BIOLOGO TEORETICO
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Il magnetismo è una delle forze fondamentali della natura. Le forze magnetiche sono prodotte dal moto di particelle cariche come gli elettroni. Un esempio evidente del magnetismo è la forza attrattiva o repulsiva che si osserva tra due calamite.
La Terra si comporta come se fosse una grande calamita, in grado di influenzare l'ago magnetico della bussola, determinando l’orientamento dell’ago in direzione del meridiano magnetico su cui ci troviamo.
Il campo magnetico terrestre o campo geomagnetico si comporta come se al centro della Terra vi fosse una sbarra calamitata, leggermente inclinata rispetto all'asse di rotazione. Infatti i poli magnetici non coincidono con quelli geografici.
Vediamo allora quali sono gli elementi strutturali del campo magnetico e quali sono secondo le teorie correnti le forze che lo originano.
Cominciamo col dire che nel corso della storia dell’Umanità si era già supposta l’esistenza di una forza magnetica che agisse sulla superficie terrestre. Già all’epoca della civiltà greca erano note le proprietà di un particolare minerale di ferro chiamato magnetite.
Successivamente si ritiene che in Cina venne inventato il primo prototipo di bussola, perfezionata ad Amalfi nella prima metà del XIII secolo. Grazie alla bussola furono possibili le grandi scoperte geografiche del ‘500. In meno di cinquant’anni, grazie a questo strumento, l’orizzonte delle conoscenze geografiche si allargò fino a comprendere quasi tutte le terre emerse.
Questo significa che già molto tempo prima che si conoscesse il significato dell’espressione "campo magnetico", l’esistenza dello stesso veniva sfruttata attraverso la bussola nella quale un ago magnetico, sospeso e libero di ruotare, punta approssimativamente verso Nord. La forza che agisce sull’ago costringendolo ad assumere tale posizione è legata a un campo magnetico.
CHE COS’È UN MAGNETE
Come abbiamo detto più sopra le proprietà della magnetite erano già conosciute nell’antichità. Era infatti nota la capacità di questo materiale di attrarre a sé la limatura di ferro, proprietà che fu chiamata "magnetismo".
Nel XVI sec. lo scienziato W. Gilbert cercò di studiare e di analizzare dettagliatamente le proprietà della magnetite. A tale scopo predispose dei piccoli cilindri di magnetite che chiamò "magneti" e nei suoi esperimenti si accorse che la proprietà di attirare la limatura di ferro si concentrava nelle estremità dei magneti, che chiamò poli magnetici.
Lo studio dei magneti ha permesso di metterne in luce alcune caratteristiche:
un magnete ha sempre le due estremità magnetizzate.
avvicinando due poli questi si attraggono o respingono (forza magnetica, simile a quella delle cariche elettriche). I poli vengono definiti nord e sud, in analogia a quelli magnetici della Terra.
ogni magnete possiede un polo nord e un polo sud. Anche dividendo a metà il magnete questo avrà ancora un polo nord e sud.
avvicinando una bacchetta di ferro ai poli magnetici questa acquista la proprietà di attrarre la limatura di ferro.
Gli studiosi hanno quindi messo in luce delle profonde analogie tra la forza magnetica e quella elettrica, in quanto la presenza dei poli magnetici fa supporre la presenza di cariche magnetiche che determinano l’attrazione o repulsione tra i poli. Tuttavia mentre ogni carica elettrica può essere isolata, poiché portata da una particella, nel caso del magnete questo dispone sempre di due poli distinti. Ciò impone di non poter parlare della carica magnetica nello stesso modo in cui si intende la carica elettrica.
La forza esercitata tra due poli magnetici ha una forma molto simile a quella esercitata da cariche elettriche e può essere descritta da una formula matematica come:
dove "y" è una costante, "m1" e "m2" sono le masse magnetiche dei poli, "r" è la distanza tra i poli ed "r circonflesso" è la direzione della forza.
Come si vede dalla formula questa forza è tanto più intensa quanto minore è la distanza tra i poli.
