Campo magnético terrestre

Campo magnético terrestre Concepto: Es el campo magnético que se extiende desde el núcleo interno de la Tierra hasta el límite en el que se encuentra con el viento solar; una corriente de partículas energéticas que emana del Sol.

Campo magnético terrestre (es también llamado campo geomagnético). Es el campo magnético que se extiende desde el núcleo interno de la Tierra hasta el límite en el que se encuentra con el viento solar; una corriente de partículas energéticas que emana del Sol.

Su magnitud en la superficie de la Tierra varía de 25 a 65 µT (microteslas) o (0,25-0,65 G). Se puede considerar en aproximación el campo creado por un dipolo magnético inclinado un ángulo de 15 grados con respecto al eje de rotación (como un imán de barra).

La región por encima de la ionosfera —que se extiende varias decenas de miles de kilómetros en el espacio— es llamada la magnetosfera. Esta nueva capa protege a la Tierra de los rayos cósmicos que destruirían la atmósfera externa, incluyendo la capa de ozono que protege a la Tierra de la dañina radiación ultravioleta.

Origen

El campo magnético terrestre está mayoritariamente producido por las corrientes eléctricas que ocurren en el núcleo externo, de naturaleza líquida, que está compuesto de hierro fundido altamente conductor. El campo magnético se genera al formar una línea de corriente una espira cerrada (Ley de Ampere); un campo magnético variable genera un campo eléctrico (Ley de Faraday); y los campos eléctrico y magnético ejercen una fuerza sobre las cargas que fluyen en la corriente (la Fuerza de Lorentz).

Según la ley de Lenz, cualquier cambio del campo magnético sería instantáneamente contrarrestado por corrientes, por lo que el flujo a través de un volumen de fluido dado no podría cambiar. Al moverse el fluido, el campo magnético se desplazaría con él. El teorema que describe este efecto se llama «Teorema del flujo congelado». Incluso en un fluido con una conductividad finita, se generaría nuevo campo en el estiramiento de las líneas de campo al moverse el fluido de manera que lo deforme. Este proceso podría continuar generando campo de manera indefinida, si no fuera porque al aumentar la intensidad de éste, se opone al movimiento del fluido.

El movimiento del fluido se mantiene por convección —movimiento basado en la flotabilidad—. La temperatura se incrementa hacia el centro de la Tierra, y cuanto más grande sea la temperatura del fluido en profundidades mayor más ligero se convierte. Esta flotabilidad está acentuada por la separación química. Al enfriarse el núcleo, parte del hierro fundido se solidifica y se adhiere al núcleo interno. En el proceso elementos más ligeros se quedan en el fluido, haciéndolo menos denso. Eso se llama «convección posicional». La fuerza de Coriolis, consecuencia de la rotación del planeta, tiende a organizar al fluido en rollos alineados en la dirección del eje polar norte-sur.

El simple movimiento convectivo de un fluido conductor no es suficiente como para garantizar la generación de un campo magnético. El modelo explicado arriba asume el movimiento de cargas (como electrones con respecto al núcleo atómico), el cual es un requerimiento para generar un campo magnético. Sin embargo, no está claro cómo este movimiento de cargas surge en el fluido que circula en el núcleo externo. Los posibles mecanismos que lo explicarían incluyen reacciones electroquímicas que crean el equivalente de una pila generando corriente eléctrica en el fluido o un efecto termoeléctrico (estos dos mecanismos están de alguna forma superados). Campos magnéticos remanentes en materiales magnéticos del manto, que están más fríos que su temperatura de Curie, también proveerían campos magnéticos a modo de «estátor» de inicio, que inducirían las corrientes requeridas en el flujo convectivo del fluido comportándose como una dinamo. Estos mecanismos fueron analizados por el Philip William Livermore.

El campo magnético promedio en el núcleo externo de la Tierra se calculó en alrededor de 25 G, 50 veces superior al campo en la superficie.

