Il mistero del magnetismo: dal funzionamento della calamita alle moderne tecniche di magnetismo ambientale

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1 Il mistero del magnetismo: dal funzionamento della calamita alle moderne tecniche di magnetismo ambientale Aldo Winkler Istituto Nazionale di Geofisica & Vulcanologia, Roma Trento, 25 novembre 2009

2 Sommario 1. Cenni introduttivi sul magnetismo, la magnetizzazione dei corpi, i minerali magnetici. 2. Lo studio delle proprietà magnetiche: il laboratorio di paleomagnetismo. 3. Le applicazioni: paleomagnetismo e tettonica, la ricostruzione del percorso dei continenti nelle ere geologiche. 4. Nuove tecniche di monitoraggio ambientale: misurazioni magnetiche in relazione all inquinamento da traffico veicolare.

3 Come si definisce un campo magnetico Campo magnetico: è un campo vettoriale, definito come una proprietà di una regione spaziale in cui ad ogni punto si può associare un vettore il cui effetto fisico si manifesta come forza di Lorentz (F=qvxB) per una carica elettrica in movimento oppure come coppia di forze agente su un dipolo magnetico. Le sorgenti del campo magnetico possono pertanto essere correnti elettriche oppure dipoli magnetici. Tradizionalmente, si indica con H il vettore campo magnetico, mentre B viene denominato vettore induzione magnetica. Tali vettori sono legati dall operatore permeabilità magnetica µ. B =µh; questa terminologia è utilizzata per distinguere il campo magnetico in un mezzo da quello nel vuoto, in cui i due vettori sono identici a meno della costante di proporzionalità chiamata permeabilità magnetica nel vuoto B 0 =µ 0 H (1). Nel SI, l'unità di misura di B è il Tesla (T), di H è A/m. Lo strumento per la misura dell induzione magnetica si chiama magnetometro.

4 L effetto di un campo magnetico su un corpo; la magnetizzazione Come agisce un campo magnetico in un mezzo (anziché nel vuoto)? B 0 =µ 0 H (1) diventa, in un mezzo; B=µ 0 (H+M) (2) dove il vettore magnetizzazione M dà conto di come le condizioni magnetiche vengano modificate dagli effetti della magnetizzazione del mezzo. Introducendo la suscettività magnetica χ, l operatore che descrive la variazione della magnetizzazione al variare del campo magnetico agente χ=m/h (3) La relazione (2) diventa B=µ 0 (H+χH) B=µ 0 (1+χ)H Da cui, introducendo la permeabilità relativa µ=µ 0 µ r con µ r = 1 + χ B=µH (4)

5 La suscettività magnetica la risposta di un mezzo all azione di un campo magnetico Si è introdotta la suscettività magnetica quale grandezza che descrive la variazione della magnetizzazione di un corpo al variare del campo magnetico agente. In generale la suscettività magnetica è una funzione complessa che può essere formalizzata in varie modalità, a seconda delle caratteristiche di omogeneità, linearità ed isotropia del mezzo. Esaminando corpi omogenei, per poter considerare costante la risposta del mezzo al campo magnetico agente, tutti i materiali in natura si comportano secondo tre classi di suscettività magnetica: Diamagnetismo magnetizzazione non permanente ed estremamente debole di verso opposto a quello del campo magnetico agente Paramagnetismo magnetizzazione non permanente e debole di verso concorde a quello del campo magnetico agente Ferromagnetismo magnetizzazione permanente, talora molto intensa e relazionata in maniera complessa rispetto al campo magnetico agente

6 Il magnetismo a livello microscopico Il comportamento magnetico di un mezzo si deve, a livello microscopico, alla somma di due contributi elettronici (il contributo del protone è trascurabile): il momento magnetico orbitale (l elettrone è in rotazione attorno al nucleo ed è assimilabile ad una spira percorsa da corrente) e il momento magnetico intrinseco di spin (lo spin è il momento angolare proprio delle particelle, per gli elettroni vale ½, l'elettrone ritrova la sua posizione ogni 720, come se percorresse un nastro di Moebius attorno a se stesso). ω v v ω I due moti di un elettrone; moto orbitale attorno al nucleo e due orientazioni di spin.