Gli studi moderni hanno permesso di mettere in luce che il magnetismo è un fenomeno di origine atomica, di cui si può ottenere spiegazione con le teorie della meccanica quantistica, la cui scoperta ha permesso anche di spiegare la quarta proprietà dei magneti, quella per cui il ferro diventa un magnete se viene posto in prossimità del polo magnetico.
CHE COS’È UN CAMPO MAGNETICO
Non è altro che il campo di forza prodotto da un magnete, oppure da una corrente elettrica o da un campo elettrico variabile nel tempo. Se prendiamo in considerazione il campo magnetico generato da un magnete avente forma di barretta, possiamo individuare due poli, più precisamente il polo Nord dal quale escono le linee di forza del campo magnetico ed il polo Sud nel quale entrano le linee di forza del campo magnetico. È stato verificato che, a differenza dei campi elettrici, nel caso dei campi magnetici le linee di forza sono chiuse. I due poli sono così chiamati perché, se il magnete è lasciato libero di orientarsi nello spazio, rivolge sempre il polo Nord verso il Nord geografico e l'altra verso il Sud geografico. Ciò accade perché la Terra è per sua natura un gigantesco magnete, avente il polo Sud magnetico quasi in corrispondenza del polo Nord geografico, che agisce nello spazio circostante attraverso un suo campo magnetico e due magneti tendono ad attrarsi se sono affacciati coi poli opposti.
IL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE
Semplificando possiamo dire che la Terra può essere considerata alla stessa stregua di un dipolo, cioè un magnete con due poli, uno positivo e l’altro negativo.
Detto in altri termini, il campo magnetico terrestre può essere visto, per semplicità, come se al centro della Terra fosse presente una potentissima barra magnetica inclinata di 11°30’ rispetto all’asse terrestre.
Su quella che sia l’origine del campo magnetico terrestre furono elaborate diverse ipotesi nel passato.
Addirittura una prima ipotesi sull’origine del campo magnetico terrestre fu formulata nel 1200 da Pietro Peregrino di Maricourt, il quale, per spiegare l’orientamento verso nord di un ago magnetico, immaginò che al polo vi fossero grandi giacimenti di magnetite.
Quattro secoli dopo, William Gilbert, che fece gli esperimenti sui magneti, sostenne che l’intero pianeta fosse un magnete. Solo successivamente si capì che ciò non era vero in quanto la temperatura all’interno del pianeta non consente a nessuna sostanza di mantenersi magnetizzata.
Quando nell’800, si scoprì che un campo magnetico può essere prodotto da una corrente elettrica, si ipotizzò che il campo magnetico terrestre fosse generato da correnti prodotte nello stesso strato di ferro fuso che avvolge il nucleo solido del pianeta, attraverso un meccanismo di geodinamo; l’ipotesi fu ripresa e perfezionata nel 1950 da Edward Bullard.
Oggi si ritiene che l’interno della Terra si comporti come una enorme dinamo che trasforma l’energia meccanica del fluido in movimento in energia magnetica.
Per quanto riguarda la descrizione degli elementi strutturali del campo magnetico occorre dire che 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.
Le linee di forza del campo magnetico si comportano nello stesso modo in cui si irradiano tra i poli di una barra magnetica. Le particelle cariche rimangono intrappolate in queste linee di forza, proprio come la limatura di ferro, formando la magnetosfera. Queste sono simmetriche come quelle di una barra magnetica; così l'impatto del vento solare provoca la compressione delle linee di forza nella parte rivolta al Sole e l'allungamento di quelle nella parte in ombra, portando in quest'ultimo caso alla formazione della cosiddetta coda magnetica terrestre.
La magnetosfera si estende nel vuoto interplanetario da circa 80 a 60.000 chilometri nel lato rivolto alla nostra stella e per oltre 300.000 chilometri in direzione opposta.
È interessante notare che nel 1958, studiando i dati delle sonde spaziali Explorer I e II, lo scienziato americano Van Allen scoprì l’esistenza di particelle dotate di energia intorno alla Terra. Van Allen comprese che i limiti entro cui potevano trovarsi queste particelle erano dati dal campo magnetico terrestre.
Gli studi successivi hanno confermato le ipotesi di Van Allen sull’esistenza di queste fasce - che da lui presero il nome - di elettroni e protoni provenienti dal vento solare che rimangono intrappolati in tale zona.
