Il campo magnetico

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Introduzione: Satelliti che studiano le variazioni del campo magnetico terrestre

La rappresentazione del campo geomagnetico come un insieme di linee di forza aventi come tangenti minuscole bussole (libere di ruotare intorno al proprio baricentro nello spazio), dà un’idea dei metodi utilizzati per la sua determinazione.

Il campo magnetico terrestre: la determinazione di un campo vettoriale (I)

Linee di forza del campo magnetico terrestre

Gli aghi magnetici naturali, da elementi divinatori dell’antica Cina, furono trasformati, nel periodo delle repubbliche marinare, a strumenti essenziali per la navigazione, capaci di indicare con buona approssimazione il Nord geografico. Dai primi, capaci di ruotare solo su un piano orizzontale (che hanno mantenuto la stessa forma fino ai giorni nostri)....

Il campo magnetico terrestre: la determinazione di un campo vettoriale (II)

Bussola statunitense del XVIII secolo

… a quelli introdotti nella seconda metà del secolo sedicesimo, detti inclinometri, liberi di ruotare su un piano mantenuto verticale, essi hanno costituito le basi per le misure del campo magnetico terrestre.

Il campo magnetico terrestre: la determinazione di un campo vettoriale (III)

Bussola d’inclinazione

A medie latitudini, la posizione di un piccolo magnete mobile orizzontale (bussola) differisce dalla direzione del meridiano geografico di un angolo inferiore a 20°, chiamato declinazione magnetica D. Nella figura accanto sono rappresentate le isogone (linee aventi la stessa declinazione) misurate da Edmund Halley nel 1700 durante viaggi oceanici.

Il campo magnetico terrestre: la determinazione di un campo vettoriale (IV)

Nella mappa odierna della declinazione degli Stati Uniti (figura sotto) risulta più chiara la funzione delle isogone.

Il campo magnetico terrestre: la determinazione di un campo vettoriale (V)

La linea marcata nera rappresenta la linea del campo dove il meridiano geografico e quello magnetico coincidono. Le isogone rosse, contrassegnate da valori negativi, determinano di quanti gradi il meridiano magnetico è ruotato verso Ovest (in senso antiorario) rispetto al meridiano geografico. Infine le isogone blu, con valori positivi, indicano lo spostamento verso Est della bussola rispetto al Nord geografico della mappa.

Applicando lo stesso tipo di procedimento a una bussola verticale si osserva che nell’emisfero boreale il nord dell’ago magnetico si inclina verso il basso, mentre nell’emisfero australe punta verso l’alto.

Il campo magnetico terrestre: la determinazione di un campo vettoriale (VI)

L’angolo individuato dall’ago dell’inclinometro rispetto al piano orizzontale è l’inclinazione magnetica I. Le curve a inclinazione costante sono dette isocline. In figura, la carta mondiale delle isocline della inclinazione I al livello del mare

Le linee di forza risultanti sono riportate nella figura che abbiamo già vista in precedenza. Esse hanno l’asse geomagnetico Nord inclinato di circa 11° rispetto all’asse del Nord geografico.

Il campo magnetico terrestre: la determinazione di un campo vettoriale (VII)

La determinazione di un campo vettoriale in un punto dello spazio può essere realizzata attraverso tre valori indipendenti.

Questi per il campo magnetico terrestre possono essere due angoli come D e I, ma rimane aperto il problema dell’intensità del campo magnetico terrestre F.

La determinazione del campo magnetico terrestre implica dunque la misura (nei diversi punti della superficie terrestre e nelle sue immediate vicinanze) di D, I e F. Un’alternativa possibile è quella di misurare la componente orizzontale del campo magnetico terrestre H, quella verticale Z e la declinazione D.

Il campo magnetico terrestre: la determinazione di un campo vettoriale (VIII)

In figura è rappresentata la carta delle isodinamiche (curve chiuse a uguale intensità) dell’intensità F del campo principale terrestre 2010 in nanotesla.

Il campo magnetico terrestre: la determinazione di un campo vettoriale (IX)

I valori medi annuali variano da un minimo di circa 23000 nT a un massimo di 61000 nT.

L’intensità del vettore induzione magnetica B a una distanza R da un filo conduttore rettilineo indefinito (di grandissima lunghezza) percorso da una corrente i, la validità dell’espressione: B=ki/R, con la costante k=2 10-7 Tm/A.

