della declinazione magnetica) associato ad una certa deriva meridionale (meccanismi di rotazione differenziale nucleo-mantello), e infine una variazione di intensità del campo con tasso di circa 10 nT annui. Per quanto riguarda le inversioni di polarità del campo magnetico, esse comportano repentini (5-10 000 anni) cambiamenti della declinazione di 180° e inversioni di segno dell'inclinazione.
Variazioni esterne Variazioni regolari: che si ripetono con regolarità o con uno pseudoperiodo che le ripete ad intervalli massimi e minimi di tempo uguali tra loro seppur non coincidenti. Variazioni intermedie: sono unicamente dette anche pulsazioni Variazioni irregolari: non si riconosce una ciclicità o un periodo.