Va innanzitutto precisato che l’origine del campo magnetico terrestre non è ancora chiara, ma la questione è invece ancora motivo di dibattito scientifico e di studio.
Ciononostante, la struttura del campo magnetico terrestre è ben nota, comprese le sue variabilità spaziali e temporali. Lo studio del campo magnetico terrestre si può far risalire all’edizione del de magnete magneticisque corporibus et de magno magnete Tellure, del medico inglese W. Gilbert, avvenuta nel 1600. In seguito, un fondamentale contributo alla conoscenza del geomagnetismo fu dato dal grande matematico tedesco C.F. Gauss, che effettuò la prima analisi armonica del campo magnetico terrestre misurato nel 1835. Più recentemente, la missione satellitare MAGSAT (1979-1980) ha permesso di misurare con accuratezza le anomalie magnetiche e di calcolare lo sviluppo in armoniche sferiche del campo fino ad armoniche molto piccole.
Come mostrò Gilbert, il campo magnetico della Terra può essere in prima istanza approssimato a quello di un dipolo magnetico, posto nel centro del pianeta, che genera linee di campo più o meno a forma di ciambella.
Un piccolo magnete di prova può essere lasciato libero di disporsi, ed allora si porrà approssimativamente parallelo alle linee di campo (come una bussola). Va però detto che le linee non sono perfettamente parallele alla superficie terrestre, ma tenderanno in alcuni punti ad ‘entrare’ dentro la Terra e ad ‘uscire’ in altre zone. Solo in rari punti queste sono parallele al suolo, e lì il dipolo di prova si disporrà esattamente orizzontale rispetto al suolo – va detto che le bussole sono vincolate a muoversi attorno ad un asse verticale, e quindi forniscono solo la proiezione orizzontale delle linee di campo!
Tale proiezione è detta DECLINAZIONE, in contrasto con l’INCLINAZIONE che invece misura l’angolo di ‘entrata’ o ‘uscita’ dal suolo. Il campo magnetico sulla superficie terrestre può quindi essere individuato da tre componenti, intensità, declinazione ed inclinazione.
Fig. 1 Il campo magnetico dipolare. Esso prevede l’esistenza di due poli magnetici antipodali e un equatore magnetico (da NASA).
Un campo esattamente dipolare prevede la presenza di due poli magnetici ed un equatore magnetico, possedendo una simmetria cilindrica attorno all’asse del dipolo. I cosiddetti ‘poli magnetici’ non sono quindi punti reali, ma estrapolazioni basate sul concetto di campo dipolare. Per la natura complessa del campo, i poli magnetici non coincidono quindi con quelli geografici; per questo alle alte latitudini, in particolare, i valori di declinazione magnetica sono generalmente alti. Il fatto poi che i poli magnetici non siano perfettamente agli antipodi tra loro suggerisce il fatto che quella dipolare è solo una prima approssimazione: il campo totale è esprimibile anche mediante altri contributi detti di campo non dipolare (tautologico!).
E’ stato dimostrato che il contributo del campo dipolare rappresenta circa il 94% del campo totale; ciononostante, i contributi delle altre componenti sono importanti perché causano effetti altrimenti non spiegabili. In Italia, ad esempio, la declinazione è molto piccola, mentre nell’approssimazione di campo dipolare dovrebbe essere di circa 15°. Inoltre, un campo puramente dipolare ammette solo variazioni di intensità proporzionali su tutta la superficie terrestre, cosa che invece non è osservata, ma ogni regione mostra variazioni apparentemente casuali e scorrelate dalle altre.
Queste ‘anomalie’ si presentano come vaste configurazioni di forma piuttosto regolare, come ad esempio nel sud est asiatico, nell’America del Nord e nel golfo di Guinea. Ad esse sono attribuibili le variazioni dei poli magnetici dalle posizioni dipolari. Tali contributi non dipolari sono associati a sorgenti crostali, in opposizione al campo dipolare che sembra avere origine nel nucleo terrestre.
Fig. 2: Le anomalie del campo magnetico terrestre misurato rispetto a quello dipolare. E’ evidente la deviazione del campo dall’approssimazione dipolare. (da NASA)
L’intensità di quest’ultimo sta attualmente diminuendo, per lo meno dai tempi di Gauss sembra che l’intensità sia passata da 9.6 A m2 a 7.8 A m2, mentre l’asse del dipolo mostra un moto di precessione attorno all’asse di rotazione, visto che il polo nord magnetico è passato da 63.5° W a 71.1° W.
Colgo l’occasione per accennare al fatto che, grazie a ricerche di paleomagnetismo su rocce e manufatti di terracotta, si è potuto dimostrare che, nel corso della storia, il campo magnetico terrestre ha subito varie inversioni di polarità, ad intervalli assolutamente non regolari, e perciò molto difficili da spiegare (1). L’ultima inversione sembra risalire a circa 720 000 anni fa.
La presenza di queste inversioni è stata la prova confutante varie ipotesi sull’origine del campo magnetico terrestre; una teoria sensata deve infatti essere in grado almeno di consentire, seppur senza prevedere con precisione, tale comportamento. Al momento, la teoria più accreditata sembra essere quella della dinamo autoeccitata, sulla quale non mi dilungherò perché è una teoria abbastanza complessa, che richiede la soluzione simultanea delle equazioni di Maxwell, l’equazione di Navier-Stokes nel nucleo fluido, dell’equazione di Poisson per il campo gravitazionale, delle equazioni della diffusione del calore, ed infine delle leggi di Ohm, il tutto con le appropriate condizioni al contorno! E’ poi da dire che la conoscenza delle proprietà fisiche e microfisiche dell’interno della Terra non sono molto note, il che complica ulteriormente di molto le cose.
Un ultimo accenno al fatto che il campo non dipolare ha origine anche nell’alta atmosfera (ionosfera), che è responsabile delle variazioni diurne a causa dell’interazione con la radiazione ed il vento solari. Ma questa è un’altra storia…
In conclusione, seppure l’origine del campo magnetico terrestre non è ancora ben nota, la sua struttura mostra chiaramente una predominanza di campo dipolare, centrato più o meno nel nucleo terrestre, sovrapposto ad un campo crostale che ne altera abbastanza le caratteristiche sulla superficie. La variazione relativa di tutti questi fattori causa lo spostamento dei poli magnetici e la non simmetria del campo magnetico. E’ tuttavia ancora da spiegare come si possa invertire periodicamente la polarità del campo ed è ancora più lontana una previsione delle sue variazioni, ma si spera che i futuri studi permettano una sempre migliore conoscenza dell’origine del campo magnetico terrestre.
Per finire, accenno solamente al fatto che, comunque, nemmeno i poli geografici sono fissi rispetto alla superficie terrestre, ma, essendo la Terra tutt’altro che un corpo rigido, ogni ridistribuzione di masse al suo interno genera variazioni del suo asse di rotazione, e pertanto i poli istantanei di rotazione mostrano una migrazione nel corso del tempo, seppur molto più contenuta rispetto a quella dei poli magnetici!
Link interessanti:
Precedente risposta di Vialattea sul campo magnetico terrestre:
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=7765
Sito della NOAA sul magnetismo terrestre:
http://sos.noaa.gov/datasets/Land/earths_magnetism.html
Sito della NASA sulle missioni MAGSAT:
http://gcmd.nasa.gov/records/GCMD_MAGSAT-GEN.html
Una pagina tecnica sui magnetometri spaziali:
(1): E’ stato osservato che gli intervalli tra le inversioni presentano una distribuzione poissoniana.