Il campo magnetico terrestre

Christopher Kent Mineman - Didattica in rete

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Fin dal XVII secolo è noto che la Terra possiede un campo magnetico, che può essere ben descritto immaginando che al centro della Terra si trovi una barra magnetica, dotata di due poli e inclinata, rispetto all’asse terrestre di circa 11,5°. Il polo Nord e il polo Sud magnetici non coincidono con i poli geografici.
Poiché utilizziamo l'aghetto magnetico per determinare il polo nord magnetico, affermiamo che il polo nord è geografico corrisponde alla direzione verso cui punta il nord della bussola.
Il polo nord magnetico è associato al polo sud della calamita che genera il campo magnetico terrestre e si trova a Nord del Canada, a una latitudine di circa 75° N, mentre il polo sud magnetico è localizzato a una latitudine di circa 68° S. Dal polo sud escono le linee di forza del campo che si chiudono nel polo nord. L’intensità del campo magnetico terrestre e l’andamento delle linee di forza possono essere evidenziati in qualsiasi punto della superficie terrestre. Il campo magnetico terrestre si estende anche al di sopra della superficie terrestre, con un’intensità che diminuisce con la distanza dal pianeta. La regione di spazio che circonda la Terra in cui si risente l’azione del campo magnetico è detta magnetosfera e costituisce una specie di scudo protettivo contro le radiazioni cosmiche.

Studiando i valori della direzione e dell’intensità del campo magnetico raccolti nei secoli passati, si è scoperto che il campo magnetico terrestre non è costante e stabile nel tempo. Esistono variazioni della direzione e dell’intensità a breve periodo, che dipendono probabilmente da fenomeni astronomici, e variazioni a lungo periodo che hanno origine internamente alla terra. Tra queste ultime le più importanti sono le inversioni di polarità, scoperte studiando il magnetismo fossile delle rocce e dei minerali: con periodicità irregolare il campo geomagnetico inverte la sua polarità, cioè il polo nord e il polo sud si scambiano di posizione. La causa dell’inversione del campo magnetico è incerta: secondo alcuni geofisici essa sarebbe in relazione con correnti di convezione a largo raggio (come quelle dell’atmosfera o delle masse oceaniche), che si svilupperebbero in periodi diversi nel nucleo esterno. Alcuni scienziati ritengono che nel corso di un’inversione il magnetismo sia quasi nullo e che in questi momenti la terra perda gran parte dello scudo magnetico. Per esempio, mentre attualmente ogni metro quadrato di suolo del nostro pianeta è bombardato ogni secondo da 10 mila particelle cosmiche, in periodo di inversione questa cifra aumenterebbe di oltre il 10%.

Perché la Terra si comporta come un magnete?

L’origine del campo magnetico terrestre è ancora incerta. La prima ipotesi è che, al centro della terra, il nucleo ferroso si comporti come un dipolo permanente. Questa ipotesi è caduta quando è stato dimostrato sperimentalmente che la magnetizzazione di qualsiasi sostanza scompare al di sopra di una determinata temperatura, chiamata punto di Curie, diversa da materiale a materiale, ma sempre molto più bassa di quella che si ritiene sia la temperatura della parte più interna della Terra. La seconda interpretazione, oggi considerata con favore dai più, è la teoria della dinamo ad autoeccitazione: l’esistenza nel nucleo terrestre di correnti elettriche nel fluido del nucleo avrebbe generato il campo magnetico, in accordo con la fisica che insegna che un campo magnetico può essere generato da cariche elettriche in movimento (lo tratteremo dopo aver visto Faraday).

LE FASCE DI VAN ALLEN E LA LORO STRUTTURA

11 Le Fasce di Van Allen sono una componente importante della magnetosfera terrestre, quella regione dello spazio in cui il moto delle particelle cariche del vento solare e della radiazione cosmica non troppo energetica viene condizionato dal campo magnetico terrestre. Le fasce sono formate da particelle cariche, per lo più di origine cosmica e solare, intrappolate nel campo magnetico e sono state scoperte all'inizio dell'era spaziale, nel 1958, con i rivelatori di particelle posti a bordo dei satelliti "Explorer 1 e 2" da James Van Allen, da cui hanno preso il nome.

L'influenza del vento solare sulla magnetosfera terrestre

1Le particelle cariche delle fasce (una interna e l'altra più esterna) sono elettroni e protoni con energie cinetiche cha vanno dal Kev ai GeV. La distribuzione spaziale delle particelle è molto complessa e variabile nel tempo (specie per la fascia esterna). Le particelle si muovono lungo le linee di forza del campo magnetico terrestre seguendo traiettorie a spirale e oscillando in latitudine tra i punti coniugati di riflessione negli emisferi boreale e australe. C’è anche un moto delle cariche in longitudine che forma una corrente di tipo anulare attorno alla Terra.

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La distribuzione approssimata delle particelle è la seguente (Rterra = 6378 km, raggio terrestre)

  1. Distanze fra 2.5 e 5.8 Rterra : protoni poco energetici (ca. 3 Mev)

  2. Distanze fra 1.5 e 1.7 Rterra : protoni energetici (> 30 Mev)

  3. Distanze fra 3 e 4.3 Rterra : elettroni poco energetici (ca. 2 Mev)

  4. Distanze fra 1.6 e 8.5 Rterra : elettroni molto energetici (> 40 Mev)

La vita media delle particelle nella fascia interna è di circa 10 anni, le particelle vengono poi perse per cattura atmosferica. Nella fascia esterna, invece, soggetta a forti perturbazioni a causa dei brillamenti solari, la vita media non ha un valore ben definito. Addirittura, recentemente la NASA ha individuato l'esistenza di una terza fascia, poi scomparsa, formatasi durante un periodo caratterizzato da un'elevata attività solare.
La cintura magnetica interna, scoperta dagli Explorer 1 e 2, deve la sua esistenza alla straordinaria stabilità delle orbite attorno alla Terra. Essa è un prodotto della radiazione cosmica che da sola ha un'intensità piuttosto bassa: l'ammontare dell'energia ricevuta dalla Terra dai raggi cosmici è comparabile a quella che riceve dalla luce stellare. Solo l'accumularsi delle particelle nel corso degli anni rende la fascia magnetica interna tanto intensa.