LA FORZA INVISIBILE
di Giuseppe Badalucco
per Edicolaweb

 

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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.

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