IL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE

IL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE La Terra, come ogni altro corpo dotato di massa, è circondata da un campo gravitazionale che attrae altri corpi. Siamo oggi in grado di determinare gli effetti della gravità, calcolando l accelerazione di un oggetto in caduta e modellizzando le orbite dei pianeti, ma non siamo ancora in grado di comprendere esattamente le cause della forza di gravità. Sappiamo che la Terra produce un campo magnetico, ma possiamo solo formulare ipotesi sulle cause prime che lo generano. Già 2.500 anni fa erano note le proprietà di un particolare minerale chiamato magnetite (Fe3O4). Successivamente in Cina venne inventata la bussola, perfezionata in Italia nella prima metà del XIII secolo. Grazie alla bussola furono possibili le grandi scoperte geografiche dei secoli XV e XVI. In meno di 50 anni, grazie a questo strumento, le conoscenze geografiche aumentarono fino a comprendere tutte le terre emerse con l eccezione dell Antartide e dell Australia. Nel 1600 il fisico inglese W. Gilbert (1540-1603) nel De Magnete, affermò che la Terra è un grande magnete il cui campo agisce sull ago della bussola orientandolo in direzione Nord-Sud.

IL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE Occorre attendere fino al 1832 per avere una esatta configurazione del campo magnetico terrestre ad opera di K. F. Gauss (1777-1855) che per primo tracciò le linee di forza. La presenza del campo magnetico terrestre è rilevata da molti fenomeni direttamente osservabili; tra questi i più notevoli sono l azione orientatrice che subiscono i corpi magnetizzati, il magnetismo indotto nei materiali ferromagnetici, la cattura da parte della Terra di particelle elettricamente cariche provenienti dallo spazio esterno. Gli elementi che definiscono il campo magnetico terrestre per ogni punto della superficie terrestre, sono intensità, declinazione magnetica e inclinazione magnetica.

LA DECLINAZIONE MAGNETICA Tutte le carte topografiche sono riferite al Nord geografico mentre l'ago di tutte le bussole si orienta verso un altro nord, cioé verso il Nord magnetico. Questi due Nord non coincidono; infatti, il Nord geografico è situato sempre al Polo Nord, mentre attualmente (2005) il Nord magnetico si trova all'isola Bathurst (figura), nell'arcipelogo Artico canadese a una distanza di circa 1.300 km dal Polo Nord geografico. Inoltre il Nord magnetico cambia posizione di circa 10 Km l'anno. Nel 1998 la posizione del Nord magnetico era 78 34 N, 104 45 W. Nel 2005 il Nord magnetico era alla longitudine di circa 104 00 W (Ovest) I poli magnetici non sono due punti ideali ben precisi e definiti come i poli geografici, ma zone verso le quali convergono le linee di forza del campo magnetico terrestre.

IL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE Metodi matematici introdotti da Gauss hanno consentito di stabilire che l origine del campo magnetico terrestre è per la quasi totalità (96%) interna. Prendendo in esame solo il valore del campo preponderante dovuto a cause interne, 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. I punti in cui il diametro terrestre coincidente con la direzione del dipolo incontra la superficie terrestre sono detti poli geomagnetici.

LA TEORIA DELLA DINAMO AUTOALIMENTATA I materiali magnetici perdono il loro magnetismo permanente se sottoposti ad alte temperature. Il valore di temperatura per cui ciò avviene è detto punto di Curie; per molti materiali magnetici questo valore è attorno ai 600-700 C (per la magnetite, 580 C, per l ematite 680 C), una temperatura che viene raggiunta nel sottosuolo ad una profondità di circa 20-30 Km. L idea che in prossimità del centro della Terra esiste qualcosa di permanentemente magnetizzato è quindi chiaramente insostenibile, anche se tale supposizione spiega bene la distribuzione del campo magnetico terrestre. Dallo studio dell elettricità sappiamo che si possono produrre campi magnetici mediante correnti elettriche e viceversa. All interno della Terra, e precisamente nel nucleo, esisterebbe quindi una specie di dinamo (teoria della dinamo autoalimentata proposta da Bullard nel 1948) capace di produrre correnti elettriche generanti a loro volta il campo magnetico da noi misurato. Questa dinamo sarebbe costituita dal nucleo, fluido e ricco di ferro della Terra, rimescolato da continui moti convettivi prodotti dal calore nel nucleo stesso. Tutto avrebbe inizio con la presenza di un casuale anche se piccolo campo magnetico, che interagirebbe con il ferro fluido in movimento producendo per induzione magnetica, correnti elettriche che a loro volta creerebbero un ulteriore campo magnetico, iniziando così un processo a catena, la dinamo autoalimentata.