7 Diamagnetismo Nei mezzi diamagnetici in nessun orbitale esiste alcun elettrone spaiato, per cui il momento magnetico netto di spin è nullo (tanti momenti propri sono orientati in un verso quanti in quello opposto). La loro magnetizzazione dipende solo dalla perturbazione del moto degli elettroni in presenza di un campo magnetico (precessione di Larmor), che si manifesta come un debole momento magnetico opposto al campo esterno (suscettività SI); il diamagnetismo è evidente finché agisce il campo magnetico. Il diamagnetismo è presente in tutti i mezzi, viene però sovrastato nei mezzi ferromagnetici e paramagnetici. Sono diamagnetici l'acqua, la maggior parte delle sostanze organiche, le plastiche, il mercurio, l'oro, il rame, l'argento.

8 Paramagnetismo I mezzi paramagnetici sono costituiti da atomi e/o ioni con elettroni spaiati presenti entro orbitali elettronici incompleti, da cui risulta pertanto un momento magnetico netto tendente ad allinearsi al campo magnetico esterno. La magnetizzazione è debole e svanisce non appena il campo magnetico cessa di agire (suscettività dell ordine SI); la suscettività inoltre dipende dalla temperatura, decrescendo iperbolicamente all aumentare della temperatura. Sono paramagnetici l alluminio, la pirite e la siderite.

9 Ferromagnetismo A differenza dei mezzi paramagnetici, nei materiali ferromagnetici i momenti magnetici di spin instaurano fra loro un processo di interazione elettrostatica, detta interazione di scambio. Le interazioni di scambio favoriscono la formazione di strutture in cui tutti i momenti netti di spin sono allineati in una medesima direzione; tali strutture sono denominate domini magnetici. Applicando un campo magnetico ad un mezzo ferromagnetico i domini tendono ad allinearsi al campo; l allineamento si può realizzare con la crescita dei domini allineati al campo a spese di un dominio vicino oppure, in presenza di campi opportunamente intensi, direzionando simultaneamente tutti i momenti netti di spin. B Il ferromagnetismo sussiste fino ad una temperatura caratteristica per ogni mezzo e denominata temperatura di Curie, in cui l energia termica diviene prevalente ed impedisce i processi di interazione.

10 Il ciclo d isteresi La suscettività magnetica di un ferromagnete è una curva complessa che viene denominata ciclo d isteresi, in cui si individuano alcuni punti notevoli: omagnetizzazione di saturazione, la massima magnetizzazione raggiungibile dal mezzo, quando tutti i domini sono allineati al campo agente. omagnetizzazione rimanente, la magnetizzazione esibita dal corpo in assenza di campo; ecco come funziona una calamita! Quale caratteristica deve avere il ciclo d isteresi di una buona calamita? ocampo coercitivo, il campo magnetico necessario a smagnetizzare il corpo.

11 Il Ferromagnetismo sl Gli elementi ferromagnetici naturali a temperatura ambiente sono il ferro (T C = 770 C), il cobalto (T C = 1131 C) e il Nichel (T C = 358 C). È molto difficile trovare tali elementi puri; il magnetismo naturale deriva invece da composti il cui comportamento magnetico può ricadere in queste categorie: Ferrimagnetismo momenti magnetici distribuiti in due sottoreticoli di magnetizzazione antiparallela e diversa intensità, magnetizzazione non nulla. Antiferromagnetismo - momenti magnetici distribuiti in due sottoreticoli di magnetizzazione antiparallela e uguale intensità, magnetizzazione nulla. Antiferromagnetismo inclinato - momenti magnetici distribuiti in due sottoreticoli di magnetizzazione non bilanciata, magnetizzazione debole.