Queste particelle colpirebbero la Terra se il campo magnetico non facesse da scudo.
Per quanto riguarda l’intensità del campo magnetico, questa può essere misurata con strumenti chiamati magnetometri che determinano l’intensità totale del campo e le intensità nelle direzioni orizzontale e verticale.
L’intensità del campo magnetico della Terra varia in differenti luoghi della superficie.
L'unità di misura del campo magnetico, per convenzione internazionale è il tesla (T), ma nella pratica viene usato un suo sottomultiplo, il nT (10-9 T).
Sulla superficie terrestre, il valore del campo varia in intensità, dall'equatore ai poli, da circa 20000 nT a 70000 nT.
Per quanto riguarda la collocazione geografica dei poli magnetici, il polo situato nell’emisfero settentrionale, indicato convenzionalmente con B (boreale), ha polarità negativa e si trova a 78°30’ N, 69° W, mentre il polo dell'emisfero meridionale, indicato con A (australe), risulta positivo, con posizione 78°30’ S, 111° E.
Questo significa che i poli magnetici non coincidono con quelli geografici. Infatti il polo nord magnetico è attualmente localizzato al largo della costa occidentale dell’isola di Bathurst, nei territori canadesi del Nordovest, circa 1.290 km a nord-ovest della baia di Hudson, mentre il polo sud magnetico è attualmente situato al margine del continente antartico nella Terra di Adélie.
Quindi una volta individuato il polo nord magnetico, con la bussola, bisogna correggere il dato per poter individuare il polo nord geografico, utilizzando la declinazione magnetica, che è l’angolo che l’ago della bussola forma con il polo nord geografico, in un qualsiasi punto della superficie terrestre; questa ovviamente varia nel tempo e da un luogo all’altro.
È importante ricordare anche che il polo nord magnetico si sposta continuamente intorno al polo nord geografico e, inoltre, oscilla di circa 10 km al giorno per via delle interazioni con lo strato ionizzato dell’atmosfera.
La composizione del campo magnetico terrestre viene suddivisa dagli scienziati in quattro componenti che sono:
Campo principale generato nel nucleo fluido tramite il meccanismo di geodinamo.
Campo crostale dovuto alle rocce magnetizzate della crosta terrestre.
Campo esterno provocato da correnti elettriche che fluiscono nella ionosfera e nella magnetosfera come conseguenza dell'interazione tra il vento solare e il campo geomagnetico.
Campo d'induzione elettromagnetica generato da correnti indotte nella crosta e nel mantello dal campo esterno variabile nel tempo.
Gli studiosi ritengono che il campo principale rappresenti il 99% di tutto il campo magnetico osservato in superficie. Gli studi hanno dimostrato come il campo sia per il 95% analogo a quello generato da un dipolo situato al centro della Terra il cui asse è inclinato, rispetto all'asse di rotazione terrestre, di circa 11.5°.
È stato così elaborato un modello globale del campo geomagnetico che considera gli effetti del solo campo principale.
La parte residua osservata in superficie rappresentata gli effetti di anomalie del campo geomagnetico, ossia le deviazioni rispetto all'andamento teorico del campo principale.
È interessante notare che oltre ad avere una precisa struttura spaziale, il campo magnetico terrestre subisce delle variazioni temporali.
Queste variazioni, che hanno diversa natura, possono essere suddivise in due classi principali:
Variazioni a lungo termine, dette anche "Variazione secolare", sono dovute all'azione delle sorgenti interne alla Terra, che generano il campo principale e hanno un tempo variabile tra 5 e 10 anni. L'ampiezza di queste variazioni, oscilla tra pochi nT e qualche decina di nT all'anno per le componenti intensive e da qualche primo a qualche decina di primi l'anno per l'inclinazione e la declinazione. Anche se la variazione secolare sembra avere andamenti diversi nei vari osservatori del mondo è considerato un fenomeno planetario. La variazione secolare osservata al suolo, negli ultimi 400 anni, è costituita da:
una diminuzione annuale media del momento di dipolo dell'ordine dello 0.005% del suo valore medio in questo intervallo;
una precessione verso ovest dell'asse del dipolo di 0.008% all'anno;
uno spostamento del dipolo verso nord dell'ordine di 2 km all'anno;
una deriva occidentale del campo non dipolare, o parte di esso, di 0,2° - 0,3° all'anno, accompagnata da una possibile ma non ben precisa deriva meridionale;
una variazione di intensità del campo non dipolare al tasso medio di circa 10 nT all'anno.