LA DECLINAZIONE MAGNETICA Il piano verticale passante per l asse longitudinale di un ago magnetico libero di ruotare orizzontalmente individua il piano del meridiano magnetico del luogo. Poiché i poli magnetici non coincidono con i poli geografici, il piano del meridiano magnetico e quello del meridiano geografico (o astronomico) formano un angolo, in genere non nullo, detto declinazione magnetica. La declinazione magnetica è l angolo fra due grandi cerchi: 1 quello fra il punto e il Nord Geografico 2- quello fra il punto e il Nord Magnetico (VGP) La declinazione può assumere valori compresi tra 0 e 180, e può essere orientale, o positiva, se la punta nord dell'ago magnetico devia, ovvero declina, verso est rispetto al meridiano geografico; occidentale, o negativa, se l ago devia verso ovest. Lo strumento per misurare quest angolo nei diversi punti del globo, è detta bussola di declinazione.

INCLINAZIONE MAGNETICA L inclinazione magnetica è l angolo che, in un dato punto della superficie terrestre P, la direzione del campo magnetico terrestre forma con il piano orizzontale. Si considera positiva l inclinazione se il Polo Nord dell ago magnetico è rivolto verso il basso, mentre è negativa se rivolto verso l alto. L inclinazione magnetica vale 0 all Equatore e aumenta (positivamente nell emisfero boreale, negativamente nell'emisfero australe) avvicinandosi ai poli magnetici, dove vale 90. In Italia ha un valore di circa + 57. In uno stesso punto l inclinazione magnetica è soggetta a una lenta variazione secolare, a una variazione diurna e a fluttuazioni irregolari (tempeste magnetiche). L inclinazione magnetica si misura con appositi strumenti, detti inclinometri, costituiti da una bussola il cui ago è libero di ruotare, nel piano del meridiano magnetico, attorno ad un asse verticale e da un goniometro per misurare l inclinazione dell ago sull orizzontale. Se supponiamo che i Poli geografici e magnetici siano circa coincidenti, anche se sappiamo che non è del tutto vero, c è una relazione fra inclinazione magnetica i in un punto e latitudine Φ del punto stesso: tang Φ = 1/2 tang i

IL PALEOMAGNETISMO Il paleomagnetismo si occupa dello studio della magnetizzazione naturale delle rocce ed in particolare della magnetizzazione naturale rimanente: quasi tutte le rocce possiedono una magnetizzazione naturale rimanente, che generalmente è molto debole e necessita di strumenti molto sofisticati per essere misurata. Questa è dovuta alla presenza di un quantitativo, anche estremamente piccolo, di minerali magnetici (il più noto dei quali è la magnetite). Ogni roccia acquisisce una componente di magnetizzazione al momento della sua formazione, che è detta magnetizzazione primaria. Le modalita` di acquisizione della magnetizzazione primaria sono diverse per i diversi tipi principali di rocce, ma dipendono tutte dall azione del campo magnetico terrestre nel corso della litogenesi: le rocce magmatiche, che derivano dalla consolidazione di un magma, acquisiscono una magnetizzazione termorimanente durante il processo di raffreddamento al di sotto della temperatura di Curie (580 C per la magnetite) e consolidazione.

IL PALEOMAGNETISMO Le rocce sedimentarie, che si formano dall accumulo di granuli detritici, acquisiscono una magnetizzazione detritica residua durante la deposizione dei sedimenti.

LE ROCCE MAGMATICHE EFFUSIVE MANTENGONO UNA REGISTRAZIONE DELLA DIREZIONE DEL NORD MAGNETICO DOPO ESSERE SOLIDIFICATE SOTTO IL PUNTO DI CURIE

LE INVERSIONI DI POLARITA Un particolare aspetto del paleomagnetismo riguarda le inversioni del campo geomagnetico, riconosciute per la prima volta quando a seguito dell analisi delle colate laviche degli ultimi cinque milioni di anni si riscontrarono direzioni del campo paleomagnetico divergenti di 180. Irregolarmente, (con periodicità che vanno da 250.000 anni a 30 milioni di anni), il campo magnetico della Terra cambia polarità (il polo Nord diventa polo Sud e viceversa). Si è così trovato che circa la metà di tutte le rocce studiate hanno magnetizzazioni opposta a quella dell attuale campo magnetico della Terra. Questo implica che il campo magnetico si è ribaltato, da normale ad inverso piuttosto frequentemente nel passato geologico e che campi magnetici normali o inversi sono ugualmente probabili. I periodi più lunghi, dell ordine del mezzo milione di anni, sono chiamati epoche magnetiche, ognuna con un nome di un famoso scienziato del paleomagnetismo. Ma durante le epoche si registrano anche brevi inversioni dette eventi magnetici che possono durare dai 10.000 ai 100.000 anni. Campo normale Campo inverso