12 Alcuni esempi di minerali magnetici Magnetite: Fe 3 O 4 T Curie : 580 o C Goethite: FeO. OH Temperatura di Néel: 120 o C ( o C) Ematite: Fe 2 O 3 Temperatura di Néel: 680 o C Pirrotina: FeS 1+x T Curie : o C

13 Ferromagnetismo sl e granulometria magnetica Le caratteristiche d isteresi e di stabilità magnetica non dipendono soltanto dalla composizione chimica del mezzo, ma anche dalla tipologia dimensionale dei granuli magnetici che lo compongono; tali granuli vengono classificati in quattro categorie dipendenti dimensione e dal relativo comportamento magnetico; nel caso della magnetite, si possono avere le seguenti caratteristiche granulari: Superparamagnetici (SP); granuli molto piccoli (d<0.035 µm) e magneticamente instabili; l energia termica ambientale è sufficiente a disorientarli. In assenza di campo la loro magnetizzazione è sempre zero. Occorre studiarli a basse temperature. Singolo dominio (SD); granuli costituiti da un unico dominio magnetizzato e saturo (il suo ciclo d isteresi è un quadrato); idealmente, l unico modo per cambiare la sua magnetizzazione è invertirla; massimi valori di rimanenza e campo coercitivo (0.035 µm < d < 0.08 µm). Pseudo singolo dominio (PSD); vasta tipologia di granuli dimensionalmente al limite tra il singolo dominio e il multidominio, di magnetizzazione ancora stabile (0.08 µm < d < 15 µm). Multidominio (MD); granuli di dimensioni maggiori, suddivisi in vari domini magnetici, la magnetizzazione globale del granulo è meno stabile ed intensa a causa delle interazioni e degli equilibri tra i domini costituenti (d>20 µm).

14 Lo studio delle proprietà magnetiche: il laboratorio di paleomagnetismo Prima di descrivere alcune applicazioni geofisiche dello studio delle proprietà magnetiche, si passano in rassegna i principali strumenti di misura coinvolti nelle analisi magnetiche.

15 La sala schermata dai campi magnetici statici Le analisi magnetiche vengono effettuate principalmente in una sala schermata dai campi magnetici statici, dove una bussola non funzionerebbe! Ogni parete del laboratorio è costituita da tre fogli di una lega metallica magnetizzata in modo tale da produrre un campo magnetico compensante quello ambientale. S N H Hs

16 I principali strumenti di laboratorio Il magnetometro criogenico per la misura e il trattamento dei campioni con tecnologia SQUID, funzionamento in prossimità dello zero assoluto (-273 C)

17 I principali strumenti di laboratorio Forni per smagnetizzare Forni elettrici di precisione per scaldare i campioni fino a circa 700 C in modo di smagnetizzarli progressivamente (per isolare la magnetizzazione caratteristica). Micromag Lo strumento più sensibile per ricavare i cicli d isteresi.

18 I principali strumenti di laboratorio Il ponte di suscettività magnetica con criostato e fornace Per misurare la suscettività magnetica, la sua variabilità direzionale (anisotropia) e la sua variabilità con la temperatura da -192 C a 700 C

19 Applicazioni geofisiche delle analisi magnetiche Paleomagnetismo e tettonica; definizione dei movimenti placche e microplacche litosferiche, indicazione quantitativa di rotazioni e traslazioni in latitudine di blocchi crostali, definizione di province geologiche a diversa evoluzione geodinamica, applicazioni a scala mondiale e locale. Magnetostratigrafia; studio della successione delle polarità magnetiche in sequenze rocciose, datazione di sequenze stratigrafiche e messa a punto di un sistema temporale di riferimento per i principali eventi tettonici, paleontologici e paleoambientali; calibrazione della Scala Temporale delle Polarità Magnetiche e analisi delle caratteristiche del campo magnetico terrestre durante le inversioni e le escursioni di polarità magnetica. Magnetismo Ambientale; studio della composizione e concentrazione dei minerali magnetici in sequenze sedimentarie come indicatori di paleovariazioni ambientali e climatiche. Studio della mineralogia magnetica; per la corretta interpretazione e verifica dei dati paleomagnetici e per lo studio delle proprietà magnetiche dei minerali, della loro struttura e delle loro caratteristiche fisiche. Applicazioni vulcanologiche; analisi delle direzioni magnetiche, confronto con le curve di riferimento della paleo-variazione secolare del campo geomagnetico per la corretta datazione.