Variazioni a breve termine, che sono di origine esterna e si manifestano con tempi caratteristici di durata inferiore all’anno o qualche anno. Queste variazioni a breve termine sono per lo più legate all’attività solare; infatti l’emissione di radiazione solare viene accompagnata dalla continua emissione di un gas ionizzato, detto vento solare, che determina l'espansione della corona solare. Il nostro pianeta come tutto il sistema solare, viene investito da questo vento il cui effetto principale è quello di modellare la magnetosfera. Quindi dall’attività solare scaturisce l'energia necessaria per le variazioni esterne irregolari del campo, mentre l'attrazione gravitazionale e le maree atmosferiche di origine termica sono le principali responsabili delle variazioni esterne regolari. Le variazioni regolari sono rappresentate da un sistema costituito da due grandi vortici di corrente elettrica nella ionosfera nell'emisfero illuminato dal Sole, uno in ciascun emisfero, percorsi in senso opposto (verso antiorario nell'emisfero Nord, orario emisfero Sud). I centri di questi vortici si trovano alle latitudini di circa 40° e molto vicini al meridiano del Sole. Nell'emisfero notturno vi sarebbero due vortici di rotazione opposta a quelli diurni e di intensità molto più debole. All'altezza dell'equatore c'è un addensamento della corrente in direzione ovest-est, il cosiddetto elettrogetto equatoriale, che porta ad un valore di variazione diurna che può raggiungere i 200 nT. Per quanto riguarda invece le variazioni irregolari, si possono annoverare le cosiddette tempeste magnetiche, che sono vere e proprie perturbazioni del campo magnetico. Le tempeste magnetiche sono dovute a una variazione sistematica del campo che è attribuibile alla presenza di una corrente elettrica anulare localizzata nella magnetosfera e disposta approssimativamente sul piano equatoriale.
INVERSIONE DEL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE
Il vero mistero legato al campo magnetico terrestre riguarda la sua incostanza nel corso del tempo.
Per motivi che non sono ancora stati del tutto chiariti, a distanza di migliaia o centinaia di migliaia di anni i poli magnetici della Terra si invertono, con conseguenze che ovviamente non sono esplicabili se non in via teorica.
Gli studi condotti sul paleomagnetismo, che riguarda l’analisi del magnetismo delle rocce di cui si trova traccia da milioni di anni a questa parte, hanno permesso di chiarire che sulla Terra si sono alternati periodi di polarità normale con periodi di polarità inversa.
Questi periodi vengono definiti "epoche magnetiche". Infatti le rocce contengono minerali magnetici (ossido di ferro) le cui particelle, durante il raffreddamento, si orientano secondo il magnetismo terrestre. Perciò, esaminando il magnetismo degli strati di lava che si sono depositati e raffreddati in epoche diverse, è stato possibile ricostruire l’andamento nel tempo del campo magnetico del pianeta.
Alcuni scienziati ritengono, sulla base dei dati in possesso, sia possibile affermare che i poli magnetici della Terra si siano invertiti oltre una decina di volte negli ultimi 30 milioni di anni, probabilmente non con una frequenza precisa ma all’incirca ogni 300 mila anni.
L’ultima inversione si sarebbe verificata circa 780 mila anni fa, anche se non tutta la comunità scientifica è d’accordo sulla datazione di questi eventi epocali.
Gli studi condotti nel XX secolo sul magnetismo terrestre hanno permesso di calcolare che nell’ultimo secolo il campo magnetico della Terra si è ridotto del 10%.
Recentemente lo scienziato americano G. Glatzmaier ha affermato che l’indebolimento del campo magnetico terrestre non comporta necessariamente la sua prossima inversione, anche perché questo sarebbe in media quasi il doppio rispetto alla media dell’ultimo milione di anni.