INVERSIONI DI POLARITA REGISTRATE NELLE COLATE LAVICHE

INVERSIONI DI POLARITA NELLE COLATE LAVICHE

SCALA CRONOLOGICA DELLE POLARITÀ GEOMAGNETICHE Nero = anomalia magnetica positiva Polarità normale Blu = anomalia magnetica negativa Polarità inversa Calma magnetica = Periodo con campo magnetico costante per 28 milioni di anni.

LE ANOMALIE MAGNETICHE Eseguendo rilievi magnetometrici con navi, ci si accorse che, su entrambi i lati della dorsale medio-atlantica, erano presenti anomalie dell intensità totale del campo magnetico terrestre, alternativamente positive e negative, specularmente quasi simmetriche rispetto all asse della dorsale. Profilo delle anomalie di intensità del c.m. attraverso una dorsale oceanica

L INTERPRETAZIONE DEI PROFILI DELLE ANOMALIE MAGNETICHE Effettuando diversi profili a latitudini diverse attraverso una stessa dorsale, e unendo le anomalie positive tra loro corrispondenti nei differenti profili, e ripetendo la stessa operazione per le anomalie negative, si sono potute disegnare delle strisce di fondo oceanico, di varia larghezza, disposte simmetricamente rispetto all asse della dorsale. Le strisce nere, per convenzione, rappresentano le fasce a magnetizzazione normale, cioè in accordo con l attuale c.m. Le strisce bianche, per convenzione, rappresentano le fasce a magnetizzazione inversa, cioè con polarità opposta rispetto all attuale c.m.

L ESPANSIONE DEI FONDI OCEANICI Nel 1961, Hess interpretò i dati sulle anomalie enunciando la teoria dell espansione dei fondi oceanici: in corrispondenza dell asse delle dorsali si forma continuamente nuova crosta oceanica accompagnata dal progressivo allontanamento dall asse della dorsale di quella già formata. Quindi la lava che solidifica registra le inversioni del c.m.t. e si formano così fasce di fondale (larghe da 5 a 50 Km) simmetriche al punto di origine, che conservano proprietà magnetiche opposte. La carta delle anomalie magnetiche dei fondi oceanici è una carta della distribuzione della magnetizzazione, normale o inversa, delle rocce costituenti il fondo stesso. Questo ci porta ad una prima conclusione importante nel quadro evolutivo della Terra: nuova crosta oceanica si forma in continuazione dalle dorsali oceaniche, ma la Terra non è in espansione quindi da qualche parte la crosta in eccesso va a scomparire. Confrontando anomalie corrispondenti a livello temporale, per dorsali diverse, si è potuto vedere che nella stessa unità di tempo, le anomalie avevano larghezze diverse: nell Oceano Atlantico erano meno larghe, per esempio, di quanto non fossero nel Pacifico meridionale. Ciò significa che il Pacifico meridionale si espande molto più velocemente dell Atlantico (9 cm contro 2 cm). N = polarità normale R = polarità inversa

L ESPANSIONE DEI FONDI OCEANICI

PALEOMAGNETISMO E DERIVA DEI CONTINENTI Il paleomagnetismo ha avuto un grande impulso dalla seconda metà degli anni 50 fino ad arrivare alla dimostrazione della teoria della deriva dei continenti. Se prendiamo un campione di basalto continentale (cioè emesso da un vulcano subaereo e non lungo una dorsale), ne possiamo misurare l età e le caratteristiche magnetiche (inclinazione, declinazione e intensità). Sappiamo che l inclinazione magnetica e la latitudine a cui si è solidificata la lava sono legate dalla relazione tang Φ = 1/2 tang i Questa operazione si può ripetere, per uno stesso continente per tempi diversi usando campioni di roccia che appartengono a formazioni geologiche di età diverse e ottenere le diverse latitudini a cui il continente si trovava: qui sotto si illustra per esempio la migrazione del continente Sud Americano dal Periodo Cambriano (Era Paleozoica) ad oggi.

PALEOMAGNETISMO E DERIVA DEI CONTINENTI Percorso del subcontinente Indiano dal Cretaceo Superiore ad oggi.