20 I continenti in movimento; 200 milioni di anni di evoluzione geodinamica dell emisfero meridionale Antarctica Keystone of Gondwana By L.M. Gahagan, L.A. Lawver, and I.W.D. Dalziel 1999, University of Texas Institute for Geophysics June 25, 1999

21 Ricostruire la posizione dei continenti nel tempo - paleomagnetismo e deriva dei continenti Le rocce sono bussole! Mediata su anni, la componente dipolare del campo magnetico terrestre (quindi, la conseguente direzione di magnetizzazione di una roccia) si può considerare parallela all asse terrestre; pertanto l angolo tra la direzione di magnetizzazione di un campione scelto opportunamente e la direzione geografica N-S rappresenta quanto la roccia ha ruotato dall epoca della sua formazione.

22 Perché si magnetizza una roccia? La magnetizzazione per sedimentazione

23 Perché si magnetizza una roccia? La magnetizzazione termorimanente La magnetizzazione acquisita dalle lave durante la loro formazione è stabile temporalmente e non varia finché la roccia resta al di sotto della sua temperatura di Curie. T>Tc T<Tc T<Tc Magma caldo Magnetizzazioni orientate secondo il campo magnetico Magma freddo magnetizzazioni bloccate Magma freddo Anche se il campo s inverte,la magnetizzazione resta bloccata

24 Dalle inversioni del campo magnetico terrestre alla magnetostratigrafia Misurando la magnetizzazione delle rocce si è scoperto che le rocce si possono magnetizzare secondo l attuale verso del campo magnetico terrestre o in modalità opposta; la magnetostratigrafia è la disciplina che studia la magnetizzazione delle rocce per costruire la scala temporale delle inversioni magnetiche, fornendo anche indicazioni sulle caratteristiche del campo magnetico terrestre durante un inversione di polarità e la possibilità di datare sequenze stratigrafiche. (a) Scala Temporale delle Polarità Magnetiche per gli ultimi 30 milioni di anni (da Berggren et al., 1995); si indica in nero la polarità magnetica attuale, in bianco la polarità magnetica inversa. (b) L espansione dei fondali oceanici è stata scoperta grazie alla misurazione di rocce magnetizzate secondo polarità opposte.

25 Applicazioni ambientali; caratterizzazione dell inquinamento atmosferico da misurazioni magnetiche su polveri sottili. Le polveri presenti in atmosfera sono costituite da un ampia varietà di sostanze solide e liquide (aerosol), di origine naturale o derivate dall inquinamento antropico.

26 Il PM 10 Il PM 10 viene definito come la frazione delle polveri atmosferiche di piccolo diametro (inferiore a 10 µm) che, inalate, possono raggiungere le vie respiratorie più profonde e causare malattie. La frazione legata all inquinamento è spesso associata a sostanze tossiche e cancerogene. Le emissioni industriali ed il riscaldamento domestico rappresentano le maggiori fonti di PM 10 di origine antropica, il più pericoloso per la salute. Dal 1 gennaio 2005, il valore limite nelle 24 ore, per la protezione della salute umana, è di 50 µg/m 3 d aria, da non superare per più di 35 volte nel corso dell anno (con media annua è di 40 µg/m 3 ). Dal 1 gennaio 2010, il valore limite nella giornata sarà comunque di 50 µg/m 3, ma tale valore non potrà essere superato per più di 7 volte durante l anno (con media annua di 20 µg/m 3 ).

27 I danni stimati per la salute Galassi et al. (2000): Exposure to PM 10 in the eight major italian cities and quantification of the health effects, ISEE 2000, August 19-22, 2000

28 Proprietà magnetiche delle polveri sottili: misure di laboratorio Le particelle magnetiche che derivano dai processi di combustione dei veicoli; sono per lo più sferule di magnetite di dimensioni submicroscopiche, contraddistinte da proprietà magnetiche intense e stabili. La suscettività magnetica k viene misurata per fornire una stima della concentrazione di queste particelle magnetiche nell aria.

29 Proprietà magnetiche delle foglie Le proprietà magnetiche delle foglie degli alberi possono essere interpretate quali indicatori dell inquinamento da polveri sottili; le foglie, composte principalmente da acqua, dovrebbero essere diamagnetiche; se si misurano suscettività magnetiche positive, significa che hanno incorporato particolati metallici dovuti all inquinamento. Platanus (platano) Quercus Ilex (leccio) Sono state selezionate foglie da alberi ad alta diffusione a Roma a (platano, leccio).

