El campo terrestre

Variación secular

Magnetosfera y protección terrestre

La existencia del campo magnético de la Tierra es conocida desde muy antiguo, por sus aplicaciones a la navegación a través de la brújula. En el año 1600, el físico inglés de la corte de Isabel I, William Gilbert, publicó la obra titulada De magnete, considerada como el primer tratado de magnetismo. Gilbert talló un imán en forma de bola y estudió la distribución del campo magnético en su superficie.

Encontró que la inclinación del campo en este imán esférico coincidía con lo que se sabía acerca de la distribución del campo terrestre. De este experimento concluyó que la Tierra era un gigantesco imán esférico. Posteriormente, los estudiosos del geomagnetismo observaron que, tomando en cuenta la declinación, la mejor representación del campo terrestre sería un imán esférico cuyo eje de rotación estuviera desviado unos 11° del eje geográfico de la Tierra.

La Tierra es un imán

El polo norte de la aguja de una brújula apunta al polo norte geográfico, porque la Tierra misma es un imán: el polo sur de este imán está cerca del polo norte geográfico y, como los polos contrarios de dos imanes se atraen mutuamente, resulta que el polo norte de la brújula es atraído por el polo sur del imán terrestre, que está en las proximidades del polo norte geográfico.

Sin embargo, la brújula indica cuál es la dirección de la línea geográfica Norte-Sur sólo de un modo aproximado. Los polos norte y sur geográficos son los dos puntos donde el eje de rotación de la Tierra corta a la superficie terrestre. Normalmente, la aguja de la brújula se desvía hacia el Oeste del norte geográfico. Este ángulo de desviación se denomina declinación.

Una aguja magnética suspendida por su centro de gravedad no se mantiene en posición horizontal el extremo que señala al Norte se inclina hacia el suelo en el hemisferio septentrional, y lo mismo hace el extremo que señala al Sur, en el hemisferio meridional. Este ángulo de desviación de la aguja respecto de la horizontal se llama inclinación magnética. El valor de la inclinación, al igual que el de la declinación, es diferente de un punto a otro de la superficie de la Tierra.

El campo magnético terrestre se caracteriza también por su intensidad. La intensidad de un campo magnético se mide en gauss. El campo magnético terrestre es bastante débil, del orden de 0,3 gauss en las proximidades del ecuador y de 0,7 gauss en las regiones polares.

El alineamiento en general Norte-Sur de las líneas magnéticas, de acuerdo con el eje de rotación terrestre, sugiere que el campo, en lo fundamental; constituye un dipolo. Resulta inclinado unos 11° respecto al eje de rotación terrestre, y presenta considerables irregularidades (no corresponde al campo de un dipolo perfecto).

Hipótesis del magnetismo terrestre

Hay dos modos de producir un campo magnético: bien por medio de un cuerpo imantado, bien a través de una corriente eléctrica. Antiguamente, se creía que el magnetismo terrestre estaba originado por un gigantesco imán situado dentro de la Tierra (hipótesis del imán permanente). Ciertamente, la Tierra contiene yacimientos de minerales de hierro, y se cree que su núcleo está compuesto por hierro y níquel, sustancias altamente magnéticas. Si este núcleo, cuyo radio excede de los 3.400 km, es en efecto un imán permanente, el campo magnético terrestre puede muy bien ser atribuido a él.

Sin embargo, las sustancias ferromagnéticas, como el hierro y el níquel, pierden su magnetismo por encima del denominado punto de Curie, que es de 770 °C para el hierro y de 360 °C para el níquel. Como la temperatura del núcleo es superior a estos valores (es mayor de 2.000 °C), ni el níquel ni el hierro pueden conservar su ferromagnetismo. El núcleo terrestre no puede ser un imán permanente.

Otras teorías, posteriores a la de la imantación permanente, están basadas en la rotación de cargas eléctricas. También se han propuesto diversas hipótesis que se fundamentan en el fenómeno termoeléctrico y el efecto Hall. Sin embargo, todas han sido abandonadas a favor de las que postulan la existencia en el núcleo de la Tierra de fenómenos semejantes a los de un dínamo auto-excitado.