Las ecuaciones de la geodinamo son extremadamente complejas de resolver, y el realismo de las soluciones está limitado principalmente por la potencia de cálculo. Durante décadas los teóricos estuvieron limitados a la creación de dinamos cinemáticas, en los que la velocidad del fluido está prescrita con antelación al cálculo del efecto del campo magnético. La teoría de dinamo cinemática era esencialmente cuestión de probar diferentes geometrías del flujo y comprobar si podía adaptarse a una dinamo.

Los primeros modelos de dinamo autoconsistentes, los que determinan tanto la velocidad del fluido como el campo magnético, fueron desarrollados por dos grupos en 1995, uno en Japón y otro en los Estados Unidos. El último recibió mucha atención porque consiguió de manera satisfactoria reproducir algunas de las características del campo terrestre, incluyendo las inversiones geomagnéticas.

Las corrientes eléctricas inducidas en la ionosfera generan campos magnéticos (región de dinamo ionosférica). Este tipo de campo siempre es generado en la zona donde la atmósfera se encuentra más cercana al Sol, y causa alteraciones diarias que puede alterar el campo magnético en la superficie hasta 1º. Las variaciones típicas diarias de la intensidad del campo son de alrededor 25 nT, con variaciones en la escala de los segundos en el orden de 1 nT.

Los magnetómetros detectan desviaciones del campo magnético terrestre causado por artefactos de hierro, algunos tipos de estructuras de piedra, e incluso zanjas y yacimientos arqueológicos. El uso de instrumentos adaptados de detectores aéreos se desarrolló durante la Segunda Guerra Mundial para detectar submarinos y las variaciones magnéticas del suelo oceánico han sido mapeadas. El basalto, la roca volcánica rica en hierro que compone la mayoría del suelo oceánico, contiene un mineral fuertemente magnético (la magnetita) y puede distorsionar las lecturas de las brújulas en un ámbito local. Esta distorsión fue detectada por marineros islandeses ya a finales del siglo XVIII. De manera más importante, debido a la presencia de magnetita, que proporciona al basalto cualidades magnéticas medibles, estas variaciones magnéticas suponen otro medio para estudiar el suelo del océano. Cuando la recién creada roca se enfría, los materiales magnéticos dejan registro del campo magnético terrestre de ese momento preciso.

Características

El campo magnético puede ser representado en cualquier punto por un vector tridimensional. Una forma común de medir su dirección es usar una brújula para determinar la dirección del norte magnético. Su ángulo con respecto al norte geográfico se denomina declinación. Apuntando hacia el norte magnético el ángulo que el campo mantiene con la horizontal es la inclinación. La intensidad (F) del campo es proporcional a la fuerza que se ejerce sobre el imán. También se puede usar una representación con coordenadas XYZ en las que la X es la dirección de los paralelos (con sentido este), la Y es la dirección meridiana (sentido hacia el polo norte geográfico) y la Z es la dirección vertical (con el sentido hacia abajo apuntando al centro de la Tierra).

La intensidad de campo es máxima cerca de los polos y mínima cerca del ecuador. Es medida con cierta frecuencia en Gauss (una diezmilésima de Tesla), pero normalmente se representa usando los nanoteslas (nT), siendo 1 G = 100 000 nT. El nanotesla también es llamado un Gamma). El campo varía entre aproximadamente 25 000 y 65 000 nT (0,25-0,65 G). En comparación el imán de una nevera tiene un campo de 100 gauss. Los mapas de isolíneas de intensidad son llamados cartas isodinámicas. El mínimo de intensidad ocurre sobre América del Sur, mientras que el máximo ocurre sobre el norte de Canadá, Siberia y la costa de la Antártida al sur del continente australiano.

La inclinación viene dada por el ángulo por el que el campo apunta hacia abajo con respecto a la horizontal. Puede tener valores entre -90º (hacia arriba) y 90º (hacia abajo). En el polo norte magnético apunta completamente hacia abajo, y va progresivamente rotando hacia arriba al disminuir la latitud hasta la horizontal (inclinación 0º), que se alcanza en el ecuador magnético. Continúa rotando hasta alcanzar la vertical en el polo sur magnético. La inclinación puede ser medida con un círculo de inclinación. La declinación es positiva para una desviación del campo hacia el este relativa al norte geográfico. Se puede estimar al comparar la orientación de una brújula con la posición del polo celeste. Los mapas incluyen normalmente información de la declinación como un pequeño diagrama que muestra la relación entre el norte magnético y geográfico. La información de la declinación para una región puede ser representada por una carta isogónica (mapa de isolíneas que unen puntos con la misma declinación).