Campo magnetico e correnti elettriche (I)

Le linee di forza del campo magnetico generato dal filo rettilineo sono circolari con il verso regolato da regole mnemoniche (vite destrogira).

In genere nelle esperienze alla Oested del filo rettilineo il campo creato dalle correnti è notevolmente superiore a quello terrestre (ordine di grandezza

10-4 T), mentre se si vuole misurare l’intensità del campo geomagnetico attraverso bobine percorse da corrente bisogna ridurre notevolmente l’intensità della corrente i. Le bobine vanno dapprima orientate secondo il campo magnetico terrestre con un ago magnetico posto al centro delle stesse (senza collegare ancora le bobine a un alimentatore variabile).

Campo magnetico e correnti elettriche (II)

Bobine di Helmholtz orientate secondo la direzione di una bussola

La componente orizzontale del campo magnetico terrestre H risulterà perpendicolare a B quando le bobine saranno attraversate da corrente. Se l’intensità di corrente è regolata in modo da ruotare l’ago magnetico di 45°, allora il modulo di B coincide con H.

Di conseguenza dalla misura del numero degli avvolgimenti N, del raggio e dell’intensità di corrente, è possibile ricavare la componente orizzontale H del campo magnetico terrestre.

Campo magnetico e correnti elettriche (III)

Composizione dei campi tra le bobine di Helmholtz con magnete disposto a 45°

Il campo magnetico terrestre è misurato, in prossimità della superficie della Terra, dalla rete di osservatori geomagnetici, e, nell’atmosfera, da satelliti specializzati che impiegano magnetometri scalari e vettoriali.

Essi discriminano i diversi contributi dovuti alle sorgenti che si trovano a diversa distanza dalla superficie terrestre che è approssimata a una sfera.

I modelli e le misure recenti del campo geomagnetico (I)

Le principali sorgenti, nella forma di correnti elettriche e, in misura minore, di materiali magnetizzati, si trovano sotto la superficie di riferimento; le secondarie, dovute solo a correnti, sono sopra di questa, nella ionosfera e nella magnetosfera. Le correnti secondarie esterne inducono cariche in movimento all’interno della crosta, del mantello e degli oceani. Ogni sorgente può essere localizzata e il suo contributo all’energia del campo può essere valutato attraverso modelli matematici di campo principale.

I modelli e le misure recenti del campo geomagnetico (II)

Il principale campo geomagnetico (campo nucleare, core field) è prodotto dal movimento delle cariche nel nucleo esterno fluido posto a una profondità tra 2900 km a 5150 km dalla superficie. Un campo equivalente a quello di una dinamo autosostenuta che opera oltre il nucleo solido più interno. Circa il 95% del campo sulla superficie terrestre è dovuto alle correnti nel nucleo terrestre. Materiali magnetici nella crosta producono invece il campo crostale o indotto (crust field); relativamente debole, esso contribuisce per pochi punti percentuali al campo complessivo.

I modelli e le misure recenti del campo geomagnetico (III)

Le sorgenti interne alla Terra (crostale e nucleare) non esauriscono tutte le generatrici del campo geomagnetico. Il flusso di plasma supersonico emesso dal Sole è la principale causa delle variazioni temporali del campo magnetico terrestre. Il vento solare costituisce un’onda d’urto che modifica la struttura del campo geomagnetico e la distribuzione delle particelle cariche intorno alla Terra.

I modelli e le misure recenti del campo geomagnetico (IV)

Se si osserva la magnetosfera, solo le linee del campo magnetico in prossimità della superficie terrestre si avvicinano a quelle di un dipolo. Allontanandoci dalla Terra, dalla parte del Sole, le linee di forza sono come schiacciate dal vento solare; mentre, dalla parte opposta, tendono ad allungarsi. Infine, in prossimità della Terra, la situazione è assai irregolare.

I modelli e le misure recenti del campo geomagnetico (V)

Magnetosfera terrestre

L’eventuale riduzione dell’intensità del nostro scudo naturale al vento solare è allora la giustificazione principale per uno sforzo mai registrato prima con l’invio nel 2013 di una costellazione di tre satelliti dell’ESA (missione Swarm) per monitorare le variazioni del campo geomagnetico secondo un dettaglio inimmaginabile con la sola strumentazione terrestre.

I modelli e le misure recenti del campo geomagnetico (VI)

Magnetometro vettoriale impiegato nel progetto Swarm

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FINE

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