Indicios geofísicos sobre la existencia de un núcleo terrestre de naturaleza fluida y alta densidad, compuesto casi en su totalidad de hierro, sirven de base para la teoría de dínamo auto-excitado como origen del campo magnético terrestre. J. Larmor, en 1919, fue el primero en proponer este tipo de proceso. El fenómeno se basa en que el movimiento de circulación de material conductor en presencia de un campo magnético genera corrientes eléctricas que, a su vez, realimentan el campo inductor, en el caso de la Tierra, o este movimiento afecta al material fluido del núcleo. En 1934, Cowling demostró, en oposición a Larmor, que un mecanismo con simetría de revolución no podía servir como explicación de la generación de un campo magnético estable. Desde 1946 se vuelve a dar impulso a las teorías del dínamo auto-inducido, debido a los trabajos pioneros de W. M. Elsasser, E. C. Bullard y H. Gellman; en la actualidad es, prácticamente, la única manera de explicar el origen del campo geomagnético.

Variaciones del campo magnético terrestre

Los estudios permanentes que se realizan en cualquier observatorio demuestran que el campo magnético terrestre no es constante, sino que cambia continuamente. Hay una variación pequeña y bastante regular de un día a otro (variación diurna). La variación en la declinación es de algunos minutos de arco, y la variación en la intensidad es del orden de 10-4gauss.

Algunos días se producen perturbaciones mucho mayores, que alcanzan hasta varios grados en la declinación y 0,01 gauss en la intensidad. Son las llamadas tormentas magnéticas, generadas por corrientes eléctricas que tienen lugar en las capas superiores de la atmósfera. A unos cuantos centenares de kilómetros por encima de la superficie terrestre existe una zona llamada ionósfera, en la que hay electrones libres arrancados a los átomos de oxígeno y nitrógeno por la radiación solar. Las partículas cargadas positiva y negativamente (iones y electrones) hacen que el aire en la ionósfera sea un conductor eléctrico. Estas corrientes eléctricas de la ionósfera originan campos magnéticos que causan variaciones transitorias del campo magnético terrestre.

Variación secular: el campo geomagnético deriva hacia el Oeste

Las variaciones temporales del campo magnético terrestre, de periodo tan largo que sólo se aprecian al comparar valores medios anuales durante varios años, reciben el nombre de variación secular. Un fenómeno de la variación secular hace referencia a que la distribución del campo geomagnético se mueve lentamente hacia el Oeste. El promedio de avance que a esa velocidad, la distribución del campo daría la vuelta completa a la Tierra en unos 2.000 años. A diferencia de las tempestades magnéticas, que ocurren por causas externas, las anomalías a largo plazo y su marcha hacia el Oeste se deben a causas localizadas en el interior de la Tierra. Los cambios internos tienen lugar de modo muy lento y abarcan hasta millares de millones de años. En comparación, dos mil años es un tiempo muy corto. Este elemento constituye una de las claves fundamentales en el estudio del magnetismo terrestre.

Variación de la posición del polo norte a lo largo de 400 años

Magnetosfera y protección terrestre

La magnetósfera terrestre es una región alrededor del planeta Tierra en la que el campo magnético del planeta hace que se desvíe la mayor cantidad del viento solar evitando que las partículas cargadas de energía subatómica que viajan con el mismo, penetren en su totalidad en la atmósfera.

En los polos magnéticos existen zonas donde parte de las partículas cargadas son conducidas sobre la atmósfera superior produciendo un fenómeno llamado Aurora boreal o austral, este fenómeno también ha sido observado en otros planetas. Las partículas del viento solar que son detenidas por la magnetósfera forman los Cinturones de Van Allen. Todos los planetas con campo magnético como, Mercurio, Júpiter, Saturno, Urano, y Neptuno tienen una magnetósfera propia.

Aurora boreal.

La magnetósfera actúa como un escudo que protege a la atmósfera más próxima a la Tierra de la radiación iónica. Se trata de la misma forma de radiación peligrosa que irradian algunos elementos radiactivos como el uranio. Sin la magnetósfera la radiación iónica destruiría toda forma de vida en el planeta Tierra.

Magnetósfera protegiendo la Tierra de tormentas solares.

Mediante el estudio con satélites de la Agencia Espacial Europea (ESA) y chinos, científicos han podido determinar que la extensión de la magnetósfera oscila debido a la actividad solar extrema que la comprime y modifica la composición de los iones. Los científicos continúan haciendo estudios para saber cómo estos cambios influyen en las órbitas de los satélites.