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

Aldo Winkler – Istituto Nazionale di Geofisica & Vulcanologia, RomaEmail: aldo.winkler@ingv.it

Trento, 25 novembre 2009

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.

Come si definisce un campo magneticoCampo 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

B0=µ0H (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.

Come agisce un campo magnetico in un mezzo (anziché nel vuoto)?

B0=µ0H (1) diventa, in un mezzo;

B=µ0(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=µ0(H+χH) →B=µ0 (1+χ)H

Da cui, introducendo la permeabilità relativa µ=µ0µr con µr = 1 + χ

B=µH (4)

L’effetto di un campo magnetico su un corpo; la magnetizzazione

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 agenteParamagnetismo – magnetizzazione non permanente e debole di verso concorde a quello del campo magnetico agenteFerromagnetismo – magnetizzazione permanente, talora molto intensa e relazionata in maniera complessa rispetto al campo magnetico agente

Il magnetismo a livello microscopicoIl 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 èassimilabile 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

ω

v

I due moti di un elettrone; moto orbitale attorno al nucleo e due orientazioni di spin.

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 -10-6 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.

Diamagnetismo

ParamagnetismoI 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 10-2 - 10-4 SI); la suscettività inoltre dipende dalla temperatura, decrescendo iperbolicamente all’aumentare della temperatura.

Sono paramagnetici l’alluminio, la pirite e la siderite.

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.

Ferromagnetismo

Il ciclo d’isteresiLa 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.

Gli elementi ferromagnetici naturali a temperatura ambiente sono il ferro (TC = 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.

Il Ferromagnetismo sl

Alcuni esempi di minerali magnetici

Magnetite: Fe3O4TCurie: 580o C

Ematite: Fe2O3Temperatura di Néel: 680o C

Goethite: FeO.OHTemperatura di Néel: 120o C (55-130o C)

Pirrotina: FeS1+xTCurie: 275-320o C

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).

Ferromagnetismo sl e granulometria magnetica

Prima di descrivere alcune applicazioni geofisiche dello studio delle proprietàmagnetiche, si passano in rassegna i principali strumenti di misura coinvolti nelle analisi magnetiche.

Lo studio delle proprietà magnetiche:il laboratorio di paleomagnetismo

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.

H

N

S

Hs

La sala schermata dai campi magnetici statici

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

Forni per smagnetizzareForni elettrici di precisione per scaldare i campioni fino a circa 700°C in modo di smagnetizzarli progressivamente (per isolare la magnetizzazione caratteristica).

MicromagLo strumento più sensibile per ricavare i cicli d’isteresi.

I principali strumenti di laboratorio

Il ponte di suscettività magnetica con criostato e fornacePer misurare la suscettività magnetica, la sua variabilità direzionale (anisotropia) e la sua variabilità con la temperatura da -192°C a 700°C

I principali strumenti di laboratorio

� 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.

Applicazioni geofisiche delle analisi magnetiche

I “continenti” in movimento;200 milioni di anni di evoluzione geodinamica dell’emisfero meridionale

AntarcticaKeystone of Gondwana

By

L.M. Gahagan, L.A. Lawver,

and I.W.D. Dalziel

1999, University of Texas Institute for Geophysics

June 25, 1999

Le rocce sono bussole!

Mediata su 10000 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.

Ricostruire la posizione dei continenti nel tempo -paleomagnetismo e deriva dei continenti

Perché si magnetizza una roccia?La magnetizzazione per sedimentazione

T>Tc T<Tc T<Tc

Magma caldoMagnetizzazioni orientate secondo

il campo magneticoMagma freddo

magnetizzazioni“bloccate”Magma freddo

Anche se il campo s’inverte,la magnetizzazione resta “bloccata”

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.

Perché si magnetizza una roccia?La magnetizzazione termorimanente

(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.

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.

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.

Il PM10 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 PM10 di origine antropica, il più pericoloso per la salute.