Cerca de la superficie de la Tierra, el campo magnético de esta puede ser razonablemente aproximado por el creado por un dipolo magnético localizado en el centro de la Tierra e inclinado con un ángulo de 11,5º con respecto al eje de rotación del planeta. El dipolo es aproximable a un imán de barra, con el polo sur apuntando hacia el polo norte geomagnético. Esto podría parecer sorprendente, pero el polo norte de un imán se define a partir de la atracción hacia el polo norte de la Tierra. Sobre la base de que el polo norte de un imán atrae al polo sur de otros imanes y repele los polos nortes, debe ser atraído al polo sur del imán de la Tierra. Este campo dipolar supone alrededor de un 80-90 % del campo total en la mayor parte de las localizaciones.

La posición de los polos magnéticos puede definirse por lo menos de dos maneras. Un polo de inclinación magnética es un punto de la superficie terrestre en el que su campo magnético es totalmente vertical. La inclinación del campo de la Tierra es de 90º en el polo norte magnético y -90º en el polo sur magnético. Los dos polos se desplazan independientemente del otro y no están situados perfectamente enfrentados en puntos opuestos del globo. Su desplazamiento puede ser rápido: se han detectado movimientos del polo norte magnético por encima de los 40 km por año. A lo largo de los últimos 180 años, el polo norte magnético ha estado migrando hacia el noroeste, desde el Cabo Adelaida en la península Boothia en 1831 hasta la bahía Resolute a 600 km de distancia en 2001. El ecuador magnético es la curva de nivel cero (el campo magnético es horizontal). Si se traza una línea paralela al momento del dipolo que más se aproxima al campo magnético terrestre los puntos de intersección con la superficie terrestre son llamados los polos geomagnéticos. Es decir, los polos norte y sur geomagnéticos serían equivalentes al polo norte y sur magnético si la Tierra fuera un dipolo perfecto. Sin embargo, el campo de la Tierra presenta una contribución significativa de términos no dipolares, por lo que los polos no coinciden.

Importancia

La Tierra está mayormente protegida del viento solar, un flujo de partículas energéticas cargadas que emana del Sol, por su campo magnético, que desvía la mayor parte de las partículas cargadas. Estas partículas destruirían la capa de ozono, que protege a la Tierra de dañinos rayos ultravioletas. El cálculo de la pérdida de dióxido de carbono de la atmósfera de Marte —que resultó en la captura de iones del viento solar— es consistente con la pérdida casi total de su atmósfera consecuencia del apagado del campo magnético del planeta. La polaridad del campo magnético de la Tierra se registra en las rocas sedimentarias. Las inversiones son detectables como bandas centradas en las dorsales oceánicas en las que el lecho oceánico se expande, mientras que la estabilidad de los polos geomagnéticos entre los diferentes sucesos de inversión permite a los paleomagnetistas seguir la deriva de continentes. Las inversiones también constituyen la base de la magnetoestratigrafía, un método de datar rocas y sedimentos. El campo también magnetiza la corteza; pudiéndose usar las anomalías para detectar menas de minerales valiosos. Los seres humanos han usado brújulas para orientarse desde el siglo XI a. C., y para la navegación desde el siglo XII.

Hipótesis del magnetismo terrestre

Hay dos modos de producir un campo magnético: bien por medio de un cuerpo imanado, 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 0C), ni el níquel ni el hierro pueden conservar su ferromagnetismo. El núcleo terrestre no puede ser, pues, un imán permanente.

Otras teorías, posteriores a la de la imanación 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 una dinamo autoexcitada.