Studiando i modelli matematici della struttura interna della Terra, in cui si considera il nucleo solido e lo strato di ferro allo stato liquido che lo avvolge (i cui movimenti generano, per effetto dinamo, il campo magnetico terrestre) e approntando opportune equazioni magnetoidrodinamiche, Glatzmaier e P. Roberts hanno predisposto dei programmi di simulazione della struttura interna della Terra e delle interazioni tra i fluidi conduttivi e il campo magnetico. In tal modo hanno simulato, con diverse prove, il riscaldamento e una variazione nei movimenti interni del profondo strato di metallo liquido in cui si genera il campo magnetico, per verificare quali conseguenze potrebbero esservi nel campo magnetico terrestre.
Con migliaia di prove Glatzmaier e Roberts sono giunti alla conclusione che le turbolenze interne dello strato generante il campo magnetico provocano dei cambiamenti che possono essere ritenuti "normali".
Durante queste prove di simulazione si è potuto verificare che l’agitazione dello strato di metallo liquido che avvolge il nucleo terrestre comporta una serie di modifiche al campo magnetico terrestre; questo aumenta o diminuisce a seconda dei casi, i poli magnetici si spostano e in alcuni casi si invertono.
Secondo i due scienziati americani queste inversioni richiedono alcune migliaia di anni per completarsi e, a differenza di quello che si pensava, non comportano l’azzeramento del campo magnetico ma una sua modifica.
Durante le inversioni dei poli il campo magnetico non scompare ma modifica la sua struttura e diventa più complesso. Le sue linee di forza in prossimità della superficie terrestre tendono a divenire aggrovigliate e i poli magnetici si spostano prima di completare l’inversione.
Gli scienziati ritengono dunque che in tale evento epocale non vi sia l’azzeramento del campo magnetico ma questo continui ad esistere anche se con caratteristiche che, come abbiamo visto, sono diverse dai periodi di polarità normale.
Anche se ci muoviamo nell’ambito delle ipotesi, perché pur sempre di ipotesi si tratta, gli studi di Glitzmaier e Roberts dimostrerebbero che l’inversione dei poli magnetici non dovrebbe avere conseguenze devastanti per la vita sulla Terra, anche perché darebbero ragione del fatto che se anche ci fossero state almeno due inversioni nell’ultimo milione di anni, la razza umana non si è estinta, anche se forse è giunta prossima all’estinzione diverse volte con gli effetti delle glaciazioni.
Tutto questo però rimane confinato nell’ambito delle ipotesi perché gli studi condotti dagli scienziati hanno messo in luce gli effetti delle variazioni del campo magnetico terrestre a causa della rotazione terrestre e dei movimenti interni della Terra che provocano il meccanismo di geodinamo, ma queste ipotesi devono tenere conto anche dei dati di osservazione scientifica che possono essere molto più esaustivi rispetto a qualunque ipotesi accademica.
In questi ultimi anni il contributo della comunità scientifica internazionale sul campo magnetico terrestre è cresciuto notevolmente anche perché si è notevolmente incrementato il dibattito sulla sua possibile inversione.
Possiamo citare tra tutti la testimonianza del Responsabile delle ricerche sul geomagnetismo dell’Istituto nazionale di Geofisica, Angelo De Santis, nonché collaboratore dell’ESA (L’Agenzia spaziale europea) per il progetto Swarm, che prevede la messa in orbita entro il 2009 di tre satelliti che dovrebbero permettere nuove ricerche sul campo magnetico terrestre, secondo cui l’inversione dei poli magnetici potrebbe avere determinati effetti sulla vita umana e del mondo animale.
Tale fenomeno infatti porterebbe la Terra ad avere una minore schermatura contro il vento solare e questo potrebbe comportare un assottigliamento dello strato di ozono e una maggiore penetrazione delle radiazioni ultraviolette che determinerebbe un aumento delle malattie tumorali per gli esseri umani.
Il fenomeno potrebbe avere anche effetti sulle specie animali che impiegano il campo magnetico per il proprio orientamento (le balene, le tartarughe, alcune specie di uccelli migratori).