30 Mappe di distribuzione degli inquinanti Si possono compilare mappe di distribuzione della suscettività magnetica k delle foglie, per evincere l andamento l spazio-temporale dell inquinamento con una risoluzione spaziale più fitta rispetto alle centraline e con dati mediati nel tempo. Magnetic susceptibility 0 to 7 7 to to to to July

31 Confronto tra siti di tipologia differente a Roma I valori più alti di suscettività si misurano nei luoghi a maggiore traffico veicolare confermando che i veicoli sono la maggiore sorgente di polveri fini magnetiche Platanus Quercus (10-8 m 3 /kg) P. Acquedotti Becadelli Consoli Don Bosco Lemonia Casilina Re di Roma suburban park Low/medium traffic High traffic

32 Lungotevere Platani Confronto alberi sul fiume e sulla strada secco fiume strada 2 2 umido fiume strada E E E E+02 Suscettività χ 10-8 m 3 /kg IRM 900 Am 2 /kg

33 Distribuzione della suscettività magnetica χ delle foglie Via delle Terme di Caracalla (Roma Centro) I parametri magnetici indicano una diminuzione della concentrazione delle particelle magnetiche con la distanza dalla strada. Questo conferma che le particelle magnetiche adsorbite dalle foglie sono di origine veicolare.

34 La Suscettività al variare della distanza dalla sede stradale Via Ostiense, Roma

35 La Suscettività al variare della distanza dalla sede stradale Via di Tor Carbone, Roma

36 Istogramma della suscettività da misure presso Via di Tor Carbone, Roma

37 Immagini al microscopio elettronico dei particolati metallici adsorbiti dalle foglie (1)

41 Le proprietà magnetiche del particolato filtrato nelle centraline di rilevamento della qualità dell aria Sono stati condotti, in cooperazione con la Regione Lazio e l ARPA Lazio, 11 mesi di osservazione e misurazioni magnetiche sui filtri di PM 10 provenienti da centraline della rete di monitoraggio della regione; lo scopo era di valutare l applicabilità degli studi di Magnetismo Ambientale come mezzo diagnostico ausiliare per il monitoraggio dell inquinamento atmosferico, tramite il confronto con le altre tecniche convenzionali disponibili. Staz. Roma Magnagrecia

42 Centraline della rete di monitoraggio nel Lazio Viterbo Roma Fontechiari Frosinone scalo Latina Villa Ada Magnagrecia Centraline studiate: Magnagrecia (Roma) Villa Ada (Roma) Viterbo Latina Frosinone scalo Fontechiari

43 Misurazioni magnetiche in laboratorio Filtri giornalieri Nel laboratorio di paleomagnetismo la suscettività magnetica k di ciascun filtro è stata misurata tramite il Kappabridge KLY-3 della AGICO.

44 E sempre corretto stimare l inquinamento atmosferico mediante la concentrazione del PM 10?

45 Le misurazioni magnetiche per discriminare l origine del PM 10 La suscettività e la concentrazione del PM 10 hanno lo stesso andamento la concentrazione del PM 10 ha un picco non rilevato con la suscettività La suscettività ha un picco non evidente da dati di PM 10 Aumento di apporto di polveri naturali non magnetiche Aumento relativo della frazione magnetica

46 Conclusioni Le mappe di distribuzione della suscettività magnetica delle foglie sono un metodo originale ausiliario per tracciare la diffusione di polveri sottili di origine antropica. La concentrazione della frazione magnetica delle polveri urbane aumenta in zone ad intenso traffico veicolare (con valori fino a 100 volte maggiori di quelli misurati nei parchi) e decresce con la distanza dalla sede stradale. Con i metodi magnetici si possono discriminare i periodi in cui ad elevati valori di concentrazione del PM 10 corrisponde un significativo apporto di polveri naturali, dai periodi in cui le elevate concentrazioni del PM 10 sono da riferirsi esclusivamente ad un contributo locale di emissioni inquinanti. Contributo naturale (per es. polveri di provenienza Sahariana) Contributo antropico (per es. inquinamento da traffico)