Il PM10

Dal 1 gennaio 2005, il valore limite nelle 24 ore, per la protezione della salute umana, è di 50 µg/m3 d’aria, da non superare per più di 35 volte nel corso dell’anno (con media annua è di 40 µg/m3).Dal 1 gennaio 2010, il valore limite nella giornata sarà comunque di 50 µg/m3, ma tale valore non potrà essere superato per più di 7 volte durante l’anno (con media annua di 20 µg/m3).

I danni stimati per la salute

Galassi et al. (2000): Exposure to PM10 in the eight major italian cities and quantification of the health effects, ISEE 2000, August 19-22, 2000

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.

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)

Proprietà magnetiche delle foglie

Sono state selezionate foglie da alberi ad alta diffusione a RomSono state selezionate foglie da alberi ad alta diffusione a Roma (platano, a (platano,

leccio).leccio).

Si possono compilare mmappe di distribuzioneappe di distribuzione della suscettivitdella suscettivitàà

magnetica magnetica k k delle foglie, per evincere ldelle foglie, per evincere l’’andamento spazioandamento spazio--temporaletemporale

dell’inquinamento con una risoluzione spaziale più fitta rispetto alle

centraline e con dati mediati nel tempo.

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

July

Magnetic susceptibility

0 to 7

7 to 13

13 to 20

20 to 26

26 to 33

Mappe di distribuzione degli inquinanti

I valori pivalori piùù alti di suscettivitalti di suscettivitàà si misurano nei luoghi a maggiore traffico veicolare si misurano nei luoghi a maggiore traffico veicolare confermando che confermando che i veicoli sono la maggiore sorgente di polveri fini magnetichei veicoli sono la maggiore sorgente di polveri fini magnetiche ..

Confronto tra siti di tipologia differente a Roma

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

P.Acquedotti

Becadelli Consoli Don Bosco Lemonia Casilina Re di Roma

suburbanpark

Low/medium traffic High traffic

(10-8

m3/k

g)

PlatanusQuercus

Lungotevere – Platani

Confronto alberi sul fiume e sulla strada

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

1

2

0.00E+00 2.00E+02 4.00E+02 6.00E+02

1

2secco

umido

fiumestrada

Suscettività

χ 10-8 m3/kgIRM900 Am2/kg

fiumestrada

DDistribuzioneistribuzione della suscettivitdella suscettivitàà magnetica magnetica χχχχχχχχ delle fogliedelle foglie

Via delle Terme di Caracalla (Roma Centro)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.

La Suscettività al variare della distanza dalla sede s tradaleVia Ostiense, Roma

La Suscettività al variare della distanza dalla sede s tradaleVia di Tor Carbone, Roma

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

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

Immagini al microscopio elettronico dei particolati metallici adsorbiti dalle foglie (2)

Immagini al microscopio elettronico dei particolati metallici adsorbiti dalle foglie (3)

Immagini al microscopio elettronico dei particolati metallici adsorbiti dalle foglie (4)

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 PM10 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

Viterbo

Fontechiari

LatinaVilla Ada

Magnagrecia

Frosinone scalo

Roma

Centraline della rete di monitoraggio nel Lazio

Centraline studiate:

•Magnagrecia (Roma)•Villa Ada (Roma)•Viterbo•Latina•Frosinone scalo•Fontechiari

Filtri giornalieri

Nel laboratorio di paleomagnetismo la suscettività magnetica k di ciascun filtro è stata misurata tramite il Kappabridge KLY-3 della AGICO.

Misurazioni magnetiche in laboratorio

E’ sempre corretto stimare l’inquinamento atmosferico mediante la concentrazione del PM10?

Le misurazioni magnetiche per discriminare l’origine del PM10

La suscettività e la concentrazione del PM10

hanno lo stesso andamento

la concentrazione del PM10ha un picco non rilevato con

la suscettività

Aumento di apporto di polveri naturali non magnetiche

Aumento relativo della frazione magnetica

La suscettività ha un picco non evidente da dati di

PM10

Contributo naturale (per es. polveri di provenienza Sahariana)

Contributo antropico(per es. inquinamento da traffico)

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 PM10 corrisponde un significativo apporto di polveri naturali , dai periodi in cui le elevate concentrazioni del PM10 sono da riferirsi esclusivamente ad un contributo locale di emissioni inquinanti .