De Santis ritiene che le cause della possibile inversione del campo magnetico terrestre possano essere ricercate proprio nei moti turbolenti che si verificano nello strato fluido metallico che sovrasta il nucleo solido del pianeta, con una sorta di meccanismo di geodinamo "autoalimentato" che originerebbe nuovi flussi di campo magnetico.
Le energie che alimentano questi moti turbolenti sarebbero legate al moto di rotazione del pianeta e probabilmente al processo di accrescimento del nucleo solido.
Resta il fatto che, mentre una parte della comunità scientifica appare più ottimista, altri studiosi sembrano ipotizzare una possibile inversione del campo magnetico in tempi relativamente brevi.
De Santis punta il dito contro l’aumento di velocità del fenomeno di spostamento dei poli magnetici che, in via teorica, richiederebbe migliaia di anni per il completamento dell’inversione, ma che nella dinamica attuale fa supporre un’inversione di polarità in tempi "rapidi".
Si parla di un’inversione che si potrebbe compiere in circa duemila anni.
Negli ultimi anni questa ipotesi è stata suffragata dagli studi condotti dagli scienziati europei e americani sui dati raccolti dai satelliti negli ultimi 20 anni.
Nel 2002, per esempio, Gauthier Hulot, dell’"Istituto di Fisica della Terra" di Parigi, confrontando i dati raccolti dal satellite Oersted con i dati raccolti vent’anni fa dal Magsat, ha individuato alcuni punti di flusso invertito in due zone a confine fra il Mantello e il Nucleo.
In particolare uno è stato individuato sotto le regioni dell’estrema punta meridionale dell’Africa, ed è stato osservato che in quel punto il campo magnetico punta verso il centro della Terra, anziché verso il polo sud magnetico.
Un’altra zona è stata individuata nelle regioni attorno al polo nord, con caratteristiche inverse rispetto al precedente.
Secondo lo staff di Hulot queste scoperte potrebbero spiegare il progressivo indebolimento del campo magnetico terrestre negli ultimi 150 anni.
Ciò che è sicuro per la comunità scientifica è che nel passato, come dimostrato dagli studi di paleomagnetismo, il campo magnetico ha subito, con una frequenza non regolare periodiche inversioni della sua polarità e questo fenomeno continuerà a verificarsi anche in futuro.
Recentemente il geologo americano Brad Clement, dell’Università della Florida, ha pubblicato uno studio sulla rivista scientifica Nature in cui illustra le sue recenti scoperte sull’inversione del campo magnetico. Gli studi da lui condotti hanno portato a supporre che il campo magnetico terrestre si invertirebbe in pochi migliaia di anni alle basse latitudini mentre richiederebbe circa 10.000 anni per l’inversione alle latitudini elevate.
Le ipotesi messe in campo dagli studiosi si accavallano e si susseguono le une alle altre anche se non hanno ancora permesso di fare piena luce su quelli che siano i tempi, più o meno rapidi, di questo fenomeno. Comunque la comunità scientifica sembra comunemente nell’essere in accordo sul fatto che i dati in possesso sullo spostamento dei poli nella dinamica attuale possa comportare nel giro di poche migliaia di anni il ripetersi del fenomeno dell’inversione dei poli magnetici, anche se non vi è accordo sui rischi che questo fenomeno possa comportare per la vita sulla Terra, come un incremento dell’attività sismica e vulcanica i cui effetti potrebbero essere notevoli e sconvolgenti.
Abbiamo già messo in luce in un altro articolo lo strano fenomeno dell’incremento dell’attività sismica che sembra notarsi da alcuni anni a questa parte su scala planetaria, per il quale si potrebbe ipotizzare un nesso con i futuri cambiamenti cui andrà incontro il campo magnetico della Terra.
Ovviamente la comunità scientifica fa quadrato su questo argomento perché ritiene che l’andamento dell’attività sismica sia da ritenere normale negli ultimi anni, per cui non vi sarebbero rischi particolari legati alle dinamiche del campo magnetico.
Sono ancora molti, comunque, i misteri su questa forza invisibile che regna sovrana.
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