Varios 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 a las teorías que sitúan el origen del campo magnético en procesos dinámicos que tienen lugar en su interior. J. Larmor, en 1919, fue el primero en proponer este tipo de proceso como constitutivo de un efecto de dinamo auto excitada, que originaría el campo magnético terrestre. 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 de la dinamo autoinducída, 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.

Medida y análisis

La intensidad del campo magnético fue medida por primera vez por Carl Friedrich Gauss en 1835 y ha sido medida en numerosas ocasiones desde entonces, mostrando un decaimiento relativo de alrededor del 10 % en los últimos 150 años. El satélite Magsat y posteriormente otros satélites han empleado magnetómetros de tres ejes para sondear la estructura tridimensional del campo magnético de la Tierra. El satélite Oersted señaló la existencia de una geodinamo dinámica en acción que parece estar haciendo surgir un polo alternativo bajo el océano Atlántico al oeste de Sudáfrica.

Las unidades operadas por los distintos gobiernos especializadas en la medida del campo magnético terrestre son los llamadas observatorios geomagnéticos, con frecuencia parte de un departamento de investigación geológica nacional, por ejemplo el observatorio Eskdalemuir del Departamento de Investigación Geológica Británico (British Geological Survey). Estos observatorios son capaces de medir y predecir las condiciones magnéticas que en forma de tormentas magnéticas alteran con frecuencia a las telecomunicaciones, a la energía eléctrica y a otras actividades humanas.

Las distintas fuerzas militares determinan las características del campo geomagnético local con el objetivo de detectar anomalías que podrían ser causadas por un objeto metálico relevante —como un submarino sumergido—. Estos detectores de anomalías magnéticas son utilizados en aviones como el Nimrod británico o remolcados como instrumental en barcos.

En el ámbito comercial, las compañías de prospección geofísica también usan detectores magnéticos para identificar anomalías producidas por menas de minerales interesantes económicamente, como la anomalía magnética Kursk.

Biomagnetismo

Existen animales —entre los que se incluyen varias especies de aves y tortugas— que pueden detectar el campo magnético de la Tierra y usarlo para orientarse durante sus migraciones. Las vacas y los ciervos tienden a alinear sus cuerpos en la dirección norte-sur al descansar, pero no cuando están cerca de líneas de alta tensión; esto ha llevado a creer a los investigadores que el magnetismo producido es el responsable.

Bibliografías

• Lorrain, Corson. Campos y ondas electromagnéticas. Editorial Selecciones Científicas, páginas 124-126.
• Kaganov, Tsukérnik. La naturaleza del magnetismo. Colección Física al alcance de todos, editorial Mir (1985).
• Aranda J. Sobre el movimiento de un conductor en un campo magnético. Enseñanza de las Ciencias. 1984 págs. 43-48.
• Berkson W. Las teorías de los campos de fuerza. Desde Faraday hasta Eisntein. Alianza Editorial (1985).
• Lorrain P. Corson D. Campos y ondas electromagnéticas. Selecciones Científicas (1972).
• Navarro Veguillas L. Fuerzas y campos en la Historia de la Física: de Aristóteles a Faraday. Mundo Científico, V-3, nº 29, 1983, págs. 1012-1018.
• Ramírez P., Barbero A. J., Mafé S. Campo magnético, autoinducción e inductancia mutua de bobinas circulares y solenoides. Revista Española de Física, 9 (4), 1995, págs, 39-44.
• Lorrain, Corson. Campos y ondas electromagnéticas. Editorial Selecciones Científicas, páginas 124-126.
• Kaganov, Tsukérnik. La naturaleza del magnetismo. Colección Física al alcance de todos, editorial Mir (1985).

Fuentes

• Meteorología en Red
• Cienciorama – Universidad Autónoma de México
• Repositorio Institucional de la Universidad de Oviedo (España)
• Departamento de Física – Universidad de Buenos Aires (Argentina)
• Revista de la Universidad de México
• Instituto Geográfico Nacional (España)
• Consorcio de Bibliotecas Universitarias de El Salvador
• Universidad Autónoma de Madrid (España)
• Centro Público de Educación Secundaria Obligatoria, Bachillerato y Ciclos Formativos en Albatera (España)